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Cosmología del plasma

Comparación de la evolución del universo bajo la cosmología de Alfvén-Klein y la teoría del Big Bang . [ 1 ] La cosmología de plasma es una cosmología no estándar cuyo postulado...

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Comparación de la evolución del universo bajo la cosmología de Alfvén-Klein y la teoría del Big Bang . [ 1 ]

La cosmología de plasma es una cosmología no estándar cuyo postulado central es que la dinámica de los gases ionizados y los plasmas juegan papeles importantes, si no dominantes, en la física del universo a escalas interestelares e intergalácticas . [ 2 ] [ 1 ] En contraste, las observaciones y modelos actuales de cosmólogos y astrofísicos explican la formación, el desarrollo y la evolución de las estructuras a gran escala como dominadas por la gravedad (incluida su formulación en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein ).

La forma original de la teoría, la cosmología de Alfvén-Klein , fue desarrollada por Hannes Alfvén y Oskar Klein en las décadas de 1960 y 1970, [ 3 ] y sostiene que la materia y la antimateria existen en cantidades iguales a escalas muy grandes, que el universo es eterno en lugar de estar limitado en el tiempo por el Big Bang , y que la expansión del universo observable es causada por la aniquilación entre materia y antimateria en lugar de un mecanismo como la inflación cósmica . [ 1 ]

Los cosmólogos y astrofísicos que han evaluado la cosmología de plasma la rechazan porque no coincide con las observaciones de los fenómenos astrofísicos tan bien como el modelo del Big Bang actualmente aceptado . [ 4 ] Muy pocos artículos que apoyan la cosmología de plasma han aparecido en la literatura desde mediados de la década de 1990.

El término universo de plasma se usa a veces como sinónimo de cosmología de plasma, [ 2 ] como una descripción alternativa del plasma en el universo. [ 1 ] La cosmología de plasma es distinta de las ideas pseudocientíficas que se denominan colectivamente Universo Eléctrico, aunque se sabe que los defensores de cada una simpatizan entre sí . [ 5 ] [ 6 ] Estas ideas pseudocientíficas varían ampliamente [ 7 ] pero generalmente afirman que las corrientes eléctricas fluyen hacia las estrellas y las alimentan como bombillas, contradiciendo teorías y observaciones científicas bien establecidas que muestran que las estrellas se alimentan de fusión nuclear . [ 8 ]

Cosmología de Alfvén-Klein

Hannes Alfvén sugirió que los resultados de laboratorio a escala pueden extrapolarse hasta la escala del universo. Se requirió un salto de escala de un factor de 10⁹ para extrapolar a la magnetosfera , un segundo salto para extrapolar a las condiciones galácticas y un tercer salto para extrapolar a la distancia de Hubble . [ 9 ]

En la década de 1960, Alfvén introdujo la teoría de la cosmología de plasma, [ 10 ] un experto en plasma que ganó el Premio Nobel de Física de 1970 por su trabajo sobre magnetohidrodinámica . [ 11 ] Propuso el uso de la escala de plasma para extrapolar los resultados de experimentos de laboratorio y observaciones de física de plasma y escalarlos a través de muchos órdenes de magnitud hasta los objetos observables más grandes del universo (véase el recuadro [ 9 ] ). [ 12 ] En 1971, Oskar Klein , un físico teórico sueco, extendió las propuestas anteriores y desarrolló el modelo de Alfvén-Klein del universo , [ 13 ] o "metagalaxia", un término anterior utilizado para referirse a la parte del universo empíricamente accesible, en lugar de todo el universo incluyendo partes más allá de nuestro horizonte de partículas . [ 14 ] [ 11 ]

En este modelo, el universo está compuesto por cantidades iguales de materia y antimateria , y los límites entre las regiones de materia y antimateria están delimitados por campos electromagnéticos cósmicos formados por capas dobles , regiones delgadas que comprenden dos capas paralelas con carga eléctrica opuesta. La interacción entre estas regiones límite generaría radiación, formando así el plasma. Alfvén introdujo el término ambiplasma para un plasma compuesto de materia y antimateria, y las capas dobles están formadas, por lo tanto, de ambiplasma. Según Alfvén, dicho ambiplasma sería relativamente longevo, ya que las partículas y antipartículas que lo componen serían demasiado calientes y de densidad demasiado baja para aniquilarse rápidamente entre sí. Las capas dobles actuarían para repeler nubes de tipo opuesto, pero combinarían nubes del mismo tipo, creando regiones cada vez mayores de materia y antimateria. La idea del ambiplasma se desarrolló aún más en las formas de ambiplasma pesado (protones-antiprotones) y ambiplasma ligero (electrones-positrones). [ 10 ]

La cosmología de Alfvén-Klein se propuso, en parte, para explicar la asimetría bariónica observada en el universo, partiendo de una condición inicial de simetría exacta entre materia y antimateria. Según Alfvén y Klein, el ambiplasma formaría naturalmente bolsas de materia y de antimateria que se expandirían hacia afuera a medida que ocurriera la aniquilación entre materia y antimateria en la doble capa en los límites. Concluyeron que, por casualidad, vivimos en una de las bolsas compuesta principalmente de bariones en lugar de antibariones, lo que explica la asimetría bariónica. Estas bolsas, o burbujas, de materia o antimateria se expandirían debido a las aniquilaciones en los límites, lo que Alfvén consideró una posible explicación para la expansión observada del universo , que sería simplemente una fase local de una historia mucho más amplia. Alfvén postuló que el universo siempre ha existido [ 15 ] [ 16 ] debido a argumentos de causalidad y al rechazo de modelos ex nihilo , como el Big Bang , como una forma encubierta de creacionismo . [ 17 ] [ 18 ] Alfvén también sugirió la explosión de la doble capa como un posible mecanismo para la generación de rayos cósmicos , [ 19 ] explosiones de rayos X y explosiones de rayos gamma . [ 20 ]

En 1993, el cosmólogo teórico Jim Peebles criticó la cosmología de Alfvén-Klein, escribiendo que "no hay manera de que los resultados sean consistentes con la isotropía de la radiación cósmica de fondo de microondas y los fondos de rayos X ". [ 21 ] En su libro también mostró que los modelos de Alfvén no predicen la ley de Hubble , la abundancia de elementos ligeros , ni la existencia de la radiación cósmica de fondo de microondas . Otra dificultad con el modelo de ambiplasma es que la aniquilación materia-antimateria resulta en la producción de fotones de alta energía , que no se observan en las cantidades predichas. Si bien es posible que la celda local "dominada por la materia" sea simplemente más grande que el universo observable , esta proposición no se presta a pruebas observacionales.

Cosmología del plasma y el estudio de las galaxias

Hannes Alfvén, entre las décadas de 1960 y 1980, sostuvo que el plasma desempeñaba un papel importante, si no dominante, en el universo. Argumentó que las fuerzas electromagnéticas son mucho más importantes que la gravedad cuando actúan sobre partículas cargadas interplanetarias e interestelares . [ 22 ] Además, planteó la hipótesis de que podrían promover la contracción de las nubes interestelares e incluso constituir el principal mecanismo de contracción, iniciando la formación estelar . [ 23 ] La visión estándar actual es que los campos magnéticos pueden impedir el colapso, que no se han observado corrientes de Birkeland a gran escala y que se predice que la escala de longitud para la neutralidad de carga es mucho menor que las escalas cosmológicas relevantes. [ 24 ]

En las décadas de 1980 y 1990, Alfvén y Anthony Peratt , físico de plasmas del Laboratorio Nacional de Los Alamos , esbozaron un programa que denominaron "universo de plasma". [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] En las propuestas del universo de plasma, diversos fenómenos de la física de plasmas se asociaron con observaciones astrofísicas y se utilizaron para explicar misterios y problemas contemporáneos pendientes en astrofísica en las décadas de 1980 y 1990. En varios foros, Peratt presentó lo que caracterizó como un punto de vista alternativo a los modelos convencionales aplicados en astrofísica y cosmología. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 16 ]

Por ejemplo, Peratt propuso que el enfoque convencional de la dinámica galáctica, que se basaba en el modelado gravitacional de estrellas y gas en galaxias con la adición de materia oscura, estaba pasando por alto una posible contribución importante de la física del plasma. Menciona los experimentos de laboratorio de Winston H. Bostick en la década de 1950 que crearon descargas de plasma que parecían galaxias. [ 29 ] [ 30 ] Peratt realizó simulaciones por computadora de nubes de plasma en colisión que, según informó, también imitaban la forma de las galaxias. [ 31 ] Peratt propuso que las galaxias se formaron debido a la unión de filamentos de plasma en un z-pinch , los filamentos comenzando separados por 300 000 años luz y transportando corrientes de Birkeland de 10 18 amperios. [ 32 ] [ 33 ] Peratt también informó sobre simulaciones que realizó mostrando chorros emergentes de material desde la región de amortiguación central que comparó con cuásares y núcleos galácticos activos que ocurren sin agujeros negros supermasivos . Peratt propuso una secuencia para la evolución de las galaxias : "la transición de galaxias de radio dobles a radiocuásares a cuásares radiosilenciosos a galaxias peculiares y Seyfert , que finalmente terminan en galaxias espirales ". [ 34 ] También informó que se simularon curvas de rotación de galaxias planas sin materia oscura . [ 32 ] Al mismo tiempo, Eric Lerner , un investigador independiente de plasma y partidario de las ideas de Peratt, propuso un modelo de plasma para cuásares basado en un foco de plasma denso . [ 35 ]

Comparación con la astrofísica convencional

Los modelos y teorías astronómicas estándar intentan incorporar toda la física conocida en las descripciones y explicaciones de los fenómenos observados, con la gravedad desempeñando un papel dominante tanto en las mayores escalas como en la mecánica y dinámica celestes . Para ello, tanto las órbitas keplerianas como la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein se utilizan generalmente como marcos subyacentes para modelar sistemas astrofísicos y la formación de estructuras , mientras que la astronomía de alta energía y la física de partículas en cosmología recurren además a procesos electromagnéticos , incluyendo la física de plasmas y la transferencia radiativa , para explicar procesos energéticos de escala relativamente pequeña observados en los rayos X y gamma . Debido a la neutralidad de carga global , la física de plasmas no contempla interacciones de muy largo alcance en astrofísica, aunque gran parte de la materia del universo es plasma . [ 36 ] (Véase plasma astrofísico para más información).

Los defensores de la cosmología de plasma afirman que la electrodinámica es tan importante como la gravedad para explicar la estructura del universo, y especulan que proporciona una explicación alternativa para la evolución de las galaxias [ 34 ] y el colapso inicial de las nubes interestelares. [ 23 ] En particular, se afirma que la cosmología de plasma proporciona una explicación alternativa para las curvas de rotación planas de las galaxias espirales y elimina la necesidad de materia oscura en las galaxias y la necesidad de agujeros negros supermasivos en los centros galácticos para alimentar cuásares y núcleos galácticos activos . [ 33 ] [ 34 ] Sin embargo, el análisis teórico muestra que "muchos escenarios para la generación de campos magnéticos semilla, que dependen de la supervivencia y sostenibilidad de las corrientes en los primeros tiempos [del universo] son ​​desfavorecidos", [ 24 ] es decir, no existen corrientes de Birkeland de la magnitud necesaria (10¹⁸ amperios en escalas de megaparsecs) para la formación de galaxias. [ 37 ] Además, muchos de los problemas que eran misteriosos en las décadas de 1980 y 1990, incluidas las discrepancias relacionadas con el fondo cósmico de microondas y la naturaleza de los cuásares , se han resuelto con más evidencia que, en detalle, proporciona una escala de distancia y tiempo para el universo.

Algunos de los lugares donde los partidarios de la cosmología de plasma están más en desacuerdo con las explicaciones estándar incluyen la necesidad de que sus modelos tengan producción de elementos ligeros sin nucleosíntesis del Big Bang , que, en el contexto de la cosmología de Alfvén-Klein, se ha demostrado que produce rayos X y rayos gamma excesivos más allá de lo observado. [ 38 ] [ 39 ] Los defensores de la cosmología de plasma han hecho propuestas adicionales para explicar las abundancias de elementos ligeros, pero los problemas asociados no se han abordado completamente. [ 40 ] En 1995 Eric Lerner publicó su explicación alternativa para la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR). [ 41 ] Argumentó que su modelo explicaba la fidelidad del espectro CMB al de un cuerpo negro y el bajo nivel de anisotropías encontrado, incluso cuando el nivel de isotropía a 1:10 5 no es explicado con esa precisión por ningún modelo alternativo. Además, la sensibilidad y la resolución de la medición de las anisotropías del CMB mejoraron enormemente gracias a WMAP y al satélite Planck , y las estadísticas de la señal coincidieron tanto con las predicciones del modelo del Big Bang que el CMB se ha considerado una confirmación importante de dicho modelo, en detrimento de las alternativas. [ 42 ] Los picos acústicos del universo temprano se ajustan con gran precisión a las predicciones del modelo del Big Bang y, hasta la fecha, nunca se ha intentado explicar el espectro detallado de las anisotropías dentro del marco de la cosmología de plasma ni de ningún otro modelo cosmológico alternativo.

Referencias y notas

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Lecturas adicionales

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  • «Evolución del universo de plasma. I – Galaxias de radio dobles, cuásares y chorros extragalácticos» , IEEE Transactions on Plasma Science ( ISSN 0093-3813 ), vol. PS-14, diciembre de 1986, págs. 639–660. Texto completo (PDF). 
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  • Revista IEEE Transactions on Plasma Science : números especiales sobre plasma espacial y cósmico 1986 , 1989 , 1990 , 1992 , 2000 , 2003 y 2007
  • Revista de Cambridge University Press , Laser and Particle Beams : Particle Beams and Basic Phenomena in the Plasma Universe, número especial en honor al 80 cumpleaños de Hannes Alfvén, vol. 6, número 3, agosto de 1988. Laser and Particle Beams: Volumen 6 - Número 3 | Cambridge Core
  • Varios autores: "Introducción a la astrofísica y cosmología de plasmas" , Astrophysics and Space Science , vol. 227 (1995), págs.  3-11. Actas del Segundo Taller Internacional del IEEE sobre Astrofísica y Cosmología de Plasmas , celebrado del 10 al 12 de mayo de 1993 en Princeton, Nueva Jersey.
  • Wright, EL "Los errores en El Big Bang nunca ocurrieron " . Véase también: Lerner, EJ " El Dr. Wright está equivocado " , respuesta de Lerner al artículo anterior.