Un model de l’univers explica la seva expansió accelerada sense necessitat d’energia fosca

El model dona explicacions més senzilles als fenòmens còsmics observats

L'expansió accelerada de l'univers no necessitaria d'energia fosca, segons un estudi publicat avui a la revista especialitzada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. L'autor del treball és Enrique Gaztañaga, investigador de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l'Institut de Ciències de l'Espai (ICE-CSIC). La seva recerca, de caràcter teòric, mostra que l'expansió còsmica es pot derivar simplement del fet que el nostre univers té una massa molt gran, però finita.

Un dia com avui de 1879 naixia Albert Einstein. Una de les majors icones de la ciència, és conegut sobretot per la teoria de la Relativitat, que va revolucionar la nostra manera d'entendre l'espai i el temps, així com la matèria i l'energia. Aplicant les seves equacions a l'univers, va arribar a la conclusió que havia d'introduir un nou terme, l'anomenada constant cosmològica, per evitar que l'univers col·lapsés fruit de la gravetat que els astres s'exerceixen mútuament. El significat d'aquesta constant, tanmateix, semblava difícil d'interpretar. En efecte, què és el que impedeix que l'univers es contregui sobre si mateix?

Des de llavors, els intents clarificadors no han cessat, i amb raó. Els astrònoms van descobrir no sols que l'univers no anava a col·lapsar, sinó que de fet s'expandeix de forma accelerada. L'energia fosca ha estat el concepte al qual els cosmòlegs han recorregut per explicar aquesta qüestió: ha d'haver-hi una abundant energia que repel·leixi a les galàxies entre elles. No obstant això, continua sent un misteri com s'origina aquesta energia.

En aquest context, l'investigador de l’IEEC a l'ICE-CSIC Enrique Gaztañaga ha presentat un model cosmològic que prescindeix per complet de l'energia fosca. «El model actual, la teoria del Big Bang, proposa que el nostre univers té una extensió infinita (i per tant una massa infinita). Tanmateix, per útils que resultin, els infinits són conceptes matemàtics abstractes que mai s'observen quan fem física. Si considerem que l'univers té una massa finita el problema de l'energia fosca desapareix», explica Gaztañaga.

L'investigador porta uns quatre anys treballant en el model d'un univers en un forat negre (Black Hole Universe, BHU). Normalment imaginem els forats negres com a masses molt compactes amb gran capacitat d'atracció gravitatòria, de manera que ni tan sols la llum pot escapar d'ells —d'aquí el seu nom. No obstant, l'aspecte clau que els defineix és aquest últim: que tinguin una frontera, anomenada radi gravitatori, de la qual res pugui escapar. Que la massa en el seu interior sigui més o menys compacta, dependrà de la densitat de cada forat negre.

«Imagina una goma de cautxú que s'estira (en expandir-se l’univers). Com és elàstica, apareix una força que s'oposa al seu estirament, més gran com més l'estires. L’energia fosca (o la constant cosmològica) seria una mesura d'aquesta elasticitat», comenta l'investigador. Però la goma té un límit d'estirament i això produeix el que es coneix com un efecte de vora. Això és degut a una propietat fonamental de la teoria de la Relativitat d'Einstein: cap esdeveniment pot succeir (en aquest cas, estirar-se) a una velocitat superior a la de la llum. «Això indica que som dins d’un horitzó d'esdeveniments (o radi gravitatori) a causa de la massa finita del nostre univers, que produeix exactament el mateix efecte de vora que l'energia fosca o la constant cosmològica. És per això que són innecessàries», explica Gaztañaga.

La cosmologia és un terreny procliu per a teories o hipòtesis difícils de validar. Tanmateix, la virtut d'aquest model és que dona explicacions més senzilles a fenòmens ja observats. «Existeixen altres models cosmològics que prescindeixen de l'energia fosca, o d'altres elements problemàtics (com l'anomenada matèria fosca), però es basen en la modificació de les lleis de la física. El model que proposo té l'avantatge que fa servir lleis ja conegudes, però això no ens eximeix de tractar de buscar més proves que aquesta és la interpretació correcta de l'acceleració còsmica», aclareix l'expert.

El model permet estimar algunes quantitats que poden comparar-se amb observacions realitzades del nostre univers. Per exemple, podem obtenir un valor de la massa de l'univers, que se situa en 6 · 10^22 masses solars (un 6 seguit de 22 zeros). Aquest és un número raonable tenint en compte les estrelles i galàxies que hi ha en el nostre univers. Obtenim també que la densitat de l'univers mesurada és més gran que la densitat d'un forat negre amb la mateixa massa. Això implica que tota la massa està continguda dins del radi gravitatori, la qual cosa concorda amb la idea que estem en un forat negre del qual res pot escapar. D'altra banda, també es pot calcular el temps que trigaria l'univers a expandir-se fins al límit o a col·lapsar sobre si mateix. En el model, això són 14.000 milions d'anys. Aquesta xifra coincideix aproximadament amb l'edat mesurada de les galàxies més antigues.

«El model podria canviar la idea que tenim actualment sobre l'origen de l'univers o l'evolució de les galàxies, per exemple. Sense anar més lluny, si el nostre univers està en un forat negre, qui ens diu que no pugui haver-hi altres universos en altres forats negres? En el fons, això és part de la Revolució Copernicana: no estem en un lloc privilegiat del cosmos», conclou Gaztañaga.

Nota de premsa preparada en col·laboració amb l’oficina de comunicació de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC).

Imatge Principal

Peu d’imatge: El nostre univers podria haver-se format com les primeres estrelles: col·lapsant i explotant en una supernova (un Big Bang). La imatge de l'esquerra mostra la nebulosa del Cranc, romanent d'una supernova. Podria ser un petit anàleg del nostre univers actual, representat per una simulació (MICE) a la imatge de la dreta.

Crèdits: NASA/ESA (esquerra) i MICE (dreta)

Enllaços

– IEEC
– ICE-CSIC
– MICE simulation
– Dark Cosmos (blog d’Enrique Gaztañaga)
 
Més informació

Aquesta recerca es presenta en un article titulat «The Mass of Our Observable Universe», d'Enrique Gaztañaga, que apareixerà a la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters el 14 de març de 2023.

L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia.  Com a resultat de 25 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.

L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat de recerca ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat de recerca CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) amb la unitat de recerca CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat de recerca ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC és un centre CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).

Contactes

Oficina de Comunicació de l'IEEC
Barcelona, Espanya
Correu electrònic: comunicacio@ieec.cat 

Autor Principal a l’IEEC
Barcelona, Espanya
Enrique Gaztañaga
Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC)
Correu electrònic: gazta@ieec.cat