Astronomía

¿Cómo puede el espacio expandirse a una velocidad acelerada cuando la energía oscura es constante?

¿Cómo puede el espacio expandirse a una velocidad acelerada cuando la energía oscura es constante?


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Llegué a saber que la energía oscura es constante, como se menciona en las ecuaciones de Friedmann

¿Cómo puede unenergía constantecausa unaceleración de la tasa de expansión¿En el universo?


Esta es una muy buena pregunta y se reduce a lo que se entiende por "expansión acelerada".

En cosmología definimos algo llamado factor de escala $ a $. Por definición en el momento actual $ a = 1 $, hace miles de millones de años cuando las distancias lineales en una escala cósmica (por ejemplo, la distancia a una galaxia lejana) eran la mitad de lo que son ahora $ a $ era igual a $ 0.5 $ y muchos años en el futuro, cuando las distancias lineales cósmicas hayan aumentado al doble de su tamaño actual, el $ a $ será igual a $ 2 $.

$ a $ es una función del tiempo cosmológico y también definimos su primera derivada y segunda derivada, con respecto al tiempo cosmológico, $ dot {a} $ y $ ddot {a} $.

$ dot {a} $ es una medida de la tasa de expansión del Universo y, por lo tanto, cuando $ dot {a} $ aumenta con el tiempo, decimos que la expansión del Universo se acelera. $ ddot {a} $ es una medida del cambio de la tasa de expansión del Universo, por lo que, de manera equivalente, decimos que si $ ddot {a} $ es positivo, entonces la expansión del Universo se está acelerando.

Sin embargo, tenga en cuenta que hemos definido $ a $ en el momento actual como $ 1 $, pero el momento actual es completamente arbitrario. Esto significa que $ a $, $ dot {a} $ y $ ddot {a} $ dependen de cuándo definimos $ a $ para que sea igual a $ 1 $. Para evitar esto, puede pensar en el parámetro de Hubble $ H = frac { dot {a}} {a} $ como una mejor medida de la tasa de expansión, ya que no depende de cuándo $ a = 1 $.

En un Universo de De Sitter (constante cosmológica positiva, vacía, espacialmente plana) las ecuaciones de Friedmann se reducen a:

$$ frac { ddot {a}} {a} = H ^ 2 = frac { Lambda c ^ 2} {3} $$

A partir de esto, podemos ver que $ H $ y $ ddot {a} $ son constantes positivas. Entonces, en un sentido (el sentido de $ H $) la tasa de expansión del Universo es constante, pero en otro sentido (en el sentido de $ dot {a} $) la tasa de expansión está aumentando. Entonces, podemos ver un vínculo entre la desnidad de energía constante (la densidad de energía de la constante cosmológica es constante) y una tasa de expansión constante siempre que definamos la tasa de expansión de cierta manera.

En el modelo cosmológico actualmente favorecido, la energía oscura es una constante cosmológica y actualmente nos encontramos en una era en la que la energía oscura domina la dinámica del Universo. (Mirando las ecuaciones de Friedmann completas) la contribución de la materia reduce $ ddot {a} $, pero como la constante cosmológica domina, sigue siendo positiva y decimos que la aceleración del Universo se está expandiendo. Sin embargo, si miramos $ H $, decimos que, debido a que la densidad de energía de la materia disminuye asintóticamente a cero con el tiempo, $ H $ disminuye asintóticamente al valor dado anteriormente para el Universo de Sitter.


Energía oscura & # 8211 La fuerza espeluznante que acelera la expansión del universo

El concepto de energía oscura se remonta nada menos que a Albert Einstein, aunque él no lo reconoció en ese momento. En 1917, mientras trabajaba en su teoría de la relatividad general, Einstein encontró un problema: sus ecuaciones seguían sugiriendo que el universo era dinámico, lo que iba en contra de la opinión aceptada en ese momento de que el universo debería ser estático.

Para hacer que su modelo se ajuste a las creencias contemporáneas, Einstein agregó un nuevo número que llamó la "constante cosmológica". Esto funcionó para estabilizar un universo estático al decir que el espacio vacío en sí mismo tiene una energía intrínseca, que ejerce una presión negativa que empuja hacia afuera, equilibrándose perfectamente contra la atracción hacia adentro de la gravedad.

Pero la idea no resistió el escrutinio. En 1929, Edwin Hubble descubrió que cuanto más lejos está una galaxia de la nuestra, más rápido se aleja de nosotros, una clara indicación de que el universo se está expandiendo. Einstein continuaría diciendo que su "mayor error" fue su negativa a aceptar lo que sus propios datos le decían sobre la dinámica del universo.

Con el universo en expansión convirtiéndose en ciencia aceptada, los físicos ignoraron en gran medida la idea de la constante cosmológica durante los próximos 70 años más o menos. Pero el concepto volvió a ser relevante en 1998, con el descubrimiento pionero de que esta expansión se está acelerando.

La expansión se acelera

A medida que las ondas de luz viajan por el espacio, la expansión del universo las extiende. Eso significa que sus longitudes de onda se vuelven más largas, cambiando el color de esta luz para que parezca más roja, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo. Y a fines de la década de 1990, dos grupos separados usaban este efecto para medir la velocidad a la que se expande el universo. Esencialmente, el corrimiento al rojo de un objeto revela cuánto se ha expandido el universo desde que la luz dejó el objeto.

Ambos grupos estaban estudiando supernovas de tipo Ia, fuentes de luz extremadamente confiables que tienen muy cerca del mismo brillo exacto en todo momento. Como tales, a menudo se las conoce como "velas estándar" y los astrónomos las usan para calcular distancias a los objetos midiendo su brillo aparente en el cielo. Luego, los astrónomos compararon la distancia y el corrimiento al rojo de estas supernovas para medir su velocidad de recesión: qué tan rápido se alejan de nosotros.

Los científicos esperaban confirmar la hipótesis principal de la época: que la gravedad ralentizaría la expansión del universo, por lo que las cosas más alejadas de nosotros retrocederían más lentamente que los objetos más cercanos. Pero para su completa sorpresa, encontraron exactamente lo contrario. El hallazgo ha sido respaldado por muchos estudios independientes desde entonces.

Por cambiar por completo la faz de la astrofísica, tres científicos de los dos equipos, Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, recibieron el Premio Nobel de Física 2011.

Modelos de energía oscura

Entonces, la evidencia apunta hacia algo que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado. Pero que en realidad es ¿energía oscura? Los astrofísicos han propuesto una serie de posibles modelos que podrían explicar el fenómeno.

La primera y con mucho más simple explicación es la constante cosmológica de Einstein. La idea cayó en desgracia después del descubrimiento de que el universo se estaba expandiendo, y durante décadas se le dio un valor de cero para apartarlo, pero si se le da un valor distinto de cero, en realidad podría explicar una expansión acelerada.

Hoy en día, la constante cosmológica a menudo se denomina energía del vacío. Está impulsado por un ciclo extraño en el que las fluctuaciones cuánticas producen pares de partículas y antipartículas "virtuales" que surgen espontáneamente de la nada. Sin embargo, solo duran muy brevemente, antes de aniquilarse entre sí en un estallido de energía. Y es esta energía la que empuja al espacio mismo, impulsando al universo a expandirse cada vez más rápido.

Otro modelo sugiere que esta energía no tiene que ser "constante" en el tiempo; esa es la esencia de la quintaesencia, que se ha propuesto como quinta fuerza fundamental y candidata a energía oscura. La quintaesencia podría ser una fuerza atractiva o repulsiva en diferentes períodos de tiempo, pero los modelos sugieren que se habría vuelto repulsiva hace unos 10 mil millones de años, impulsando la expansión acelerada que vemos hoy.

Otros modelos intentan explicar tanto la energía oscura como la materia oscura con una hipótesis radical. En un estudio reciente, los físicos proponen que la materia oscura podría estar formada por múltiples tipos de partículas; después de todo, hay muchos tipos de materia regular. Si la materia oscura se descompone en partículas más ligeras, su atracción gravitacional se reduciría con el tiempo, aflojando su control sobre la expansión del universo y permitiendo que se acelerara.

En otro, los científicos simularon lo que sucedería si la materia oscura tuviera algunas propiedades magnéticas repelentes. Y efectivamente, la expansión del universo se aceleró de manera similar a lo que vemos hoy, lo que sugiere que la energía oscura podría ser un síntoma de la materia oscura.

Otros científicos sugieren que ambos fenómenos son producidos por un "fluido oscuro" que llena el universo. Este fluido tendría masa negativa, lo que significa que su gravedad esencialmente funciona a la inversa, repelendo otras masas. Eso no solo explica la expansión acelerada del universo (energía oscura), sino que significa que las galaxias se mantendrían unidas por una fuerza de "empuje" desde el exterior, en lugar de la fuerza de tracción de grupos de materia oscura en su centro.

Otra hipótesis marginal propone la idea de objetos hechos de la propia energía oscura. Estos Objetos Generales de Energía Oscura (GEODE) se parecerían mucho a los agujeros negros, excepto que se repelen en lugar de atraer. Migrarían a los vacíos cósmicos, lejos de la mayor parte de la materia, y si giraran muy rápidamente, se repelerían entre sí con tal fuerza que acelerarían la expansión del universo.

Pero el problema con casi todas estas hipótesis es que tan pronto como comienzas a hacer ajustes al modelo ΛCDM, otras implicaciones amenazan con desentrañar todo el asunto. Entonces surge la pregunta: ¿nuestros modelos están equivocados? ¿Existe la energía oscura? ¿O es solo un error de cálculo cósmico?

Alternativas

Como hipótesis, la energía oscura es bastante ad hoc: llena un vacío en nuestra comprensión, pero al hacerlo, plantea más preguntas. Por lo tanto, no es sorprendente que muchos científicos cuestionen su validez y propongan explicaciones alternativas para la aceleración, o simplemente la apariencia de aceleración.

Apostar contra Einstein es a menudo una tontería, pero quizás en este caso sus ecuaciones no sean del todo correctas. Algunos astrofísicos proponen que modificar nuestra teoría de la gravedad eliminaría el agujero para el que se inventó la energía oscura.

Tres de las cuatro fuerzas fundamentales del universo funcionan a través de partículas "portadoras", por lo que no es exagerado predecir que la cuarta también tiene su propia partícula. La fuerza final es la gravedad, y su hipotética partícula portadora se ha denominado "gravitón". Si el gravitón existe y tiene una masa, entonces podría cambiar la forma en que la relatividad general funciona en enormes escalas cósmicas, provocando que la expansión se acelere.

Otros sugieren que la relatividad general simplifica demasiado las cosas, y es a través de estos atajos que surge la necesidad de la energía oscura. Las diferentes densidades de materia en el universo deberían doblar el espacio-tiempo en diferentes direcciones: las galaxias y los cúmulos deberían doblarlo en un sentido y los vacíos deberían doblarlo en el otro. Eso podría distorsionar la luz de los objetos distantes y alterar nuestras mediciones de su edad o distancia, dando la impresión de una expansión acelerada.

Una variación de esa idea, llamada cosmología del paisaje temporal, sugiere que esta deformación también cambiaría la velocidad a la que pasa el tiempo hasta en un 38 por ciento entre diferentes densidades. Entonces, las supernovas que vieron los astrónomos originales de energía oscura miraron más lejos de lo que realmente están, porque el tiempo pasa a diferentes velocidades dentro de nuestra línea de visión hacia ellas.

Otra teoría describe las regiones "Tardis" del espacio-tiempo que, como la máquina del tiempo homónima, son más grandes por dentro de lo que parecen desde fuera. Eso es causado por diferentes velocidades de expansión en diferentes partes del universo. Nuevamente, la luz de los objetos distantes se estiraría más a medida que pasa a través de estas regiones de Tardis, y debido a que la luz atraviesa más de ellas cuando la fuente está más lejos, eso da la impresión de que la expansión se acelera con el tiempo.

Sin embargo, por más intrigantes que puedan ser estas ideas, todavía no hay ninguna hipótesis alternativa que explique todo tan claramente como la energía oscura, por lo que generalmente se considera la mejor explicación que tenemos, a pesar de ser tan difícil de precisar.

Entonces, si el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, ¿qué significa eso para el destino final de todo? Hay algunas posibilidades.

Futuro oscuro

Al proyectar las diversas teorías de la energía oscura hacia el futuro, el universo podría tener un final adecuadamente oscuro.

Si la expansión sigue acelerándose, eventualmente todas las galaxias en el cielo desaparecerían de la vista. Eso es porque en cierto punto, se alejarían de nosotros más rápido de lo que la luz que emiten viajaría hacia nosotros, asegurándose de que esta luz nunca, nunca podría alcanzarnos.

La energía oscura continuaría separando el universo mucho después de que cada última estrella se haya derrumbado en un agujero negro, y hasta el último agujero negro se haya evaporado en la nada. Eventualmente, todas las partículas se esparcirían tanto que rara vez se encontrarían. El universo se enfriaría hasta que no tuviera absolutamente ninguna energía termodinámica libre. Esto se conoce como Big Freeze.

Los diferentes modelos tienen diferentes terminaciones. La "energía fantasma" es una variación de la quintaesencia, donde su densidad aumenta a medida que el universo se expande (a diferencia de la mayoría de los modelos de energía oscura donde la densidad se mantiene constante). Eso significa que eventualmente, esta energía fantasma terminará dominando todas las demás fuerzas fundamentales de la física.

En este escenario, en algún momento la gravedad se volvería demasiado débil para mantener unidas a las galaxias. Unas pocas docenas de millones de años más tarde, las fuerzas nucleares fuertes y débiles comienzan a fallar, destrozando estrellas y planetas, y luego los átomos mismos. Finalmente, incluso el tejido del espacio-tiempo se desgarrará, en un extremo llamado apropiadamente Big Rip.

O, si la energía oscura no es constante a lo largo del tiempo, existe la posibilidad de que en un futuro lejano la gravedad pueda ganar el tira y afloja y comenzar a unir todo de nuevo. Durante miles de millones de años, el universo se contraería hasta alcanzar un punto de densidad infinita, como un Big Bang inverso. Este escenario se llama Big Crunch.

O tal vez, ese no es el final, sino un nuevo comienzo, cuando otro universo explota de las cenizas en un llamado Big Bounce.

Confirmación experimental

Dado lo intangible que es la energía oscura, ¿cómo podríamos detectarla directamente? Algunos experimentos han tratado de encontrar evidencia de que la energía oscura actúa a través de una quinta fuerza fundamental.

Uno probó la idea de que la influencia de la energía oscura es más fuerte en el vacío. Los científicos del Reino Unido colocaron una canica de metal en una cámara de vacío y luego arrojaron átomos a su alrededor. Si una quinta fuerza estaba en juego entre los dos pesos, entonces la trayectoria del átomo debería doblarse ligeramente en su camino hacia abajo.

En otro estudio, los científicos del CERN investigaron la existencia de partículas "camaleón", un candidato de energía oscura que tendría diferentes masas e influencia gravitacional en función de la cantidad de materia que las rodea. El equipo estudió un espejo, hecho para ser sensible a las partículas, si existen, para los movimientos extremadamente pequeños que podrían causar.

En todos los experimentos hasta ahora, los científicos se han quedado sin nada. Eso podría descartar ciertas masas de partículas de energía oscura o interacciones de la fuerza, o podría significar que estamos en el camino completamente equivocado.

La energía oscura probablemente seguirá siendo uno de los misterios más profundos de la cosmología durante bastante tiempo, pero es posible que pronto tengamos nuevas pistas. El Dark Energy Survey ha estado escaneando los cielos desde 2013, mientras que el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) se unió recientemente a él. Esos, así como otros como el Sloan Digital Sky Survey, ayudarán a producir mapas en 3D del cosmos para investigar la física de la energía oscura.

Sin duda, los científicos continuarán investigando e intentarán encontrar evidencia de energía oscura en acción, o tal vez surgirá una nueva teoría que borre la necesidad por completo. Independientemente de cómo se desarrolle, es un área fascinante de ver.


Observaciones de energía oscura

Para aquellos de ustedes interesados ​​en más evidencia observacional de la existencia de energía oscura además del estudio de la distancia de la supernova, revisen esto:

# 2 Pess

Creo que el descubrimiento de Dark Energy puede ser la pista que ayude a desbloquear una descripción cuántica de Gravity y finalmente nos dé una GUT.

Pesse (tengo hambre de GUT.) Niebla

# 3 Qkslvr

¿Implicaría esto que la Energía Oscura tiene gravedad negativa?

¿O el espacio-tiempo tiene "tensión superficial" y se hincha donde no hay objetos con masa?

# 4 Pess

¿Implicaría esto que la Energía Oscura tiene gravedad negativa?

¿O el espacio-tiempo tiene "tensión superficial" y se hincha donde no hay objetos con masa?

Se teoriza que la energía oscura tiene "presión negativa".

En realidad, es demasiado profundo para simplificarlo fácilmente, pero la presión de una sustancia contribuye a su gravitación de la misma manera que lo hace su masa.

Por lo tanto, una presión negativa suficientemente alta conduce a una fuerza de repulsión similar pero no igual a la antigravedad.

Supongo que la analogía más simple sería decir que la energía negativa obliga al universo a expandirse localmente a un ritmo más rápido de lo que el impacto gravitacional puede unirlo.

# 5 jayscheuerle

Entonces, cuando visualizamos el espacio-tiempo como masas planas y grandes que lo distorsionan, como hoyuelos (la bola de boliche en la sábana), ¿podemos ver la energía oscura como montículos en lugar de hoyuelos? ¿Quizás la "planitud" no existe realmente excepto como una mediana entre los dos, donde los altos y bajos (hoyuelos y montículos) promedian? Entonces, en las áreas donde no hay masa (relativamente), estas áreas terminan como montículos. Cuanto más grande es el vacío, más grande es el montículo, más "presión negativa" se genera. Incluso podría tener hoyuelos dentro del montículo, sistemas gravitacionales localizados. En conjunto, los montículos están definidos por los hoyuelos, por lo que sin masa para crear el efecto de la gravedad, no habría energía oscura. En ese punto, sería realmente plano.

De acuerdo, sospecho que demasiado café. - j

# 6 Pess

Mira si puedes seguir esto, porque seguro que no puedo

Tenemos un compuesto de caucho líquido mágico que se endurece en una hoja de caucho tan pronto como se derrama. De esta manera, el vertido continuo del material da como resultado una lámina de caucho en crecimiento.

Ahora pegamos una bola de boliche en nuestra sábana de goma. La lámina de goma tiene hoyuelos de la bola de boliche y eso representa la distorsión del espacio / tiempo debido a la gravedad.

De acuerdo, mientras nuestra bola de boliche se sienta allí en su hoyuelo hecho a sí mismo, nuestra goma líquida mágica continúa fluyendo hacia abajo y aumenta el tamaño de nuestra hoja de goma.

Entonces, nuestro hoyuelo puede hacer que las cosas rueden hacia la bola de boliche (gravedad local), pero el líquido mágico de goma que fluye sigue expandiendo la lámina de goma y alejando las cosas incrustadas en ella.

# 7 Robin Lee

Por otro lado, si el fotón subiera primero por una colina, una región con un número de galaxias por debajo del promedio, como un supervacío, esa colina estaría más baja cuando el fotón volviera a bajar. El fotón nunca recuperaría toda la energía que perdió al trepar. En este caso, el fotón estaría un poco más frío.

Realmente no puedo entender esta declaración, ¿alguien podría explicarme esto? ¿Supervoid introduce el mismo efecto en el espacio-tiempo que el supercúmulo?

# 8 gazerjim

Parece que estamos lidiando tanto con la naturaleza del llamado espacio vacío como con la naturaleza de la masa y la energía.

En cuanto al ejemplo de la lámina de goma, ahora imagina que puedes hacerla vibrar como el cono de un altavoz. La teoría predice (creo) que el resultado debería ser ondas, análogas a las ondas de sonido. La discrepancia es que GR primero dice que el espacio no existe como tal, luego pasa a explicar la gravedad como evidencia de su distorsión, al igual que asume que el "espacio vacío" no tiene propiedades gravitacionales inherentes.

# 9 Robin Lee

# 10 TomC10

Por otro lado, si el fotón subiera primero por una colina, una región con un número de galaxias por debajo del promedio, como un supervacío, esa colina estaría más baja cuando el fotón volviera a bajar. El fotón nunca recuperaría toda la energía que perdió al trepar. En este caso, el fotón estaría un poco más frío.

Realmente no puedo entender esta declaración, ¿alguien podría explicarme esto? ¿Supervoid introduce el mismo efecto en el espacio-tiempo que el supercúmulo?


Estoy interpretando esto como el aumento natural de la entropía (segunda ley de la termodinámica). La energía se extrae de los supercúmulos o se deposita en los vacíos. Esto en sí mismo dice algo: la energía oscura está haciendo que la energía fluya lejos de las depresiones gravitacionales. más como un sumidero, está robando energía de los centros de masa y aumentando el volumen del espacio-tiempo.

gazerjim me recordó un hilo que comenzó Dane_B sobre un universo muy reducido. Una sombra en la pared de la cueva me parece diferente ahora ... el espacio-tiempo definitivamente NO es un escenario vacío. Es algo*. Siempre he jugado con la idea de que la energía igual es equivalente a la masa ... esa masa / energía es equivalente al espacio-tiempo. Como el dipolo gravitacional / de masa faltante. Masa / gravedad son un extremo, espacio-tiempo / expansión son el otro ... (?) Uno está concentrado, el otro es un campo distribuido ... pero se equilibran.

# 11 TomC10

Encontré esto en arXiv hoy. Similar a mi publicación pero más .. ¿elloquent? [¡solo 4 páginas!]

Entropía oscura
Autores: Richard T Hammond, Terry Pilling
(Entregado el 7 de junio de 2008 (v1), última revisión el 4 de septiembre de 2008 (esta versión, v2))

"Resumen: Examinamos las consecuencias de un universo con un término cosmológico no constante en las ecuaciones de Einstein y encontramos que las identidades de Bianchi se reducen a la primera ley de la termodinámica cuando el término cosmológico se identifica como proporcional a la densidad de entropía del universo. Esto significa que la energía oscura gravitante puede verse como entropía, pero más aún, el principio holográfico junto con la expansión conocida del universo indica que la entropía del universo está creciendo con el tiempo y esto conduce a una repulsión cósmica que también crece con el tiempo. las implicaciones de este resultado se calculan y se demuestra que están en buena conformidad con los datos de observación recientes ".

Consideran la posibilidad de que la constante cosmológica no sea constante, lo que permite un hundimiento de materia / energía. Específicamente, postulan que el aumento de entropía con el tiempo controla la "constante" cosmológica. Al igual que la entropía de un agujero negro es proporcional al área del horizonte de eventos, el aumento de entropía en el universo está causando que el área (límite) del universo se expanda. El aumento de la entropía está provocando que la expansión del espacio-tiempo se acelere.

Curiosamente, dicen que la longitud de la tabla está destinada a importar y no se expande. Entonces, a medida que el límite del universo se expande, contiene más celdas de longitud planck (aumenta el volumen del espacio-tiempo). [Intenté equiparar la energía al volumen en planchas cúbicas, pero no sabía por dónde empezar.] Llaman a la entropía "oscura" ya que proviene de la expansión de los límites en lugar de la materia / energía.


Teorías en competencia

Más de 20 años después del descubrimiento de la energía oscura, los astrónomos aún no saben qué es exactamente.

"Siempre que los astrónomos dicen 'oscuro', eso significa que no tenemos ni idea de eso", dijo Jeong con una sonrisa irónica. "La energía oscura es solo otra forma de decir que no sabemos qué está causando esta expansión acelerada".

Sin embargo, hay una serie de teorías que intentan explicar la energía oscura y algunos contendientes importantes.

Quizás la explicación más favorecida es la constante cosmológica previamente abandonada, que los físicos modernos describen como energía del vacío. "El vacío en la física no es un estado de nada", explicó Jeong. "Es un lugar donde las partículas y antipartículas se crean y destruyen continuamente". La energía producida en este ciclo perpetuo podría ejercer una fuerza de empuje hacia afuera en el espacio mismo, haciendo que su expansión, iniciada en el Big Bang, se acelere.

Desafortunadamente, los cálculos teóricos de la energía del vacío no coinciden con las observaciones, por un factor de hasta 10 120, o uno seguido de 120 ceros. "Eso es muy, muy inusual", dijo Jeong, "pero ahí es donde estaremos si la energía oscura resulta ser constante". Claramente, esta discrepancia es un problema importante y podría requerir una reelaboración de la teoría actual, pero la constante cosmológica en forma de energía del vacío es, sin embargo, el principal candidato hasta ahora.

Como resultado de su diseño, HETDEX está recopilando una cantidad masiva de datos, que se extiende mucho más allá de sus objetivos previstos y proporciona información adicional sobre cosas como la materia oscura y los agujeros negros, la formación y evolución de estrellas y galaxias, y la física de altas temperaturas. partículas cósmicas de energía como los neutrinos.

Otra posible explicación es una partícula o campo nuevo, aún no descubierto, que permearía todo el espacio, pero hasta ahora, no hay evidencia que respalde esto.

Una tercera posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein sea incorrecta. "Si comienzas con la ecuación incorrecta", dijo Jeong, "entonces obtienes la respuesta incorrecta". Hay alternativas a la relatividad general, pero cada una tiene sus propios problemas y ninguna la ha desplazado todavía como teoría reinante. Por ahora, sigue siendo la mejor descripción de la gravedad que tenemos.

En última instancia, lo que se necesita son más y mejores datos de observación, precisamente lo que HETDEX fue diseñado para recopilar como ninguna otra encuesta lo ha hecho antes.


¿La energía oscura siempre ha sido constante?

La energía oscura es esa fuerza misteriosa que parece estar acelerando la expansión del Universo. Pero la pregunta es: ¿siempre ha estado separando al Universo con la misma fuerza, o era más débil o más fuerte en el pasado, y se volverá más fuerte en el futuro? Investigadores del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica tienen un plan para estudiar grupos distantes de hidrógeno, para llegar al fondo de esta cuestión, de una vez por todas.

La energía oscura se descubrió por primera vez hace casi una década, cuando los astrónomos notaron que las supernovas distantes estaban más lejos de lo que esperaban sus cálculos. Alguna fuerza misteriosa parece estar acelerando la expansión del Universo desde todos los puntos del espacio. A medida que el espacio se expande, parece aparecer más energía oscura. Y aunque la cantidad de energía oscura en cualquier punto del espacio es pequeña, en los vastos tramos del espacio, realmente se suma, representando más del 70% del Universo.

Sin embargo, si la energía oscura está aumentando, podría imaginarse que eventualmente se volverá tan fuerte que comenzará a desgarrar los cúmulos de galaxias y luego las galaxias mismas e incluso los sistemas estelares. Tal vez incluso se vuelva tan fuerte que rompa átomos e incluso la estructura del espacio mismo. Los astrónomos llaman a esta teoría el & # 8220Big Rip & # 8221. O tal vez sea todo lo contrario, y la energía oscura eventualmente se volverá insignificante para la expansión del Universo.

Para ver si la fuerza de la energía oscura está cambiando con el tiempo, los astrónomos planean trazar cuidadosamente la posición de las nubes de hidrógeno neutro, poco después de que se formaran a partir del Big Bang. Aunque no es posible ahora, los observatorios planificados para el futuro deberían poder rastrear este material hasta una época en la que el Universo tenía solo 200 millones de años.

En el Universo temprano, pequeñas fluctuaciones en la densidad de energía y la presión causaron oscilaciones. Aunque diminutas al principio, estas ondas se han visto magnificadas por la expansión del Universo, de modo que se extienden hasta 500 millones de años luz en la actualidad. Las nubes de hidrógeno neutro deben seguir el mismo patrón de ondulación, por lo que los astrónomos sabrán que están mirando esas primeras nubes primordiales, y no algunas más cercanas.

Y así, los astrónomos podrán mirar hacia atrás en el tiempo y estudiar la distancia a las nubes en cada época de la expansión de nuestro Universo. Deberían poder rastrear cuánta energía oscura estaba afectando el espacio en cada momento y tener una idea de si esta energía siempre ha permanecido constante o si está cambiando.

Sus respuestas darán forma a nuestra comprensión de la evolución del Universo y su futuro.


Nuevo espacio de descubrimiento

Para hacer su mapa de un millón de galaxias, el equipo de HETDEX necesitaba un nuevo y poderoso instrumento.

Un conjunto de más de 150 espectrógrafos llamados VIRUS (Espectrógrafos de Unidades Replicables de Campo Integral Visible), montados en el Telescopio Hobby-Eberly, recolecta la luz de esas galaxias en una matriz de unas 35,000 fibras ópticas y luego la divide en sus longitudes de onda componentes en un continuo ordenado conocido como espectro.

En preparación para HETDEX, el Telescopio Hobby-Eberly recibió una serie de actualizaciones, incluido un nuevo sistema de seguimiento y el espectrógrafo VIRUS, que se muestran aquí en esta ilustración conceptual. IMAGEN: OBSERVATORIO MCDONALD / COLABORACIÓN HETDEX

Los espectros de las galaxias revelan, entre otras cosas, la velocidad a la que se alejan de nosotros, una medida conocida como & # 8220redshift & # 8221. Debido al efecto Doppler, la longitud de onda de un objeto que se aleja de su observador se estira ( piense en una sirena que baja de tono a medida que se aleja), y un objeto que se mueve hacia su observador tiene su longitud de onda comprimida, como esa misma sirena que aumenta de tono a medida que se acerca. En el caso de las galaxias en retroceso, su luz se estira y, por lo tanto, se desplaza hacia el extremo rojo del espectro.

La medición de este desplazamiento al rojo permite al equipo de HETDEX calcular la distancia a esas galaxias y producir un mapa tridimensional preciso de sus posiciones.

Entre las galaxias que HETDEX está observando se encuentran las conocidas como galaxias Lyman-alfa, jóvenes galaxias formadoras de estrellas que emiten fuertes líneas espectrales en longitudes de onda ultravioleta específicas.

"Estamos utilizando galaxias emisoras de Lyman-alfa como una 'partícula trazadora'", explicó la profesora investigadora de astronomía y astrofísica Caryl Gronwall, quien también es miembro fundador de HETDEX. “Son fáciles de encontrar porque tienen una línea de emisión muy fuerte, que es fácil de encontrar espectroscópicamente con el instrumento VIRUS. Así que tenemos este método que selecciona de manera eficiente las galaxias con un corrimiento al rojo bastante alto, y luego podemos medir dónde están, medir sus propiedades ”.

El universo se está expandiendo, y esa expansión extiende la luz que viaja a través del espacio en un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto mayor sea el corrimiento al rojo, mayor será la distancia recorrida por la luz. Como resultado, se necesitan telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las primeras galaxias más distantes. IMAGEN: NASA, ESA Y L. HUSTAK (STSCI)

Gronwall, quien junto con Ciardullo ha estado estudiando las galaxias Lyman-alfa durante casi 20 años, lidera los esfuerzos de HETDEX en esta área, mientras que el Profesor Asociado de Astronomía y Astrofísica Derek Fox presta su experiencia para calibrar el instrumento VIRUS, utilizando observaciones incidentales de estrellas con -propiedades conocidas para afinar sus espectros.

“En cada toma que tomamos con HETDEX, observamos algunas estrellas en las fibras”, explicó Fox. “Esa es una oportunidad, porque las estrellas le dicen cuán sensible es su experimento. Si conoce el brillo de las estrellas y ve los datos que recopila sobre ellas, le ofrece la oportunidad de mantener su calibración en el punto ".

“HETDEX tiene el potencial de cambiar el juego. & # 8221

—Donghui Jeong, profesor asociado de astronomía y astrofísica de Penn State

Una de las mayores fortalezas de HETDEX es que fue diseñado como una encuesta a ciegas, observando amplias franjas de cielo en lugar de objetos específicos predeterminados. "Nadie ha intentado hacer una encuesta como esta antes", dijo Ciardullo. “It’s always ‘Find your objects, then do the spectroscopy.’ We’re the first ones to try to do a whole lot of spectroscopy and then figure out what we saw.”

As a result of this design, HETDEX is collecting a massive amount of data, extending well beyond its intended targets and providing additional insights into things like dark matter and black holes, the formation and evolution of stars and galaxies, and the physics of high-energy cosmic particles such as neutrinos.

“That’s very different and very interesting,” Jeong said. “We have huge discovery space.”

Ciardullo added, “One thing you can infer — if you first have to see an object before pointing your spectroscope there, well that’s fine, but it requires that the object be able to be seen. HETDEX can observe spectra of things that you can’t see.”

This means that in addition to the known data it’s collecting, HETDEX is opening a window to unexpected findings, discoveries yet unforeseen. “We will be a pathfinder for more experiments,” Ciardullo said, and that sentiment is echoed by others on the team, including Fox.

“We’re definitely going to be blazing trails out there,” he said. “There’s big, big potential for really exciting discoveries.”


Cosmic Speed Measurement Suggests Dark Energy Mystery

Our universe is flying apart, with galaxies moving away from each other faster each moment than they were the moment before. Scientists have known about this acceleration since the late 1990s, but whatever is causing it&mdashdubbed dark energy&mdashremains a mystery. Now the latest measurement of how fast the cosmos is growing thickens the plot further: The universe appears to be ballooning more quickly than it should be, even after accounting for the accelerating expansion caused by dark energy.

Scientists came to this conclusion after comparing their new measurement of the cosmic expansion rate, called the Hubble constant, to predictions of what the Hubble constant should be based on evidence from the early universe. The puzzling conflict&mdashwhich was hinted at in earlier data and confirmed in the new calculation&mdashmeans that either one or both of the measurements are flawed, or that dark energy or some other aspect of nature acts differently than we think.

&ldquoThe bottom line is that the universe looks like it&rsquos expanding about eight percent faster than you would have expected based on how it looked in its youth and how we expect it to evolve,&rdquo says study leader Adam Riess of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md. &ldquoWe have to take this pretty darn seriously.&rdquo He and his colleagues described their findings, based on observations from the Hubble Space Telescope, in a paper submitted last week to the Astrophysical Journal and posted on the preprint server arXiv.

A dark energy wrinkle

One of the most exciting possibilities is that dark energy is even stranger than the leading theory suggests. Most observations support the idea that dark energy behaves like a &ldquocosmological constant,&rdquo a term Albert Einstein inserted into his equations of general relativity and later removed. This kind of dark energy would arise from empty space, which, according to quantum mechanics, is not empty at all, but rather filled with pairs of &ldquovirtual&rdquo particles and antiparticles that constantly pop in and out of existence. These virtual particles would carry energy, which in turn might exert a kind of negative gravity that pushes everything in the universe outward.

The Hubble constant discrepancy, though, suggests that dark energy might actually change over space and time, potentially causing an increasing acceleration of the cosmos instead of a constant outward force. One theory proposing this type of dark energy is called quintessence, which posits that dark energy results not from the vacuum of space but from a field that pervades spacetime and can take on different values at different points.

An alternative explanation for the discrepancy, however, is that the universe contains an additional fundamental particle beyond the ones we know about. In particular, a new species of neutrino&mdasha nearly massless particle that comes in three known varieties so far&mdashcould account for the divergence in Hubble constant measurements. If an extra type of neutrino exists, then more of the universe&rsquos total energy would take the form of radiation rather than matter. (Neutrinos, because they have almost no mass, travel near light speed and therefore count as radiation in this calculation). Whereas matter clumps together under gravity, a greater radiation budget would have allowed the universe to expand faster than it would have otherwise.

And these ideas are just two of the possible implications of the measurements. Another option, for example, is that the universe is not flat, as thought, but slightly curved. Theorists are excitedly pursuing all these notions and more, but the scientists working on the experiments say they must first try to find flaws in their measurements that could account for the divergence. &ldquoBasically is there something going on in cosmology that we don&rsquot understand, or is there something going on with the data?&rdquo says Charles Bennett of Johns Hopkins University, who has worked on measurements of the Hubble constant from the early universe and was not involved in the latest study. &ldquoOne of those is lot more exciting, but I think the other may be more likely.&rdquo

Distance ladders

Riess and his team calculated how fast the universe is growing by comparing the distances to various galaxies with their redshifts&mdasha measure of how much the wavelength of their light has been stretched by the expansion of the universe. Calculating the distances was a tricky feat requiring a technique the researchers call &ldquobuilding a distance ladder.&rdquo First they used trusted methods to measure the distances to close galaxies, then used those distances to calibrate measurements of variable stars within the galaxies. These stars, called Cepheids, brighten and dim periodically, allowing them to serve as cosmic yardsticks. Finally, the researchers used Cepheids&mdashwhich are only visible relatively nearby&mdashto calibrate measurements of a special class of supernova explosions called Type 1a, which erupt with a known brightness that allows astronomers to infer their distances. Once they had reliable measurements of the nearby supernovae, they could compare them with farther supernovae of the same type to get very accurate readings of their distances.

This is essentially the same technique Riess and colleagues used in the 1990s to discover the first evidence that the universe&rsquos expansion was accelerating&mdasha finding that later won him and two others the Nobel Prize in physics. In 2011 the team made an updated measurement of the Hubble constant based on eight galaxies containing both Cepheids and Type 1a supernovae, but the new paper added 10 more. &ldquoFor each one of those 10 galaxies, we observed them about 12 different times over a span of about 100 days,&rdquo says Samantha L. Hoffmann of Texas A&M University, who analyzed much of the data. &ldquoIt was quite an undertaking.&rdquo The newest measurement puts the universe&rsquos expansion rate at 73.02, plus or minus 1.79, kilometers per second per megaparsec (about 3 million light-years), meaning that for each megaparsec you go out, space is receding about 73 kilometers a second faster.

Looking back in time

The Hubble constant measurement from the early universe, on the other hand, comes from observations of the cosmic microwave background (CMB)&mdashlight that is left over from the big bang and pervades the entire sky. Researchers studied patterns in the CMB and extrapolated to modern times, based on the best known cosmological laws, to arrive at the Hubble constant. The best observations to date of the CMB were made by the European Space Agency&rsquos Planck satellite, whose data puts the universe&rsquos expansion rate at 67.3, plus or minus 0.7, kilometers per second per megaparsec.

&ldquoBefore, there were these hints of tension in the two measurements,&rdquo says Dan Scolnic of the University of Chicago, a member of Riess&rsquo team. &ldquoNow both our team and the Planck team have reanalyzed and those hints have become something stronger. We have this alarm bell that there really could be something more going on. This may be the biggest tension now in cosmology.&rdquo

The latest result is also in good agreement with other measurements of the Hubble constant based on similar distance ladder measurements, such as a 2012 study led by Wendy Freedman of the University of Chicago. &ldquoI think it&rsquos interesting that they&rsquove increased their sample size and the result is essentially unchanged,&rdquo Freedman says. &ldquoThis is spectacular progress to be at this point, but actually making a definitive measurement at this level requires independent methods. How this will ultimately resolve is really too early to say.&rdquo Freedman is leading an effort to perform the same calculation using another type of cosmic yardstick&mdashRR Lyrae variable stars&mdashin place of Cepheids.

On the CMB side as well, scientists continue to analyze the data and look for explanations of what might have gone wrong. Bennett, who led a CMB mapping mission before the Planck experiment called the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), says that there are also discrepancies within the CMB data, for instance between what the satellites measure by looking at the sky on small scales versus larger ones. &ldquoBefore I jump to conclusions about cosmology I&rsquod like to understand these things first,&rdquo he says. Overall, he is thrilled with the progress.

&ldquoWe went through years and years where we didn&rsquot know the value of the Hubble constant to a factor of two, and now we&rsquore talking about getting it within two percent,&rdquo he adds. &ldquoThese things we&rsquore comparing have a fine accuracy and that&rsquos a testament to a lot of people in the field. The message here is that it&rsquos not over. We need to keep driving forward.&rdquo


The Counterintuitive Reason Why Dark Energy Makes The Universe Accelerate

Matter and energy tell spacetime how to curve curved spacetime tells matter and energy how to move. It’s the cardinal rule of General Relativity, and it applies to everything in the Universe, including the entire Universe itself. In the late 1990s, we had collected enough data from distant galaxies in the Universe to conclude that they weren’t just moving away from us, their recession was speeding up. The fabric of space wasn’t just expanding, but the expansion was accelerating.

The only explanation was that there had to be more to the Universe, in terms of matter-and-energy, than what we had previously concluded. In an expanding Universe — like the one we live in — it isn’t simply curvature that’s determined by matter-and-energy, but how the expansion rate changes over time. The components of the Universe we knew about prior to 20 years ago were normal matter, dark matter, neutrinos, and radiation. The Universe can expand just fine with those, but distant galaxies should only slow down.

The observation of acceleration meant there was something else there, and that it wasn’t just present it was dominant.

Physically, what happens in General Relativity is that the fabric of space itself curves positively or negatively in response to the matter that clumps and clusters within it. A planet like Earth or a star like our Sun will cause the fabric of space to warp, while a denser, more massive object will cause space to curve more severely. If all you have in your Universe is a few clumps of matter, this description will be enough.

On the other hand, if there are many masses in the Universe, spread roughly evenly all throughout it, all of spacetime feels a global gravitational effect. If the Universe weren’t expanding, gravitation would cause everything to collapse down to a single point. The fact that the Universe hasn’t done that allows us to conclude, immediately, that something has prevented that collapse. Either something counteracts gravity, or the Universe is expanding.

This is where the whole idea of the Big Bang first came from. If we see matter in roughly equal amounts everywhere, in all directions, and at distances near, intermediate, and far, we know there must be an incredibly large gravitational force trying to pull them all back together. Since the Universe hasn’t recollapsed yet (and isn’t in the process of recollapsing), that leaves only two options: gravity is wrong, or the Universe is expanding.

Given that General Relativity has passed every test we’ve thrown its way, it’s a tough sell to assert that it’s wrong. Especially because, with a Universe full of matter and radiation, all you need is an initial expansion in order to have a Universe that is, today:

  • expanding,
  • cooling,
  • getting less dense,
  • full of redshifted light,
  • and had a hot, dense past.

A Universe born hot, dense, and expanding, but that was filled with matter and energy, would look very much like our Universe appears today.

The expansion starts off rapidly, and gravitation works to pull things back together. It makes you think there are three possibilities for how the Universe will evolve over time:

  1. Gravitation wins: The Universe expands rapidly to start with, but there’s enough gravity to pull things back together, eventually. The expansion reaches a maximum, stops, and turns around to lead to a recollapse.
  2. Gravitation and expansion tie: The initial expansion and gravitation counteract each other exactly. With one more proton in the Universe, it would recollapse, but that proton isn’t there. Instead, the expansion rate asymptotes to zero and distant galaxies simply recede ever-more slowly.
  3. Expansion wins: The rapid expansion is counteracted by gravity, but not sufficiently. Over time, galaxies continue to move away from one another, and while gravity slows the expansion down, it never stops.

But what we actually observe is a fourth one. We see that the Universe appeared to be on that “critical” path for the first few billion years, and then all of a sudden, the distant galaxies started receding faster from one another. Theoretically, there’s a compelling reason why this could be.

There’s a very simple (well, for Relativity) equation that governs how the Universe expands: the first Friedmann equation. Although it might look complicated, the terms in the equation have real-world meanings that are easy to understand.

On the left-hand side, you have the equivalent of the expansion rate (squared), or what’s colloquially known as the Hubble constant. (It’s not truly a constant, since it can change as the Universe expands or contracts over time.) It tells you how the fabric of the Universe expands or contracts as a function of time.

On the right-hand side is literally everything else. There’s all the matter, radiation, and any other forms of energy that make up the Universe. There’s the curvature intrinsic to space itself, dependent on whether the Universe is closed (positively curved), open (negatively curved), or flat (uncurved). And there’s also the “Λ” term: a cosmological constant, which can either be a form of energy or can be an intrinsic property of space.

These two sides must be equal. We thought the Universe’s expansion would slow down because, as the Universe expands, the energy density (on the right side) drops, and therefore the expansion rate of space must drop. But if you have a cosmological constant or some other form of dark energy, the energy density may not drop at all. It can remain constant or even increase, and that means the expansion rate will remain constant or increase as well.

Either way, it would mean that a distant galaxy would appear to speed up as it moves away from us. Dark energy doesn’t make the Universe accelerate because of an outward-pushing pressure or an anti-gravitational force it makes the Universe accelerate because of how its energy density changes (or, more accurately, doesn’t change) as the Universe continues to expand.

As the Universe expands, more space gets created. Since dark energy is a form of energy that’s inherent to space, then as we make more space, the energy density doesn’t drop. This is fundamentally different from normal matter, dark matter, neutrinos, radiation, and anything else we know of. And therefore, it impacts the expansion rate in a different fashion than all these other types of matter-and-energy.

In a nutshell, a new form of energy can affect the Universe’s expansion rate in a new way. It all depends on how the energy density changes over time. While matter and radiation get less dense as the Universe expands, space is still space, and still has the same energy density everywhere. The only thing that’s changed is our automatic assumption that we made: that energy ought to be zero. Well, the accelerating Universe tells us it isn’t zero. The big challenge facing astrophysicists now is to figure out why it has the value that it does. On that front, dark energy is still the biggest mystery in the Universe.


Ask Ethan #80: Can space expand faster than the speed of light? (Synopsis)

One of the toughest things to wrap your mind around in the natural world is the idea of special relativity: the faster you move, the closer you get to the speed of light, the more difficult it becomes to increase your speed at all. While you might approach the speed of light arbitrarily and asymptotically, you'll never reach it.

And yet, we have the Universe, expanding all the time, where the expansion rate itself is even speeding up. You might wonder, then, if these distant galaxies -- the farther and farther away you look -- might ever be seen moving away from us faster than the speed of light?

Surprisingly and mind-bendingly, the answer is yes.

Más como esto

Doesn't this imply that at any given point that there is a "preferred" frame of reference, whereby the reference frame is stationary wrt. the local spacetime? I suspect we might even be able to estimate our local velocity by carefully observing the CMB. And isn't that counter to the basic assumption of SR, that there is no "preferred" reference frame?

No it doesn't. About the best you can do is a preferred direction of time. Which classical mechanics had a good enough answer for years ago.

The way I understand it is that the CMB does provide a reference frame, but that reference frame is not a preferred reference frame in the sense that physical laws in that reference frame are exactly the same as they are in any other reference frame. Any other reference frame is equally valid.

Where the confusion might come in is that the CMB could provide a convenient, mutually agreeable, reference frame for hypothetical observers anywhere in the universe. When we do thought experiments about how we would communicate with a hypothetical alien race, for example, we can well imagine using the CMB as a convenient agreed upon reference frame for measuring the motions of other bodies. That no more makes it a preferred frame, though, than the common practice of using the locally flat surface of the earth for measuring the speed of automobiles makes that reference frame a preferred one.

I did mean APPROXIMATELY locally flat in reference to the earth's surface, of course. I am well aware that the earth's surface is not mathematically flat even locally. For most practical measurements over a small portion of that surface, though, it's close enough to flat to ignore the curvature.

I find the question a bit nebulous:
when we ask "does the rabbit go faster than the tortoise", we imagine lining them up on the starting line, shouting 'GO!'

with expanding space vs a photon, there is no particle of space to measure against it. Yes, you can measure against some remote region of the universe, but that seems to miss the sense of the original question.

Yes, Mobius, it is. The problem is that English isn't a precision tool for containing ideas.

It's not even the best one we've got, but we're stuck with it for historical reasons, and it's not *too* bad.

I posted over on slashdot what may be a useful way of thinking of space:

[S]pace is the distance between things.

When traveling between two things separated by space, we call that speed, and it cannot be faster than light in a vacuum.

However, that distance between those two things doesn't have to be constant and doesn't have to move, therefore it doesn't have to increase below some maximum threshold.

A quick question about extraterrestrial life. Based on the comment made in the article that 97% of the universe is unreachable or even potentially unobservable could this provide some explaination as to the reason the universe appears so void of intelligent life?

Over time does an expanding Universe, where the expansion is speeding up ever resemble inflation?

"Astronauts on the International Space Station, whizzing around the Earth in a mere 90 minutes, see their watches run slower by seconds upon returning to Earth, the difference in the amount of time that’s passed is noticeable even with conventional timepieces."

re #8: the huge size of the galaxy is entirely sufficient to explain why we've not seen any extraterrestrials. There's no reason to come here, and the distances so huge that it takes lifetimes to get here, therefore even a colonisation would take thousands of generations, even if they had rapid "extraterraforming" and practically unlimited energy.

re #9: No, because inflation is naming something different. What will happen to what we see at the edge is "things are disappearing faster". Adding accelerating space expansion and you get something that will rip atoms apart, since the visible horizon of the nucleus is smaller than the distance to the electrons. More expansion means the nucleons no longer see each other. And so on.

Inflation isn't entirely the same, in cosmology, because the scenario "starting" is so very different.

I thought I read that scientists say the universe expanded faster than the speed of light in the first instants after the Big Bang.

They did say that, and you may well have read it. I don't know your reading material.

Why did you think it necessary to say that, though?

@9: to expand (heh) on Wow''s point: inflation causes an exponential expansion. Assuming dark energy is a cosmological constant, then just as its name implies, its causing a constant expansion instead. V proportional to delta x between two objects for all times t, versus inflation's V proportional to (delta x)^t.
I guess its possible that two really widely spaced objects in our universe might, in the future, be expanding away from each other as fast as two closer spaced objects did at the beginning of the inflationary period. IIRC this is similar or identical to the concept of "the big rip." But (a) no the rate will never "resemble" inflation in terms of how it behaves over time, and (b) I'm too lazy to work out the math as to how far separated those objects would have to be. :)

IF you need to remember what the speed of light is, use this RILT:
http://www.riltpedia.com/8/speed-of-light-3-10-8-m-s

What's it expanding into? Kind of like dimensions > 4, hard to imagine.

It's not expanding into anything, it's just expanding.

Hey guys was wondering. Why is the expansion rate of the universe speeding up? shouldn't it be slowing down??

@Altair #18: I would encourage you to browse the right hand sidebar. Ethan has written many, MANY articles about exactly your question, so you should have no trouble at all finding an answer.

We can see that the universe is expanding through a phenomenon called Red shift, it occurs when things move away from one another. Therefor the expansion rate is compared to movement of light and for that the movement cannot be faster than the speed of light. Most things is relevant to another except for the speed of light that is set.

Ilze that is very interesting. I did not know that. The speed of light is very fast so I believe nothing would ever be that fast, but it is truly mind blowing.

Fascinating that we now see evidence everywhere that the space between the stars is expanding. Somehow it seems intuitive that something is filling the space between the stars . dark energy, what have you. And this new stuff creates a more or less steady state continuous matter density - its a thought experiment, but perhaps there are ways to measure unpredicted new matter between the stars somehow. If so then the standard 'ultimate low temperature heat death' far future metaphor is less compelling than a universe that is boiling with new matter between the ever receding stars.

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Surveying Deepest Space to Understand Dark Energy

Two decades ago, Saul Perlmutter, Brian Schmidt, and Adam Reiss shocked the world when they published research showing not only that the Universe was expanding, but that the expansion was occurring at an accelerating rate. The discovery came as a complete surprise even to the astronomers themselves, and netted them a Nobel Prize in 2011.

The accelerating expansion was attributed to "dark energy," which is neither dark, nor energy, but which represents some force fighting gravity's pull, causing galaxies to speed apart from one another faster than would be expected by prevailing theories. What this force is remains unknown.

The discovery of accelerating expansion also had another consequence. It spurred efforts to better quantify this expansion in the hopes of understanding what was at the root of it.

With that goal in mind, Karl Gebhardt, a professor of Astronomy at The University of Texas at Austin and an expert at uncovering the dynamics of distant invisible phenomenon, came up with an experiment that would look deeper into the past of the cosmos than ever before to determine with great accuracy how fast the universe was accelerating.

"We're struggling on the theory side to explain what's going on," Gebhardt said. "There's a lot of ideas out there, but we have a lack of observations."

The experiment — known as Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment, or HETDEX — involved upgrading an optical telescope of extreme sensitivity to survey the sky for galaxies that were active 10 billion years ago, and determine how fast they were traveling outward. The project is supported by more than $42 million in grants from the state of Texas, the United States Air Force, the National Science Foundation (NSF), and the contributions of many private foundations and individuals.

"The expansion rate that had been used was only done on data that was relatively recent in history of the universe," Gebhardt said. "HETDEX is looking back in time where no one else has looked before. We don't know if the rate has been consistent. If it's a constant, then that calls for a specific physical interpretation. If it changes, it's a very different physical interpretation."

Today, more than 12 years after the project was first proposed, the experiment is underway and the team is gathering one of the largest data collections in astrophysics to answer one of the most essential questions in astronomy.

Based at the McDonald Observatory in West Texas, HETDEX equips one of the largest telescopes in the world with the largest spectrograph on the planet — actually a set of 156 spectrographs. Each spectrograph is fed by 225 fibers that take the light from a patch of sky 1/3600 of the size of the full moon. When completed, the instrument will have 35,000 optical fibers that all focus the light from a large portion of the sky into the spectrometers measuring thousands of objects simultaneously. (It currently has 25,000.)

The five-year HETDEX survey will create a spectral map of a region of the northern sky near the Big Dipper equivalent to the size of 1,000 moons. If a galaxy aligns with one of the fibers, its light will be carried to a spectrograph for analysis. This survey will produce not only a map of the region, but also spectra of all objects within it, allowing the survey to measure their velocities and other physical characteristics.

Measuring speed and distance 10 billion years in the past

As complicated as the experiment is, Gebhardt says in the end the exploration comes down to two factors: the velocity the galaxies are moving, and the distance they have travelled from their origin following the Big Bang.

The velocity can be gleaned by the redshift of spectral lines toward longer wavelengths (the red end of the spectrum), which is proportional to the velocity. The distance is determined by the difference from a baseline structure of the universe that has long been established by astronomers and has been the basis for most cosmology prior to the discovery of dark energy.

"When galaxies are made, they're made in a pattern, like a fingerprint," Gebhardt said. "If we can measure that pattern, it's the same as measuring the distance between the ridges in your fingerprint. You can tell how much the universe has expanded. We do this for millions of galaxies and from those millions of galaxies what you get is a map."

This map tells astronomers how far those galaxies had traveled from the Big Bang until the light left those galaxies and traveled 10 billion light-years to the telescope. By identifying and mapping millions of galaxies from an early period of the universe's expansion and then determining the velocity and distance travelled by them, they believe they can determine the rate of expansion to within 1% of error at this previous phase of expansion.

Establishing that rate and how it has changed over time will help solve the mystery of dark energy and what's causing the expansion.

"It could be that we don't understand gravity on large scales — it could go from an attractive to a repulsive force. Or the expansion could be caused by the energy of empty space," Gebhardt said. "There are five or six other hypotheses — extremely different ideas. Measurements of the expansion rate at different times in the universe is how we limit these models."

Over the course of the experiment, HETDEX will capture 400 billion resolution elements — a mountain of data that travels continuously from a mountain-top in West Texas straight to the Texas Advanced Computing Center (TACC) where some of most powerful academic supercomputers in the world analyze it. In particular, Gebhardt has relied heavily on TACC's Wrangler supercomputer, a powerful data analysis system supported by NSF.

"We're running a code to find individual point sources: a filter over all of the spatial elements to find individual galaxies," Gebhardt said. "Most of the CPU time is used to perform that analysis."

AstroTinder

As with any idea formulated years before implementation, some aspects of the experiment have proved tricky. In particular, Gebhardt underestimated the noisiness of the data generated by the optical fibers.

He had anticipated a straightforward analysis, but found that he first needed a way to separate real target galaxies from false positives. Strangely enough, humans can readily detect the difference, but most computational algorithms cannot.

So, to address this problem, he is training a machine learning algorithm using human-labelled readings to make the distinction. Working with students in the UT Computer Science department, he created an app that he calls 'AstroTinder' to assist in the process.

Individuals with minimal training are able to look at spectral lines and images of point sources and swipe left or right, depending on whether they believe it is a real galaxy or something else — an artifact of the algorithm or a speck of dust on the sensor.

After enough of these determinations are made, Gebhardt will use TACC's machine learning-centric Maverick supercomputer to train the system to make the distinction itself. The system will then be off to the races, sifting through the billions of data points to identify and map the 100,000 target galaxies.

From those, further analysis will establish the velocity and distance, and then the rate of acceleration of the expansion.

Discoveries en route to the expansion rate

After three years of operation, the survey is about 20 percent complete. Gebhardt anticipates his team will need one-third of the data before they can say anything definitive about the expansion rate. In the meanwhile, the survey is collecting lots of interesting, unintended data about astronomical objects including naked black holes, highly active star-forming galaxies, asteroids, and meteorites.

"No one's looked at the universe in this way," he said. "We're finding things that couldn't be discovered in any other way."

The data processing and data management challenges for HETDEX harken back to a statement by Tony Tyson, chief scientist for the Large Synoptic Survey Telescope (recently renamed the Vera C. Rubin Observatory), that "the telescope is just a peripheral to the data management system."

"Great care has gone into the design of the data management system such that both the HETDEX science team and the astronomical research community in general will be able to exploit the data, both for the dark energy studies that are the core focus of the project, as well as for other purposes," said Bob Hanisch, director of the Office of Data and Informatics within the Material Measurement Laboratory at the National Institute for Standard and Technology (NIST), who is not directly involved in the project.

"It is great to see the close collaboration between the HETDEX astronomers and the computational scientists at TACC, such that HETDEX data can be moved to the HPC and data storage facilities efficiently and made available for analysis and distribution."

"Astronomical data science has evolved in amazing ways over the past 20 years," said Niall Gaffney, director of Data Intensive Computing at TACC and former designer of the archives at the Space Telescope Science Institute which holds the data from the Hubble Space Telescope. "HETDEX is taking the lessons learned from missions like the Hubble Space Telescope and Kepler and combining them with modern machine learning techniques pioneered in industry to better understand a fundamental force in nature in ways we could not 20 years ago. Having a facility and staff like those at TACC help bridge these technologies to bring about these new discoveries."

In terms of science outcomes, Gebhardt believes the experiment will have a major impact, either by helping astronomers understand how gravity works or how the Big Bang occurred. For non-scientists, the research helps resolve our place in the universe.

"We are completely insignificant as humans in the universe, but we're able to understand how the universe evolved," Gebhardt said. "Being able to do that, I think, is amazing."