Cosmologie non-standard

O cosmologie non-standard este orice model cosmologic al universului care a fost sau este încă propus ca alternativă la modelul standard al cosmologiei sau referința sa la Big Bang .

În istoria cosmologiei, mai mulți oameni de știință și cercetători au criticat teoria Big Bang-ului, respingând ipotezele sale fundamentale sau adăugând altele noi necesare pentru a dezvolta noi modele teoretice ale universului. Din anii patruzeci și până în anii șaizeci , comunitatea astrofizicienilor a fost împărțită între susținătorii Big Bang-ului și susținătorii teoriilor concurente bazate pe modelul stării de echilibru . Abia după progresele succesive în domeniul observațional, Big Bang-ul a devenit teoria dominantă și astăzi doar câțiva cercetători activi discută validitatea sa.

Termenul non-standard se aplică oricărei teorii care nu este conformă cu consensul științific . Astăzi, termenul este folosit și pentru a descrie teorii care acceptă un Big Bang, dar care diferă de modelul standard pentru legi fizice particulare care ar fi guvernat originea și evoluția universului.

Printre exponenții cosmologiei clasice, niciun standard nu include mai multe nume de oameni de știință în principal din secolul al XX-lea: printre ei Fred Hoyle , Paul Dirac , Kurt Gödel , Geoffrey Burbidge , Margaret Burbidge , Halton Arp , Jayant V. Narlikar , Hannes Alfven , Eric Lerner , Dennis Swarm , Ernst Mach , Thomas Gold , Hermann Bondi , Fritz Zwicky , Christof Wetterich , Mordehai Milgrom , Johan Masreliez .

Ipoteze fundamentale

Înainte ca observațiile să fie disponibile, fizicienii teoretici au dezvoltat un cadru de lucru bazat pe proprietățile generale acceptate ale fizicii și pe ipotezele filosofice despre univers. Când Albert Einstein a dezvoltat teoria relativității generale , aceasta a fost folosită ca punct de plecare pentru majoritatea teoriilor cosmologice (inclusiv modelul standard al cosmologiei și teoriile universului constant). Cu toate acestea, pentru a obține un model cosmologic, a fost necesar să se facă presupuneri despre caracteristicile universului la scară largă. Ipotezele pe care se bazează Big Bang-ul sunt:

1. Universalitatea legilor fizice , și anume că legile fizicii nu se schimbă în timpuri și locuri diferite.
2. Principiul cosmologic , și anume, că universul este, cel puțin într-o primă aproximare, omogen și izotrop în spațiu (dar nu neapărat în timp).
3. Principiul copernican , și anume că Pământul nu este un punct de vedere al universului (adică Pământul nu este situat într-un anumit punct al universului, iar apoi observațiile făcute de pe altă planetă ar trebui să coincidă cu cele efectuate de Pământ)

Atunci când aceste ipoteze sunt aplicate ecuațiilor câmpului Einstein conduc la prezicerea:

• Contracția sau „ expansiunea universului (universul nu poate fi static)
• Universul ar fi provenit dintr-o stare foarte fierbinte și densă existentă într-un moment finit în trecut,
• Crearea ( nucleosinteza primordială ) a elementelor luminoase,
• Prezența în întreg spațiul unei radiații cosmice de fundal , dovadă a unei tranziții de fază care a avut loc atunci când scăderea temperaturii a permis protonilor și electronilor să formeze atomi neutri și difuzia liberă a fotonilor .

Aceste caracteristici au fost derivate de numeroși oameni de știință pe o perioadă lungă de ani. Ultima caracteristică a fost observată și confirmată abia la mijlocul secolului al XX-lea.

Cosmologiile nestandardizate s-au dezvoltat din diferite ipoteze inițiale sau contrazic previziunile Big Bang-ului.

Istorie

Cosmologia modernă, așa cum este concepută în prezent, s-a născut ca disciplină științifică în urma dezbaterii Shapley-Curtis și a descoperirilor lui Edwin Hubble ale scării cosmice de distanță , în care astronomii și fizicienii au realizat că universul avea o structură mai mare decât anterior presupus (adică întregul univers era format exclusiv din Calea Lactee ). Oamenii de știință au reușit să dezvolte o cosmologie care să se poată adapta la aceste noi structuri sunt amintiți astăzi ca fondatori ai cosmologiei și, printre alții, Edward Arthur Milne , Willem de Sitter , Alexander Friedman , Georges Lemaître și Albert Einstein .

După confirmare, prin intermediul observațiilor, legea Hubble , cele două modele cosmologice dominante în comunitatea științifică au fost teoria stării staționare a lui Fred Hoyle , Thomas Gold și Hermann Bondi și teoria Big Bang-ului lui Ralph Alpher , George Gamow și Robert Dicke și alte teorii alternative au avut mai puțini susținători. De la descoperirea radiației cosmice de fundal cu microunde de către Arno Penzias și Robert Woodrow Wilson în 1965, majoritatea cosmologilor au ajuns la concluzia că teoria Big Bang-ului a avut loc majoritatea acestor observații. Prin urmare, susținătorii celorlalte modele cosmologice au căutat să explice acest nou fenomen, astfel încât teoriile lor să rămână plauzibile. Acest lucru a condus la noi abordări, cum ar fi „ dispariția astronomică , încercând să explice prezența unei radiații de fundal cu microunde care pătrunde cerul fără ca aceasta să fi fost cauzată de o tranziție de fază în primele momente ale istoriei universului.

Reprezentarea artistică a satelitului WMAP în punctul Lagrange al orbitei Pământului numit L2. Datele colectate de acest satelit au fost folosite cu succes pentru parametrizarea caracteristicilor cosmologiei standard , dar nu s-a făcut încă o analiză cuprinzătoare a datelor în contextul cosmologiilor non-standard.

În ciuda declinului interesului cosmologiilor alternative datorită incapacității de a explica radiațiile cosmice de fundal cu microunde, au existat două perioade în care au revenit la modă datorită unor observații care au contestat teoria Big Bang-ului: prima s-a întâmplat la sfârșitul anilor șaptezeci , când un număr bun de întrebări, cum ar fi problema orizontului , problema universului plat și problema monopolului magnetic , nu fuseseră încă rezolvate de teoria Big Bangului; aceste probleme au fost rezolvate odată cu introducerea „ inflației cosmice în anii optzeci , care a devenit parte a înțelegerii Big Bang. A doua perioadă a avut loc la mijlocul anilor nouăzeci, când observațiile de vârstă ale grupurilor globulare și abundența „ heliului primordial” păreau să nu fie de acord cu previziunile Big Bang-ului. La sfârșitul anilor nouăzeci și primii ani ai acestui deceniu, datele suplimentare primite de la COBE și WMAP au fost în schimb consecvente cu predicțiile cosmologiei standard.

În zilele noastre, cosmologiile alternative nu sunt considerate adevărate de cosmologi, deoarece principalele caracteristici ale Big Bang-ului au fost confirmate de un număr suficient de mare de observații. O scrisoare binecunoscută a numeroșilor susținători ai cosmologiei non-standard spune că astăzi, practic toate resursele financiare și experimentale sunt cheltuite în studii despre Big Bang ... [ceea ce] împiedică continuarea unei dezbateri și imposibilitatea unei alternative de căutare. . ^{[1] [2]} Cu toate acestea, comunitatea fizicienilor și astronomilor susține că cosmologia non-standard nu poate explica majoritatea testelor experimentale, cum ar fi teoria Big Bang.

În anii nouăzeci , dezbaterea și studiul cosmologiei au intrat în vogă după descoperirea faptului că expansiunea universului se accelerează. Înainte de aceasta, se presupunea că materialul , fie sub forma materiei barionice, este sub formă de materie întunecată , universul era energia dominantă. Acest lucru a trebuit schimbat după ce s-a descoperit că 70% din energia din univers se datorează unui fel de energie întunecată . Acest lucru a condus la dezvoltarea așa-numitului model ΛCDM , care este în acord cu un univers în expansiune în care densitatea variază în funcție de timp. În zilele noastre este mai ușor să găsiți în literatura științifică propuneri pentru cosmologii nestandardizate care acceptă principiile de bază ale cosmologiei Big Bang, chiar dacă unele părți pot fi modificate. Aceste teorii includ modele alternative de energie întunecată ca chintesență , „ energia fantomă și o idee despre conceptele lume-brane , modele alternative de materie întunecată, cum ar fi teoriile MOND (acronim pentru dinamica newtoniană modificată) sau extinderea conceptului alternative ale inflației , precum „ inflația haotică și modelul ekpirotico și propunerile pentru introducerea condițiilor primare ale universului ca condiție de graniță a lui Hartle-Hawking , modelul ciclic și peisajul șirului . În prezent, nu există un consens între cosmologi cu privire la aceste ipoteze, care rămân în continuare câmpuri active pentru cercetare.

Cosmologii nestandardizate

Cosmologiile nestandardizate pot fi grupate în funcție de ipotezele sau aspectele universului Big Bang cu care se contrazic.

Cosmologii metrice alternative

Metrica Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker , necesară pentru teoriile Big Bang și teoria Steady State , a apărut în deceniul următor dezvoltarea relativității generale Einstein și a fost acceptată ca model pentru univers după descoperirea lui Hubble a „ legii omonime . La început nu a fost clar cum să găsim o „soluție universală” la ecuațiile lui Einstein care să permită un univers infinit, nesfârșit și imuabil (din motive filosofice, oamenii de știință ai vremii au speculat că universul trebuie să aibă astfel de caracteristici). Chiar și după dezvoltarea teoriilor universului în expansiune, când a căutat o alternativă la relativitatea generală, s-a angajat în acest exercițiu. Orice teorie alternativă la gravitație implică o teorie cosmologică alternativă, deoarece modelul acceptat depinde de relativitatea generală ca cadru de referință. Include câteva modele bazate pe scenarii gravitaționale alternative, cum ar fi primele încercări de a obține soluții cosmologice din relativitate.

Cosmologia newtoniană

Deși nu este susținut în mod serios de nimeni după dezvoltarea relativității lui Einstein, legea gravitațională a lui Isaac Newton poate fi folosită pentru a modela universul și pentru a obține nu strict ecuațiile pe care Friedmann le-a folosit în universul Big Bang. Această cosmologie non-standard este folosită în mare parte ca exercițiu elementar pentru studenții de astronomie și fizică și nu reprezintă o propoziție alternativă serioasă, deși gravitația newtoniană este considerată o parte importantă a teoriei universului oscilant , care se bazează totuși pe model.de Einstein.

Universurile Lorentz

Același subiect în detaliu: Modelul lui Milne .

Înainte de dezvoltarea completă a relativității generale, Arthur Milne oferise o cosmologie bazată pe transformările Lorentz , acestea având distincția de a fi aplicabile unui univers de toate dimensiunile. S-a bazat pe respingerea curburii spațiului, contrazicând astfel ipotezele relativității generale privind forma universului datorită masei conținute în acesta. Universul lui Milne este folosit și astăzi ca model al unui „univers gol” ipotetic.

Cosmologii bazate pe prima relativitate generală

Același subiect în detaliu: Univers static .

Înainte de a fi dezvoltat actualul model cosmologic al relativității generale, Albert Einstein propusese o modalitate de stabilizare dinamică a unui scenariu cosmologic care s-ar prăbuși inevitabil din cauza atracției gravitaționale a materiei care alcătuiește universul. Acesta din urmă ar avea astfel nevoie de o sursă de „anti-gravitațională” pentru a echilibra atracția reciprocă, o cantitate scalară în ecuațiile Einstein care ar deveni cunoscută sub numele de constantă cosmologică . Prima încercare a lui Einstein de a crea un model s-a bazat pe o constantă cosmologică ajustată fin pentru a echilibra exact curbura materiei și a oferi un cadru pentru o metrică a universului spațiu-timp infinit și neschimbător în care sunt încorporate obiecte. Acest model pare a fi același cu un caz special al modelului cosmologic actual, în care factorul de scară cosmică este imuabil și densitatea văzută în ecuațiile lui Friedman este împărțită în mod egal între constanta cosmologică și materie.

Willem de Sitter a fost mai târziu generalizat modelul potențialului scalar Einstein într-un model al universului care se extinde exponențial . Prin urmare, în timp ce teoria Big Bang începea, lui Sitter i s-a atribuit în mod greșit că a inventat expansiunea metrică a spațiului : de fapt opera lui Alexander Friedman și Georges Lemaître a fixat metrica care a devenit ulterior cea mai acceptată cosmologie. Cu toate acestea, modelul de Sitter apare astăzi în două locuri: în discuția despre inflația cosmică și în discuția despre universurile dominate de energia întunecată.

Universul lui Mach

Același subiect în detaliu: Principiul lui Mach .

Ernst Mach a dezvoltat un fel de extensie a relativității generale, în care „ inerția se datorează efectelor gravitaționale ale distribuției masei universului. Această propunere a dus în mod natural la speculații cosmologice. Carl Brans și Robert Dicke au reușit să încorporeze cu succes principiul lui Mach în principiul relativității generale, care a admis soluții cosmologice care implică o masă variabilă. Masa universului, distribuită omogen, ar avea ca rezultat aproximativ un câmp scalar care pătrunde în univers și alimentează constanta gravitațională a lui Newton, odată cu crearea unei teorii a gravitației cuantice .

Universul Gödel

Același subiect în detaliu: Metric Gödel .

În parte, ca contra-exemplu la principiul lui Mach , Kurt Godel a găsit o soluție la ecuațiile de câmp ale lui Einstein care descriu un univers cu impuls unghiular diferit de zero, o alternativă la metrica Friedmann - Lemaitre - Robertson - Walker , mai mult în acord cu observații și utilizate în modelul standard al cosmologiei . Această cosmologie conținea curbe spațiu-timp închise de tipul : într-un univers de acest tip, un semnal sau un obiect declanșat de un eveniment poate reveni la același eveniment. Einstein a fost nemulțumit de implicațiile pe care le presupunea și a renunțat la speranța integrării principiului lui Mach în relativitatea generală. Din cauza acestui efect, astronomii pot, în principiu, să limiteze viteza de rotație a universului, despre care acum se crede că este atât de aproape de zero încât nu își asumă implicații cosmologice. În universul lui Einstein, spațiul-timp este un continuu cu patru dimensiuni curbat de materie; prin faptul că Godel se rotește pe sine, iar timpul devine ciclic , tendința către prăbușirea gravitațională nu este compensată de o constantă cosmologică ci de forța centrifugă datorată rotației. Este un univers închis , finit și rotitor, care se învârte asupra sa la fiecare șaptezeci de miliarde de ani, în care un călător spațial ipotetic care se mișcă cu viteza luminii ar putea face călătoria în timp în conformitate cu relativitatea generală. ^[3] Această „ veșnică întoarcere ” a inspirat mai multe teorii precum cele ale lui Frank Tipler . Modelul lui Gödel este considerat non-standard, deoarece nu acceptă și nu descrie recesiunea galaxiilor, Legea lui Hubble .

LUME

Dinamica Newtoniană modificată (MOND) este o propunere relativ modernă pentru a explica problema rotației galaxiei pe baza unei variații a celei de-a doua legi a dinamicii lui Newton la accelerații mici: această modificare ar produce o variație la scară largă a legii gravitației universale a lui Newton. , implicit implicând, de asemenea, o modificare a cosmologiei relativiste generale - întrucât cosmologia newtoniană este limita cosmologiei lui Friedman. În timp ce aproape toți astrofizicienii resping astăzi MOND în favoarea materiei întunecate, un număr mic de cercetători continuă să o aprecieze, încorporând recent teoriile lui Brans-Dicke în încercarea de a explica unele observații cosmologice.

Teves

Gravorul tensor-vector-scalar (Teves) este o teorie relativistă propusă, echivalentă cu dinamica newtoniană modificată (MOND) în limita non-relativistă, care pretinde să explice problema rotației galaxiilor fără a invoca materia întunecată. Provenit de Jacob Bekenstein, în 2004, acesta încorporează diverse câmpuri tensoriale , câmpuri vectoriale și câmpuri scalare , atât dinamice, cât și nedinamice.

Descoperirea lui Teves asupra MOND-ului este că poate explica fenomenul lentilelor gravitaționale , ^[4] iluzia optică cosmică confirmată de multe ori în care materia îndoaie lumina. O constatare preliminară recentă este că poate explica formarea structurilor fără CDM, dar cu prezența unui neutrin masiv de ~ 2EV ^{[5] [6]} . Cu toate acestea, alți autori (a se vedea Slosar, Melchiorri și Silk [1] ) Teves susțin că nu se poate explica, în același timp, anizotropia fondului cosmic cu microunde și formarea structurilor, excluzând astfel cele mai importante modele.

Teoriile universului static

„ Universul static original teoretizează că spațiul nu se extinde și nici nu se contractă, dar este stabil dinamic. Albert Einstein a propus un model similar în cosmologia sa prin adăugarea unei constante cosmologice la ecuațiile sale de relativitate generală pentru a argumenta efectele dinamice ale gravitației care în „ universul lui De Sitter ar provoca prăbușirea . După descoperirea lui Edwin Hubble că există o relație între redshift și distanță , Einstein a declarat că teoria sa a fost „cea mai mare greșeală” a sa. ^[7]

După observațiile Hubble, Fritz Zwicky a sugerat că un univers static ar fi posibil dacă ar exista o explicație alternativă la deplasarea spre roșu reglementată de un mecanism care ar provoca pierderea energiei luminii în timpul călătoriilor spațiale, un concept care ar fi cunoscut ulterior ca „ lumină obosită ” . " Ulterior, observațiile cosmologice au arătat că un astfel de model nu este posibil, de aceea majoritatea astrofizicienilor spun că ipoteza universului static nu trebuie luată în considerare.

Cu toate acestea, nu exclude modelul standard de cosmologie și Big Bang, dar postulează că expansiunea și gravitația sunt în echilibru, ceea ce ultimele descoperiri nu par să confirme, deși nu există o certitudine absolută în absența unor date suficiente despre „ natura energiei întunecate .

Teoria stării de echilibru și a stării cvasi-stabile

Teoria stării de echilibru a fost propusă pentru prima dată în 1948 de Fred Hoyle, Thomas Gold , Hermann Bondi și alții, ca alternativă la teoria Big Bang. A schimbat ipoteza omogenității principiului cosmologic pentru ao introduce în timp și în spațiu . Acest „principiu cosmologic perfect”, așa cum s-ar numi, prevedea un univers în expansiune, fără a-și schimba densitatea. Pentru a obține acest rezultat, cosmologia stării staționare a trebuit să postuleze un „material care creează câmp” (așa-numitul câmp C ) care intră în materie în univers pentru a menține o densitate constantă.

Ideea a fost atacată aproape imediat de susținătorii Big Bang-ului care au descris câmpul C ca fiind în contradicție cu o înțelegere consecventă a fizicii. Hoyle, unul dintre cei mai vocali susținători ai modelului stării de echilibru și un angajat materialist , credea că vechiul model rival era o întindere, deoarece încălca principiile filosofice fundamentale privind natura infinită a existenței. Hoyle a avertizat în mod explicit că Big Bang-ul a fost susținut ca o „ cauză dogmatică”, în conformitate cu teologia occidentală, mai degrabă decât cu știința. Pentru a ataca această relație, Hoyle a lansat o campanie publică de discreditare și lichidare a teoriei Big Bang, inventând termenul „Big Bang”, care rămâne și astăzi legat de teoria cosmologică standard, chiar dacă calitatea descriptivă a numelui este criticată dur. ca înșelătoare. ^[8]

Dezbaterea dintre Big Bang și modelele stării staționare ar dura 15 ani, cu câmpuri aproape în mod egal împărțite, până la descoperirea radiației cosmice de fundal cu microunde (CMB). Această radiație este o caracteristică naturală a modelului Big Bang necesită un „timp al ultimei împrăștieri”, în care fotonii se decuplează de materia barionică . Starea de echilibru a modelului propunea că această radiație ar putea fi considerată așa-numita extincție interstelară , care a fost un substrat cauzat parțial de paradoxul lui Olbers într-un univers infinit. Pentru a explica uniformitatea fundalului, susținătorii stării staționare au postulat un efect de ceață asociat cu particule microscopice de fier care ar împrăștia undele radio în așa fel încât să producă un CMB izotrop. Fenomenele propuse au fost botezate atât de bizare de „mustăți de fier cosmice” și au servit ca mecanism de termalizare . Teoria stării de echilibru nu avea nicio problemă cu orizontul Big Bang-ului, deoarece a fost nevoie de o cantitate infinită de timp pentru a termaliza fundalul.

Pe măsură ce datele cosmologice au fost colectate, cosmologii au început să-și dea seama că Big Bang-ul a prezis corect „ o mulțime de elemente luminoase observate în cosmos. Ceea ce în modelul stării de echilibru era un raport aleatoriu de hidrogen pe o parte și deuteriu și heliu pe de altă parte, în sensul că Big Bang-ul era o caracteristică. În plus, la începutul anilor 1990, măsurătorile precise ale CMB indicau că, în natură, spectrul electromagnetic, fondul era mai aproape de un corp negru decât orice altă sursă din natură. Cele mai bune modele de dispariție interstelară ar putea prezice că a fost o termalizare la nivelul de 10%, în timp ce satelitul COBE a măsurat abaterea la un nivel parțial de 10 ^5. După această descoperire senzațională, majoritatea cosmologilor au devenit convinși că teoria stării de echilibru nu ar putea explica observațiile cosmologice, așa cum a făcut Big Bang-ul. De atunci, observațiile detaliate ale navei spațiale la anizotropia cuptorului cu microunde ( WMAP ) au izolat un model Lambda-CDM care corelează anizotropiile radiației cosmice de fond cu microunde cu caracteristicile universului ca structură cosmică pe scară largă , natura detaliată a legii Hubble și, de asemenea, caracteristici bizare, cum ar fi inflația, energia întunecată și materia întunecată rece .

Deși modelul original al stării de echilibru este acum considerat a fi în contradicție cu observațiile chiar și de către foștii săi susținători, a fost propusă o modificare care prezice universul ca provenind din mai multe bretonuri mici, decât dintr-un big bang. Se presupune că Universul va trece prin faze periodice de expansiune și contracție, cu un „rebond” moale în locul Big Bang-ului. Astfel, deplasarea spre roșu se explică prin faptul că Universul se află în prezent într-o fază de expansiune. O mână de alți teoreticieni ai statului staționar (cel mai faimos Jayant V. Narlikar ) continuă să susțină că mediul intergalactic conține mustăți de fier cosmice. Cu toate acestea, încă nu există dovezi observaționale care să susțină existența acestor particule de fier. Pentru modelul alternativ al lui Halton Arp, a se vedea teoria schimbării roșii intrinseci și modelul Arp

Propuneri bazate pe scepticismul observațional

Pe măsură ce cosmologia observațională a început să se dezvolte, unii astronomi au început să ofere speculații alternative cu privire la interpretarea diferitelor fenomene, care, în unele cazuri, ar deveni parte a cosmologiilor nestandardizate.

Lumina obosită

Efectul luminii obosite a fost propus de Fritz Zwicky în 1929 ca o posibilă explicație alternativă pentru schimbarea cosmologică la roșu detectată. Propunerea de bază a atribuit-o energiei luminii pierdute („obosite”) datorită distanței parcurse, mai degrabă decât expansiunii metrice sau recesiunii fizice a surselor de către observatori. O explicație tradițională pentru acest efect a fost aceea de a da o frecare dinamică fotonilor; interacțiunile gravitaționale ale fotonilor cu stelele și alte materii reduc progresiv impulsul lor, producând astfel o deplasare spre roșu. Printre propunerile care explicau cum fotonii puteau pierde energie, se număra împrăștierea luminii de către material într-un proces similar cu cel observat de „ înroșire interstelară ”. Cu toate acestea, toate aceste procese ar tinde să estompeze chiar și imaginile obiectelor îndepărtate, chiar dacă nu au fost detectate neclarități similare, în plus s-a demonstrat că fricțiunea dinamică este complet neglijabilă pentru particulele care se mișcă la viteze relativiste. ^[9]

Lumina obosită tradițională a fost considerată incompatibilă cu dilatarea timpului detectat în asociere cu schimbarea roșie cosmologică. În discuțiile de astronomie sau cosmologie, această idee este amintită mai ales ca o explicație falsă a legii lui Hubble.

Ipoteza numerelor mari Dirac

Ipoteza lui Dirac a numărului mare , propusă de Paul Dirac , folosește raportul dintre dimensiunea universului vizibil și raza particulei cuantice prin extrapolarea „numerelor mari” pentru a prezice vârsta universului, viteza luminii, masa electronului, constanta gravitațională universală a lui Newton și masa protonului. La coincidenza di più rapporti vicini come ordine di grandezza può rivelarsi priva di significato oppure indicare un legame più profondo tra concetti in una futura teoria del tutto . Tuttavia, i tentativi di utilizzare queste idee sono stati criticati come numerologia .

Periodicità del redshift e redshift intrinseci

Una minoranza di astrofisici non è convinta che il redshift cosmologico sia associato a un'espansione cosmologica universale. Scetticismo a spiegazioni e alternative cominciarono a comparire nella letteratura scientifica negli anni 1960. In particolare, gli astrofisici Geoffrey Burbidge , William Tifft e Halton Arp proposero la presenza di incongruenze nelle osservazioni del redshift di galassie e quasar . I primi due erano famosi per aver suggerito che c'era periodicità nella distribuzione del redshift di galassie e quasar. Rigorose analisi statistiche sul rilevamento del redshift sembrano oggi indicare che non vi è più alcuna periodicità che possa essere spiegata con l' universo osservabile . Arp presentò un proprio modello di stato stazionario .

Durante le polemiche sui quasar negli anni 1970, questi stessi astronomi erano anche del parere che i quasar mostravano un alto redshift non a causa della loro enorme distanza, ma piuttosto per inspiegabili meccanismi di redshift intrinseco che causerebbero la periodicità gettando dubbi sul Big Bang. Argomenti su quanto lontano fossero i quasar presero forma di dibattiti sui meccanismi di produzione di energia dei quasar, sulle loro curve di luce , e su un eventuale moto proprio dei quasar. Gli astronomi che credevano che i quasar non fossero a distanze cosmologiche sostenevano che il limite di Eddington poneva un confine alla distanza a cui i quasar potevano trovarsi, dato che la produzione di energia necessaria per spiegare l' apparente luminosità dei quasar cosmologicamente lontani era troppo elevata per essere spiegabile soltanto con la fusione nucleare . Questa obiezione era resa controversa dai migliorati modelli di dischi di accrescimento alimentati con la gravità che, per materiale sufficientemente denso (come i buchi neri ), possono essere più efficienti nella produzione di energia delle reazioni nucleari. La controversia è terminata negli anni 1990 quando sono emerse prove che indicavano che i quasar erano in realtà ultra-luminosi e lontani nuclei galattici attivi (AGN, active galactic nuclei) e che i componenti principali del loro redshift sono di fatto dovuti alla legge di Hubble.

Halton Arp e pochi altri continuarono a sostenere che, nelle osservazioni - fatte da Arp stesso - di quasar e galassie ci sono anomalie che servono a confutare il Big Bang. Arp ha messo in correlazione i quasar e gli AGN relativamente vicini, sostenendo che gruppi di quasar sono stati osservati in allineamento attorno agli AGN. Arp era convinto che i quasar, quando si evolvono in galassie, danno origine ad oggetti con intenso redshift che vengono espulsi dai nuclei di galassie attive e perdono gradualmente la loro componente di redshift non-cosmologico. Ciò è in netta contraddizione con i modelli accettati di formazione delle galassie .

Il problema più grande con l'analisi di Arp è che oggi ci sono decine di migliaia di quasar con redshift riconosciuto scoperti da vari rilevamenti celesti . La stragrande maggioranza di questi quasar non sono correlati in alcun modo con i vicini AGN. Infatti, con il miglioramento delle tecniche di osservazione, un certo numero di galassie ospiti sono state osservate nei pressi di quasar, il che indica che quei quasar sono realmente almeno a distanze cosmologiche e non sono il genere di oggetti che Arp propone. ^[10] L'analisi di Arp, secondo la maggior parte degli scienziati, risente dall'essere basata statisticamente su piccoli numeri e di cercare coincidenze particolari e strane associazioni. In un universo vasto come il nostro, se ci si guarda attorno a sufficienza, le peculiarità e le stranezze sono destinate a manifestarsi. Campioni di fonti imparziali, tratti da numerosi indagini sulle galassie non mostrano alcuna delle 'irregolarità' proposte, né esistono correlazioni statisticamente significative .

Inoltre, non è chiaro quale meccanismo dovrebbe essere responsabile dei redshift intrinseci o della loro graduale dissipazione nel tempo. Pure non è chiaro come quasar vicini possono spiegare alcune caratteristiche dello spettro dei quasar che il modello standard spiega facilmente. Nella cosmologia standard, le nubi di idrogeno neutro tra il quasar e la terra creano le righe di assorbimento Lyman alfa con redshift diversi fino a quello del quasar stesso; questa funzione è chiamata la foresta Lyman-alfa . Inoltre, nei quasar più lontani si può osservare l'assorbimento di idrogeno neutro che non è ancora stato reionizzato, in una caratteristica nota come l' effetto Gunn-Peterson . Molti cosmologi vedono questo lavoro teorico mancante come una ragione sufficiente a spiegare le osservazioni come casuali o errate. ^[11]

Halton Arp ha proposto una spiegazione per le sue osservazioni come "ipotesi di massa variabile" secondo il Principio di Mach . ^[12] La teoria della massa variabile invoca la continua creazione di materia dai nuclei galattici attivi, che la classifica tra le teorie dello stato stazionario. Arp sostenne che la variabilità dei quasar fosse la prova del carattere non cosmologico del redshift ma dell'età degli oggetti e le loro caratteristiche intrinseche; propose una spiegazione per le sue osservazioni come "ipotesi di massa variabile" secondo il Principio di Mach . ^[12] La teoria della massa variabile invoca la continua creazione di materia dai nuclei galattici attivi, che la classifica tra le teorie dello stato stazionario. Arp spiegò il redshift con la teoria della relatività generale di Albert Einstein e la teoria di Jayant Narlikar del 1977 ( teoria della massa variabile e della gravità conforme ); il redshift intrinseco , visibile secondo lui in oggetti con diverso redshift ma che dovrebbero avere lo stesso livello, se fossero in recessione e allontanamento - essendo alla stessa distanza - poteva essere determinato da diversi fattori:

• l'età degli oggetti e le loro proprietà intrinseche (il principale argomento): in particolare la massa delle particelle (e per estensione dei corpi che di particelle sono formati) aumenterebbe progressivamente nel tempo. Se ne deduce che una delle innumerevoli cause del redshift sarebbe quindi l'età delle particelle.
• Arp cita anche la teoria della quantizzazione del redshift come spiegazione del redshift delle galassie e quella del redshift periodico
• la teoria della luce stanca
• l'azione di buchi neri e altri oggetti
• la temperatura (come nelle giganti rosse )
• caratteristiche derivate dalla creazione di materia ^[13]

Nei pressi dei quasar spesso si trovano in effetti buchi neri molto antichi, risalenti quasi al Big Bang (una teoria è che vi fossero diversi mini-buchi neri o un buco nero primordiale ); nel 2015 sono stati scoperti quasar con relative galassie attive la cui luminosità diminuisce per caratteristiche intrinseche a causa dei buchi neri supermassicci , invece che per redshift dovuto ad allontanamento. Alcuni sono diventati inattivi in soli 10 anni. ^[14]

Tra i sostenitori successivi delle tesi di Arp vi sono anche l'astrofilo italiano Alberto Bolognesi, critico dell' espansione metrica dello spazio , e l'astronomo spagnolo Martin Lopez-Corredoira. ^[15]

Il fisico teorico tedesco Christof Wetterich dell'Università di Heidelberg, uno dei primi ipotizzatori dell' energia oscura , ha di recente invece ripreso, nell'ambito sulle discussioni sulla difficoltà di postulare la singolarità gravitazionale , la teoria di Narlikar - che tuttora sostiene lo stato stazionario ^[16] - basata su quella di Einstein e sostenuta a lungo da Arp (specialmente nel testo del 1998 intitolato Seeing red ), del redshift intrinseco dovuto all'età delle particelle ^[17] ; egli ha proposto un modello fisico alternativo secondo il quale si potrebbe fare a meno dell'ipotesi dell'espansione cosmica, pur non aderendo alla teoria della creazione continua (egli sostiene una sorta di "Big Bang freddo" ^[18] ). Il redshift non sarebbe prodotto da un loro allontanamento ma da un aumento della massa delle particelle elementari nel corso di miliardi di anni, senza che in effetti aumenti la materia, quindi sarebbe intrinseco. L'universo, come nella teoria di Hoyle e Arp, aumenta ma non si espande. Il problema è la scarsa verificabilità di tale tesi, in quanto non aumenta solo la massa delle particelle ma anche quella degli strumenti di misurazione e di ciò che venga usato come paragone. ^[19]

Cosmologia frattale

Lo stesso argomento in dettaglio: Cosmologia frattale .

Alcuni ricercatori suggerirono modelli cosmologici in cui la distribuzione della materia nell'universo non è omogenea e segue una legge frattale ; uno di questi modelli fu proposto dall' astronomo franco-statunitense Gérard de Vaucouleurs agli inizi degli anni settanta , ma ormai superato. Questo modello prevedeva che un osservatore si trovasse ad una certa distanza da una regione con più alta densità, ad una distanza maggiore da una regione con densità ancora maggiore, e via di seguito.

La cosmologia del plasma

Lo stesso argomento in dettaglio: Cosmologia del plasma .

L' universo del plasma o universo elettrico è un modello cosmologico proposto dal premio Nobel per la fisica Hannes Alfvén , la cui caratteristica principale è l'affermazione che, nella struttura su larga scala dell'universo, i fenomeni di natura elettromagnetica giocano un ruolo altrettanto importante di quello della gravitazione. Utilizzando la simmetria materia -antimateria come punto di partenza, Alfvén ha suggerito che, dal fatto che la maggior parte dell'universo locale è composto da materia e non da antimateria , potrebbero esserci grosse bolle di materia e antimateria che globalmente si bilanciano (in ciò che egli definiva un "ambiplasma"). Le difficoltà di questo modello furono ben presto evidenti. L' annichilazione materia-antimateria emerge nella produzione di fotoni ad alta energia che tuttavia non sono stati rilevati. Il Big Bang è solo uno dei momenti di creazione dovuto a uno di questi scontri. Tuttavia, le poche conferme empiriche e la vicinanza alle pseudoscienze di alcuni sostenitori hanno reso poco considerata la proposta. ^[20]

Come la teoria dello stato stazionario, la cosmologia del plasma implica un Forte Principio Cosmologico, che presuppone che l'universo sia isotropo nel tempo e nello spazio. Si presume esplicitamente che la materia sia sempre esistita, o almeno che si sia formata in un periodo così lontano nel passato da essere per sempre al di là dei metodi empirici di indagine dell'umanità.

Mentre la cosmologia del plasma non ha mai avuto il sostegno della maggior parte degli astronomi o fisici, un piccolo numero di ricercatori del plasma hanno continuato a promuovere e sviluppare l'approccio, ea pubblicare “Transactions on Plasma Science” in numeri speciali del Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE. ^[21] Pochi documenti sulla cosmologia del plasma sono stati pubblicati su riviste importanti fino agli anni 1990. Inoltre, nel 1991, Eric J. Lerner . ^[22] , un ricercatore indipendente in fisica del plasma e fusione nucleare , ha scritto un libro divulgativo di supporto alla cosmologia del plasma dal titolo Il Big Bang non c'è mai stato . A quel tempo c'era un rinnovato interesse per l'argomento all'interno della comunità cosmologica così come per altre cosmologie non standard. Ciò era dovuto ai risultati anomali segnalati nel 1987 da Andrew Lange e Paul Richardson della UC Berkeley e Toshio Matsumoto della Nagoya University che indicavano come la radiazione cosmica di fondo potesse non avere uno spettro di corpo nero . ^[23]

Cosmologie solo parzialmente non standard

Si tratta di cosmologie che accettano il modello standard e il Big Bang, ma modificandone l'interpretazione.

Modelli ciclici

L'universo che rimbalza

Lo stesso argomento in dettaglio: Big Bounce e Universo oscillante .

Il Big Bounce , ripresa della teoria dell' universo oscillante è una cosmologia standard, poiché accetta la teoria degli infiniti Big Bang. Esiste però una versione che rifiuta il Big Bang e la singolarità, elaborando una matematica di sintesi tra la quantistica, la gravità e la relatività. Questo modello è stato proposto da Martin Bojowald e, indipendentemente anche da Parampreet Singh, ricercatore del Perimeter Institute di Waterloo (Ontario) in Canada , il quale, pur accettando il modello standard, afferma esplicitamente che il Big Bang - come comunemente inteso - non è mai avvenuto. ^[24]

Modello ecpirotico

Lo stesso argomento in dettaglio: Universo ecpirotico .

Modello ciclico conforme

Lo stesso argomento in dettaglio: Cosmologia ciclica conforme .

La cosmologia ciclica conforme (in inglese Conformal Cyclic Cosmology , abbreviato CCC) è un modello cosmologico di universo ciclico , proposto dal 2001 in poi dal matematico e fisico teorico Roger Penrose e dal collega Vahe Gurzadyan , che postula che la fine dell'universo sia l'inizio di uno nuovo, dato che la bassa entropia successiva alla morte termica dell'Universo (il momento in cui invece l'entropia è massima) sarebbe la stessa che c'era prima del Big Bang , a causa dell' evaporazione dei buchi neri . In quanto priva delle grandezze fisiche di spazio e di tempo , tale condizione, simile alle condizioni della lunghezza di Planck , genererebbe un nuovo Big Bang per fluttuazione e grazie alla spinta dell' accelerazione , nel quadro di un universo ciclico , infinito nel tempo ma non nello spazio. Questo modello è una variante e un superamento dell' universo ciclico classico , ma anche della teoria dello stato stazionario e dell' universo statico , ed è basato principalmente su una nuova interpretazione della relatività generale .

Il modello accetta l' espansione dell'universo fino al dissolvimento completo della materia e all'assorbimento della luce da parte dei buchi neri , postulando che a quel punto ciò che rimarebbe sarebbe del tutto simile alla condizione dell'iniziale singolarità gravitazionale . Nella CCC l'universo attraversa cicli infiniti (chiamati "eoni"), con ogni futuro infinito intervallo di spaziotempo che si presenta come ripetizione di ogni precedente iterazione, ed è identificato con la singolarità gravitazionale del Big Bang. La CCC si pone come un'alternativa alle più diffuse teorie cosmologiche. ^[26] Penrose afferma che una prova del suo modello sarebbe contenuta nella radiazione di fondo e nelle onde scoperte in essa, che sarebbero i residui materiali degli universi precedenti (i cosmologi solitamente attribuiscono a fluttuazioni quantistiche espanse dall'inflazione, quindi alle onde gravitazionali , tali cerchi concentrici). ^{[27] [28]}

Selezione di universi

Lo stesso argomento in dettaglio: Selezione naturale cosmologica .

Cosmologia dal potenziale quantistico

Lo stesso argomento in dettaglio: Cosmologia dal potenziale quantistico .

Nella cosmologia quantistica di Ali e Das lo spaziotempo, proprio come nella teoria dello stato stazionario, è in espansione ma non esiste singolarità e inizio, grazie al superamento della relatività generale nella proposta di gravità quantistica basata sulle equazioni di Bohm. Il Big Bang rappresenta solo l'inizio della fase inflazionaria.

La cosmologia del potenziale quantistico o cosmologia dal potenziale quantistico ("cosmology from quantum potential") ^[29] , presentata nel 2014-15, è simile al risultato postulato dallo stato stazionario e dalla cosmologia del plasma, ossia un universo in espansione e sviluppo però in relativo equilibrio, ma fa uso sia della meccanica quantistica che della relatività generale . Secondo Ahmed Farag Ali e Saurya Das, che hanno rielaborato vecchie teorie di David Bohm fondendo la relatività generale con la cosmologia quantistica e la gravità quantistica (una versione quantistica delle equazioni di Friedmann ), l'universo è costituito da una sorta di “fluido quantistico”, composto da gravitoni , le ipotetiche particelle elementari prive di massa che hanno la funzione di trasmettere la forza di gravità. ^[30]

In questo modello non esistono la singolarità gravitazionale né la materia oscura o l' energia oscura (proponendo una diversa spiegazione dell' accelerazione ), che vengono esclusi dai calcoli matematici della relatività generale (la quale fallisce nel spiegare postulando una gravità infinita e non è stata unificata ancora con la meccanica quantistica in una teoria del tutto ), rendendo l'universo a una dimensione finita, con un'età infinita.

Das e un altro collaboratore, Rajat Bhaduri di McMaster University del Canada, hanno inoltre mostrato che i gravitoni possono formare un condensato di Bose-Einstein (uno stato della materia, che si ottiene quando si porta un insieme di bosoni a temperature estremamente vicine allo zero assoluto, cioè 0 K, corrispondente a -273,15 °C; in queste condizioni di grande raffreddamento, una frazione non trascurabile delle particelle si porta nello stato quantistico di più bassa energia e gli effetti quantistici - come il principio di indeterminazione di Heisenberg e le fluttuazioni quantistiche - si manifestano su scala macroscopica) a temperature che erano presenti nell'universo in tutte le epoche. ^[31] Tale condensato sarebbe la fase finale dell'attuale periodo dell'universo. ^[32]

Universo olografico

Lo stesso argomento in dettaglio: Spostamento della realtà § Teorie della realtà dinamica e Principio olografico .

Obiezioni della nucleosintesi alle cosmologie non standard

Uno dei maggiori successi della teoria del Big Bang è stato quello di fornire una previsione che corrisponde alle osservazioni di abbondanza di elementi leggeri nell'universo. Insieme con la spiegazione fornita per la legge di Hubble e per la radiazione cosmica di fondo, questa osservazione si è rivelata molto difficile da spiegare da parte delle teorie alternative.

Teorie che affermano che l'universo ha un'età infinita, tra cui alcune delle teorie sopra descritte, non riescono a spiegare l'abbondanza di deuterio nel cosmo, perché il deuterio subisce facilmente la fusione nucleare nelle stelle e non ci sono processi astrofisici conosciuti diversi dal Big Bang stesso che lo possono produrre in grande quantità. Di qui il fatto che il deuterio non sia un componente estremamente raro dell'universo suggerisce che questi abbia un'età finita.

Teorie che affermano che l'universo abbia una vita finita, ma che il Big Bang non si sia verificato, hanno problemi con l'abbondanza di elio-4. La quantità rilevata di ⁴ He è di gran lunga superiore a quella che avrebbe dovuto essere creata da stelle o da qualsiasi altro processo conosciuto. Al contrario, l'abbondanza di ⁴ He nei modelli del Big Bang risulta indifferente alle ipotesi di densità barionica, cambiando solo una piccola percentuale mentre la densità dei barioni cambia di parecchi ordini di grandezza. Il valore rilevato di ⁴ He sembra essere compreso nell'intervallo calcolato.

Note

Bibliografia

( EN ) Halton Arp, Seeing Red , Apeiron, Montréal. August 1998. ISBN 0-9683689-0-5

• ( EN ) Alfvén D. Hannes, Cosmic Plasma , Reidel Pub Co., February 1981. ISBN 90-277-1151-8
• ( EN ) Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge, Jayant V. Narlikar, A Different Approach to Cosmology: From a Static Universe through the Big Bang towards Reality , Cambridge University Press, 2000. ISBN 0-521-66223-0
• Eric J. Lerner, Il Big Bang non c'è mai stato , edizioni Dedalo, 1994, p. 494. ISBN 978-88-220-0197-9 .
• ( EN ) William C. Mitchell, Bye Bye Big Bang: Hello Reality . Cosmic Sense Books. 2002. ISBN 0-9643188-1-4
• ( EN ) Jayant Vishnu Narlikar, Introduction to Cosmology , Jones & Bartlett Pub., 1983. IUCAA. ISBN 0-86720-015-4
• ( EN ) Anthony L. Peratt, Physics of the Plasma Universe , Springer-Verlag, 1991. ISBN 0-387-97575-6

Collegamenti esterni

• ( EN ) Burbidge, G., Quasi-Steady State Cosmology ^{[ collegamento interrotto ]} . University of California, San Diego . Center for Astrophysics and Space Sciences and Department of Physics La Jolla, CA.
• ( EN ) Kane, Gordon L., " Perspectives on Issues Beyond the Standard Model ". ( ArXiv )
• ( EN ) Lerner, EJ [2]
• ( EN ) Lerner, EJ " Radio absorption by the intergalactic medium. " ApJ 361 (1990), 63-68.
• ( EN ) Lopez-Corredoira, Martin, Observational Cosmology: caveats and open questions in the standard model ^{[ collegamento interrotto ]} . Astronomisches Institut der Universität Basel .
• ( EN ) Narlikar, Jayant V. and T. Padmanabhan, " Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal ". Annual Review of Astronomy and Astrophysics , Vol. 39, p. 211-248 (2001).
• ( EN ) Narlikar, Vishwakarma, and Burbidge, " quasi-steady state model ".
• ( EN ) Rourke, Colin, " A new paradigm for the universe (preliminary version) "
• ( EN ) Shanks, T., " Problems with the Current Cosmological Paradigm ". Astrophysics, astro-ph/0401409. University of Durham, England.
• ( EN ) Tifft, WG Evidence for Quantization and Variable Redshifts in the Cosmic Background Rest Frame . Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Arizona
• ( EN ) Wright, Edward L. " Cosmological Fads and Fallacies: " Errors in some popular attacks on the Big Bang
• Calcoli cosmologici alternativi di L. Rubino