Materia oscura
Esto es Física Universitaria Respuestas con Shaun Dychko. El Big Bang del universo liberó aproximadamente 10 a los 68 julios y suponemos que la masa de una sola estrella en promedio es 4.00 veces 10 a los 30 kilogramos y ¿cuántas estrellas se necesitarían para dar cuenta de la mitad de esta energía? Entonces tenemos que la energía dividida por 2 es igual al número de estrellas por la masa por estrella por c al cuadrado y tenemos que dividir ambos lados por m s por c al cuadrado para resolver N. Entonces el número de estrellas es la energía liberada por el Big Bang dividida por 2 veces la masa por estrella por c al cuadrado. Así que son 10 a los 68 julios divididos por 2 a los 4,00 a los 30 kilogramos por 2,998 a los 8 metros por segundo al cuadrado, lo que supone unos 139 quintillones de estrellas.
Hola Aubrey, la “N” se inventó para representar el número de soles. La masa total necesaria es el número de soles (N, en otras palabras) multiplicado por la masa por cada sol. Quizá podría haberlo dejado más claro escribiendo las unidades de la masa solar como $\textrm{ kg/sun}$, que multiplicado por “soles” da kilogramos.
La energía es eterna
La hipótesis del universo de energía cero propone que la cantidad total de energía en el universo es exactamente cero: su cantidad de energía positiva en forma de materia se cancela exactamente con su energía negativa en forma de gravedad[1] Algunos físicos, como Lawrence Krauss, Stephen Hawking o Alexander Vilenkin, llaman o denominan a este estado “un universo de la nada”, aunque el modelo de universo de energía cero requiere que exista tanto un campo de materia con energía positiva como un campo gravitatorio con energía negativa. [La hipótesis se discute ampliamente en fuentes populares [3] [4] [5] Otros ejemplos de cancelación incluyen la prevalencia simétrica esperada de los momentos angulares de los objetos a derecha e izquierda (“spin” en el sentido común), la planitud observada del universo, la prevalencia igual de cargas positivas y negativas, el spin opuesto de las partículas en la mecánica cuántica, así como las crestas y valles de las ondas electromagnéticas, entre otros posibles ejemplos en la naturaleza.
Las pruebas experimentales de que el universo observable es un “universo de energía cero” no son actualmente concluyentes. La energía gravitacional de la materia visible representa entre el 26 y el 37% de la densidad de masa-energía total observada[14]. Por tanto, para que el concepto de “universo de energía cero” se ajuste al universo observado, son necesarios otros depósitos de energía negativa además de la gravedad de la materia bariónica. Con frecuencia se supone que estos depósitos son materia oscura[15].
La energía oscura
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En los libros y artículos de divulgación científica, sigo encontrando la afirmación de que la energía total del Universo es cero, “porque la energía positiva de la materia se anula con la energía negativa del campo gravitatorio”.
Como primera comprobación, hice un cálculo para calcular la energía potencial gravitatoria de una esfera de densidad uniforme de radio R utilizando las leyes de Newton y añadiendo $E=m{c}^2$ para la energía de la esfera, ¡y no era en absoluto obvio que la respuesta fuera cero!
De hecho, dos matemáticos muy conocidos, Schoen y Yau, en un artículo muy citado, demostraron la conjetura de hace tiempo de que la masa ADM es siempre POSITIVA (excepto para el espacio plano). Aquí está la referencia y el resumen:
En el contexto de la relatividad general, el universo se describe como un espaciotiempo lorentziano sujeto a un sistema acoplado de EDP conocido como las ecuaciones de campo de Einstein. Éstas relacionan la curvatura del espaciotiempo con un campo tensorial que depende de la distribución de la materia. Más concretamente, las ecuaciones de campo de Einstein dicen que en algunas unidades el tensor de Einstein del espaciotiempo es igual al tensor de energía-momento de la distribución de la materia. La afirmación que has encontrado es probablemente una paráfrasis de las ecuaciones de campo de Einstein.
Universo de energía cero
En 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que las distancias a las galaxias lejanas eran proporcionales a sus corrimientos al rojo. El desplazamiento al rojo se produce cuando una fuente de luz se aleja de su observador: la longitud de onda aparente de la luz se estira por efecto Doppler hacia la parte roja del espectro. La observación de Hubble implicaba que las galaxias lejanas se alejaban de nosotros, ya que las más lejanas tenían las velocidades aparentes más rápidas. Si las galaxias se alejan de nosotros, razonó Hubble, en algún momento del pasado debieron estar agrupadas.
En los primeros momentos después del Big Bang, el universo era extremadamente caliente y denso. A medida que el universo se fue enfriando, se dieron las condiciones idóneas para dar lugar a los bloques de construcción de la materia: los quarks y los electrones de los que estamos hechos. Unas millonésimas de segundo después, los quarks se agregaron para producir protones y neutrones. En pocos minutos, estos protones y neutrones se combinaron en núcleos. A medida que el universo seguía expandiéndose y enfriándose, las cosas empezaron a suceder más lentamente. Los electrones tardaron 380.000 años en quedar atrapados en órbitas alrededor de los núcleos, formando los primeros átomos. Éstos eran principalmente helio e hidrógeno, que siguen siendo, con mucho, los elementos más abundantes del universo. Las observaciones actuales sugieren que las primeras estrellas se formaron a partir de nubes de gas unos 150-200 millones de años después del Big Bang. Desde entonces, los átomos más pesados, como el carbono, el oxígeno y el hierro, se producen continuamente en el corazón de las estrellas y se catapultan por todo el universo en espectaculares explosiones estelares llamadas supernovas.
