El corrimiento al rojo del CMB frente a la energía oscura

Question

La radiación del fondo cósmico de microondas (CMB) comprende aproximadamente el 98% de toda la radiación electromagnética del universo. Y, desde la creación del CMB hasta hoy, esa radiación electromagnética se ha desplazado al rojo hasta unas 1100 veces su longitud de onda original. Y, el contenido energético de la radiación electromagnética es inversamente proporcional a su longitud de onda. Por lo tanto, el CMB ha perdido una inmensa cantidad de energía en los últimos 13.800 millones de años a causa del corrimiento al rojo debido al universo en expansión.

¿Cómo se compara esta cantidad de energía con la estimación de la energía oscura en el universo?

Answer 1

En términos de números directos en la actualidad, la energía oscura comprende alrededor del 70% de toda la energía del universo. La radiación, en cambio, constituye menos del 0,005% de la energía del universo. Es una fracción tan pequeña que es menor que el error asociado a los valores de la materia y la energía oscura.

Una buena forma de aproximar la comparación de las dos energías a lo largo del tiempo (con la expansión incluida) es a través del factor de escala de la métrica, $a$ . El factor de escala representa la relación entre la distancia entre dos puntos en un momento dado del tiempo y la distancia entre esos dos puntos ahora. Naturalmente, a medida que el universo se expande, la cantidad de volumen en una región determinada del universo aumenta como $a^3$ . Dicho esto, echemos un vistazo a la densidad de volumen de sus dos tipos de energía.

Como bien has señalado, la expansión del universo desplaza la radiación al rojo, lo que significa que el universo pierde esa energía por completo. A esto hay que añadir el hecho de que la densidad numérica de un número fijo de fotones es proporcional a $\frac{1}{a^3}$ y no es difícil entender por qué la relatividad dice que la densidad de energía total de la radiación disminuye como $\frac{1}{a^4}$ . En otras palabras, la cantidad total de energía contenida en la radiación disminuye aproximadamente como $\frac{1}{a}$ .

En cuanto a la energía oscura, el modelo actualmente aceptado, $\Lambda$ -CDM, trata la energía oscura como una densidad de energía constante. Eso significa que a medida que el universo se expande, la cantidad de energía oscura por unidad de volumen permanece constante. Vaya. Esto significa que la cantidad total de energía oscura aumenta como $a^3$ .

Si se suman, se ve que hay un aumento neto de la energía total del universo (la energía total de la materia permanece más o menos constante). Está claro que no es el caso de que la energía perdida por la radiación se recoja como energía oscura. Pero, por supuesto, eso ya lo sabías. Ya habías llegado a comprender que la energía de la radiación caía como $\frac{1}{a}$ y tendría que haber una relación seriamente funky (<-- término técnico) entre $a$ y la densidad energética de la energía oscura para que los dos totales sumen una constante. Te felicito por haber descubierto esto por ti mismo y por hacer una excelente pregunta de seguimiento.

Answer 2

La dinámica de la cosmología FLRW no es realmente muy diferente de la mecánica elemental newtoniana. Se pueden derivar algunos de sus aspectos más destacados utilizando la mecánica newtoniana. La energía $E~=~K~+~V$ tiene la energía total $E$ constante, y la cinética $K$ y el potencial $V$ Las energías se suman y se restan entre sí para mantener una energía total constante. El factor de escala para la evolución del espaciotiempo, que elaboro en un marco newtoniano aquí ¿Cómo pasó el universo de "dominado por la materia oscura" a "dominado por la energía oscura"? en un contexto newtoniano.

La ecuación relativista general más completa es $$ H^2~=~\left(\frac{\dot a}{a}\right)^2~=~H_0\left[\frac{\Omega_m}{a^3}~+~\frac{\Omega_r}{a^4}~+~(1~-~\Omega_r~-~\Omega_m)a^{-3(1+w)}\right] $$ Aquí $\Omega_m$ es válida para la materia, $\Omega_r$ para la radiación. $\Omega_m$ es $.26$ para la materia oscura y $.04$ para la materia luminosa, por lo que $\Omega_m~=~.3$ y actualmente $\Omega_r$ es muy pequeño. Esta ecuación describe la dinámica según la energía oscura o el vacío. En un marco newtoniano, el lado izquierdo es la energía cinética y el derecho el potencial. La pérdida de energía en los fotones significa que el fotón al ser estirado tiene su energía tomada por el espaciotiempo.