Cosmología del plasma - Plasma cosmology

Hannes Alfvén sugirió que los resultados de laboratorio a escala pueden extrapolarse a la escala del universo. Se requirió un salto de escala de un factor 10 9 para extrapolar a la magnetosfera , un segundo salto para extrapolar a las condiciones galácticas y un tercer salto para extrapolar a la distancia del Hubble .

La cosmología del plasma es una cosmología no estándar cuyo postulado central es que la dinámica de los gases ionizados y los plasmas desempeñan papeles importantes, si no dominantes, en la física del universo más allá del Sistema Solar . Por el contrario, las actuales observaciones y modelos de los cosmólogos y astrofísicos explican la formación, el desarrollo y la evolución de los cuerpos astronómicos y estructuras a gran escala en el universo como la influencia de la gravedad (incluyendo su formulación en Albert Einstein 's teoría general de la relatividad ) y física bariónica .

Algunos conceptos teóricos sobre la cosmología del plasma se originaron con Hannes Alfvén , quien propuso tentativamente el uso de la escala del plasma para extrapolar los resultados de los experimentos de laboratorio y las observaciones de la física del plasma y escalarlos en muchos órdenes de magnitud hasta los objetos observables más grandes del universo (ver cuadro ).

Los cosmólogos y astrofísicos que han evaluado la cosmología del plasma la rechazan porque no coincide con las observaciones de los fenómenos astrofísicos ni con la teoría cosmológica actual. Desde mediados de la década de 1990 han aparecido en la bibliografía muy pocos artículos que respalden la cosmología del plasma.

El término universo de plasma se utiliza a veces como sinónimo de cosmología del plasma, como una descripción alternativa del plasma en el universo.

Cosmología de Alfvén-Klein

En la década de 1960, Alfvén, un experto en plasma que ganó el Premio Nobel de Física en 1970, presentó la teoría detrás de la cosmología del plasma por su trabajo sobre magnetohidrodinámica . En 1971, Oskar Klein , un físico teórico sueco, amplió las propuestas anteriores y desarrolló el modelo Alfvén-Klein del universo , o "metagalaxia", un término anterior utilizado para referirse a la parte empíricamente accesible del universo, en lugar de la totalidad. universo incluyendo partes más allá de nuestro horizonte de partículas . En esta cosmología de Alfvén-Klein , a veces llamada cosmología de Klein-Alfvén , el universo está formado por cantidades iguales de materia y antimateria y los límites entre las regiones de materia y antimateria están delimitados por campos electromagnéticos cósmicos formados por capas dobles , regiones delgadas que comprenden dos capas paralelas con carga eléctrica opuesta. La interacción entre estas regiones limítrofes generaría radiación, y esta formaría el plasma. Alfvén introdujo el término ambiplasma para un plasma formado por materia y antimateria y las dobles capas se forman así de ambiplasma. Según Alfvén, tal ambiplasma tendría una vida relativamente larga, ya que las partículas componentes y las antipartículas serían demasiado calientes y de densidad demasiado baja para aniquilarse entre sí rápidamente. Las capas dobles actuarán para repeler nubes de tipo opuesto, pero combinan nubes del mismo tipo, creando regiones cada vez más grandes de materia y antimateria. La idea de ambiplasma se desarrolló aún más en las formas de ambiplasma pesado (protones-antiprotones) y ambiplasma ligero (electrones-positrones).

La cosmología de Alfvén-Klein se propuso en parte para explicar la asimetría bariónica observada en el universo, partiendo de una condición inicial de simetría exacta entre materia y antimateria. Según Alfvén y Klein, el ambiplasma formaría de forma natural bolsas de materia y bolsas de antimateria que se expandirían hacia afuera a medida que ocurriera la aniquilación entre la materia y la antimateria en la doble capa en los límites. Llegaron a la conclusión de que debemos vivir en uno de los bolsillos que eran principalmente bariones en lugar de antibariones, lo que explica la asimetría de bariones. Las bolsas, o burbujas, de materia o antimateria se expandirían debido a las aniquilaciones en los límites, lo que Alfvén consideró como una posible explicación de la expansión observada del universo , que sería simplemente una fase local de una historia mucho más amplia. Alfvén postuló que el universo siempre ha existido debido a argumentos de causalidad y al rechazo de modelos ex nihilo , como el Big Bang , como una forma sigilosa de creacionismo . La capa doble explosión también fue sugerido por Alfvén como un posible mecanismo para la generación de los rayos cósmicos , explosiones de rayos X y los estallidos de rayos gamma .

En 1993, el cosmólogo teórico Jim Peebles criticado Alfvén-Klein cosmología, escribiendo que "no hay manera de que los resultados puedan ser coherente con la isotropía de la radiación cósmica de fondo de microondas y fondos de rayos X ". En su libro también mostró que los modelos de Alfvén no predicen la ley de Hubble , la abundancia de elementos de luz o la existencia del fondo cósmico de microondas . Una dificultad adicional con el modelo de ambiplasma es que la aniquilación de materia-antimateria da como resultado la producción de fotones de alta energía , que no se observan en las cantidades previstas. Si bien es posible que la célula local "dominada por la materia" sea simplemente más grande que el universo observable , esta proposición no se presta a pruebas de observación.

Cosmología del plasma y estudio de las galaxias.

Hannes Alfvén desde la década de 1960 hasta la de 1980 argumentó que el plasma desempeñaba un papel importante, si no dominante, en el universo porque las fuerzas electromagnéticas son mucho más importantes que la gravedad cuando actúan sobre partículas cargadas interplanetarias e interestelares . Además, planteó la hipótesis de que podrían promover la contracción de las nubes interestelares e incluso podrían constituir el mecanismo principal de contracción, iniciando la formación de estrellas . La visión estándar actual es que los campos magnéticos pueden obstaculizar el colapso, que no se han observado corrientes de Birkeland a gran escala y que se predice que la escala de longitud para la neutralidad de carga será mucho más pequeña que las escalas cosmológicas relevantes.

En las décadas de 1980 y 1990, Alfvén y Anthony Peratt , un físico de plasma del Laboratorio Nacional de Los Alamos , delinearon un programa que llamaron el "universo de plasma". En las propuestas del universo de plasma, varios fenómenos de la física del plasma se asociaron con observaciones astrofísicas y se utilizaron para explicar los misterios y problemas contemporáneos destacados en astrofísica en las décadas de 1980 y 1990. En varios lugares, Peratt describió lo que caracterizó como un punto de vista alternativo a los modelos convencionales aplicados en astrofísica y cosmología.

Por ejemplo, Peratt propuso que el enfoque principal de la dinámica galáctica que se basaba en el modelado gravitacional de estrellas y gas en galaxias con la adición de materia oscura pasaba por alto una posible contribución importante de la física del plasma. Menciona experimentos de laboratorio de Winston H. Bostick en la década de 1950 que crearon descargas de plasma que parecían galaxias. Perrat realizó simulaciones por computadora de nubes de plasma en colisión que, según informó, también imitaban la forma de las galaxias. Peratt propuso que las galaxias se formaron debido a la unión de filamentos de plasma en una pizca en z , los filamentos comenzando a 300.000 años luz de distancia y transportando corrientes de Birkeland de 10 18 amperios. Peratt también informó simulaciones que hizo que mostraban chorros emergentes de material de la región de amortiguación central que comparó con cuásares y núcleos galácticos activos que ocurren sin agujeros negros supermasivos . Peratt propuso una secuencia para la evolución de las galaxias : "la transición de radiogalaxias dobles a radiocuásares, a QSO radio silenciosos a galaxias peculiares y Seyfert , que finalmente termina en galaxias espirales ". También informó que se simularon curvas de rotación de galaxias planas sin materia oscura . Al mismo tiempo, Eric Lerner , un investigador de plasma independiente y partidario de las ideas de Peratt, propuso un modelo de plasma para cuásares basado en un foco de plasma denso .

Comparación con la astrofísica convencional

Los modelos y las teorías astronómicas estándar intentan incorporar toda la física conocida en las descripciones y explicaciones de los fenómenos observados, con la gravedad jugando un papel dominante en las escalas más grandes, así como en la mecánica y dinámica celestes . Con ese fin, tanto las órbitas keplerianas como la Teoría de la relatividad general de Albert Einstein se utilizan generalmente como marcos subyacentes para modelar sistemas astrofísicos y formación de estructuras , mientras que la astronomía de alta energía y la física de partículas en cosmología también apelan a los procesos electromagnéticos , incluida la física del plasma y transferencia radiativa para explicar los procesos energéticos de escala relativamente pequeña que se observan en los rayos X y los rayos gamma . Debido a la neutralidad de carga general , la física del plasma no proporciona interacciones de muy largo alcance en astrofísica, incluso cuando gran parte de la materia del universo es plasma . (Consulte plasma astrofísico para obtener más información).

Los defensores de la cosmología del plasma afirman que la electrodinámica es tan importante como la gravedad para explicar la estructura del universo, y especulan que proporciona una explicación alternativa para la evolución de las galaxias y el colapso inicial de las nubes interestelares. En particular, se afirma que la cosmología del plasma proporciona una explicación alternativa para las curvas de rotación planas de las galaxias espirales y elimina la necesidad de materia oscura en las galaxias y la necesidad de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias para alimentar quásares y núcleos galácticos activos . Sin embargo, el análisis teórico muestra que "muchos escenarios para la generación de campos magnéticos de semillas, que dependen de la supervivencia y sostenibilidad de las corrientes en los primeros tiempos [del universo están desfavorecidos]", es decir, corrientes de Birkeland de la magnitud necesaria (10 18 amperios sobre escalas de megaparsecs) para la formación de galaxias no existen. Además, muchos de los problemas que eran misteriosos en las décadas de 1980 y 1990, incluidas las discrepancias relacionadas con el fondo cósmico de microondas y la naturaleza de los cuásares , se han resuelto con más evidencia que, en detalle, proporciona una distancia y una escala de tiempo para el universo.

Algunos de los lugares donde los partidarios de la cosmología del plasma están más en desacuerdo con las explicaciones estándar incluyen la necesidad de que sus modelos tengan producción de elementos ligeros sin nucleosíntesis del Big Bang , que, en el contexto de la cosmología de Alfvén-Klein, se ha demostrado que produce un exceso de X- rayos y rayos gamma más allá de lo observado. Los defensores de la cosmología del plasma han hecho más propuestas para explicar la abundancia de elementos ligeros, pero los problemas concomitantes no se han abordado por completo. En 1995 Eric Lerner publicó su explicación alternativa para la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR). Argumentó que su modelo explicaba la fidelidad del espectro CMB al de un cuerpo negro y el bajo nivel de anisotropías encontradas, incluso cuando el nivel de isotropía en 1:10 5 no se contabiliza con esa precisión en ningún modelo alternativo. Además, la sensibilidad y la resolución de la medición de las anisotropías del CMB fue muy avanzada por WMAP y el satélite Planck y las estadísticas de la señal estaban tan en línea con las predicciones del modelo Big Bang, que el CMB ha sido anunciado como un importante confirmación del modelo del Big Bang en detrimento de alternativas. Los picos acústicos en el universo temprano se ajustan con gran precisión a las predicciones del modelo del Big Bang y, hasta la fecha, nunca ha habido un intento de explicar el espectro detallado de las anisotropías dentro del marco de la cosmología del plasma o cualquier otra alternativa. modelo cosmológico.

Referencias y notas

Otras lecturas

enlaces externos