Una cosmología no estándar es cualquier modelo cosmológico físico del universo que se propuso, o aún se propone, como alternativa al modelo cosmológico estándar 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 dé como resultado un universo en aceleración se habría considerado no estándar en 1990, pero es 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 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 estacionario rival ; esto se decide actualmente a favor de la teoría del Big Bang por los avances en la cosmología observacional a finales de la década de 1960. Sin embargo, siguieron existiendo detractores vocales de la teoría del Big Bang, entre ellos Fred Hoyle , Jayant Narlikar , Halton Arp y Hannes Alfvén , cuyas cosmologías fueron relegadas a los márgenes de la investigación astronómica. Los pocos oponentes del Big Bang que todavía están activos hoy en día a menudo ignoran evidencia bien establecida proveniente de investigaciones más recientes y, como consecuencia, hoy en día las cosmologías no estándar que rechazan por completo el Big Bang 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 está gobernado 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 68% de energía oscura . [2] Lambda-CDM ha sido un modelo exitoso, pero la evidencia observacional reciente parece indicar tensiones significativas en Lambda-CDM, como la tensión de Hubble , el vacío KBC , el problema de las galaxias enanas , las estructuras ultragrandes , etcétera. La investigación sobre extensiones o modificaciones de Lambda-CDM, así como modelos fundamentalmente diferentes, está en curso. 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 los descubrimientos de Edwin Hubble de una escala de distancias cósmicas , cuando los astrónomos y físicos tuvieron que aceptar un universo que era de una escala mucho mayor que el tamaño galáctico previamente asumido . Los teóricos que desarrollaron con éxito cosmologías aplicables al universo de 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 por la observación, las dos teorías cosmológicas más populares fueron 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 un puñado de alternativas. Uno de los mayores éxitos de la teoría del Big Bang en comparación con su competidora 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 sostienen que el universo tiene una edad infinita y no tiene un comienzo tienen dificultades para explicar la abundancia de deuterio en el cosmos, porque el deuterio sufre fácilmente la fusión nuclear en las estrellas y no hay ningún proceso astrofísico conocido, aparte del propio Big Bang, que pueda 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 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 los supuestos sobre la densidad bariónica , cambiando solo 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.
Sin embargo, no fue hasta el descubrimiento de la radiación de fondo cósmico 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. Los teóricos del estado estacionario y otras cosmologías no convencionales se encargaron entonces de proporcionar una explicación para el fenómeno si iban a seguir siendo plausibles. Esto condujo a enfoques originales, incluyendo la luz estelar integrada y los bigotes de hierro cósmicos, que estaban destinados a proporcionar una fuente para un fondo de microondas generalizado en todo el cielo que no se debía a una transición de fase del universo temprano .
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 en la cosmología no estándar ha aumentado debido a los datos observacionales que plantearon dificultades para el big bang. 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 finalmente se resolvieron mediante la inflación cósmica en la década de 1980. Esta idea posteriormente se convirtió en parte de la comprensión del big bang, aunque se han propuesto alternativas de vez en cuando. 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, hacia finales de la década de 1990, la mayoría de los astrónomos habían concluido que estas observaciones no desafiaban el Big Bang y los datos adicionales de COBE y WMAP proporcionaban medidas cuantitativas detalladas que eran consistentes con la cosmología estándar.
En la actualidad, las cosmologías heterodoxas no estándar son consideradas generalmente indignas de consideración por los cosmólogos, mientras que muchas de las cosmologías no estándar históricamente significativas se consideran refutadas . Los elementos esenciales 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 de los debates pedagógicos, 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..." [3].
En la década de 1990, el amanecer de una "edad de oro de la cosmología" estuvo acompañado por un descubrimiento sorprendente: la expansión del universo se estaba acelerando. Antes de esto, se había asumido que la materia, ya sea en su forma visible o invisible, de materia oscura, era la densidad energética dominante en el universo. Esta cosmología "clásica" del big bang fue derribada 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 de un llamado modelo de concordancia ΛCDM que combina datos detallados obtenidos con nuevos telescopios y técnicas en astrofísica observacional con un universo en expansión y con cambios 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. Entre estas teorías se incluyen modelos alternativos de la energía oscura, como la quintaesencia, la energía fantasma y algunas ideas de la cosmología de branas ; modelos alternativos de la materia oscura, como la dinámica newtoniana modificada ; alternativas o extensiones de la inflación, como la inflación caótica y el modelo ecpirótico ; y propuestas para complementar el universo con una primera causa, como la condición de contorno de Hartle-Hawking , el modelo cíclico y el paisaje de cuerdas . No hay consenso sobre estas ideas entre los cosmólogos, pero no por ello dejan de ser campos activos de investigación académica.
Antes de que se reunieran evidencias observacionales, 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, esta 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. Las suposiciones en las que se basa el modelo estándar actual de la cosmología son:
Estas suposiciones, combinadas con la Relatividad General, dan como resultado un universo regido por la métrica de Friedmann-Robertson-Walker (métrica FRW). La métrica FRW permite la existencia de 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, condujo a las siguientes conclusiones:
Estas características fueron deducidas por numerosos individuos a lo largo de 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. Se desarrollaron teorías no estándar que partían de supuestos diferentes o que contradecían 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 lo llamaría más tarde, 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 del 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 prolongó durante 15 años, con una división más o menos uniforme de los partidarios, hasta el descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB). 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 del 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 se denominó caprichosamente "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 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. Los mejores modelos integrados de luz estelar podían predecir era una termalización al nivel del 10%, mientras que el satélite COBE midió la desviación en una parte en 10 5 . Después de este dramático descubrimiento, la mayoría de los cosmólogos se convencieron de que la teoría del estado estacionario no podía explicar las propiedades observadas del CMB.
Aunque el modelo original de estado estacionario ahora se considera 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 imagina que el universo se originó a través de muchas pequeñas explosiones en lugar de un gran estallido (la llamada "cosmología de estado estacionario cuasi"). Supone que el universo pasa por fases periódicas de expansión y contracción, con un "rebote" suave en lugar del Big Bang. Por lo tanto, la ley de Hubble se explica por el hecho de que el universo está actualmente en una fase de expansión. El trabajo sobre este modelo continúa (más notablemente por Jayant V. Narlikar ), aunque no ha ganado una aceptación generalizada. [6]
El modelo estándar de la cosmología actual, el modelo Lambda-CDM , ha tenido un gran éxito a la hora de 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] 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.
La isotropicidad (la idea de que el universo se ve igual en todas las direcciones) es uno de los supuestos básicos 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 Wilkinson afirmaron haber detectado un flujo de cúmulos de 600 a 1000 km/s hacia una zona de 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 estrellas enanas quemadas y otros objetos masivos que son difíciles de detectar se conocen colectivamente como MACHO ; algunos científicos inicialmente 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 únicamente 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 ha sido identificada de manera concluyente, y su naturaleza exacta es objeto de intensos estudios. Las partículas masivas hipotéticas de interacción débil (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). Se trata de una constante simple añadida a las ecuaciones de campo de Einstein para proporcionar una fuerza repulsiva. Hasta ahora, las observaciones son totalmente coherentes con la constante cosmológica, pero dejan lugar a una plétora 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, a 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 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 oscura o energía oscura, o evitar paradojas como la del cortafuegos .
Existen muchas teorías de gravedad modificadas, pero ninguna de ellas ha obtenido una aceptación generalizada, aunque sigue siendo un campo de investigación activo. A continuación se presentan algunas de las teorías más destacadas.
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 la masa del universo. Esto condujo naturalmente a la especulación sobre las implicaciones cosmológicas de tal propuesta. Carl Brans y Robert Dicke pudieron incorporar el principio de Mach a 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 permearía el universo y serviría como fuente para la constante gravitacional de Newton ; creando una teoría de la gravedad cuántica .
La dinámica newtoniana modificada (MOND, por sus siglas en inglés) es una propuesta relativamente moderna para explicar el problema de rotación de las 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 hoy rechazan la MOND en favor de la materia oscura, un pequeño número de investigadores continúa mejorándola, incorporando recientemente las teorías de Brans-Dicke en tratamientos que intentan explicar 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. Originada por Jacob Bekenstein en 2004, incorpora varios campos tensoriales dinámicos y no dinámicos , campos vectoriales y campos escalares.
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El avance de TeVeS sobre MOND es que puede explicar el fenómeno de lente gravitacional , una ilusión óptica cósmica en la que la materia dobla la luz, que ha sido confirmada muchas veces. Un hallazgo preliminar reciente es que puede explicar la formación de estructuras sin CDM, pero requiriendo un neutrino masivo de ~2eV (también son necesarios para encajar en algunos cúmulos de galaxias , incluido el cúmulo Bullet ). [16] [17] Sin embargo, otros autores (ver Slosar, Melchiorri y Silk) [18] argumentan que TeVeS no puede explicar las anisotropías del fondo cósmico de microondas y la formación de estructuras al mismo tiempo, es decir, descartando esos modelos de alta significancia.
f ( R ) gravedad es una familia de teorías que modifican la relatividad general definiendo una función diferente del escalar de Ricci . El caso más simple es simplemente que la función sea igual al escalar; esto 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 la estructura del Universo sin agregar formas desconocidas de energía oscura o materia oscura. Algunas formas funcionales pueden inspirarse en correcciones que surgen de una teoría cuántica de la gravedad . f ( R ) gravedad 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 después del trabajo de Starobinsky sobre la inflación cósmica . [20] 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 razones observacionales o debido a problemas teóricos patológicos.
