Cosmología no estándar - Non-standard cosmology

Una cosmología no estándar es cualquier modelo cosmológico físico del universo que se propuso, o todavía se propone, como una alternativa al modelo estándar de cosmología vigente en ese momento. El término no estándar se aplica a cualquier teoría que no se ajuste al consenso científico . Debido a que el término depende del consenso predominante, el significado del término cambia con el tiempo. Por ejemplo, la materia oscura caliente no se habría considerado no estándar en 1990, pero lo sería en 2010. Por el contrario, una constante cosmológica distinta de cero que da como resultado un universo en aceleración se habría considerado no estándar en 1990, pero es parte de la cosmología estándar en 2010.

Se han producido varias disputas cosmológicas importantes a lo largo de la historia de la cosmología . Uno de los primeros fue la Revolución Copernicana , que estableció el modelo heliocéntrico del Sistema Solar. Más reciente fue el Gran Debate de 1920, a raíz del cual se estableció el estatus de la Vía Láctea como una de las muchas galaxias del Universo. Desde la década de 1940 hasta la de 1960, la comunidad astrofísica estuvo dividida por igual entre los partidarios de la teoría del Big Bang y los partidarios de un universo de estado estable rival ; esto finalmente se decidió a favor de la teoría del Big Bang por los avances en la cosmología observacional a fines de la década de 1960. Sin embargo, quedaron detractores vocales de la teoría del Big Bang, incluidos Fred Hoyle , Jayant Narlikar , Halton Arp y Hannes Alfvén , cuyas cosmologías fueron relegadas al margen de la investigación astronómica. Los pocos oponentes al Big Bang que todavía están activos hoy a menudo ignoran la evidencia bien establecida de las investigaciones más recientes y, como consecuencia, las cosmologías no estándar que rechazan el Big Bang por completo rara vez se publican en revistas científicas revisadas por pares, pero aparecen en línea en revistas marginales y. sitios web privados.

El modelo estándar actual de cosmología es el modelo Lambda-CDM , en el que el Universo está gobernado por la Relatividad General , comenzó con un Big Bang y hoy es un universo casi plano que consta de aproximadamente 5% de bariones, 27% de materia oscura fría y 68% de energía oscura . Lambda-CDM ha sido un modelo extremadamente exitoso, pero conserva algunas debilidades (como el problema de las galaxias enanas ). La investigación sobre extensiones o modificaciones de Lambda-CDM, así como modelos fundamentalmente diferentes, está en curso. Los temas investigados incluyen quintaesencia , dinámica newtoniana modificada (MOND) y su generalización relativista TeVeS , y materia oscura cálida .

Historia

La cosmología física moderna, tal como se estudia actualmente, surgió por primera vez como una disciplina científica en el período posterior al debate de Shapley-Curtis y los descubrimientos de Edwin Hubble de una escalera de distancia cósmica cuando los astrónomos y físicos tuvieron que llegar a un acuerdo con un universo que era mucho escala mayor que el tamaño galáctico previamente asumido . Los teóricos que desarrollaron con éxito cosmologías aplicables al universo a gran escala son recordados hoy como los fundadores de la cosmología moderna. Entre estos científicos se encuentran Arthur Milne , Willem de Sitter , Alexander Friedman , Georges Lemaître y el propio Albert Einstein.

Después de la confirmación de la ley de Hubble mediante la observación, las dos teorías cosmológicas más populares se convirtieron en la teoría del estado estable de Hoyle , Gold y Bondi , y la teoría del big bang de Ralph Alpher , George Gamow y Robert Dicke con un pequeño número de partidarios de una un puñado de alternativas. Uno de los mayores éxitos de la teoría del Big Bang en comparación con su competidor fue su predicción de la abundancia de elementos ligeros en el universo que se corresponde con las abundancias observadas de elementos ligeros. Las teorías alternativas no tienen un medio para explicar estas abundancias.

Las teorías que afirman que el universo tiene una edad infinita sin comienzo tienen problemas para explicar la abundancia de deuterio en el cosmos, porque el deuterio se somete fácilmente a una fusión nuclear en las estrellas y no se conocen procesos astrofísicos distintos del Big Bang que puedan producirlo. en grandes cantidades. Por lo tanto, el hecho de que el deuterio no sea un componente extremadamente raro del universo sugiere tanto que el universo tiene una edad finita como que hubo un proceso que creó el deuterio en el pasado que ya no ocurre.

Las teorías que afirman que el universo tiene una vida finita, pero que el Big Bang no ocurrió, tienen problemas con la abundancia de helio-4 . La cantidad observada de ⁴ He es mucho mayor que la cantidad que debería haberse creado a través de estrellas o cualquier otro proceso conocido. Por el contrario, la abundancia de ⁴ He en los modelos del Big Bang es muy insensible a las suposiciones sobre la densidad de bariones , cambiando solo un pequeño porcentaje a medida que la densidad de bariones cambia en varios órdenes de magnitud. El valor observado de ⁴ He está dentro del rango calculado.

Sin embargo, no fue hasta el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas cósmica (CMB) por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965, que la mayoría de los cosmólogos finalmente concluyeron que las observaciones se explicaban mejor mediante el modelo del Big Bang. A los teóricos del estado estacionario y otras cosmologías no estándar se les asignó la tarea de proporcionar una explicación del fenómeno si querían seguir siendo plausibles. Esto condujo a enfoques originales que incluían la luz estelar integrada y los bigotes de hierro cósmicos , que estaban destinados a proporcionar una fuente para un fondo de microondas omnipresente que todo el cielo no se debió a una transición de fase del universo temprano.

Representación artística de la nave espacial WMAP en el punto L2. Los datos recopilados por esta nave espacial se han utilizado con éxito para parametrizar las características de la cosmología estándar, pero aún no se ha logrado un análisis completo de los datos en el contexto de ninguna cosmología no estándar.

El escepticismo sobre la capacidad de las cosmologías no estándar para explicar el CMB provocó que el interés en el tema decayera desde entonces, sin embargo, ha habido dos períodos en los que el interés por la cosmología no estándar ha aumentado debido a los datos de observación que plantearon dificultades para las grandes empresas. estallido. El primero ocurrió a fines de la década de 1970, cuando hubo una serie de problemas sin resolver, como el problema del horizonte , el problema de la planitud y la falta de monopolos magnéticos , que desafiaron el modelo del Big Bang. Estos problemas fueron finalmente resueltos por la inflación cósmica en la década de 1980. Posteriormente, esta idea se convirtió en parte de la comprensión del Big Bang, aunque de vez en cuando se han propuesto alternativas. El segundo ocurrió a mediados de la década de 1990 cuando las observaciones de las edades de los cúmulos globulares y la abundancia de helio primordial , aparentemente no estaban de acuerdo con el Big Bang. Sin embargo, a fines de la década de 1990, la mayoría de los astrónomos habían llegado a la conclusión de que estas observaciones no desafiaron el Big Bang y los datos adicionales de COBE y WMAP proporcionaron medidas cuantitativas detalladas que eran consistentes con la cosmología estándar.

Hoy en día, los cosmólogos generalmente consideran que las cosmologías heterodoxas no estándar no son dignas de consideración, mientras que muchas de las cosmologías no estándar históricamente significativas se consideran falsificadas . Los fundamentos de la teoría del Big Bang han sido confirmados por una amplia gama de observaciones complementarias y detalladas, y ninguna cosmología no estándar ha reproducido la gama de éxitos del modelo del Big Bang. Las especulaciones sobre alternativas normalmente no forman parte de la investigación o discusiones pedagógicas, excepto como lecciones objetivas o por su importancia histórica. Una carta abierta iniciada por algunos defensores restantes de la cosmología no estándar ha afirmado que: "hoy, prácticamente todos los recursos financieros y experimentales en cosmología se dedican a los estudios del Big Bang ..."

En la década de 1990, el comienzo de una "edad de oro de la cosmología" fue acompañado por un descubrimiento sorprendente de que la expansión del universo, de hecho, se estaba acelerando. Antes de esto, se había asumido que la materia en su forma de materia oscura visible o invisible era la densidad de energía dominante en el universo. Esta cosmología "clásica" del Big Bang fue derrocada cuando se descubrió que casi el 70% de la energía en el universo era atribuible a la constante cosmológica, a menudo referida como "energía oscura". Esto ha llevado al desarrollo del llamado modelo de concordancia ΛCDM que combina datos detallados obtenidos con nuevos telescopios y técnicas en astrofísica observacional con un universo en expansión y de densidad cambiante. Hoy en día, es más común encontrar en la literatura científica propuestas de "cosmologías no estándar" que realmente aceptan los principios básicos de la cosmología del Big Bang, mientras que modifican partes del modelo de concordancia. Tales teorías incluyen modelos alternativos de energía oscura, como quintaesencia, energía fantasma y algunas ideas en cosmología de brana ; modelos alternativos de materia oscura, como la dinámica newtoniana modificada; alternativas o extensiones a la inflación como la inflación caótica y el modelo ekpyrótico ; y propuestas para complementar el universo con una primera causa, como la condición de frontera de Hartle-Hawking , el modelo cíclico y el paisaje de cuerdas . No hay consenso sobre estas ideas entre los cosmólogos, pero son, no obstante, campos activos de investigación académica.

Alternativas a las cosmologías del Big Bang

Antes de que se recopilara la evidencia observacional, los teóricos desarrollaron marcos basados en lo que ellos entendían que eran las características más generales de la física y los supuestos filosóficos sobre el universo. Cuando Albert Einstein desarrolló su teoría general de la relatividad en 1915, se utilizó como punto de partida matemático para la mayoría de las teorías cosmológicas. Sin embargo, para llegar a un modelo cosmológico, los teóricos necesitaban hacer suposiciones sobre la naturaleza de las escalas más grandes del universo. Las suposiciones en las que se basa el modelo estándar actual de cosmología son:

la universalidad de las leyes físicas : que las leyes de la física no cambian de un lugar y tiempo a otro,
el principio cosmológico - que el universo es aproximadamente homogéneo e isotrópico en el espacio, aunque no necesariamente en el tiempo, y
el principio copernicano : que no estamos observando el universo desde un lugar preferido.

Estos supuestos, cuando se combinan con la relatividad general, dan como resultado un universo que se rige por la métrica de Friedmann-Robertson-Walker (métrica FRW). La métrica FRW permite un universo que se está expandiendo o contrayendo (así como universos estacionarios pero inestables). Cuando se descubrió la Ley de Hubble , la mayoría de los astrónomos interpretaron la ley como una señal de que el universo se está expandiendo. Esto implica que el universo era más pequeño en el pasado y, por lo tanto, llevó a las siguientes conclusiones:

el universo emergió de un estado denso y caliente en un tiempo finito en el pasado,
Debido a que el universo se calienta a medida que se contrae y se enfría a medida que se expande, en los primeros momentos en que existió el tiempo tal como lo conocemos, las temperaturas eran lo suficientemente altas como para que ocurriera la nucleosíntesis del Big Bang , y
debería existir un fondo de microondas cósmico que impregne todo el universo, que es un registro de una transición de fase que ocurrió cuando los átomos del universo se formaron por primera vez.

Estas características fueron derivadas por numerosos individuos durante un período de años; de hecho, no fue hasta mediados del siglo XX que se hicieron predicciones precisas de la última característica y observaciones que confirmaron su existencia. Las teorías no estándar se desarrollaron partiendo de diferentes supuestos o contradiciendo las características predichas por el modelo estándar prevaleciente de cosmología.

Hoy, el Big Bang no se ve seriamente desafiado.

Teorías del estado estacionario

La teoría del estado estable extiende el supuesto de homogeneidad del principio cosmológico para reflejar una homogeneidad en el tiempo y en el espacio . Este "principio cosmológico perfecto", como se llamaría, afirmaba que el universo se ve igual en todas partes (a gran escala), igual que siempre ha sido y siempre será. Esto contrasta con Lambda-CDM, en el que el universo se veía muy diferente en el pasado y se verá muy diferente en el futuro. La teoría del estado estacionario fue propuesta en 1948 por Fred Hoyle , Thomas Gold , Hermann Bondi y otros. Para mantener el principio cosmológico perfecto en un universo en expansión, la cosmología de estado estable tuvo que postular un "campo de creación de materia" (el llamado campo C ) que insertaría materia en el universo para mantener una densidad constante.

El debate entre los modelos del Big Bang y del Estado Estacionario se prolongaría durante 15 años con campos divididos aproximadamente a partes iguales hasta el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas. Esta radiación es una característica natural del modelo del Big Bang que exige un "tiempo de última dispersión" en el que los fotones se desacoplan con la materia bariónica . El modelo de estado estable propuso que esta radiación podría explicarse por la llamada "luz estelar integrada", que era un fondo causado en parte por la paradoja de Olbers en un universo infinito. Para tener en cuenta la uniformidad del fondo, los defensores del estado estacionario postularon un efecto de niebla asociado con partículas microscópicas de hierro que dispersarían las ondas de radio de tal manera que producirían un CMB isotrópico. El fenómeno propuesto se denominó caprichosamente "bigotes de hierro cósmico" y sirvió como mecanismo de termalización . La teoría del estado estacionario no tenía el problema del horizonte del Big Bang porque suponía que se disponía de una cantidad infinita de tiempo para termalizar el fondo.

A medida que se comenzaron a recopilar más datos cosmológicos, los cosmólogos comenzaron a darse cuenta de que el Big Bang predijo correctamente la abundancia de elementos ligeros observados en el cosmos. Lo que era una relación coincidente de hidrógeno a deuterio y helio en el modelo de estado estacionario era una característica del modelo del Big Bang. Además, las mediciones detalladas del CMB desde la década de 1990 con las observaciones de COBE , WMAP y Planck indicaron que el espectro del fondo estaba más cerca de un cuerpo negro que cualquier otra fuente en la naturaleza. El mejor modelo integrado de luz estelar que pudo predecir fue una termalización al nivel del 10%, mientras que el satélite COBE midió la desviación en una parte en 10 ⁵ . Después de este espectacular descubrimiento, la mayoría de los cosmólogos se convencieron de que la teoría del estado estacionario no podía explicar las propiedades del CMB observadas.

Aunque el modelo de estado estacionario original ahora se considera contrario a las observaciones (particularmente el CMB) incluso por sus partidarios de una sola vez, se han propuesto modificaciones del modelo de estado estacionario, incluido un modelo que visualiza que el universo se origina a través de muchas pequeñas explosiones. en lugar de un big bang (la llamada "cosmología de estado cuasi-estacionario"). Supone que el universo pasa por fases periódicas de expansión y contracción, con un suave "rebote" en lugar del Big Bang. Así, la Ley de Hubble se explica por el hecho de que el universo se encuentra actualmente en una fase de expansión. El trabajo continúa en este modelo (sobre todo por Jayant V. Narlikar ), aunque no ha ganado una aceptación generalizada generalizada.

Propuestas basadas en el escepticismo observacional

A medida que la cosmología observacional comenzó a desarrollarse, ciertos astrónomos comenzaron a ofrecer especulaciones alternativas con respecto a la interpretación de varios fenómenos que ocasionalmente se convirtieron en parte de cosmologías no estándar.

Luz cansada

Las teorías de la luz cansada desafían la interpretación común de la Ley de Hubble como una señal de que el universo se está expandiendo. Fue propuesto por Fritz Zwicky en 1929. La propuesta básica equivalía a que la luz perdiera energía ("cansarse") debido a la distancia que viajó en lugar de cualquier expansión métrica o recesión física de las fuentes de los observadores. Una explicación tradicional de este efecto era atribuir una fricción dinámica a los fotones; Las interacciones gravitacionales de los fotones con las estrellas y otros materiales reducirán progresivamente su impulso, produciendo así un corrimiento al rojo. Otras propuestas para explicar cómo los fotones podrían perder energía incluyeron la dispersión de la luz al intervenir material en un proceso similar al enrojecimiento interestelar observado . Sin embargo, todos estos procesos también tenderían a hacer borrosas las imágenes de objetos distantes, y no se ha detectado tal borrosidad.

Se ha encontrado que la luz cansada tradicional es incompatible con la dilatación del tiempo observada que está asociada con el corrimiento al rojo cosmológico. Esta idea se recuerda principalmente como una explicación alternativa falsificada de la ley de Hubble en la mayoría de las discusiones sobre astronomía o cosmología.

Periodicidad del corrimiento al rojo y corrimientos al rojo intrínsecos

Halton Arp en Londres, octubre de 2000

Algunos astrofísicos no estaban convencidos de que los corrimientos al rojo cosmológicos fueran causados por la expansión cosmológica universal . El escepticismo y las explicaciones alternativas comenzaron a aparecer en la literatura científica en la década de 1960. En particular, Geoffrey Burbidge , William Tifft y Halton Arp eran astrofísicos observacionales que propusieron que había inconsistencias en las observaciones de desplazamiento al rojo de galaxias y cuásares . Los dos primeros fueron famosos por sugerir que había periodicidades en las distribuciones de desplazamiento al rojo de galaxias y quásares. Sin embargo, los análisis estadísticos posteriores de los estudios de desplazamiento al rojo no han confirmado la existencia de estas periodicidades.

Durante las controversias de los quásares de la década de 1970, estos mismos astrónomos también opinaron que los quásares exhibían altos corrimientos al rojo no debido a su increíble distancia, sino más bien debido a inexplicables mecanismos intrínsecos de corrimiento al rojo que causarían las periodicidades y arrojarían dudas sobre el Big Bang. Las discusiones sobre cuán distantes estaban los cuásares tomaron la forma de debates en torno a los mecanismos de producción de energía de los cuásares, sus curvas de luz y si los cuásares exhibían algún movimiento adecuado . Los astrónomos que creían que los cuásares no estaban a distancias cosmológicas argumentaron que la luminosidad de Eddington imponía límites a la distancia a la que podían estar los cuásares, ya que la producción de energía requerida para explicar el brillo aparente de los cuásares cosmológicamente distantes era demasiado alta para ser explicada solo por la fusión nuclear . Esta objeción fue discutida por los modelos mejorados de discos de acreción accionados por gravedad que para material suficientemente denso (como agujeros negros ) pueden ser más eficientes en la producción de energía que las reacciones nucleares. La controversia terminó en la década de 1990 cuando se dispuso de evidencia de que los cuásares observados eran en realidad los núcleos ultra luminosos de núcleos galácticos activos distantes y que los componentes principales de su corrimiento al rojo se debían de hecho al flujo del Hubble .

A lo largo de su carrera, Halton Arp sostuvo que había anomalías en sus observaciones de cuásares y galaxias, y que esas anomalías sirvieron como refutación del Big Bang. En particular, Arp señaló ejemplos de cuásares que estaban cerca de la línea de visión de (relativamente) cercanas galaxias activas, principalmente Seyfert. Estos objetos ahora se clasifican bajo el término núcleos galácticos activos (AGN), Arp criticó el uso de tal término sobre la base de que no es empírico. Afirmó que los cúmulos de cuásares estaban alineados alrededor de los núcleos de estas galaxias y que los quásares, en lugar de ser los núcleos de AGN distantes, estaban en realidad mucho más cerca y eran objetos con forma de estrella expulsados de los centros de galaxias cercanas con altos desplazamientos al rojo intrínsecos. Arp también sostuvo que gradualmente perdieron su componente de corrimiento al rojo no cosmológico y eventualmente evolucionaron a galaxias de pleno derecho. Esto está en total contradicción con los modelos aceptados de formación de galaxias .

El mayor problema con el análisis de Arp es que hoy en día hay cientos de miles de quásares con corrimientos al rojo conocidos descubiertos por varios estudios del cielo. La gran mayoría de estos cuásares no están correlacionados de ninguna manera con los AGN cercanos. De hecho, con técnicas de observación mejoradas, se han observado varias galaxias anfitrionas alrededor de los cuásares, lo que indica que esos cuásares al menos realmente están a distancias cosmológicas y no son el tipo de objetos que propone Arp. El análisis de Arp, según la mayoría de los científicos, adolece de basarse en estadísticas de números pequeños y de buscar coincidencias peculiares y asociaciones extrañas. Muestras imparciales de fuentes, tomadas de numerosos estudios de galaxias del cielo, no muestran ninguna de las "irregularidades" propuestas, ni que existan correlaciones estadísticamente significativas .

Además, no está claro qué mecanismo sería responsable de los desplazamientos al rojo intrínsecos o de su disipación gradual a lo largo del tiempo. Tampoco está claro cómo los cuásares cercanos explicarían algunas características en el espectro de cuásares que el modelo estándar explica fácilmente. En la cosmología estándar, las nubes de hidrógeno neutro entre el cuásar y la tierra crean líneas de absorción alfa de Lyman que tienen diferentes desplazamientos al rojo hasta el del propio cuásar; esta característica se llama bosque Lyman-alpha . Además, en cuásares extremos se puede observar la absorción de hidrógeno neutro que aún no ha sido reionizado en una característica conocida como la depresión de Gunn-Peterson . La mayoría de los cosmólogos ven este trabajo teórico faltante como razón suficiente para explicar las observaciones como azar o error.

Halton Arp ha propuesto una explicación para sus observaciones mediante una "hipótesis de masa variable" machiana . La teoría de masa variable invoca la creación constante de materia a partir de núcleos galácticos activos, lo que la coloca en la clase de teorías del estado estable. Con el fallecimiento de Halton Arp, esta cosmología ha sido relegada a una teoría descartada.

Cosmología del plasma

En 1965, Hannes Alfvén propuso una teoría de la "cosmología del plasma" del universo basada en parte en escalar observaciones de la física del plasma espacial y experimentos con plasmas en laboratorios terrestres a escalas cosmológicas órdenes de magnitud mayores. Tomando la simetría materia-antimateria como punto de partida, Alfvén junto con Oskar Klein propusieron el modelo cosmológico de Alfvén-Klein , basado en el hecho de que dado que la mayor parte del universo local estaba compuesto de materia y no de antimateria puede haber grandes burbujas de materia y antimateria. que equilibraría globalmente a la igualdad. Las dificultades con este modelo se hicieron evidentes casi de inmediato. La aniquilación de materia-antimateria da como resultado la producción de fotones de alta energía que no se observaron. Si bien era posible que la célula local "dominada por la materia" fuera simplemente más grande que el universo observable , esta proposición no se prestaba a pruebas de observación.

Como la teoría del estado estacionario , la cosmología del plasma incluye un Principio Cosmológico Fuerte que asume que el universo es isotrópico tanto en el tiempo como en el espacio. Se asume explícitamente que la materia ha existido siempre, o al menos que se formó en un momento tan lejano en el pasado que está para siempre más allá de los métodos empíricos de investigación de la humanidad.

Si bien la cosmología del plasma nunca ha contado con el apoyo de la mayoría de los astrónomos o físicos , un pequeño número de investigadores del plasma ha continuado promoviendo y desarrollando el enfoque y publicando en los números especiales de IEEE Transactions on Plasma Science . Algunos artículos sobre cosmología del plasma se publicaron en otras revistas principales hasta la década de 1990. Además, en 1991, Eric J. Lerner , un investigador independiente en física del plasma y fusión nuclear, escribió un libro de nivel popular que apoya la cosmología del plasma llamado The Big Bang Never Happened . En ese momento hubo un renovado interés en el tema entre la comunidad cosmológica junto con otras cosmologías no estándar. Esto se debió a resultados anómalos informados en 1987 por Andrew Lange y Paul Richardson de UC Berkeley y Toshio Matsumoto de la Universidad de Nagoya que indicaron que el fondo de microondas cósmico podría no tener un espectro de cuerpo negro . Sin embargo, el anuncio final (en abril de 1992) de los datos del satélite COBE corrigió la contradicción anterior del Big Bang; la popularidad de la cosmología del plasma ha caído desde entonces.

Alternativas y extensiones a Lambda-CDM

El modelo estándar de cosmología actual, el modelo Lambda-CDM , ha tenido un gran éxito al proporcionar un marco teórico para la formación de estructuras , las anisotropías en el fondo cósmico de microondas y la expansión acelerada del universo . Sin embargo, no está exento de problemas. En la actualidad, existen muchas propuestas que desafían varios aspectos del modelo Lambda-CDM. Estas propuestas suelen modificar algunas de las características principales de Lambda-CDM, pero no rechazan el Big Bang.

Universo anisotrópico

La isotropicidad, la idea de que el universo se ve igual en todas las direcciones, es uno de los supuestos centrales que entran en las ecuaciones de Friedmann. Sin embargo, en 2008, los científicos que trabajaban en los datos de la sonda de anisotropía de microondas de Wilkinson afirmaron haber detectado un flujo de cúmulos de 600 a 1000 km / s hacia un parche de cielo de 20 grados entre las constelaciones de Centaurus y Vela. Sugirieron que el movimiento puede ser un remanente de la influencia de regiones del universo que ya no eran visibles antes de la inflación. La detección es controvertida y otros científicos han descubierto que el universo es isotrópico en gran medida.

Materia oscura exótica

En Lambda-CDM, la materia oscura es una forma de materia extremadamente inerte que no interactúa tanto con la materia ordinaria (bariones) como con la luz, pero aún ejerce efectos gravitacionales. Para producir la estructura a gran escala que vemos hoy, la materia oscura es "fría" (la 'C' en Lambda-CDM), es decir, no relativista. La materia oscura no se ha identificado de manera concluyente y su naturaleza exacta es objeto de un intenso estudio. Los principales candidatos a materia oscura son las partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP) y los axiones . Ambas son nuevas partículas elementales no incluidas en el Modelo Estándar de Física de Partículas . Una diferencia importante entre los dos es su masa: los WIMP generalmente tienen masas en el rango de GeV , mientras que los axiones son mucho más livianos, con masas en el rango de meV o menores.

Los WIMP y los axiones están lejos de ser los únicos candidatos a materia oscura, y hay una variedad de otras propuestas, por ejemplo:

Materia oscura que interactúa con sí misma, en la que las partículas de materia oscura interactúan entre sí.
Materia oscura cálida , que es más relativista que la materia oscura fría, pero menos relativista que la materia oscura caliente excluida observacionalmente .
Materia oscura fría y difusa , que tiene partículas mucho más ligeras que los axiones, en el rango de 10 ⁻²² eV.

Sin embargo, otras teorías intentan explicar la materia oscura y la energía oscura como diferentes facetas del mismo fluido subyacente (ver fluido oscuro ), o plantean la hipótesis de que la materia oscura podría descomponerse en energía oscura.

Energía oscura exótica

La ecuación de estado de la energía oscura para 4 modelos comunes en función del corrimiento al rojo. Nuestro universo actual está en , y la constante cosmológica lo ha hecho . A: Modelo CPL, B: Modelo Jassal, C: Modelo Barboza & Alcaniz, D: Modelo Wetterich

{\ Displaystyle z = 0}

{\ Displaystyle w = -1}

En Lambda-CDM, la energía oscura es una forma desconocida de energía que tiende a acelerar la expansión del universo. Se comprende menos que la materia oscura y es igualmente misteriosa. La explicación más simple de la energía oscura es la constante cosmológica (la 'Lambda' en Lambda-CDM). Esta es una constante simple agregada a las ecuaciones de campo de Einstein para proporcionar una fuerza repulsiva. Hasta ahora, las observaciones son totalmente consistentes con la constante cosmológica, pero dejan espacio para una plétora de alternativas, por ejemplo:

Quintaesencia , que es un campo escalar similar al que impulsó la inflación cósmica poco después del Big Bang. En quintaesencia, la energía oscura generalmente variará con el tiempo (a diferencia de la constante cosmológica, que permanece constante).
Cosmología no homogénea . Una de las suposiciones fundamentales de Lambda-CDM es que el universo es homogéneo, es decir, se ve prácticamente igual independientemente de dónde se encuentre el observador. En el escenario del universo no homogéneo, la energía oscura observada es un artefacto de medición causado por estar ubicados en una región del espacio más vacía que la media.
Energía oscura variable, que es similar a la quintaesencia en que las propiedades de la energía oscura varían con el tiempo (ver figura), pero diferente en que la energía oscura no se debe a un campo escalar.

Alternativas a la relatividad general

La relatividad general, en la que se basa la métrica FRW, es una teoría extremadamente exitosa que ha superado todas las pruebas de observación hasta ahora. Sin embargo, en un nivel fundamental es incompatible con la mecánica cuántica y, al predecir singularidades , también predice su propia ruptura. Cualquier teoría alternativa de la gravedad implicaría inmediatamente una teoría cosmológica alternativa, ya que el modelado actual depende de la relatividad general como supuesto marco. Hay muchas motivaciones diferentes para modificar la relatividad general, como eliminar la necesidad de materia oscura o energía oscura, o evitar paradojas como el cortafuegos .

Universo machiano

Ernst Mach desarrolló una especie de extensión de la relatividad general que proponía que la inercia se debía a los efectos gravitacionales de la distribución de masa del universo. Esto llevó naturalmente a especular sobre las implicaciones cosmológicas de tal propuesta. Carl Brans y Robert Dicke pudieron incorporar con éxito el principio de Mach en la relatividad general que admitió soluciones cosmológicas que implicarían una masa variable. La masa distribuida homogéneamente del universo daría como resultado un campo escalar aproximadamente que impregnaría el universo y serviría como fuente para la constante gravitacional de Newton ; creando una teoría de la gravedad cuántica .

MOND

La dinámica newtoniana modificada (MOND) es una propuesta relativamente moderna para explicar el problema de la rotación de galaxias basada en una variación de la segunda ley de la dinámica de Newton a bajas aceleraciones. Esto produciría una variación a gran escala de la teoría universal de la gravedad de Newton . Una modificación de la teoría de Newton también implicaría una modificación de la cosmología relativista general en la medida en que la cosmología newtoniana es el límite de la cosmología de Friedman. Si bien casi todos los astrofísicos rechazan hoy la MOND en favor de la materia oscura, un pequeño número de investigadores continúan realzándola, incorporando recientemente las teorías de Brans-Dicke en tratamientos que intentan dar cuenta de las observaciones cosmológicas.

La gravedad tensorial-vectorial-escalar (TeVeS) es una teoría relativista propuesta que es equivalente a la dinámica newtoniana modificada (MOND) en el límite no relativista, que pretende explicar el problema de rotación de galaxias sin invocar la materia oscura. Originado por Jacob Bekenstein en 2004, incorpora varios campos tensoriales dinámicos y no dinámicos , campos vectoriales y campos escalares.

El avance de TeVeS sobre MOND es que puede explicar el fenómeno de las lentes gravitacionales , una ilusión óptica cósmica en la que la materia dobla la luz, lo que se ha confirmado muchas veces. Un hallazgo preliminar reciente es que puede explicar la formación de estructuras sin CDM, pero requiere un neutrino masivo de ~ 2eV (también se requieren para adaptarse a algunos Cúmulos de galaxias , incluido el Cúmulo Bullet ). Sin embargo, otros autores (ver Slosar, Melchiorri y Silk) argumentan que TeVeS no puede explicar las anisotropías cósmicas de fondo de microondas y la formación de estructuras al mismo tiempo, es decir, descartando aquellos modelos de alta importancia.

f (R) gravedad

La gravedad f ( R ) es una familia de teorías que modifican la relatividad general al definir una función diferente del escalar de Ricci . El caso más simple es que la función sea igual al escalar; esta es la relatividad general. Como consecuencia de la introducción de una función arbitraria, puede haber libertad para explicar la expansión acelerada y la formación de estructuras del Universo sin agregar formas desconocidas de energía oscura o materia oscura. Algunas formas funcionales pueden inspirarse en correcciones derivadas de una teoría cuántica de la gravedad . La gravedad f ( R ) fue propuesta por primera vez en 1970 por Hans Adolph Buchdahl (aunque se usó φ en lugar de f para el nombre de la función arbitraria). Se ha convertido en un campo de investigación activo tras el trabajo de Starobinsky sobre la inflación cósmica . Se puede producir una amplia gama de fenómenos a partir de esta teoría adoptando diferentes funciones; sin embargo, ahora se pueden descartar muchas formas funcionales por motivos de observación o debido a problemas teóricos patológicos.

Notas

Bibliografía

Arp, Halton, Seeing Red . Apeiron, Montreal. 1998. ISBN 0-9683689-0-5
Hannes, Alfvén D., Plasma Cósmico . Reidel Pub Co., 1981. ISBN 90-277-1151-8
Hoyle, Fred; Geoffrey Burbidge y Jayant V. Narlikar, Un enfoque diferente de la cosmología: de un universo estático a través del Big Bang hacia la realidad . Prensa de la Universidad de Cambridge. 2000. ISBN 0-521-66223-0
Lerner, Eric J., Big Bang Never Happened , Vintage Books, 1992. ISBN 0-679-74049-X
Narlikar, Jayant Vishnu, Introducción a la cosmología . Jones y Bartlett Pub. ISBN 0-86720-015-4

Enlaces externos y referencias

Narlikar, Jayant V. y T. Padmanabhan, " Cosmología estándar y alternativas: una evaluación crítica ". Revista anual de astronomía y astrofísica , vol. 39, págs. 211–248 (2001).
Wright, Edward L. " Modas y falacias cosmológicas: " Errores en algunos ataques populares al Big Bang

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