¿Está aumentando la temperatura del universo?

Sé que la temperatura del universo está disminuyendo debido a su expansión después del Big Bang, pero después de que se me ocurrió este artículo en AOP (tenga en cuenta que no tengo acceso a la revista, así que acabo de leer el resumen) después leyendo esto estoy bastante confundido.

Un medio de comunicación afirma que:

El estudio del Centro de Cosmología y Física de Astropartículas de la Universidad Estatal de Ohio muestra que "el universo se está calentando". Esta gran revelación se produjo en medio de los inquietos exámenes de los científicos sobre la historia térmica del universo durante los últimos 10 mil millones de años.

También se ha dicho que:

El estudio también explicó cómo, con la evolución del universo, la gravedad atrae la materia oscura y el gas en el espacio para formar galaxias y cúmulos de galaxias. El tirón es tan violento que más y más gas es sacudido y calentado. Los científicos utilizaron un nuevo método para medir la temperatura del gas más lejos de la Tierra. Los científicos, durante la investigación, compararon esas mediciones con gases más cercanos a la Tierra y cercanos al tiempo presente. Dijeron que "el universo se está calentando con el tiempo debido al colapso gravitacional de la estructura cósmica, y es probable que el calentamiento continúe". Se utilizaron datos de Planck y Sloan Digital Sky Survey para observar cómo ha aumentado la temperatura del universo. El universo se está calentando debido al proceso natural de formación de galaxias y estructuras.

Entonces mi pregunta es:

•¿Está violando indirectamente el principio de que el universo se está enfriando debido a la expansión? ¿O es solo un factor adicional en una pequeña región de nuestro espacio? ¿O está sucediendo como un fenómeno regular durante mucho tiempo?

•¿Puede alguien explicarme todo el fenómeno con más ciencia/ o alguna explicación científica más de lo que encontré?

•Si los resultados son ciertos, ¿cuáles son los efectos probables?

Espero tener claridad en el documento, tal vez, siendo ingenuo, no lo he entendido completamente, además de responder, se aceptan más sugerencias.

[Editar: mira esto]

Permítanme presentarles el sitio arxiv donde los científicos investigadores envían sus artículos y, muy a menudo, si busca con el título del artículo cerrado y el término "arxiv", obtiene el pdf completo de forma gratuita, como sucedió aquí arxiv.org/abs/2006.14650

Respuestas (3)

Hay una diferencia entre la "temperatura del universo" y la temperatura de la radiación de fondo de microondas cósmica (CMBR).

La primera puede ser cambiada por procesos físicos que ocurren en el universo y, por ejemplo, la conversión de energía potencial gravitacional, o la liberación de energía de enlace nuclear, en energía térmica de partículas. La temperatura CMBR por otro lado es fija cuando se forma y modifica solo por la historia de expansión del universo; representa la temperatura de un radiador de cuerpo negro con el mismo espectro que el CMBR.

En el estudio al que te refieres, la "temperatura del universo" es la temperatura media ponderada de los electrones, y es del orden 10 6 K. Estos electrones se han calentado a través de una variedad de procesos físicos, vinculados en última instancia a la formación de cúmulos de galaxias, galaxias y estrellas (por ejemplo, supernovas o calentamiento por choque sin colisión en flujos gravitacionalmente acelerados - Kravtsov & Yepes 2000; Bykov et al . 2008 ), y tienen tiempos de enfriamiento que son largos en comparación con la edad del universo.

Por el contrario, el espectro CMBR se formó unos 400.000 años después del Big Bang, se fijó esencialmente en ese punto (alrededor de 3000 K) y solo se modifica posteriormente por la historia de expansión del universo, que estira las longitudes de onda que conducen a una temperatura de enfriamiento ( actualmente 2,7K).

Las dos temperaturas habrían sido similares alrededor de la época en que se formó el CMBR, pero han divergido desde entonces porque la materia se volvió efectivamente transparente para el CMBR y se desacoplaron. De acuerdo con el documento al que se hace referencia en la pregunta, la temperatura media de los electrones ponderada por densidad ha aumentado en aproximadamente un factor de 3 entre z = 1 y el día de hoy; de 7 × 10 5 K a 2 × 10 6 K. Durante el mismo período, el CMBR se habría enfriado de 5,4 K a 2,7 K.

Entonces, ¿el universo se está enfriando o calentando?
@Perdido según el documento al que se hace referencia en la pregunta, la temperatura media ponderada de los electrones ha aumentado entre z = 1 y el día de hoy por un factor de 3.
Ok roberto gracias Aunque como soy un novato en esto, déjame también preguntarte esto: ¿qué significa exactamente la temperatura del universo? ¿No es la densidad de temperatura media del espacio?
@ Perdió la temperatura media de electrones ponderada por densidad. es decir, la temperatura que asignaría a los electrones en función de su distribución de velocidad.
Dado el tipo de temperaturas de las que estamos hablando, ¿es esto solo una consecuencia esperada de que las estrellas estén calientes y que las estrellas estén donde se encuentra la mayor parte de la materia del universo, en lugar de una medida de la temperatura del espacio en su conjunto?
@ nick012000 ¿Qué quiere decir con "la temperatura del espacio en su conjunto"? La temperatura es una propiedad de la materia. La mayor parte del gas que existe dentro y alrededor de las galaxias está a temperaturas de 10 5 - 10 6 K. La mayor parte de la materia del universo no está dentro de las estrellas.
@RobJeffries ¿No tiene el Sol como el 99% de la masa del Sistema Solar o algo así? Si eso es típico para la mayoría de los sistemas solares, ¿no implicaría eso que la mayor parte de la masa del universo está en las estrellas? La temperatura del vacío del espacio es como 3 o 4 grados Kelvin, ¿no es así?
@ nick012000 El vacío no tiene una temperatura (directa). A la materia y (alguna) radiación se les pueden asignar temperaturas. La temperatura del plasma en el medio interplanetario es del orden 10 6 K. La distribución de masa en el sistema solar no es representativa del universo.
@RobJeffries. Interesante. ¿Está diciendo que la temperatura del plasma en el universo era de unos 3000 K 380 000 años después de la BB, y que desde entonces su temperatura ha aumentado hasta unos 10^6 K? ¿Qué mecanismos provocaron este aumento? ¿No se alcanzan temperaturas tan altas sólo en el interior de las estrellas, que está aislado del plasma?
@ttonon Sí. Muchos mecanismos calientan este plasma y no es lo suficientemente denso para enfriarlo de manera eficiente. Este es un sitio de preguntas y respuestas. Haz una Q.

Esta es una revisión útil :

Un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de investigadores, incluidos miembros del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), sugiere que la temperatura media del gas en grandes estructuras del Universo ha aumentado unas 3 veces en los últimos 8 mil millones de años, para llegar a unos dos millones de Kelvin en la actualidad.

cursiva mía

....

El estudio determinó que hace unos ocho mil millones de años (con un corrimiento al rojo z=1), la temperatura media de los electrones era de unos 700.000 Kelvin, aumentando a unos dos millones de Kelvin en la actualidad. Además, los científicos determinaron que su evolución está impulsada casi en su totalidad por el crecimiento de las estructuras, ya que el gas se calienta por choque en el colapso de estructuras a gran escala.

Dado que es un hecho que la radiación cósmica de microondas es de unos pocos kelvin, debe ser obvio que se está hablando del gas alrededor de grandes estructuras. La temperatura habitual tomada en las líneas de tiempo del Big Bang es la temperatura de radiación cósmica de microondas.

Entonces, son dos "temperaturas del universo" diferentes, por lo que puedo entender, la temperatura del gas de electrones no está directamente relacionada con las temperaturas utilizadas para describir la expansión del Big Bang y el enfriamiento de la radiación cósmica de microondas con el tiempo.

Espero que algún astrofísico responda para que quede claro.

Leí hace un tiempo (y ahora no puedo recordar la fuente) que la energía fotónica total que no sea CMB tiene una energía de aproximadamente el 10% de la energía CMB. Supongo que la energía de los electrones es aproximadamente la misma que la energía de los fotones con la que está en equilibrio. Si esto es correcto, debería ser posible calcular una densidad de energía de masa razonablemente precisa de estos electrones, y posiblemente también para los iones del núcleo (principalmente H y He) que se han ionizado como resultado.
@Buzz No creo que "está en equilibrio" sea una hipótesis correcta. Como dice Rob, estaban en equilibrio en el universo total cuando los fotones se desacoplaron. Ahora el universo está separado en diferentes regiones, no en equilibrio entre sí, según tengo entendido.
Me disculpo por ser descuidado con mi lenguaje. @anna v La energía del electrón (por electrón) que se está discutiendo es mucho mayor y más reciente que la energía CMB (por fotón) en el desacoplamiento. Supongo que cuando se creó un lote de nueva energía de electrones, interactuó con los fotones y, durante un tiempo, hubo un intercambio local de energía para estar localmente en equilibrio. Si esto es correcto, entonces el total de nuevos fotones de alta energía, que tienen aproximadamente el 10% de la energía CMB total, proporciona una base para calcular la masa-energía de estos electrones.

Puede definir bastantes "temperaturas universales":

  1. Fondo de microondas cósmico (2.7K a partir de ahora)
  2. Fondo de neutrinos cósmicos (teórico, pero más bajo que CMB, probablemente como 2K)
  3. Fondo de ondas gravitacionales cósmicas (teórico, pero más o menos evidente, inferior al anterior)
  4. Temperatura de la materia bariónica en alguna región del universo (mucho más alta, generalmente 10^2..10^7K)

Todas estas cosas están de una forma u otra "desacopladas" entre sí, es decir, no pueden intercambiar una cantidad significativa de energía durante un período de tiempo observable, por lo que conservan sus diferentes temperaturas. (2) y (4) pueden incluso albergar más de una población de partículas, desacopladas entre sí y con temperaturas diferentes.

El artículo en cuestión trata de la temperatura de los electrones alrededor de las grandes estructuras cósmicas.

Tenga en cuenta que la temperatura de las otras cosas más o menos ordinarias en la misma región puede ser bastante diferente. Si tienes algún tipo de polvo en el mismo lugar, muy posiblemente estará cerca de la temperatura CMB. El gas simplemente no es lo suficientemente denso para permitir un intercambio de calor eficiente.

"Podrían necesitar horas para igualar". @fraxinus ¿Puede hacer una estimación de cuánto tiempo tendría la colección de electrones y fotones para intercambiar energía hacia el equilibrio?
OK, OK, la palabra es bastante mala para el propósito previsto. Eliminaré toda la oración hasta que encuentre una mejor formulación.