Prueba de brillo superficial de Tolman

La prueba de brillo superficial de Tolman es una de las seis pruebas cosmológicas concebidas en la década de 1930 para comprobar la viabilidad y comparar nuevos modelos cosmológicos . La prueba de Tolman compara el brillo superficial de las galaxias en función de su corrimiento al rojo (medido como z ). Esta comparación fue propuesta por primera vez en 1930 por Richard C. Tolman como una prueba para determinar si el universo se está expandiendo o es estático . Es una prueba cosmológica única, ya que es independiente de la energía oscura , la materia oscura y los parámetros de la constante de Hubble , y evalúa exclusivamente si el corrimiento al rojo cosmológico se debe a un universo en expansión o no. ^{[ 1 ]}

En un universo simple (estático y plano), la luz recibida de un objeto disminuye proporcionalmente al cuadrado de su distancia, y el área aparente del objeto también disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia, por lo que el brillo superficial (luz recibida por área superficial) sería constante, independientemente de la distancia. Sin embargo, en un universo en expansión, hay dos efectos que cambian esta relación. Primero, la tasa a la que se reciben fotones se reduce porque cada fotón tiene que viajar un poco más lejos que el anterior. Segundo, la energía de cada fotón observado se reduce por el corrimiento al rojo. Al mismo tiempo, los objetos distantes parecen más grandes de lo que realmente son porque los fotones observados fueron emitidos en un momento en que el objeto estaba más cerca. Sumando estos efectos, el brillo superficial en un universo simple en expansión (geometría plana y expansión uniforme en el rango de corrimientos al rojo observados) debería disminuir con la cuarta potencia de 1 + z .

Uno de los estudios más antiguos y completos se publicó en 1996, ya que los requisitos de observación limitaban la viabilidad de la prueba hasta entonces. Esta prueba encontró coherencia con un universo en expansión. ^{[ 2 ]} Sin embargo, en él, los autores señalan que:

"Los resultados de cualquier prueba Tolman SB en la que las galaxias deban corregirse a una condición estándar implicarán cierta dependencia de la cosmología asumida, pero como se describirá más adelante, para los corrimientos al rojo de interés aquí, el efecto de la cosmología es bastante pequeño en comparación con la diferencia prevista entre los modelos de expansión y de luz cansada."

Un artículo posterior que revisó este trabajo eliminó la cosmología de expansión asumida para calcular SB, para realizar una prueba justa, y encontró que los resultados de 1996, una vez realizada la corrección, no descartaban un universo estático. ^{[ 3 ]}

Hasta la fecha, la investigación más compleja de la relación entre el brillo superficial y el corrimiento al rojo se llevó a cabo utilizando el telescopio Keck de  10 m para medir el corrimiento al rojo de casi mil galaxias y el telescopio espacial Hubble de 2,4 m para medir el brillo superficial de esas galaxias. ^{[ 4 ]} El exponente hallado no es 4 como se esperaba en el modelo de expansión más simple, sino 2,6 o 3,4, dependiendo de la banda de frecuencia. Los autores resumen: 

"Demostramos que este es precisamente el rango esperado según los modelos evolutivos de Bruzual y Charlot. Concluimos que la prueba de brillo superficial de Tolman es consistente con la realidad de la expansión."

Algunos trabajos previos han señalado que el análisis probó una posible cosmología estática (análoga a la de Einstein-de Sitter ), y que los modelos estáticos con diferentes relaciones de tamaño angular-distancia pueden pasar esta prueba. ^{[ 3 ] [ 5 ]} La diferencia predicha entre estática y expansión diverge drásticamente hacia mayores corrimientos al rojo; sin embargo, la explicación de la evolución de las galaxias se vuelve cada vez más incierta. La prueba más amplia realizada hasta la fecha fue hasta z=5; esta prueba encontró que sus resultados eran consistentes con un universo estático, pero no pudo descartar la expansión, ya que solo probó un único modelo de evolución del tamaño de las galaxias. ^{[ 5 ]} Los modelos estáticos de luz cansada siguen en conflicto con las observaciones de supernovas, ya que estos modelos no predicen la dilatación del tiempo cosmológico. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

• Recuentos de fuentes
• Luz cansada
• dilatación del tiempo