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Quintaesencia (física)

En física , la quintaesencia es una forma hipotética de energía oscura , más precisamente un campo escalar , postulada como explicación de la observación de una tasa acelerada de expansión del universo. El primer ejemplo de este escenario fue propuesto por Ratra y Peebles (1988) [1] y Wetterich (1988). [2] [3] El concepto se amplió a tipos más generales de energía oscura que varía en el tiempo, y el término "quintaesencia" se introdujo por primera vez en un artículo de 1998 de Robert R. Caldwell , Rahul Dave y Paul Steinhardt . [4] Algunos físicos la han propuesto como una quinta fuerza fundamental . [5] [6] [7] [8] La quintaesencia se diferencia de la explicación cosmológica constante de la energía oscura en que es dinámica; es decir, cambia con el tiempo, a diferencia de la constante cosmológica que, por definición, no cambia. La quintaesencia puede ser atractiva o repulsiva dependiendo de la proporción entre su energía cinética y potencial. Quienes trabajan con este postulado creen que la quintaesencia se volvió repulsiva hace unos diez mil millones de años, unos 3,5 mil millones de años después del Big Bang . [9]

Un grupo de investigadores argumentó en 2021 que las observaciones de la tensión de Hubble pueden implicar que solo los modelos de quintaesencia con una constante de acoplamiento distinta de cero son viables. [10]

Terminología

El nombre proviene de quinta essentia (quinto elemento). Llamado así en latín desde la Edad Media, este fue el (primer) elemento añadido por Aristóteles a los otros cuatro elementos clásicos antiguos porque pensaba que era la esencia del mundo celeste. Aristóteles lo postuló como un elemento puro, fino y primigenio . Estudiosos posteriores identificaron este elemento con el éter . De manera similar, la quintaesencia moderna sería la quinta contribución conocida "dinámica, dependiente del tiempo y espacialmente no homogénea" al contenido general de masa-energía del universo.

Por supuesto, los otros cuatro componentes no son los elementos clásicos de la antigua Grecia , sino más bien " bariones , neutrinos , materia oscura [y] radiación ". Aunque a veces los neutrinos se consideran radiación, el término "radiación" en este contexto sólo se utiliza para referirse a fotones sin masa . La curvatura espacial del cosmos (que no ha sido detectada) se excluye porque es no dinámica y homogénea; la constante cosmológica no se consideraría un quinto componente en este sentido, porque no es dinámica, es homogénea e independiente del tiempo. [4]

campo escalar

La quintaesencia ( Q ) es un campo escalar con una ecuación de estado donde w q , la relación de presión p q y densidad q , viene dada por la energía potencial y un término cinético:

Por tanto, la quintaesencia es dinámica y generalmente tiene una densidad y un parámetro w q que varía con el tiempo. Por el contrario, una constante cosmológica es estática, con una densidad de energía fija y w q  = −1.

Comportamiento del rastreador

Muchos modelos de quintaesencia tienen un comportamiento de seguimiento , que según Ratra y Peebles (1988) y Paul Steinhardt et al. (1999) resuelve en parte el problema de la constante cosmológica . [11] En estos modelos, el campo de quintaesencia tiene una densidad que sigue de cerca (pero es menor que) la densidad de radiación hasta la igualdad entre materia y radiación , lo que provoca que la quintaesencia comience a tener características similares a la energía oscura, y eventualmente domine el universo. Esto naturalmente marca la baja escala de la energía oscura. [12] Al comparar la tasa de expansión predicha del universo dada por las soluciones del rastreador con datos cosmológicos, una característica principal de las soluciones del rastreador es que se necesitan cuatro parámetros para describir adecuadamente el comportamiento de su ecuación de estado , [13] [14 ] mientras que se ha demostrado que, como máximo, un modelo de dos parámetros puede verse limitado de manera óptima por datos futuros a medio plazo (horizonte 2015-2020). [15]

Modelos específicos

Algunos casos especiales de quintaesencia son la energía fantasma , en la que w q  < −1, [16] y la k-esencia (abreviatura de quintaesencia cinética), que tiene una forma no estándar de energía cinética . Si este tipo de energía existiera, causaría un gran desgarro [17] en el universo debido a la creciente densidad energética de la energía oscura, lo que provocaría que la expansión del universo aumentara a un ritmo más rápido que exponencial.

Energía oscura holográfica

Los modelos holográficos de energía oscura, en comparación con los modelos cosmológicos constantes, implican una alta degeneración . [ se necesita aclaración ] [18] Se ha sugerido que la energía oscura podría originarse a partir de fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo y está limitada por el horizonte de sucesos del universo. [19]

Los estudios con la quintaesencia de la energía oscura descubrieron que domina el colapso gravitacional en una simulación del espacio-tiempo, basada en la termalización holográfica. Estos resultados muestran que cuanto menor es el parámetro de estado de quintaesencia, más difícil es termalizar el plasma. [20]

Escenario quinto

En 2004, cuando los científicos equipararon la evolución de la energía oscura con los datos cosmológicos, descubrieron que la ecuación de estado posiblemente había cruzado el límite de la constante cosmológica ( w = –1) de arriba a abajo. Un teorema probado indica que esta situación, llamada escenario Quintom , requiere al menos dos grados de libertad para los modelos de energía oscura que involucran gases ideales o campos escalares. [21]

Ver también

Referencias

  1. ^ Ratra, P.; Peebles, L. (1988). "Consecuencias cosmológicas de un campo escalar homogéneo rodante". Revisión física D. 37 (12): 3406–3427. Código bibliográfico : 1988PhRvD..37.3406R. doi : 10.1103/PhysRevD.37.3406 . PMID  9958635.
  2. ^ Wetterich, C. (13 de junio de 1988). "Cosmología y el destino de la simetría de dilatación". Física Nuclear B. 302 (4): 668–696. arXiv : 1711.03844 . Código bibliográfico : 1988NuPhB.302..668W. doi :10.1016/0550-3213(88)90193-9. ISSN  0550-3213. S2CID  118970077.
  3. ^ Doran, Michael (1 de octubre de 2001). "La quintaesencia y la separación de los picos del fondo cósmico de microondas". La revista astrofísica . 559 (2). y otros: 501–506. arXiv : astro-ph/0012139 . Código Bib : 2001ApJ...559..501D. doi :10.1086/322253. S2CID  119454400 - vía Iopscience.
  4. ^ ab Caldwell, RR; Dave, R.; Steinhardt, PJ (1998). "Huella cosmológica de un componente energético con ecuación de estado general". Cartas de revisión física . 80 (8): 1582-1585. arXiv : astro-ph/9708069 . Código bibliográfico : 1998PhRvL..80.1582C. doi : 10.1103/PhysRevLett.80.1582. S2CID  597168.
  5. ^ Carroll, SM (1998). "La quintaesencia y el resto del mundo: suprimir las interacciones de largo alcance". Cartas de revisión física . 81 (15): 3067–3070. arXiv : astro-ph/9806099 . Código bibliográfico : 1998PhRvL..81.3067C. doi : 10.1103/PhysRevLett.81.3067. S2CID  14539052.
  6. ^ Wetterich, C. "Quintaesencia: una quinta fuerza de la variación de la escala fundamental" (PDF) . Universidad de Heidelberg.
  7. ^ Dvali, Gia; Zaldarriaga, Matías (2002). "Cambiar α con el tiempo: implicaciones para los experimentos de tipo quinta fuerza y ​​la quintaesencia" (PDF) . Cartas de revisión física . 88 (9): 091303. arXiv : hep-ph/0108217 . Código bibliográfico : 2002PhRvL..88i1303D. doi : 10.1103/PhysRevLett.88.091303. PMID  11863992. S2CID  32730355.
  8. ^ Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (23 de julio de 2012). "Quintaesencia natural en la teoría de cuerdas". Revista de Cosmología y Física de Astropartículas . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Código Bib : 2012JCAP...07..044C. doi :10.1088/1475-7516/2012/07/044. ISSN  1475-7516. S2CID  250808223.
  9. ^ Wanjek, Christopher. "¿Quintaesencia, acelerando el Universo?". Astronomía hoy .
  10. ^ Krishnan, Chethan; Mohayaee, Roya; Colgáin, Eoin Ó; Sheikh-Jabbari, MM; Yin, Lu (16 de septiembre de 2021). "¿La tensión del Hubble indica una ruptura en la cosmología FLRW?". Gravedad clásica y cuántica . 38 (18): 184001. arXiv : 2105.09790 . Código Bib : 2021CQGra..38r4001K. doi :10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN  0264-9381. S2CID  234790314.
  11. ^ Zlátev, yo; Wang, L.; Steinhardt, P. (1999). "Quintaesencia, coincidencia cósmica y constante cosmológica". Cartas de revisión física . 82 (5): 896–899. arXiv : astro-ph/9807002 . Código Bib : 1999PhRvL..82..896Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.82.896. S2CID  119073006.
  12. ^ Steinhardt, P.; Wang, L.; Zlátev, I. (1999). "Soluciones de seguimiento cosmológico". Revisión física D. 59 (12): 123504. arXiv : astro-ph/9812313 . Código bibliográfico : 1999PhRvD..59l3504S. doi : 10.1103/PhysRevD.59.123504. S2CID  40714104.
  13. ^ Tilo, Sebastián; Virey, Jean-Marc (2008). "Prueba de la parametrización de Chevallier-Polarski-Linder para la ecuación rápida de transiciones de estado de energía oscura". Revisión física D. 78 (2): 023526. arXiv : 0804.0389 . Código bibliográfico : 2008PhRvD..78b3526L. doi : 10.1103/PhysRevD.78.023526. S2CID  118288188.
  14. ^ Ferramacho, L.; Blanchard, A.; Zolnierowsky, Y.; Riazuelo, A. (2010). "Limitaciones a la evolución de la energía oscura". Astronomía y Astrofísica . 514 : A20. arXiv : 0909.1703 . Código Bib : 2010A y A...514A..20F. doi :10.1051/0004-6361/200913271. S2CID  17386518.
  15. ^ Linder, Eric V.; Huterer, Dragan (2005). "Cuántos parámetros cosmológicos". Revisión física D. 72 (4): 043509. arXiv : astro-ph/0505330 . Código bibliográfico : 2005PhRvD..72d3509L. doi : 10.1103/PhysRevD.72.043509. S2CID  14722329.
  16. ^ Caldwell, RR (2002). "¿Una amenaza fantasma? Consecuencias cosmológicas de un componente de energía oscura con ecuación de estado supernegativa". Letras de Física B. 545 (1–2): 23–29. arXiv : astro-ph/9908168 . Código Bib : 2002PhLB..545...23C. doi :10.1016/S0370-2693(02)02589-3. S2CID  9820570.
  17. ^ Antoniou, Ioannis; Perivolaropoulos, Leandros (2016). "Geodésicas del espacio-tiempo de McVittie con un trasfondo cosmológico fantasma". Física. Rev. D. 93 (12): 123520. arXiv : 1603.02569 . Código Bib : 2016PhRvD..93l3520A. doi : 10.1103/PhysRevD.93.123520. S2CID  18017360.
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  19. ^ Gao, Shan (2013). "Explicación de la energía oscura holográfica". Galaxias . 1 (3): 180–191. Código Bib : 2013 Galax...1..180G. doi : 10.3390/galaxias1030180 .
  20. ^ Zeng, Xiao-Xiong; Chen, De-You; Li, Li-Fang (2015). "Termalización holográfica y colapso gravitacional en el espacio-tiempo dominado por la energía oscura por excelencia". Revisión física D. 91 (4): 046005. arXiv : 1408.6632 . Código Bib : 2015PhRvD..91d6005Z. doi : 10.1103/PhysRevD.91.046005. S2CID  119107827.
  21. ^ Hu, Wayne (2005). "Cruzando la división fantasma: grados de libertad internos de la energía oscura". Revisión física D. 71 (4): 047301. arXiv : astro-ph/0410680 . Código bibliográfico : 2005PhRvD..71d7301H. doi : 10.1103/PhysRevD.71.047301. S2CID  8791054.

Otras lecturas