¿El contenido de materia-energía de nuestro universo siempre se distribuyó en las mismas proporciones?

Respuesta corta: las proporciones han cambiado con el tiempo... drásticamente . Esto es una consecuencia de la expansión de nuestro universo.

Inicialmente (y con esto me refiero a después de la supuesta época inflacionaria, que no consideraré aquí), la radiación dominó con mucho a todas las demás formas de energía. Sin embargo, a medida que el universo se expande --- medido por el aumento del "factor de escala"$a(t)$, la densidad de energía de radiación escala como$\rho_\text{rad}\propto a^{-4}$mientras que la materia no relativista tiene una densidad de energía que escala como$\rho_\text{mat}\propto a^{-3}$. Tenga en cuenta que esto incluye la materia oscura, que en la actualidad se cree que está compuesta de materia que no interactúa electromagnéticamente pero que, por lo demás, es similar a la "materia normal". Además, la energía oscura corresponde a una densidad de energía constante por unidad de volumen, es decir, no depende en absoluto del factor de escala:$\rho_\Lambda\propto a^0$.

Para comprender la ley de escala de la materia, simplemente piense en partículas en una caja de volumen en expansión$V(t)\propto a^3(t)$dónde$a(t)$es una "longitud lateral" característica. La densidad de partículas, que es proporcional a la densidad de energía de las partículas no relativistas, escala como$V^{-1}\propto a^{-3}$: La densidad de energía disminuye puramente debido a la dilución. Para la radiación no solo hay dilución, sino también el hecho de que la energía de, por ejemplo, un fotón (u otra partícula relativista) es proporcional a la longitud de onda, que también depende de$a$como$\lambda\propto a^{-1}$, es decir$\rho_\text{rad}\propto a^{-3}a^{-1}=a^{-4}$debido tanto al corrimiento al rojo como a la dilución.

Teniendo en cuenta estos hechos, está claro que aunque la radiación dominó inicialmente, la materia (no relativista) y la energía oscura se vuelven cada vez más importantes con el tiempo (como$a(t)$sigue creciendo). Por lo tanto, en algún momento la materia comenzó a dominar (inicialmente$\rho_\text{mat}$fue significativamente mayor que$\rho_\Lambda$) pero eventualmente la mayor parte de la densidad de energía del universo se concentra en energía oscura. Esta es la época en la que estamos entrando actualmente, ya que$\rho_\Lambda$es ahora más del 50% de la densidad de energía total, pero aún no es mucho mayor que todas las demás formas de energía.

Aparte, es interesante notar que potencialmente podría haber un cuarto componente de energía, debido a la curvatura espacial , que escalaría como$a^{-2}$. Sin embargo, es un hecho experimental que la curvatura espacial del universo es exactamente cero o insignificantemente pequeña.