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Principio cosmológico

Problema no resuelto en física :

¿Es el universo homogéneo e isotrópico a escalas suficientemente grandes, como lo afirma el principio cosmológico y lo 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]

(más problemas sin resolver en física)

En la cosmología física moderna , el principio cosmológico es la noción de que la distribución espacial de la materia en el universo es uniformemente isotrópica y homogénea cuando se ve a una escala lo suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen por igual en todo el universo a gran escala, y Por lo tanto, no debería producirse ninguna desigualdad observable en la estructuración a gran escala a lo largo de la evolución del campo de materia inicialmente formado 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 fiel y que las mismas leyes físicas se aplican en todas partes. En esencia, esto en cierto sentido dice que el universo es cognoscible y 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 sea y dónde esté". [5]

La salvedad es que las variaciones en las estructuras físicas pueden 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 él en lugar de retroceder. nosotros, y el universo tiene una textura "espumosa" de cúmulos de galaxias y vacíos, pero ninguna de estas diferentes estructuras 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 del universo ("las mismas leyes físicas se aplican en todas partes"). [ dudoso - discutir ] Los principios son distintos pero estrechamente relacionados, porque un universo que parece isotrópico desde dos ubicaciones cualesquiera (para una geometría esférica, tres) también debe ser homogéneo.

Origen

El principio cosmológico se afirma claramente por primera vez en los Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton . [ dudoso - discutir ] 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 inconmensurablemente. grandes distancias. Luego demostró, a través de una serie de pruebas matemáticas basadas en datos de observación detallados de los movimientos de planetas y cometas, que sus movimientos podían explicarse mediante un principio único 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 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 tanto, la extensión uniforme de las leyes físicas del movimiento a una gran distancia más allá del lugar de observación de la Tierra.

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 juntas y tienen un menor contenido de elementos químicos más pesados ​​que el litio. [ cita necesaria ] Aplicando el principio cosmológico, esto sugiere que los elementos más pesados ​​no se crearon en el Big Bang, sino que fueron producidos por nucleosíntesis en estrellas gigantes y expulsados ​​a través de una serie de explosiones de supernovas y formación de nuevas estrellas a partir de los restos de supernovas, lo que significa elementos más pesados. se acumularía con el tiempo. Otra observación es que las galaxias más lejanas (en épocas anteriores) suelen ser más fragmentarias, interactúan y tienen formas inusuales que las galaxias locales (en épocas recientes), lo que sugiere también una evolución en la estructura de las galaxias.

Una implicación relacionada del principio cosmológico es que las estructuras discretas más grandes del universo están en equilibrio mecánico . La homogeneidad y la isotropía de la materia en las escalas más grandes sugerirían 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 se puede detectar paralelo a la línea de visión (ver línea de tiempo del universo ).

Los cosmólogos coinciden en que, según las observaciones de galaxias distantes, un universo debe ser no estático si sigue el principio cosmológico. En 1923, Alexander Friedmann estableció una variante de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein que describen la dinámica de un universo isotrópico 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, independiente de las observaciones de galaxias distantes, como resultado de aplicar el principio cosmológico a la relatividad general .

Crítica

Karl Popper criticó el principio cosmológico alegando que convierte "nuestra falta de conocimiento en un principio de conocimiento de algo ". Resumió su posición como:

Me temo que los "principios cosmológicos" eran dogmas que no deberían haberse propuesto. [12]

Observaciones

Aunque el universo no es homogéneo a escalas más pequeñas, según el modelo ΛCDM debería ser isotrópico y estadísticamente homogéneo a escalas superiores a 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 cuestionado el modelo ΛCDM, y algunos autores sugieren que el principio cosmológico ahora está obsoleto y el modelo Friedmann-Lemaître –La métrica de Robertson-Walker se desmorona en el universo tardío. [1]

Violaciones de 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 que miremos. [13] Los datos de la Misión Planck muestran un sesgo hemisférico en 2 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 muy inconsistentes estadísticamente con la isotropía. [16] Algunos autores dicen que el universo alrededor de la Tierra es isotrópico de gran importancia según los estudios de los mapas cósmicos de temperatura de fondo de microondas . [17] Sin embargo, hay afirmaciones de violaciones de isotropía de cúmulos de galaxias , [2] [3] cuásares , [18] y supernovas de tipo Ia . [19]

Violaciones de la 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 los tamaños máximos de las estructuras:

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 necesariamente viola el principio cosmológico en el modelo ΛCDM ( ver Huge-LQG § Disputa ). [27]

dipolo CMB

Problema no resuelto en física :

¿Es el dipolo CMB puramente cinemático o indica anisotropía del universo, lo que resulta en la ruptura de la métrica FLRW y el principio cosmológico? [1]

(más problemas sin resolver en física)

El fondo cósmico de microondas (CMB) proporciona una instantánea de un universo en gran medida isotrópico y homogéneo. La característica de mayor escala del CMB es la anisotropía dipolar ; normalmente se resta 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 marco de reposo del CMB.

Varios estudios han informado dipolos en la distribución a gran escala de galaxias que se alinean con la dirección del dipolo CMB, pero indican una amplitud mayor que la que sería causada por la velocidad del dipolo CMB. [28] Se ve un dipolo similar en los datos de radiogalaxias; sin embargo, la amplitud del dipolo depende de la frecuencia de observación, lo que demuestra que estas características anómalas no pueden ser puramente cinemáticas . [29] Otros autores han encontrado dipolos de radio consistentes con la expectativa de CMB. [30] Se han hecho más afirmaciones de anisotropía a lo largo del eje dipolo CMB con respecto al diagrama de Hubble de supernovas de tipo Ia [31] y cuásares . [32] Por otra parte, la dirección del dipolo CMB ha surgido como una dirección preferida en algunos estudios de alineamientos 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 efectos distantes con la dirección del dipolo puede indicar que su origen no es cinemático.

Alternativamente, los datos de Planck se han utilizado para estimar la velocidad con respecto al CMB independientemente del dipolo, midiendo las sutiles aberraciones y distorsiones de las fluctuaciones causadas por la radiación relativista [37] y utilizando por separado 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 velocidades 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 al aumentar la distancia. [39] Esto sigue la expectativa de que si el dipolo CMB se debiera al campo de velocidad peculiar local, se volvería más homogéneo a grandes escalas. Se han utilizado estudios del volumen local para revelar una región de baja densidad en la dirección opuesta al dipolo CMB, [40] lo que podría explicar el origen del flujo masivo local .

Principio cosmológico perfecto

El principio cosmológico perfecto es una extensión del principio cosmológico y establece que el universo es homogéneo e isotrópico en el espacio y el tiempo. Desde este punto de vista, el universo parece igual 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 surge [ se necesita aclaración ] de la teoría de la inflación caótica . [41] [42] [43]

Ver también

Referencias

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