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Principio cosmológico

Problema sin resolver en física :
¿Es el universo homogéneo e isótropo a escalas suficientemente grandes, como afirma el principio cosmológico y asumen todos los modelos que utilizan la métrica de Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker , incluida la versión actual del modelo ΛCDM , o es el universo no homogéneo o anisotrópico? [1] [2] [3]

En la cosmología física moderna , el principio cosmológico es la noción de que la distribución espacial de la materia en el universo es uniformemente isótropa y homogénea cuando se observa en una escala suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen de manera igual en todo el universo a gran escala y, por lo tanto, no deberían producir desigualdades observables en la estructuración a gran escala a lo largo de la evolución del campo de materia que fue establecido inicialmente por el Big Bang .

Definición

El astrónomo William Keel explica:

El principio cosmológico suele enunciarse formalmente como "Visto a una escala suficientemente grande, las propiedades del universo son las mismas para todos los observadores". Esto equivale a la afirmación fuertemente filosófica de que la parte del universo que podemos ver es una muestra justa y que las mismas leyes físicas se aplican en toda su extensión. En esencia, esto en cierto sentido dice que el universo es cognoscible y que está jugando limpio con los científicos. [4]

El principio cosmológico depende de una definición de "observador" y contiene una calificación implícita y dos consecuencias comprobables.

"Observadores" significa cualquier observador en cualquier lugar del universo, no simplemente cualquier observador humano en cualquier lugar de la Tierra: como dice Andrew Liddle , "el principio cosmológico [significa que] el universo se ve igual sin importar quién seas y dónde estés". [5]

La salvedad es que la variación en las estructuras físicas puede pasarse por alto, siempre que esto no ponga en peligro la uniformidad de las conclusiones extraídas de la observación: el Sol es diferente de la Tierra, nuestra galaxia es diferente de un agujero negro, algunas galaxias avanzan hacia nosotros en lugar de alejarse de nosotros, y el universo tiene una textura "espumosa" de cúmulos de galaxias y vacíos, pero ninguna de estas estructuras diferentes parece violar las leyes básicas de la física.

Las dos consecuencias estructurales comprobables del principio cosmológico son la homogeneidad y la isotropía . Homogeneidad significa que la misma evidencia observacional está disponible para observadores en diferentes lugares del universo ("la parte del universo que podemos ver es una muestra justa"). Isotropía significa que la misma evidencia observacional está disponible mirando en cualquier dirección en el universo ("las mismas leyes físicas se aplican en todas partes"). [ dudosodiscutir ] Los principios son distintos pero están estrechamente relacionados, porque un universo que parece isótropo desde dos (para una geometría esférica, tres) lugares cualesquiera también debe ser homogéneo.

Origen

El principio cosmológico se afirma claramente por primera vez en los Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton . [ dudosodiscutir ] En contraste con algunas cosmologías clásicas o medievales anteriores, en las que la Tierra descansaba en el centro del universo, Newton conceptualizó la Tierra como una esfera en movimiento orbital alrededor del Sol dentro de un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas direcciones hasta distancias inconmensurablemente grandes. Luego demostró, a través de una serie de pruebas matemáticas sobre datos de observación detallados de los movimientos de planetas y cometas, que sus movimientos podían explicarse por un solo principio de " gravitación universal " que se aplicaba también a las órbitas de las lunas galileanas alrededor de Júpiter, la Luna alrededor de la Tierra, la Tierra alrededor del Sol y a los cuerpos que caen sobre la Tierra. Es decir, afirmó la naturaleza material equivalente de todos los cuerpos dentro del Sistema Solar, la naturaleza idéntica del Sol y las estrellas distantes y, por lo tanto, la extensión uniforme de las leyes físicas del movimiento a una gran distancia más allá de la ubicación de observación de la Tierra misma.

Trascendencia

Desde la década de 1990, las observaciones que asumen el principio cosmológico han concluido que alrededor del 68% de la densidad de masa-energía del universo puede atribuirse a la energía oscura , lo que llevó al desarrollo del modelo ΛCDM . [6] [7] [8]

Las observaciones muestran que las galaxias más distantes están más cerca unas de otras y tienen un menor contenido de elementos químicos más pesados ​​que el litio. [ cita requerida ] Aplicando el principio cosmológico, esto sugiere que los elementos más pesados ​​no se crearon en el Big Bang, sino que se produjeron por nucleosíntesis en estrellas gigantes y se expulsaron a través de una serie de supernovas y formación de nuevas estrellas a partir de los remanentes de supernova, lo que significa que los elementos más pesados ​​se acumularían con el tiempo. Otra observación es que las galaxias más lejanas (tiempos anteriores) a menudo son más fragmentarias, interactúan y tienen una forma inusual que las galaxias locales (tiempos recientes), lo que sugiere también una evolución en la estructura de las galaxias.

Una implicación relacionada con el principio cosmológico es que las estructuras discretas más grandes del universo están en equilibrio mecánico . La homogeneidad e isotropía de la materia en las escalas más grandes sugeriría que las estructuras discretas más grandes son partes de una única forma indiscreta, como las migajas que forman el interior de un pastel. A distancias cosmológicas extremas, la propiedad del equilibrio mecánico en superficies laterales a la línea de visión puede probarse empíricamente; sin embargo, bajo el supuesto del principio cosmológico, no puede detectarse paralelamente a la línea de visión (véase la línea de tiempo del universo ).

Los cosmólogos coinciden en que, de acuerdo con las observaciones de galaxias distantes, un universo debe ser no estático si sigue el principio cosmológico. En 1923, Alexander Friedmann propuso una variante de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein que describen la dinámica de un universo isótropo homogéneo. [9] [10] Independientemente, Georges Lemaître derivó en 1927 las ecuaciones de un universo en expansión a partir de las ecuaciones de la relatividad general. [11] Por lo tanto, también se implica un universo no estático, independientemente de las observaciones de galaxias distantes, como resultado de aplicar el principio cosmológico a la relatividad general .

Crítica

Karl Popper criticó el principio cosmológico porque considera que "nuestra falta de conocimiento es un principio de conocimiento de algo ". Resumió su postura de la siguiente manera:

Los "principios cosmológicos" eran, me temo, dogmas que no deberían haber sido propuestos. [12]

Observaciones

Aunque el universo es heterogéneo a escalas menores, según el modelo ΛCDM debería ser isotrópico y estadísticamente homogéneo a escalas mayores de 250 millones de años luz. Sin embargo, hallazgos recientes (el Eje del Mal , por ejemplo) han sugerido que existen violaciones del principio cosmológico en el universo y, por lo tanto, han puesto en tela de juicio el modelo ΛCDM, y algunos autores sugieren que el principio cosmológico ahora está obsoleto y que la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker deja de funcionar en el universo tardío. [1]

Violaciones de la isotropía

El modelo ΛCDM predice que el fondo cósmico de microondas (CMB) es isotrópico, es decir, que su intensidad es aproximadamente la misma en cualquier dirección en la que miremos. [13] Los datos de la Misión Planck muestran un sesgo hemisférico en dos aspectos: uno con respecto a la temperatura promedio (es decir, fluctuaciones de temperatura), el segundo con respecto a variaciones mayores en el grado de perturbaciones (es decir, densidades), [14] [15] la colaboración señaló que estas características no son fuertemente inconsistentes estadísticamente con la isotropía. [16] Algunos autores dicen que el universo alrededor de la Tierra es isotrópico con alta significancia según estudios de los mapas de temperatura del fondo cósmico de microondas . [17] Sin embargo, existen afirmaciones de violaciones de isotropía de cúmulos de galaxias , [2] [3] cuásares , [18] y supernovas de tipo Ia . [19]

Violaciones de homogeneidad

El principio cosmológico implica que, a una escala suficientemente grande, el universo es homogéneo . Basándose en simulaciones de N cuerpos en un universo ΛCDM, Yadav y sus colegas demostraron que la distribución espacial de las galaxias es estadísticamente homogénea si se promedia en escalas de 260 / h Mpc o más. [20]

Se ha informado que varias observaciones están en conflicto con las predicciones de tamaños máximos de estructura:

Sin embargo, como señaló Seshadri Nadathur en 2013 utilizando propiedades estadísticas, [26] la existencia de estructuras mayores que la escala homogénea (260 / h Mpc según la estimación de Yadav) [20] no viola necesariamente el principio cosmológico en el modelo ΛCDM (ver Huge-LQG § Dispute ). [27]

Dipolo CMB

Problema sin resolver en física :
¿El dipolo CMB es puramente cinemático o indica la anisotropía del universo, lo que resulta en la ruptura de la métrica FLRW y el principio cosmológico? [1]

El fondo cósmico de microondas (CMB) ofrece una instantánea de un universo en gran medida isótropo y homogéneo. La característica de mayor escala del CMB es la anisotropía dipolar ; normalmente se la excluye de los mapas debido a su gran amplitud. La interpretación estándar del dipolo es que se debe al efecto Doppler causado por el movimiento del sistema solar con respecto al sistema de referencia en reposo del CMB.

Varios estudios han reportado dipolos en la distribución a gran escala de galaxias que se alinean con la dirección del dipolo del CMB, pero indican una amplitud mayor que la que sería causada por la velocidad del dipolo del CMB. [28] Un dipolo similar se ve en datos de radiogalaxias, sin embargo la amplitud del dipolo depende de la frecuencia de observación mostrando que estas características anómalas no pueden ser puramente cinemáticas . [29] Otros autores han encontrado dipolos de radio consistentes con la expectativa del CMB. [30] Se han hecho más afirmaciones de anisotropía a lo largo del eje del dipolo del CMB con respecto al diagrama de Hubble de supernovas de tipo Ia [31] y cuásares . [32] Por separado, la dirección del dipolo del CMB ha surgido como una dirección preferida en algunos estudios de alineaciones en polarizaciones de cuásares, [33]  fuerte retardo de tiempo de lente, [34] supernovas de tipo Ia, [35] y velas estándar . [36] Algunos autores han argumentado que la correlación de los efectos distantes con la dirección del dipolo puede indicar que su origen no es cinemático.

Como alternativa, los datos de Planck se han utilizado para estimar la velocidad con respecto al CMB independientemente del dipolo, midiendo las aberraciones y distorsiones sutiles de las fluctuaciones causadas por la emisión relativista [37] y por separado utilizando el efecto Sunyaev-Zeldovich . [38] Estos estudios encontraron una velocidad consistente con el valor obtenido del dipolo, lo que indica que es consistente con ser completamente cinemático. Las mediciones del campo de velocidad de las galaxias en el universo local muestran que en escalas cortas las galaxias se mueven con el grupo local , y que la velocidad media promedio disminuye con el aumento de la distancia. [39] Esto sigue la expectativa de que si el dipolo del CMB se debiera al campo de velocidad peculiar local, se vuelve más homogéneo en grandes escalas. Los estudios del volumen local se han utilizado para revelar una región de baja densidad en la dirección opuesta al dipolo del CMB, [40] lo que potencialmente explica el origen del flujo masivo local .

Principio cosmológico perfecto

El principio cosmológico perfecto es una extensión del principio cosmológico y afirma que el universo es homogéneo e isótropo en el espacio y el tiempo. En esta perspectiva, el universo parece el mismo en todas partes (a gran escala), igual que siempre ha sido y siempre será. El principio cosmológico perfecto sustenta la teoría del estado estacionario y emerge [ aclaración necesaria ] de la teoría de la inflación caótica . [41] [42] [43]

Véase también

Referencias

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