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Físicos descubren un nuevo enfoque para resolver el misterioso misterio de la energía oscura

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Físicos descubren un nuevo enfoque para resolver el misterioso misterio de la energía oscura

Los físicos han propuesto una nueva interpretación de la energía oscura. Esto podría dar una idea de la interconexión entre la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad, como dos perspectivas sobre el universo y sus elementos.

¿Qué hay detrás de la energía oscura y qué la conecta con la constante cosmológica introducida por Albert Einstein? Dos físicos de la Universidad de Luxemburgo muestran la forma de responder a estas preguntas abiertas de la física.

El universo tiene una serie de propiedades extrañas que son difíciles de entender con la experiencia cotidiana. Por ejemplo, la materia que conocemos, que consiste en partículas elementales y compuestas que forman moléculas y materiales, aparentemente representa solo una pequeña parte de la energía del universo. La mayor contribución, alrededor de dos tercios, proviene deenergía oscura«- una forma hipotética de energía que los físicos de fondo todavía están perplejos. Además, el universo no solo se expande constantemente, sino también a un ritmo cada vez mayor.

Las dos características parecen estar relacionadas, porque energía oscura también es visto como un motor de expansión acelerada. Además, podría unir dos poderosas escuelas de pensamiento físico: la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad desarrollada por Albert Einstein. Pero hay una trampa: los cálculos y las observaciones hasta ahora están lejos de coincidir. Dos investigadores luxemburgueses han mostrado una nueva forma de resolver este rompecabezas de 100 años en un artículo publicado por la revista Cartas de exploración física.

El rastro de partículas virtuales en el vacío

“El vacío tiene energía. Este es un resultado fundamental de la teoría cuántica de campos”, explica el profesor Alexandre Tkatchenko, profesor de física teórica en el Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo. Esta teoría se desarrolló para unir la mecánica cuántica y la relatividad especial, pero la teoría cuántica de campos parece incompatible con la relatividad general. Su característica esencial: a diferencia de la mecánica cuántica, la teoría considera como objetos cuánticos no sólo partículas sino también campos sin materia.

«En este marco, muchos investigadores consideran que la energía oscura es una expresión de la llamada energía del vacío», dice Tkatchenko: una cantidad física que, en una imagen viva, es causada por constantes de emergencia e interacción de pares de partículas y sus antipartículas. . – como los electrones y los positrones – en lo que efectivamente es espacio vacío.

Fondo cósmico de microondas visto por Planck

Fondo cósmico de microondas visto por Planck. Crédito: ESA y la colaboración de Planck

Los físicos hablan de este ir y venir de partículas virtuales y sus campos cuánticos como vacío o fluctuaciones de punto cero. A medida que los pares de partículas se desvanecen rápidamente en la nada, su existencia deja una cierta cantidad de energía.

“Esta energía del vacío también tiene importancia en la relatividad general”, apunta el científico luxemburgués: “Se manifiesta en la constante cosmológica que Einstein incluyó en sus ecuaciones por razones físicas”.

Un cambio colosal

A diferencia de la energía del vacío, que solo puede deducirse de las fórmulas de la teoría cuántica de campos, la constante cosmológica puede determinarse directamente mediante experimentos astrofísicos. Las mediciones con el Telescopio Espacial Hubble y la misión espacial Planck han dado valores cercanos y confiables para la cantidad física fundamental. Los cálculos de energía oscura basados ​​en la teoría cuántica de campos, por otro lado, dan resultados que corresponden a un valor de la constante cosmológica de hasta 10120 veces más grande: una brecha colosal, aunque en la visión del mundo de los físicos que prevalece hoy, los dos valores deberían ser iguales. La discrepancia encontrada en cambio se conoce como el «Acertijo de la constante cosmológica».

«Esta es, sin duda, una de las mayores inconsistencias de la ciencia moderna», dijo Alexander Tkatchenko.

Modo no convencional de interpretación

Junto con su colega de investigación de Luxemburgo, el Dr. Dmitry Fedorov, ahora ha traído la solución a este rompecabezas que ha estado abierto durante décadas, un paso más cerca de la solución. En un trabajo teórico cuyos resultados publicaron recientemente en Cartas de exploración física, los dos investigadores luxemburgueses ofrecen una nueva interpretación de la energía oscura. Asume que las fluctuaciones del punto cero conducen a una polarizabilidad del vacío, que se puede medir y calcular.

«En pares de partículas virtuales de carga eléctrica opuesta, resulta de las fuerzas electrodinámicas que estas partículas ejercen entre sí durante su extremadamente corta existencia», dice Tkatchenko. Los físicos llaman a este vacío autointeracción. «Esto conduce a una densidad de energía que se puede determinar utilizando un nuevo modelo», explica el científico luxemburgués.

Junto con su colega de investigación Fedorov, desarrollaron el modelo básico para los átomos hace unos años y lo presentaron por primera vez en 2018. El modelo se usó originalmente para describir las propiedades atómicas, en particular la relación entre la polarizabilidad de los átomos y las propiedades de equilibrio. . de ciertas moléculas y sólidos no unidos covalentemente. Dado que las características geométricas son bastante fáciles de medir experimentalmente, la polarizabilidad también se puede determinar a través de su fórmula.

«Transferimos este procedimiento a procesos en el vacío», dice Fedorov. Para ello, los dos investigadores observaron el comportamiento de los campos cuánticos, que representan en particular el “ir y venir” de electrones y positrones. Las fluctuaciones de estos campos también se pueden caracterizar por una geometría de equilibrio ya conocida experimentalmente. “Lo insertamos en las fórmulas de nuestro modelo y así finalmente obtuvimos la fuerza de la polarización intrínseca del vacío”, informa Fedorov.

El último paso consistió entonces en calcular en mecánica cuántica la densidad de energía de la autointeracción entre las fluctuaciones de electrones y positrones. El resultado así obtenido concuerda bien con los valores medidos para la constante cosmológica. Esto significa: «La energía oscura se puede atribuir a la densidad de energía de la autointeracción de los campos cuánticos», enfatiza Alexander Tkatchenko.

Valores constantes y pronósticos verificables

“Nuestro trabajo ofrece así un enfoque elegante y poco convencional para resolver el enigma de la constante cosmológica”, resume el físico. «Además, proporciona una predicción comprobable: a saber, que los campos cuánticos como los de los electrones y los positrones poseen una polarización intrínseca pequeña pero siempre presente».

Este descubrimiento allana el camino para futuros experimentos para detectar esta polarización también en el laboratorio, dicen los dos investigadores luxemburgueses. “Nuestro objetivo es derivar la constante cosmológica a partir de un riguroso enfoque teórico cuántico”, enfatiza Dmitry Fedorov. «Y nuestro trabajo contiene una receta sobre cómo lograrlo».

Él ve los nuevos resultados obtenidos con Alexander Tkatchenko como el primer paso hacia una mejor comprensión de la energía oscura y su vínculo con la constante cosmológica de Albert Einstein.

Finalmente, Tkatchenko está convencido: «En última instancia, también podría arrojar luz sobre cómo la teoría cuántica de campos y la teoría general de la relatividad se entrelazan como dos formas de ver el universo y sus componentes».

Referencia: «Densidad de energía de autointeracción de Casimir de campos electrodinámicos cuánticos» por Alexandre Tkatchenko y Dmitry V. Fedorov, 24 de enero de 2023, Cartas de exploración física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.041601

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Cancelado el lanzamiento final del cohete Delta IV Heavy justo antes del despegue

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Cancelado el lanzamiento final del cohete Delta IV Heavy justo antes del despegue

ACTUALIZACIÓN: El lanzamiento del cohete Delta IV Heavy se pospuso hasta el viernes 29 de marzo a la 1:37 p. m. EDT, debido a un problema con el gasoducto de nitrógeno. Live Science transmitirá en vivo el próximo intento de lanzamiento en ese momento. aquí está declaración completa publicado por United Launch Alliance:

«El lanzamiento de un United Launch Alliance Delta IV Heavy que transportaba la misión NROL-70 para la Oficina Nacional de Reconocimiento fue cancelado debido a un problema con el gasoducto de nitrógeno que proporciona presión neumática a los sistemas del vehículo de lanzamiento. El equipo ha iniciado operaciones para asegurar El lanzamiento está programado para el viernes 29 de marzo a la 1:37 p.m.EDT.

El último cohete Delta de United Launch Alliance (ULA) está programado para lanzarse mañana (29 de marzo) a las 13:37 ET (17:37 GMT) en una misión clasificada para la Oficina Nacional de Reconocimiento (NRO) de los Estados Unidos, y Puedes verlo en vivo aquí.

El lanzamiento pondrá fin a 64 años de la flota de cohetes Delta, diseñados para transportar grandes cargas útiles al espacio. El cohete pesado Delta IV, que es el decimosexto de su tipo lanzado desde 2004, transportará carga secreta durante su despegue final desde el Complejo de Lanzamiento Espacial-37 en la estación espacial de Cabo Cañaveral en Florida.

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Nueva imagen del agujero negro de la Vía Láctea muestra un campo magnético en espiral: NPR

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Nueva imagen del agujero negro de la Vía Láctea muestra un campo magnético en espiral: NPR

Por primera vez observamos el agujero negro de Sagitario A* en luz polarizada. La colaboración del Event Horizon Telescope dice que la imagen ofrece una nueva mirada al «campo magnético alrededor de la sombra del agujero negro» en el centro de la Vía Láctea.

Colaboración EHT


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Por primera vez observamos el agujero negro de Sagitario A* en luz polarizada. La colaboración del Event Horizon Telescope dice que la imagen ofrece una nueva mirada al «campo magnético alrededor de la sombra del agujero negro» en el centro de la Vía Láctea.

Colaboración EHT

El agujero negro en el centro de nuestra galaxia ha sido comparado con un donut, y resulta que ese donut tiene remolinos. Los científicos compartieron una nueva imagen fascinante el miércoles, que muestra a Sagitario A* con un detalle sin precedentes. La imagen de luz polarizada muestra la estructura del campo magnético del agujero negro en forma de una llamativa espiral.

«Lo que estamos viendo ahora es que hay campos magnéticos fuertes, retorcidos y organizados cerca del agujero negro en el centro de la Vía Láctea», dijo Sara Issaoun, codirectora del proyecto y becaria Einstein en el programa de la Vía Láctea. Becas Hubble de la NASA. Centro Harvard y Smithsonian de Astrofísica, dijo en un declaración sobre la imagen.

La imagen captura lo que la colaboración del Event Horizon Telescope llama una «nueva vista del monstruo que acecha en el corazón de la Vía Láctea».

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La analogía del donut también se aplica a la distancia: debido a la distancia entre la Vía Láctea y la Tierra, mirarla desde nuestro planeta es como ver un donut en la superficie de la Luna.

Sagitario A*, también llamado a menudo Sgr A*, está aproximadamente a 27.000 años luz de la Tierra. La primera imagen del agujero negro supermasivo se publicó hace dos años y muestra gas brillante alrededor de un centro oscuro, y carece de los detalles de la nueva imagen.

El agujero negro supermasivo Sagitario A* es visible a la izquierda, en luz polarizada. La imagen central insertada muestra la emisión polarizada del centro de la Vía Láctea, capturada por SOFIA. La imagen de fondo muestra el mapeo de la emisión de polvo polarizado a través de la Vía Láctea realizado por la Colaboración Planck.

S. Issaoun, Colaboración EHT


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S. Issaoun, Colaboración EHT

El agujero negro supermasivo Sagitario A* es visible a la izquierda, en luz polarizada. La imagen central insertada muestra la emisión polarizada del centro de la Vía Láctea, capturada por SOFIA. La imagen de fondo muestra el mapeo de la emisión de polvo polarizado a través de la Vía Láctea realizado por la Colaboración Planck.

S. Issaoun, Colaboración EHT

Se sabe que los agujeros negros son «efectivamente invisibles», como se muestra La NASA dice. Pero afectan significativamente el espacio que los rodea, más obviamente al crear un disco de acreción: un remolino de gas y material que orbita una región central oscura.

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La primera imagen de un agujero negro se publicó en 2019, cuando el proyecto Event Horizon Telescope compartió una imagen del agujero negro en el centro de la galaxia Messier 87 (M87), a unos 55 millones de años luz de la Tierra en el cúmulo de galaxias Virgo. . Aunque está más lejos, el agujero negro conocido como M87* es mucho más grande que Sagitario A*.

Cuando los investigadores compararon recientemente vistas de los dos agujeros negros en luz polarizada, quedaron sorprendidos por sus características comunes, siendo las más espectaculares estos remolinos.

«Además del hecho de que Sgr A* tiene una estructura de polarización sorprendentemente similar a la observada en el agujero negro M87*, mucho más grande y poderoso», dijo Issaoun, «hemos aprendido que los campos magnéticos fuertes y ordenados son esenciales para cómo funcionan los agujeros negros». Los agujeros interactúan con el gas y la materia que los rodea”.

Las imágenes lado a lado de M87* y Sagitario A* revelan que los agujeros negros supermasivos tienen estructuras de campo magnético similares, lo que sugiere que los procesos físicos que gobiernan los agujeros negros supermasivos pueden ser universales.

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Desde un punto de vista práctico, los agujeros negros presentan una diferencia sorprendente: mientras que M87* tiene la habilidad de permanecer estable, nuestro Sgr A* «cambia tan rápidamente que no se queda quieto para tomar fotografías», dijeron los investigadores en su comunicado de prensa. .

En el momento en que se capturaron las observaciones de Sgr A*, la colaboración del EHT estaba utilizando ocho telescopios en todo el mundo, uniéndolos para crear un instrumento del tamaño de un planeta, aunque virtual. Los resultados de su trabajo fueron publicados el miércoles en Cartas de la revista astrofísica..

Se espera que la colaboración observe a Sgr A* nuevamente en abril.

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