Imagen: JWST Telescopio espacial James Webb de la NASA (dominio público).
La gran mayoría del Universo (70%) se encuentra en una forma desconocida.
Según el modelo estándar ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), la expansión acelerada del universo se atribuye a una forma de energía oscura, generalmente llamada energía oscura. El modelo estándar ΛCDM es el modelo cosmológico más aceptado en 2023. Describe el universo como compuesto por un 68% de energía oscura, un 27% de materia oscura y un 5% de materia ordinaria. La energía oscura está absolutamente en todas partes.
El modelo ΛCDM es compatible con una amplia gama de observaciones, incluida la ley de Hubble, la distribución de galaxias y la composición del universo. Sin embargo, plantea algunos problemas teóricos, incluida la naturaleza de la energía oscura y el hecho de que constituye una fracción tan grande del universo.
La explicación puede provenir simplemente de la constante cosmológica inducida por la relatividad general, que tendría un valor distinto de cero.
Esta constante Λ, añadida por Albert Einstein a sus ecuaciones de la relatividad general (1915), en febrero de 1917, explica esta expansión siempre que se le dé un valor muy preciso.
Para algunos cosmólogos esto no es satisfactorio y por eso miran más allá.
Existe una gran cantidad de teorías alternativas o extensiones del modelo que buscan explicar esta aceleración de diferentes maneras.
Estas teorías alternativas se han propuesto para explicar la expansión del universo sin involucrar la energía oscura. Se pueden clasificar en dos categorías: las que modifican la composición del universo y las que modifican la teoría de la gravitación.
• Quintessence postula la existencia de un campo escalar dinámico, llamado campo de quintaesencia, que llena el universo con energía que evoluciona con el tiempo. Este desarrollo puede conducir a cambios en la aceleración de la expansión del universo durante las épocas cósmicas.
• K-essence implica la existencia de un campo escalar dinámico que llena el universo. A diferencia de un campo escalar con una ecuación de estado simple (como la asociada con un campo de quintaesencia), el campo de esencia K puede tener una ecuación de estado más compleja.
• La energía oscura fantasma reside en una ecuación de estado "fantasma" donde la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, lo que conduce a una aceleración de la expansión del universo que se vuelve cada vez más rápida. A diferencia de la energía oscura estándar, que conduce a una expansión acelerada pero limitada, la energía oscura fantasma sugiere una expansión que se vuelve infinita en un tiempo finito, lo que puede tener implicaciones interesantes y especulativas para el destino final del universo.
• La Quintaesencia Acoplada explica la aceleración observada de la expansión del universo, introduciendo grados de libertad adicionales en comparación con la constante cosmológica simple Λ del modelo ΛCDM.
• El gas Chaplygin introduce una presión negativa asociada con la ecuación de estado de Chaplygin. Podría generar una fuerza repulsiva, simulando así el efecto de la energía oscura.
• Janus es una teoría cosmológica propuesta por el físico Julian Barbour. La idea clave es considerar que el tiempo no es una entidad fundamental, sino un concepto emergente. Barbour propone que el tiempo que percibimos resulta de una simetría particular, llamada simetría de Jano, que vincula los estados preferenciales de dos universos espejo. Estos dos universos están descritos por la teoría, y la simetría de Jano los conecta de tal manera que en cada uno de ellos surge un concepto de tiempo.
• Janus-Petit, se basa en los mismos principios que la teoría original de Barbour, pero introduce una nueva hipótesis. La hipótesis de Petit es que la métrica negativa de la teoría de Jano está asociada con una forma de materia o energía que existe en una dimensión adicional. Esta dimensión adicional está oculta a nuestra observación, pero interactúa con la dimensión espacial que percibimos.
• La teoría de Gauss-Bonnet es una extensión de la relatividad general que incluye términos adicionales en las ecuaciones del campo gravitacional. Más precisamente, incorpora el término de Gauss-Bonnet, que es una combinación particular de términos de curvatura cuadrática en la acción gravitacional.
• La teoría de Einstein-Æther es un enfoque alternativo a la relatividad general de Albert Einstein. Propone una modificación de la teoría de la gravedad introduciendo un campo vectorial, llamado campo de éter, que es un vector unitario vinculado al espacio-tiempo. Esta teoría se desarrolló para explorar escenarios en los que la simetría de Lorentz (que describe la invariancia de las leyes físicas bajo transformaciones de Lorentz) puede romperse espontáneamente.
• Cascading Gravity se basa en la idea de que el espacio-tiempo que observamos puede contener varias dimensiones adicionales, más allá de las cuatro dimensiones que comúnmente percibimos (tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal). Estas dimensiones adicionales están compactadas en una escala muy pequeña, y es su influencia en la escala cosmológica lo que se explora en esta teoría.
• Los Cuatro Fabulosos es una teoría cosmológica propuesta por los físicos John Moffat y Paul Wesson. Se basa en la idea de que la expansión del universo se debe a la presencia de una nueva forma de materia o energía, llamada "materia de Wesson".
• La teoría Galileon es una clase de teorías de campos escalares en el contexto de la gravedad que generaliza las propiedades de simetría de Galileo. El nombre "Galileón" proviene del hecho de que estas teorías comparten simetrías similares al movimiento galileano en la mecánica clásica.
• La teoría DGP (Dvali-Gabadadze-Porrati) es una teoría de la gravedad formulada por Gia Dvali, Gregory Gabadadze y Massimo Porrati en la década de 2000. La característica principal de la teoría DGP es la introducción de dimensiones adicionales del espacio-tiempo, además de las cuatro dimensiones que comúnmente observamos (tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal). Estas dimensiones adicionales a menudo se denominan "branas" (abreviatura de membranas) en el contexto de la teoría de cuerdas y las dimensiones adicionales.
• La teoría de Brans-Dicke fue diseñada para explorar posibilidades más allá de la gravedad einsteniana estándar, introduciendo un campo escalar adicional (a veces llamado "dilatón") en las ecuaciones de gravedad.
• Bigravity es una proposición teórica en el campo de la física que explora la posibilidad de que la gravedad resulte de la interacción de dos campos gravitacionales distintos en lugar de solo uno.
• La teoría de Horndeski es una clase especial de teorías de gravedad alternativas que abarca modelos de gravedad tensorial escalar. Fue formulada por Gregory Horndeski en 1974 y se caracteriza por la presencia de una quinta fuerza, distinta de la gravedad newtoniana estándar, que surge de un campo escalar no mínimamente acoplado a la gravedad.
• La teoría f(R) es una clase de teorías de la gravedad modificada que generaliza la gravedad de Einstein introduciendo una función arbitraria f(R) en las ecuaciones de campo. La teoría f(R) supone que la constante de curvatura de la relatividad general es función de la curvatura del espacio-tiempo. Esto significa que la gravitación puede ser diferente en diferentes escalas.
• La gravedad masiva es una extensión de la gravedad general de Einstein que explora la posibilidad de que las partículas responsables de transmitir la fuerza gravitacional, llamadas gravitones, tengan masa distinta de cero. A diferencia de la gravedad general, donde los gravitones se consideran sin masa, la gravedad masiva propone que estas partículas tengan una masa determinada.
• La teoría Randall-Sundrum propone una extensión de la dimensión habitual del espacio-tiempo incluyendo una dimensión adicional, a menudo llamada dimensión adicional "compacta". Las principales características de la teoría se describen en dos modelos, generalmente denominados RS1 y RS2.
A los científicos no les falta creatividad. Existen muchas otras teorías alternativas en el campo de la física teórica y la cosmología, que buscan explicar fenómenos como la energía oscura o la expansión acelerada del universo. Algunas de estas teorías son más especulativas que otras y pueden tener implicaciones más allá de las observaciones actuales.
La investigación en estas áreas está activa, pero aún no se ha aceptado ampliamente ninguna teoría alternativa como explicación completa y definitiva de los fenómenos observados en el universo. Sin embargo, representan una forma prometedora de resolver los problemas teóricos del modelo ΛCDM.
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