Actualmente, la energía oscura (68,3%) y la materia oscura (26,8%) constituyen en conjunto alrededor del 95,1% del contenido total de materia-energía del universo, mientras que sólo el 4,9% es materia bariónica ordinaria. ¿Fue siempre así? ¿Son estas proporciones constantes desde el big bang o cambiaron con el tiempo?
Respuesta
¿Demasiados anuncios?
Respuesta corta: Las proporciones han cambiado con el tiempo... drásticamente . Esto es una consecuencia de la expansión de nuestro universo.
Inicialmente (y con esto quiero decir después de la conjetura de la época inflacionaria, que no voy a considerar aquí), la radiación dominó todas las demás formas de energía por mucho. Sin embargo, a medida que el universo se expande como se mide por el aumento del "factor de escala" $a(t)$ la densidad de energía de la radiación se escala como $ \rho_\text {rad} \propto a^{-4}$ mientras que la materia no relativista tiene una densidad de energía que escala como $ \rho_\text {mat} \propto a^{-3}$ . Tenga en cuenta que esto incluye materia oscura, que actualmente se cree que está compuesta de materia que no interactúa electromagnéticamente pero que por lo demás es similar a la "materia normal". Además, la materia oscura energía corresponde a una densidad de energía constante por unidad de volumen, es decir, no depende en absoluto del factor de escala: $ \rho_\Lambda\propto a^0$ .
Para entender la ley de escalamiento de la materia, simplemente piense en las partículas en una caja de expansión de volumen $V(t) \propto a^3(t)$ donde $a(t)$ es una característica "longitud de lado". La densidad de la partícula, que es proporcional a la densidad de energía de las partículas no relativistas, se escala como $V^{-1} \propto a^{-3}$ : La densidad de energía disminuye por pura dilución. En el caso de la radiación no sólo hay dilución, sino también el hecho de que la energía de, por ejemplo, un fotón (u otra partícula relativista) es proporcional a la longitud de onda, que también depende de $a$ como $ \lambda\propto a^{-1}$ es decir. $ \rho_\text {rad} \propto a^{-3}a^{-1}=a^{-4}$ debido a ambos redshifting y dilución.
Teniendo en cuenta estos hechos, es evidente que, aunque la radiación dominó inicialmente, la materia (no relativista) y la energía oscura adquieren cada vez más importancia con el tiempo (como $a(t)$ sigue creciendo). Por lo tanto, en algún momento la materia comenzó a dominar (inicialmente $ \rho_\text {mat}$ fue significativamente más alta que $ \rho_\Lambda $ ) pero eventualmente la mayor parte de la densidad de energía del universo se concentra en la energía oscura. Esta es la época en la que estamos entrando actualmente, ya que $ \rho_\Lambda $ es ahora más del 50% de la densidad total de la energía, pero aún no hay órdenes de magnitud más altas que todas las otras formas de energía.
Como un aparte, es interesante notar que potencialmente podría haber habido un cuarto componente de energía, debido a espacial curvatura, que se escalaría como $a^{-2}$ . Sin embargo, es un hecho experimental que la curvatura espacial del universo es exactamente cero o insignificantemente pequeña.
