¿Cuántos fotones hay en el espacio libre en promedio?

La densidad numérica de fotones en el Universo es de aproximadamente 410 por cm$^3$(un poco más grande que la aproximación en la fuente dada en los comentarios, que usa la energía fotónica promedio), y está dominada por la radiación de Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Los fotones de estrellas/galaxias son más de dos órdenes de magnitud más pequeños y, por lo tanto, pueden despreciarse. Esta respuesta proporciona una descripción gráfica de las diversas contribuciones.

Si está interesado en la cantidad total de fotones en el Universo (observable), multiplique por su volumen dado por su radio de 47 mil millones de años luz (no puede calcular su radio como lo hace en su comentario, porque la tasa de expansión no está relacionada con la velocidad de la luz) para obtener aproximadamente$10^{89}$fotones Este número es aproximadamente constante a lo largo de la historia del Universo (pero la energía no lo es).

La energía de los fotones contribuye a la energía total del Universo, pero disminuye con la expansión a la cuarta potencia, como se explica en la respuesta de Evan Rule. Sin embargo, esta energía es energía "normal", en el sentido de que da como resultado una fuerza gravitacional (que hoy en día es insignificante, pero dominó hasta que el Universo tenía ~47.000 años) y, por lo tanto, actúa para disminuir la tasa de expansión. Por el contrario, la energía oscura tiene el efecto contrario de aumentar la tasa de expansión. Así que la respuesta a tu última pregunta es no.

En principio, la radiación o partículas similares a la radiación, como los neutrinos, podrían ser al menos una parte de la materia oscura . Esta sería la llamada "materia oscura caliente", pero su importancia se ha descartado como un contribuyente importante, ya que eliminaría las estructuras cosmológicas en lugar de causarlas (ver, por ejemplo, esta pregunta + respuestas ) .

La densidad de energía fotónica afecta la expansión del universo, similar al efecto de la materia oscura y la energía oscura. En la actualidad, sin embargo, la densidad de energía del fotón tiene un efecto mucho menor que la energía oscura o la materia oscura. Esto se debe a las diferentes formas en que las densidades de energía de los diversos componentes escalan con el tamaño del universo. La densidad de energía de la materia oscura (como era de esperar) escala como la densidad de la materia ordinaria

Los fotones, sin embargo, además de tener su densidad diluida por la expansión del espacio, también se desplazan hacia el rojo, por lo que su densidad de energía cae por un factor de escala inverso adicional.

Entonces, vemos que a medida que pasa el tiempo y aumenta el factor de escala, la densidad de energía oscura es constante, la densidad de materia oscura disminuye a medida que$a(t)^{-3}$y la densidad de energía fotónica cae como$a^{-4}$. Esta es la razón por la que actualmente vivimos en un período de expansión acelerada: la radiación y la densidad de la materia oscura se han diluido lo suficiente por la expansión para que la energía oscura domine.

Es importante tener en cuenta que el universo evoluciona de manera diferente durante los períodos dominados por la radiación, la materia oscura o la energía oscura. Específicamente, solo la energía oscura puede producir una expansión acelerada. Tanto la radiación como la materia oscura actúan para retardar y eventualmente revertir la expansión, aunque de maneras cuantitativamente diferentes.

En tiempos suficientemente tempranos, cuando$a(t)\ll 1$, la densidad de fotones será grande en comparación con la densidad de materia oscura y la densidad de energía oscura. Durante esta época dominada por la radiación, la densidad de energía de la radiación impulsará la evolución del factor de escala.

El siguiente gráfico muestra cómo evolucionó el factor de escala en un universo como el nuestro. Después de un período inicial de expansión exponencial (inflación), el universo estuvo dominado por la radiación, luego por la materia y finalmente por la energía oscura.

Finalmente, en esta respuesta se puede encontrar un cálculo de la densidad de energía fotónica actual a partir de la temperatura CMB .