Una cosmología no estándar es cualquier modelo cosmológico físico del universo que se propuso, o todavía se propone, como 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 sí lo habría sido en 2010. Por el contrario, una constante cosmológica distinta de cero que diera como resultado un universo en aceleración se habría considerado no estándar en 1990, pero forma parte de la cosmología estándar en 2010.
A lo largo de la historia de la cosmología se han producido varias disputas cosmológicas importantes . Una de las primeras fue la Revolución Copérnica , que estableció el modelo heliocéntrico del Sistema Solar. Más reciente fue el Gran Debate de 1920, tras el cual se estableció el estatus de la Vía Láctea como una más de las muchas galaxias del Universo. Desde la década de 1940 hasta la de 1960, la comunidad astrofísica estuvo igualmente dividida entre partidarios de la teoría del Big Bang y partidarios de un universo rival de estado estacionario ; Actualmente, esto se decide a favor de la teoría del Big Bang gracias a los avances en la cosmología observacional de finales de los años 1960. Sin embargo, persistieron detractores vocales de la teoría del Big Bang, incluidos Fred Hoyle , Jayant Narlikar , Halton Arp y Hannes Alfvén , cuyas cosmologías quedaron relegadas a los márgenes de la investigación astronómica. Los pocos oponentes al Big Bang que todavía están activos hoy en día a menudo ignoran evidencia bien establecida de investigaciones más recientes y, como consecuencia, hoy en día las cosmologías no estándar que rechazan el Big Bang por completo rara vez se publican en revistas científicas revisadas por pares, sino que aparecen en línea en revistas marginales y sitios web privados. [1]
El modelo estándar actual de cosmología es el modelo Lambda-CDM , en el que el Universo se rige por la relatividad general , comenzó con un Big Bang y hoy es un universo casi plano que consta de aproximadamente un 5% de bariones , un 27% de materia oscura fría y un 27% de materia oscura fría . 68% energía oscura . [2] Lambda-CDM ha sido un modelo exitoso, pero evidencia observacional reciente parece indicar tensiones significativas en Lambda-CDM, como la tensión de Hubble , el vacío KBC , el problema de las galaxias enanas , estructuras ultragrandes , etcétera. Se están realizando investigaciones sobre ampliaciones o modificaciones de Lambda-CDM, así como sobre modelos fundamentalmente diferentes. Los temas investigados incluyen la quintaesencia , la dinámica newtoniana modificada (MOND) y su generalización relativista TeVeS , y la materia oscura cálida .
La cosmología física moderna, tal como se estudia actualmente, surgió por primera vez como disciplina científica en el período posterior al debate Shapley-Curtis y a los descubrimientos de Edwin Hubble de una escala de distancias cósmicas, cuando los astrónomos y físicos tuvieron que aceptar un universo que era mucho más grande. escala mayor que el tamaño galáctico previamente asumido . Los teóricos que desarrollaron con éxito cosmologías aplicables al universo a mayor 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 estacionario 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 competidora fue su predicción de que la abundancia de elementos ligeros en el universo se corresponde con las abundancias observadas de elementos ligeros. Las teorías alternativas no tienen medios 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 sufre fácilmente fusión nuclear en las estrellas y no se conocen procesos astrofísicos distintos del propio 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 que el universo tiene una edad finita y que hubo un proceso que creó el deuterio en el pasado y 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 mediante 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 bariónica , y cambia sólo un pequeño porcentaje a medida que la densidad bariónica cambia en varios órdenes de magnitud. El valor observado de 4 He está dentro del rango calculado.
Aún así, no fue hasta el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas (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 encomendó la tarea de proporcionar una explicación para el fenómeno, si querían que siguieran siendo plausibles. Esto condujo a enfoques originales que incluían luz estelar integrada y bigotes de hierro cósmicos, que estaban destinados a proporcionar una fuente para un fondo de microondas omnipresente en todo el cielo que no se debía a una transición de fase temprana del universo .
El escepticismo sobre la capacidad de las cosmologías no estándar para explicar el CMB hizo que el interés en el tema disminuyera desde entonces; sin embargo, ha habido dos períodos en los que el interés por la cosmología no estándar ha aumentado debido a datos de observación que plantearon dificultades para las grandes. estallido. El primero ocurrió a finales de la década de 1970, cuando había 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 los años 1980. Posteriormente, esta idea pasó a formar 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 primordial de helio aparentemente no coincidían con el Big Bang. Sin embargo, a finales de la década de 1990, la mayoría de los astrónomos habían llegado a la conclusión de que estas observaciones no cuestionaban el big bang y los datos adicionales del COBE y el WMAP proporcionaron medidas cuantitativas detalladas que eran consistentes con la cosmología estándar.
Hoy en día, las cosmologías heterodoxas no estándar generalmente se consideran indignas de consideración por parte de los cosmólogos, 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 variedad de éxitos del modelo del Big Bang. Las especulaciones sobre alternativas normalmente no forman parte de la investigación o las discusiones pedagógicas, excepto como lecciones objetivas o por su importancia histórica. Una carta abierta iniciada por algunos de los defensores restantes de la cosmología no estándar ha afirmado que: "hoy en día, prácticamente todos los recursos financieros y experimentales en cosmología se dedican a estudios del big bang..." [3]
En la década de 1990, el amanecer de una "edad de oro de la cosmología" fue acompañado por un sorprendente descubrimiento de que la expansión del universo, de hecho, se estaba acelerando. Antes de esto, se había asumido que la materia, ya sea 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 del universo era atribuible a la constante cosmológica, a menudo denominada "energía oscura". Esto ha llevado al desarrollo del llamado modelo ΛCDM de concordancia , que combina datos detallados obtenidos con nuevos telescopios y técnicas de astrofísica observacional con un universo en expansión y que cambia de densidad. Hoy en día, es más común encontrar en la literatura científica propuestas de "cosmologías no estándar" que en realidad aceptan los principios básicos de la cosmología del big bang, al tiempo que modifican partes del modelo de concordancia. Tales teorías incluyen modelos alternativos de energía oscura, como la quintaesencia, la energía fantasma y algunas ideas de cosmología de branas ; modelos alternativos de materia oscura, como la dinámica newtoniana modificada; alternativas o extensiones a la inflación como la inflación caótica y el modelo ekpirótico ; 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 existe consenso sobre estas ideas entre los cosmólogos, pero, no obstante, son campos activos de investigación académica.
Antes de que se reuniera evidencia observacional, los teóricos desarrollaron marcos basados en lo que entendían como 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, ésta se utilizó como punto de partida matemático para la mayoría de las teorías cosmológicas. [4] Sin embargo, para llegar a un modelo cosmológico, los teóricos necesitaban hacer suposiciones sobre la naturaleza de las escalas más grandes del universo. Los supuestos en los que se basa el modelo estándar actual de cosmología son:
Estos supuestos, cuando se combinan con la Relatividad General, dan como resultado un universo gobernado 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 la interpretaron 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:
Estas características fueron obtenidas por numerosos individuos durante un período de años; de hecho, no fue hasta mediados del siglo XX que se hicieron predicciones precisas sobre este último rasgo y observaciones que confirmaron su existencia. Las teorías no estándar se desarrollaron partiendo de supuestos diferentes o contradiciendo las características predichas por el modelo estándar de cosmología predominante. [5]
La teoría del estado estacionario extiende el supuesto de homogeneidad del principio cosmológico para reflejar una homogeneidad tanto en el tiempo como en el espacio . Este "principio cosmológico perfecto", como se le llamaría, afirmaba que el universo se ve igual en todas partes (a gran escala), el mismo 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 estacionario tuvo que postular un "campo de creación de materia" (el llamado campo C) que insertaría materia en el universo para mantener una densidad constante. [5]
El debate entre los modelos del Big Bang y del Estado Estacionario se prolongaría durante 15 años con campos divididos aproximadamente en 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 "momento de última dispersión" en el que los fotones se desacoplan de la materia bariónica . El modelo de estado estacionario 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 explicar 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 recibió el caprichoso nombre de "bigotes de hierro cósmicos" y sirvió como mecanismo de termalización . La teoría del estado estacionario no tenía el problema del horizonte del Big Bang porque suponía que había una cantidad infinita de tiempo disponible para termalizar el fondo. [5]
A medida que se empezaron a recopilar más datos cosmológicos, los cosmólogos empezaron 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 entre hidrógeno , deuterio y helio en el modelo de estado estacionario era una característica del modelo del Big Bang. Además, mediciones detalladas del CMB desde la década de 1990 con las observaciones COBE , WMAP y Planck indicaron que el espectro del fondo estaba más cerca de un cuerpo negro que cualquier otra fuente en la naturaleza. Los mejores modelos integrados de luz estelar pudieron predecir una termalización 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 observadas del CMB.
Aunque ahora se considera que el modelo de estado estacionario original es contrario a las observaciones (particularmente el CMB), incluso por sus antiguos partidarios, se han propuesto modificaciones del modelo de estado estacionario, incluido un modelo que visualiza el universo como originándose a través de muchas pequeñas explosiones. en lugar de un big bang (la llamada "cosmología de estado casi 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. Se continúa trabajando en este modelo (sobre todo por Jayant V. Narlikar ), aunque no ha obtenido una aceptación generalizada. [6]
El modelo estándar de cosmología actual, el modelo Lambda-CDM , ha tenido 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. [7] Hoy en día 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.
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 con los datos de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson afirmaron haber detectado un flujo de cúmulos de 600 a 1000 km/s hacia una zona del cielo de 20 grados entre las constelaciones de Centauro y Vela. [8] Sugirieron que el movimiento puede ser un remanente de la influencia de regiones del universo que ya no son visibles antes de la inflación. La detección es controvertida y otros científicos han descubierto que el universo es isotrópico en gran medida. [9]
Los agujeros negros solitarios , las estrellas de neutrones , las enanas quemadas y otros objetos masivos que son difíciles de detectar se conocen colectivamente como MACHO ; Inicialmente, algunos científicos esperaban que los MACHO bariónicos pudieran explicar toda la materia oscura. [10] [11] Sin embargo, se ha acumulado evidencia de que estos objetos no pueden explicar una gran fracción de la masa de materia oscura. [12]
En Lambda-CDM, la materia oscura es una forma de materia que interactúa tanto con la materia ordinaria como con la luz sólo a través de 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 intensos estudios. Las hipotéticas partículas masivas que interactúan débilmente (WIMP), los axiones [13] y los agujeros negros primordiales [14] son los principales candidatos a materia oscura, pero hay una variedad de otras propuestas, por ejemplo:
Sin embargo, otras teorías intentan explicar la materia oscura y la energía oscura como facetas diferentes del mismo fluido subyacente (ver fluido oscuro ), o plantean la hipótesis de que la materia oscura podría descomponerse en energía oscura.
En Lambda-CDM, la energía oscura es una forma desconocida de energía que tiende a acelerar la expansión del universo. Es menos conocida 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 gran cantidad de alternativas, por ejemplo:
La relatividad general, en la que se basa la métrica FRW, es una teoría extremadamente exitosa que ha superado todas las pruebas observacionales hasta ahora. Sin embargo, en un nivel fundamental es incompatible con la mecánica cuántica y, al predecir singularidades , también predice su propia descomposición. Cualquier teoría alternativa de la gravedad implicaría inmediatamente una teoría cosmológica alternativa, ya que Lambda-CDM depende de la relatividad general como supuesto marco. Hay muchas motivaciones diferentes para modificar la relatividad general, como eliminar la necesidad de materia o energía oscuras, o evitar paradojas como el cortafuegos .
Existen muchísimas teorías de la gravedad modificadas, ninguna de las cuales ha logrado una aceptación generalizada, aunque sigue siendo un campo de investigación activo. Algunas de las teorías más notables se encuentran a continuación.
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 la especulación sobre las implicaciones cosmológicas de tal propuesta. Carl Brans y Robert Dicke lograron incorporar con éxito el principio de Mach en la relatividad general, que admitía soluciones cosmológicas que implicarían una masa variable. La masa homogéneamente distribuida del universo daría como resultado un campo aproximadamente escalar que impregnaría el universo y serviría como fuente de la constante gravitacional de Newton ; creando una teoría de la gravedad cuántica .
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 implicaría también 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 hoy en día casi todos los astrofísicos rechazan MOND en favor de la materia oscura, un pequeño número de investigadores continúa mejorándolo, incorporando recientemente las teorías de Brans-Dicke en tratamientos que intentan dar cuenta de las observaciones cosmológicas.
La gravedad tensor-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 la rotación de las galaxias sin invocar la materia oscura. Originado por Jacob Bekenstein en 2004, incorpora varios campos tensoriales , campos vectoriales y campos escalares dinámicos y no dinámicos.
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 desvía la luz, algo que se ha confirmado muchas veces. Un hallazgo preliminar reciente es que puede explicar la formación de estructuras sin CDM, pero que requieren un neutrino masivo de ~2eV (también son necesarios para adaptarse a algunos cúmulos de galaxias , incluido el cúmulo Bala ). [16] [17] Sin embargo, otros autores (ver Slosar, Melchiorri y Silk) [18] sostienen que TeVeS no puede explicar las anisotropías del fondo cósmico de microondas y la formación de estructuras al mismo tiempo, es decir, descartando aquellos modelos de alta importancia.
La gravedad f ( R ) es una familia de teorías que modifican la relatividad general definiendo 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 o materia oscura. Algunas formas funcionales pueden estar inspiradas en correcciones que surgen de una teoría cuántica de la gravedad . La gravedad f ( R ) fue propuesta por primera vez en 1970 por Hans Adolph Buchdahl [19] (aunque se utilizó φ en lugar de f para el nombre de la función arbitraria). Se ha convertido en un campo activo de investigación tras el trabajo de Starobinsky sobre la inflación cósmica . [20] A partir de esta teoría se puede producir una amplia gama de fenómenos adoptando diferentes funciones; sin embargo, muchas formas funcionales ahora pueden descartarse por motivos observacionales o debido a problemas teóricos patológicos.
