David Wiltshire, Eoin O Colgain, Jenny Wagner y Shahin Sheikh-Jabbari, Conversación
Nuestras ideas sobre el universo se basan en una simplificación centenaria conocida como el principio cosmológico. Esto sugiere que, cuando se promedia a gran escala, el cosmos es homogéneo y la materia se distribuye uniformemente.
Eso permite descripción matemática del espacio-tiempo simplifica la aplicación de la teoría general de la relatividad de Einstein al universo como un todo.
Nuestros modelos cosmológicos se basan en esta suposición. Pero a medida que los nuevos telescopios, tanto en la Tierra como en el espacio, brindan imágenes cada vez más precisas, y los astrónomos descubren objetos masivos como arco de cuásar giganteesta base es cada vez más cuestionada.
En nuestra reciente revisión publicada en Gravedad clásica y cuánticadiscutimos cómo estos nuevos descubrimientos nos obligan a reexaminar radicalmente nuestras suposiciones y cambiar nuestra comprensión del universo.
El legado de Einstein
Albert Einstein enfrentó grandes dilemas hace 106 años cuando aplicó por primera vez sus ecuaciones de gravedad al universo como un todo. Ningún físico había intentado nunca algo tan audaz, pero fue una consecuencia natural de su idea clave. Cómo manual de 50 años nos recuerda: “La materia le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio le dice a la materia cómo moverse”.
En 1917, los datos faltaban casi por completo, y la opinión de que las galaxias eran objetos a grandes distancias era una opinión minoritaria entre los astrónomos.
La opinión convencional adoptada por Einstein era que todo el universo se parece al interior de nuestra galaxia. Las estrellas sugeridas deben considerarse fluidos sin presión, distribuidos aleatoriamente pero con una densidad media bien definida: la misma o uniforme en cualquier parte del espacio.
Basado en la suposición de que el universo es el mismo en todas partes, Einstein introdujo su constante cosmológica Λ, ahora conocida como “energía oscura”.
A pequeña escala, las ecuaciones de Einstein nos dicen que el espacio nunca se detiene. Pero imponer esto en el universo a gran escala no era natural. Por lo tanto, Einstein respiró aliviado con su descubrimiento. universo en expansión a fines de la década de 1920. Incluso describió a Λ como propio. el error más grande.
Las ideas sobre la materia han evolucionado, pero no la geometría.
Ahora tenemos modelos increíblemente detallados de la física de las estrellas y las galaxias en un universo en evolución. Podemos rastrear la astrofísica de las “cosas” desde las pequeñas ondas en la bola de fuego primordial hasta las estructuras complejas de hoy.
Nuestros telescopios son maravillosas máquinas del tiempo. Recuerdan el momento en que se formaron los primeros átomos y el universo se volvió transparente por primera vez.
Le sigue el plasma primordial, opaco como el interior y la superficie del sol. La luz que se fue del universo”área de última dispersión“Hacía mucho calor entonces, alrededor de 2700 ℃.
Obtenemos la misma luz hoy, pero enfriada a menos 270 ℃ y diluida por la expansión del universo. Es un fondo de microondas cósmico que es notablemente uniforme en todas las direcciones.
Esta es una fuerte evidencia de que el universo estaba muy cerca de la homogeneidad espacial cuando era una bola de fuego. Sin embargo, actualmente no hay evidencia directa de tal uniformidad.
El universo “desigual”.
En tiempos distantes, nuestros telescopios descubren pequeñas galaxias fusionadas que continúan creciendo hasta convertirse en estructuras cada vez más grandes hasta el día de hoy.
La expansión del universo se ha detenido por completo en los cúmulos de materia más grandes conocidos como cúmulos de galaxias. Donde el espacio se expande, los cúmulos se estiran en fibras y láminas que envuelven y rodean vastos vacíos, todos creciendo con el tiempo, pero a ritmos diferentes. En lugar de ser suave, la materia crea”red cósmica“.
Pero la idea de que el universo es espacialmente homogéneo sigue siendo válida.
Habría una inconsistencia flagrante entre la red cósmica observada y la geometría curva promedio del espacio si todo lo que vemos fuera todo lo que existe. La evidencia de la materia que falta ha existido desde las primeras observaciones. cúmulos de galaxias EN 1933.
Nuestras primeras observaciones de la radiación de fondo cósmico de microondas y sus ondas en la década desde 1965 cambiaron esa visión.
Nuestros modelos de física nuclear son maravillosamente predictivos. Pero solo son consistentes con las observaciones si la masa faltante en los cúmulos de galaxias es algo así como neutrinos que no pueden emitir luz. Así inventamos la materia oscura fría que amplifica la gravedad en los cúmulos de galaxias.
Se han gastado miles de millones tratando de detectar directamente la materia oscura, pero décadas de tales esfuerzos no han podido detectar de manera concluyente qué constituye el 80% de toda la materia y el 20% de toda la energía en el universo.
Cielo anómalo
La radiación de fondo cósmico de microondas no es perfectamente uniforme. Se le superponen fluctuaciones, una de las cuales es anormalmente grande y tiene forma de A. dipolo: un diagrama yin-yang que cubre todo el cielo.
Podemos interpretar esto como un efecto de movimiento relativo, siempre que definamos la radiación de fondo cósmico de microondas como el marco de reposo del universo. Si no lo hiciéramos, necesitaríamos una explicación física para el gran dipolo.
Una gran parte del rompecabezas se reduce a la asimetría del poder: un universo torcido. Las temperaturas de los hemisferios por encima y por debajo del plano de la Vía Láctea son algo diferentes de lo esperado.
Estas anomalías han sido explicadas durante mucho tiempo por procesos físicos inexplicables en el modelado de las emisiones de microondas de la Vía Láctea.
Materia en el cielo
La radiación de fondo cósmico de microondas no es la única observación de todo el cielo que muestra un dipolo. El año pasado, los científicos utilizaron observaciones de 1,36 millones de cuásares distantes y 1,7 millones de fuentes de radio para probar el principio cosmológico. Descubrieron que la materia también está distribuida de manera desigual.
Otro misterio aún más discutido es “voltaje del hubbleConvencionalmente, asumimos que el promedio de todo el cielo de la tasa de expansión actual del universo produce un valor bien definido: la constante de Hubble. Sin embargo, el valor medido difiere del esperado, dado el historial de expansión estándar basado en la radiación de fondo de microondas cósmica. Si permitimos cosmologías heterogéneas, este problema simplemente puede desaparecer.
Usando los datos del fondo de microondas cósmico de cada hemisferio opuesto, el historial de expansión estándar implica diferentes “constantes” del Hubble a cada lado del cielo actual.
Estos rompecabezas son complejo Por lista cada vez mayor descubrimientos inesperados: enorme arco de cuásar gigante y el Universo primitivo complejo, brillante y elemental descubierto por el Telescopio Espacial James Webb.
Si la materia es mucho más variada e interesante de lo esperado, quizás también la geometría.
Existen y predicen modelos que abandonan el principio cosmológico. Son menos estudiados que la cosmología estándar. El satélite Euclid de la Agencia Espacial Europea se lanzará este año. ¿Revelará Euclides que, en promedio, el espacio no es euclidiano? Si es así, una revolución fundamental en la física puede estar a la vuelta de la esquina.
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