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Principio cosmológico

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 cuan...

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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 observa a una escala suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen por 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 se suele enunciar formalmente como: «Visto a una escala suficientemente grande, las propiedades del universo son las mismas para todos los observadores». Esto equivale a la afirmación, de carácter profundamente filosófico, de que la parte del universo que podemos observar constituye una muestra representativa y que las mismas leyes físicas se aplican en todo el universo. En esencia, esto implica, en cierto modo, que el universo es cognoscible y que es justo con los científicos. [ 1 ]

Como lo expresa Andrew Liddle , "el principio cosmológico [significa que] el universo se ve igual sin importar quién seas ni dónde estés". [ 2 ]

Las dos consecuencias estructurales comprobables del principio cosmológico son la homogeneidad y la isotropía . La homogeneidad —densidad constante— implica que los observadores en diferentes ubicaciones del universo tienen acceso a la misma evidencia observacional. La isotropía —observación idéntica en todas las direcciones— implica que se puede obtener la misma evidencia observacional al observar en cualquier dirección del universo. La isotropía implica homogeneidad, pero un universo homogéneo podría ser anisotrópico. [ 3 ] : 65

Origen

El principio cosmológico se enuncia claramente por primera vez en los Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton . A diferencia de algunas cosmologías clásicas o medievales anteriores, en las que la Tierra se situaba en el centro del universo, Newton concibió la Tierra como una esfera en órbita alrededor del Sol dentro de un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas direcciones hasta distancias inconmensurablemente grandes. Luego demostró, mediante una serie de pruebas matemáticas basadas en datos de observación detallados de los movimientos de planetas y cometas, que estos movimientos podían explicarse mediante un único 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 caían sobre la Tierra. Es decir, afirmó la naturaleza material equivalente de todos los cuerpos 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 propia 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 . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

Las observaciones muestran que las galaxias más distantes están más cerca entre sí y tienen un menor contenido de elementos químicos más pesados ​​que el litio. Aplicando el principio cosmológico, esto sugiere que los elementos más pesados ​​no se crearon en el Big Bang, sino que se produjeron mediante nucleosíntesis en estrellas gigantes y fueron expulsados ​​a través de una serie de supernovas y la formación de nuevas estrellas a partir de los remanentes de las supernovas, lo que significa que los elementos más pesados ​​se acumularían con el tiempo. Otra observación es que las galaxias más lejanas (de épocas más tempranas) suelen ser más fragmentarias, interactivas y con formas más inusuales que las galaxias locales (de épocas más recientes), lo que sugiere también una evolución en la estructura galáctica.

Una implicación relacionada del principio cosmológico es que las estructuras discretas más grandes del universo deberían estar en equilibrio mecánico . La homogeneidad e isotropía de la materia a las mayores escalas sugerirían que las estructuras discretas más grandes son partes de una única forma no discreta, como las migas que componen el interior de un pastel. A distancias cosmológicas extremas, la propiedad de equilibrio mecánico en superficies laterales a la línea de visión puede comprobarse empíricamente; sin embargo, bajo el supuesto del principio cosmológico, no puede detectarse paralelamente a la línea de visión (véase la cronología 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 presentó una variante de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein que describe la dinámica de un universo homogéneo e isotrópico. [ 7 ] [ 8 ] De forma independiente, Georges Lemaître derivó en 1927 las ecuaciones de un universo en expansión a partir de las ecuaciones de la relatividad general. [ 9 ] Por lo tanto, un universo no estático también se implica, 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 argumentando que convierte "nuestra falta de conocimiento en un principio de conocimiento ". Resumió su postura de la siguiente manera:

"Me temo que los 'principios cosmológicos' eran dogmas que no deberían haberse propuesto." [ 10 ]

Observaciones

Problema sin resolver en física
¿Es el universo homogéneo e isotrópico 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 inhomogéneo o anisotrópico? [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]
Más problemas sin resolver en física

Aunque el universo es inhomogéneo 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 entredicho el modelo ΛCDM, y algunos autores sugieren que el principio cosmológico ahora es obsoleto y que la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker deja de ser válida en el universo tardío. [ 11 ]

Violaciones de la isotropía

El fondo cósmico de microondas (CMB) es predicho por el modelo ΛCDM como isotrópico, es decir, que su intensidad es aproximadamente la misma en cualquier dirección que observemos. [ 14 ] 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). [ 15 ] [ 16 ] La colaboración señaló que estas características no son fuertemente inconsistentes estadísticamente con la isotropía. [ 17 ] 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 . [ 18 ] Sin embargo, hay afirmaciones de violaciones de la isotropía por parte de cúmulos de galaxias , [ 12 ] [ 13 ] cuásares , [ 19 ] y supernovas de tipo Ia . [ 20 ]

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, Jaswant 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. [ 21 ]

Se han reportado varias observaciones que entran en conflicto con las predicciones de tamaños estructurales máximos:

  • El LQG de Clowes-Campusano , descubierto en 1991, tiene una longitud de 580 Mpc y es ligeramente mayor que la escala consistente.
  • La Gran Muralla de Sloan , descubierta en 2003, tiene una longitud de 423 Mpc, [ 22 ] lo cual es apenas consistente con el principio cosmológico.
  • U1.11 , un gran grupo de cuásares descubierto en 2011, tiene una longitud de 780 Mpc, dos veces mayor que el límite superior de la escala de homogeneidad.
  • El Huge-LQG , descubierto en 2012, es tres veces más largo y dos veces más ancho de lo que predicen los modelos actuales.
  • En noviembre de 2013, se descubrió una nueva estructura a 10 mil millones de años luz de distancia que mide entre 2000 y 3000 Mpc (más de siete veces la de la Gran Muralla de Sloan), la Gran Muralla Hércules-Corona Borealis , lo que generó más dudas sobre la validez del principio cosmológico. [ 23 ]
  • En septiembre de 2020, se encontró un conflicto de 4,9 σ entre la explicación cinemática del dipolo del CMB y la medición del dipolo en la distribución angular de una muestra de todo el cielo limitada por flujo de 1,36 millones de cuásares. [ 24 ]
  • En junio de 2021, se descubrió el Arco Gigante , una estructura que abarca aproximadamente 1000 Mpc. [ 25 ] Está ubicado a 2820 Mpc de distancia y consta de galaxias, cúmulos galácticos, gas y polvo.
  • En enero de 2024, se descubrió el Gran Anillo . Se encuentra a 9200 millones de años luz de la Tierra y tiene un diámetro de 1300 millones de años luz, lo que le da un tamaño angular de 15 lunas llenas vistas desde la Tierra. [ 26 ]

Sin embargo, como señaló Seshadri Nadathur en 2013 utilizando propiedades estadísticas, [ 27 ] la existencia de estructuras mayores que la escala homogénea (260 / h Mpc según la estimación de Yadav) [ 21 ] no necesariamente viola el principio cosmológico en el modelo ΛCDM (véase Huge-LQG §  Disputa ). [ 28 ]

dipolo de CMB

Problema sin resolver en física
¿El dipolo del CMB es puramente cinemático, o señala la anisotropía del universo, lo que resulta en la ruptura de la métrica FLRW y el principio cosmológico? [ 11 ]
Más problemas sin resolver en física

La radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) ofrece una imagen de un universo mayoritariamente isótropo y homogéneo. La característica más importante de la CMB es la anisotropía dipolar , que suele restarse de los mapas debido a su gran amplitud. La interpretación estándar del dipolo es que es cinemático , debido al efecto Doppler causado por el movimiento del sistema solar con respecto al sistema de referencia de la CMB.

Varios estudios han reportado dipolos en la distribución a gran escala de galaxias que se alinean con la dirección del dipolo CMB pero que indican una amplitud mayor que la que sería causada por la velocidad del dipolo CMB. [ 29 ] Se observa un dipolo similar en datos de radiogalaxias ; sin embargo, la amplitud del dipolo depende de la frecuencia de observación, lo que muestra que estas características anómalas no pueden ser puramente cinemáticas. [ 30 ] Otros autores han encontrado radiodipolos consistentes con la expectativa del CMB. [ 31 ] Se han hecho más afirmaciones de anisotropía a lo largo del eje del dipolo CMB con respecto al diagrama de Hubble de supernovas de tipo Ia [ 32 ] y cuásares . [ 33 ] Por separado, la dirección del dipolo CMB ha surgido como una dirección preferida en algunos estudios de alineaciones en polarizaciones de cuásares [ 34 ]  y retardo de tiempo de lente fuerte , [ 35 ] y en supernovas de tipo Ia [ 36 ] y otras candelas estándar . [ 37 ] Algunos autores han argumentado que la correlación de los efectos distantes con la dirección del dipolo puede indicar que su origen no es cinemático.

Alternativamente, se han utilizado datos de Planck para estimar la velocidad con respecto al CMB independientemente del dipolo, midiendo las sutiles aberraciones y distorsiones de las fluctuaciones causadas por el colimación relativista [ 38 ] y por separado utilizando el efecto Sunyaev-Zeldovich . [ 39 ] 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. [ 40 ] 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. Se han utilizado estudios del volumen local para revelar una región de baja densidad en la dirección opuesta al dipolo del CMB, [ 41 ] lo que potencialmente explica el origen del flujo global 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 esta perspectiva, el universo no solo se ve igual en todas partes del espacio (a gran escala), sino también igual que siempre ha sido y siempre será. El principio cosmológico perfecto sustenta la teoría del estado estacionario y surge de la teoría de la inflación caótica . [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Véase también

Referencias

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