Ecuaciones de Friedmann

Cuando los planetas giran alrededor del Sol, no solo siguen sus órbitas: también se atraen ligeramente entre sí. Es como un baile en el que cada pareja siente el movimiento de los demás. Los científicos decidieron averiguar cuánto cambia esta atracción mutua las trayectorias de los planetas. Resulta que hay pequeñas correcciones que antes no se tenían en cuenta.

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

Dos cuerpos masivos, suspendidos en una superposición cuántica, recuerdan a una pareja de bailarines que intenta mantener un ritmo común mientras a su alrededor una orquesta hace ruido. Cada onda gravitacional es como un músico que los saca del compás.

Una balanza que no pesa un cuerpo, sino el propio espacio que lo rodea. Así funcionan las ecuaciones de Einstein en la relatividad general: conectan la curvatura del espacio-tiempo con lo que hay en él. En el lado derecho de la ecuación —donde está la «materia»— se suele poner o bien la densidad de energía, o bien la presión.

El universo temprano se asemejaba a un caldero recalentado en el que bullían las fluctuaciones cuánticas (estallidos aleatorios de energía). En ese caos, como el vapor sobre el agua hirviendo, se condensó un campo especial: el escalar. Este se convirtió en el "motor" que hizo que el espacio se expandiera a una velocidad increíble.

Un péndulo en una habitación ruidosa recibe constantemente empujones de la gente que pasa. Su movimiento es una mezcla de oscilaciones regulares y sacudidas aleatorias. Algo similar les sucede a las débiles ondas gravitacionales en el contexto de un universo en expansión.

Una fracción de segundo después del Big Bang, el universo era un caldo hirviente de partículas y antipartículas. Según todas las leyes, deberían haberse aniquilado mutuamente, dejando solo el vacío. Pero por una razón desconocida, por cada mil millones de pares, quedó una partícula de materia 'extra'.

El modelo cosmológico estándar ΛCDM (que incluye energía oscura y materia oscura fría) es la partitura de una sinfonía cósmica. Describe cómo, tras el Big Bang, el espacio se expandió. Cómo se agrupó la materia oscura. Cómo se encendieron las galaxias.

El universo temprano no se parecía a un estanque tranquilo, sino a un caldero burbujeante. La materia fluía, chocaba y se arremolinaba, todo en medio de la rápida expansión del propio espacio. Para entender cómo de esa sopa caliente nacieron las estrellas y las galaxias, los físicos construyen simulaciones digitales.

En el silencio del mundo cuántico no hay vacío. Las partículas están entrelazadas por hilos invisibles: el entrelazamiento. Los autores del trabajo propusieron que el propio tejido del espacio-tiempo está urdido con esos hilos.

El meteorólogo traza una línea negra gruesa a través de toda Europa: al norte, heladas; al sur, deshielo. Esta frontera —la isoterma cero— no dice qué temperatura hace en Estocolmo o Roma, pero indica con total honestidad dónde termina el invierno. En la cosmología de los últimos años ha aparecido un mapa en el que se puede trazar un límite análogo.

El plano de ingeniería de un rascacielos siempre contiene un número: la carga máxima sobre los cimientos, digamos 500 kilopascales. Las Ecuaciones de Einstein del curvatura del espacio-tiempo imponen un límite similar sobre la 'carga de fuerza' dentro de estrellas, planetas y cualquier otro cúmulo de materia.

37 pares de galaxias de diferentes edades sirvieron como relojes. Sus manecillas — la diferencia en la edad de las estrellas — contaron qué tan rápido se expandía el universo en diferentes épocas. Con base en estas lecturas, los cosmólogos construyeron un detector de mentiras para la energía oscura.

La cosmología se ha metido en un buen lío. Las dos principales formas de mirar al pasado del universo —la radiación temprana (la radiación cósmica de fondo) y los objetos más tardíos como las supernovas— arrojan números diferentes tanto para la velocidad de expansión (la constante de Hubble) como para lo 'grumosa' que está distribuida la materia.

Las ondas cósmicas comienzan con pequeños cúmulos. A los 380 000 años después del Big Bang, el universo era casi homogéneo: las variaciones de densidad eran solo de 1/100 000. Pero la gravedad convirtió esas débiles fluctuaciones en galaxias, cúmulos y enormes vacíos.

A 380 mil años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente como para que la luz se separara del plasma. Este fondo cósmico de microondas aún impregna el cosmos, como el primer acorde de una sinfonía, el eco de un comienzo caliente.

A los tres minutos del Big Bang, el universo tocaba su primera sinfonía. Era la Big Bang nucleosíntesis — la formación de núcleos ligeros, donde cada elemento sonaba con su nota, y el ritmo lo marcaba la expansión del espacio.

Las ondas cósmicas comienzan con pequeños cúmulos. A los 380 000 años después del Big Bang, el universo era casi homogéneo: las variaciones de densidad eran solo de 1/100 000. Pero la gravedad convirtió esas débiles fluctuaciones en galaxias, cúmulos y enormes vacíos.

4 610 universos — exactamente esa cantidad de modelos cosmológicos necesitaron los astrofísicos para demostrar que la familiar máscara gaussiana ya no funciona para los datos de nueva generación.

En los primeros instantes después del Big Bang, la transición de fase cósmica dividió el plasma caliente en regiones con diferentes vacíos — los estados de menor energía del campo.

Después del Big Bang, el Universo experimentó una serie de transiciones de fase —como agua transformándose en hielo, pero con patrones impredecibles—. Al romperse simetrías discretas en los campos cuánticos, nacieron las paredes de dominio: fronteras entre distintos vacíos, semejantes a cicatrices en el tejido del espacio-tiempo.

La cosmología moderna ha caído en una disonancia. Las mediciones locales de la constante de Hubble basadas en supernovas y cefeidas arrojan alrededor de 73 km/s/Mpc, mientras que las restricciones globales del fondo cósmico de microondas dentro del modelo estándar ΛCDM indican 67 km/s/Mpc.

El Universo entona su majestuosa sinfonía de expansión desde hace casi 14 mil millones de años. Los astrónomos, como afinadores de orquesta, captan sus armónicos: el corrimiento al rojo de galaxias lejanas, siguiendo el descubrimiento de Edwin Hubble y la intuición teórica de [scientist:Georges…

Un océano infinito donde cada ola lleva información sobre lo que ocurre en las profundidades. Así es, más o menos, nuestro universo según el principio holográfico: la física dentro de un volumen puede describirse mediante procesos en su frontera.

Desde que Edwin Hubble descubrió la expansión de las galaxias, la ley de expansión del universo — ley de Hubble — sigue siendo la piedra angular de la cosmología.

El Universo es una orquesta grandiosa donde la energía oscura dirige la expansión.

Desde que Saul Perlmutter y sus colegas descubrieron la expansión acelerada del universo, los físicos se devanan los sesos con la naturaleza de la energía oscura.

Cuando después del Big Bang el cosmos en enfriamiento perdía la simetría primordial, en los campos surgían tensiones, como si en un vidrio que se solidifica crecieran microfisuras. Los monopolos globales, predichos por Gerard 't Hooft y Polyakov, se convirtieron en «cicatrices» similares en el tejido del universo.

El modelo cosmológico estándar, basado en las ecuaciones de campo propuestas por Einstein, describe el Universo como un cóctel de materia oscura (descubierta gracias a Vera Rubin) y energía oscura en una proporción aproximada…

Imagina una orquesta cósmica interpretando una sinfonía desde el Big Bang hasta nuestros días. El director —energía oscura— durante mucho tiempo pareció un metrónomo impasible: la constante cosmológica Λ inmóvil, como una batuta congelada en el aire.

La inflación es la expansión vertiginosa del Universo recién nacido, cuando las fluctuaciones cuánticas se estiraron hasta escalas cósmicas. La radiación cósmica de fondo — luz fosilizada de aquella época, sombras en la pared de nuestra caverna cósmica.

En un estudio reciente, los astrofísicos mostraron cómo la física anterior a la recombinación, en particular la energía oscura temprana, afecta la variación espectral $$α_s$$ y, en consecuencia, la viabilidad de los escenarios de formación de agujeros negros primordiales a partir de la fase de rodadura ultralenta (USR) durante la inflación.

La explosión de una lejana supernova nos contó algo difícil de creer: el mundo se expande cada vez más rápido. El motor de esta aceleración es la energía oscura, casi el 70% de todo lo que existe.

Los modelos estadísticos son un intento de tender una telaraña matemática perfecta sobre el paisaje irregular de los datos. Cuando el modelo se resiste, emite tensión, pero nos hemos acostumbrado a ignorarla. Los investigadores pasan horas escudriñando gráficos de residuos, tratando de adivinar dónde el modelo «cruje por las costuras». Squealer traduce esa resistencia en sonido.

La cosmología se parece a una orquesta en la que los distintos grupos de instrumentos de repente empezaron a tocar descoordinados. Las mediciones de la velocidad de expansión del universo (la constante de Hubble) basadas en el universo temprano y en el tardío arrojan números diferentes.

El espacio en el que vivimos parece tridimensional. Pero cuando los físicos intentan reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica, las dimensiones habituales comienzan a comportarse de manera extraña.

Una bola de billar golpea a otra, y la suma de sus velocidades antes y después del golpe obedece reglas estrictas. En el microcosmos ocurre lo mismo: la energía, el momento y la carga no pueden simplemente desaparecer.

A finales de los años 1990, el cielo estrellado nos dio una sorpresa: Saul Perlmutter y Adam Riess descubrieron que la expansión del Universo se acelera.

Desde pequeños nos acostumbramos a pensar que el espacio es infinito e isótropo. Pero Einstein y Lemaître ya se preguntaban: ¿no estará el Universo cerrado sobre sí mismo, como una cinta de Möbius o un toro tridimensional?