¿La energía oscura hace que las galaxias se expandan durante largos períodos de tiempo?

TLDR: La energía oscura impulsa la expansión acelerada del espacio vacío entre los cúmulos de galaxias. Otros efectos dominan la dinámica dentro de un grupo dado.

Si puedo ponerme filosófico por un momento, debemos recordar que cada ecuación que escribimos es una descripción aproximada de la naturaleza construida a partir de supuestos simplificadores y con un dominio de validez bien definido. Entonces, ¿cuál es el dominio de validez de la energía oscura?

cosmología como polvo en el viento

Cuando derivamos las ecuaciones de Friedmann de la métrica FLRW , asumimos que los contenidos del universo tienen una densidad uniforme . La materia del universo se modela como un polvo uniforme que no interactúa. En este caso, los granos de polvo son cúmulos de galaxias . Por "no interactuar" queremos decir que los cúmulos de galaxias simplemente se sientan en su lugar a menos que sean arrastrados por la dinámica cosmológica. Solo polvo en el viento, hombre.

La energía oscura encaja en las ecuaciones de campo de Einstein como una constante cosmológica . Tiene una densidad de energía constante.

En el pasado, los granos de polvo estaban más juntos y el universo estaba dominado por la materia . La dinámica cosmológica fue impulsada principalmente por la materia del universo. A medida que el universo se expandía, se hizo más espacio vacío entre los granos de polvo. La densidad de materia del universo disminuyó. Finalmente, la densidad de la materia se redujo a una escala similar a la densidad de la energía oscura. En este punto, la energía oscura comienza a afectar notablemente la dinámica cosmológica. A medida que el universo se expande más, la densidad de la materia continúa disminuyendo, pero la densidad de la energía oscura permanece igual, lo que lleva a la cosmología dominada por la energía oscura que vemos hoy.

Las ecuaciones de Friedmann describen la dinámica de los cúmulos de galaxias. Ese es su dominio de validez.

dentro de un grano de polvo

Si nos acercamos a un solo grano de polvo y miramos dentro, encontraremos muchas galaxias. La clave para entender es que a la escala de un solo cúmulo de galaxias, el espacio-tiempo no está dominado por la energía oscura. La densidad media de la materia en un cúmulo es mucho mayor que la densidad media del universo. Simplemente hay mucho más espacio vacío entre cúmulos que entre galaxias dentro de un cúmulo.

Si aplicamos los mismos supuestos cosmológicos a esta escala, la dinámica sería diferente a la de los cúmulos de galaxias. El aumento de la densidad de la materia significa que la expansión no ocurrirá al mismo ritmo. La tasa de expansión entre cúmulos es mayor que la tasa de expansión entre galaxias vecinas, que es mayor que la tasa de expansión entre estrellas dentro de una galaxia.

La suposición de no interacción ciertamente no se cumple dentro de un grupo. Las galaxias no solo flotan en el viento de la cosmología, sino que interactúan gravitacionalmente y se afectan entre sí. En este caso, puede que tengamos que preocuparnos por resolver el problema gravitatorio.$N$-problema del cuerpo con una constante cosmológica distinta de cero.

Las ecuaciones de Friedmann que describen la cosmología no son una aproximación útil de la dinámica dentro de una galaxia. La constante cosmológica (energía oscura) modifica la dinámica gravitacional, pero no impulsa la expansión acelerada de la misma manera que lo hace con el espacio vacío entre los cúmulos de galaxias.

Cuando escriba las ecuaciones de Friedmann para la métrica FLRW, verá que la energía oscura no era dominante en el pasado.

Las densidades de energía evolucionan así;

Esto nos muestra que, a medida que pasas en el tiempo ($z \rightarrow \infty$), primero la materia y luego la radiación dominan la dinámica del universo. La energía oscura solo recientemente comenzó a mostrar sus efectos. Incluso puedes calcular ese tiempo simplemente igualando$\Omega_m = Omega_{\Lambda}$.

Entonces para$z \gg 0.326$, el universo estaba dominado por la materia, y a medida que avanzas en el pasado, el efecto de la energía oscura se vuelve cada vez menos.

Otro problema con su argumento es la 'expansión del universo'. Puedes pensar en las galaxias como puntos transportados por la expansión del espacio y que no se expanden con el espacio mismo. Piense en las galaxias como puntos incrustados en la superficie del globo. A medida que inflas el globo, la distancia entre los puntos aumenta, pero no les sucede nada a esos puntos. Esta es una excelente analogía para entender cómo funciona la expansión del universo.

Entonces, para resumirlo todo;

1. La energía oscura no fue efectiva hasta hace poco, por lo que no puede afectar la dinámica del universo primitivo.
2. Las galaxias no se ven afectadas por la expansión del universo.

Una forma de pensar en esto es que la energía oscura comienza a tener un impacto cuando su densidad de energía se vuelve comparable a la densidad de energía de la materia (o radiación). La densidad de energía de la energía oscura es de aproximadamente$7 \times 10^{-30} g/cm^3$, que es mucho más pequeño que la densidad del espacio interestelar (~un átomo de hidrógeno por centímetro cúbico). Entonces las galaxias no se expanden.

La densidad de energía de la energía oscura es mayor que la densidad del espacio intergaláctico (que es aproximadamente$1 \times 10^{-30} g/cm^3$), y por lo tanto aquí es donde ocurre la expansión.