Modelo de estado estacionario

Parte de una serie sobre
Cosmología física
Big Bang  · Universo Edad del universo Cronología del universo
Universo primitivo Inflación  · Nucleosíntesis Antecedentes Onda gravitacional (GWB) Microondas (CMB)  · Neutrinos (CNB)
Expansión  · Futuro Ley de Hubble  · Desplazamiento al rojo Expansión del universo Métrica FLRW  · Ecuaciones de Friedmann Cosmología no homogénea El futuro de un universo en expansión El destino final del universo
Componentes  · Estructura Componentes Modelo Lambda-CDM Energía oscura  · Materia oscura Estructura Forma del universo Filamento galáctico  · Formación de galaxias Gran grupo de cuásares Estructura a gran escala Reionización  · Formación de estructuras
Experimentos Iniciativa Agujero Negro (BHI) Bumerang Explorador del fondo cósmico (COBE) Encuesta sobre energía oscura Observatorio espacial Planck Estudio del cielo digital de Sloan (SDSS) Estudio del corrimiento al rojo de galaxias 2dF ("2dF") Sonda de anisotropía de microondas de Wilkinson (WMAP)
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Historial del tema Descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas Historia de la teoría del Big Bang Cronología de las teorías cosmológicas
Categoría Portal de astronomía
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En cosmología , el modelo de estado estacionario o teoría del estado estacionario es una alternativa a la teoría del Big Bang . En el modelo de estado estacionario, la densidad de materia en el universo en expansión permanece invariable debido a una creación continua de materia, adhiriendo así al principio cosmológico perfecto , principio que dice que el universo observable es siempre el mismo en cualquier momento y en cualquier lugar.

Desde la década de 1940 hasta la de 1960, la comunidad astrofísica estuvo dividida entre los partidarios de la teoría del Big Bang y los partidarios de la teoría del estado estacionario. El modelo del estado estacionario es rechazado actualmente por la mayoría de los cosmólogos , astrofísicos y astrónomos . ^[1] La evidencia observacional apunta a una cosmología del Big Bang caliente con una edad finita del universo , que el modelo del estado estacionario no predice. ^[2]

Los antiguos Vedas afirman que el universo no tiene principio ni fin, sino que las cosas que lo componen se reciclan. La teoría védica de causa y efecto afirma que el efecto se produce de una forma diferente.

La expansión cosmológica fue vista originalmente a través de observaciones de Edwin Hubble . Los cálculos teóricos también mostraron que el universo estático , como lo modeló Albert Einstein (1917), era inestable. La teoría moderna del Big Bang, propuesta por primera vez por el padre Georges Lemaître , es aquella en la que el universo tiene una edad finita y ha evolucionado con el tiempo a través del enfriamiento, la expansión y la formación de estructuras a través del colapso gravitacional.

Por otra parte, el modelo de estado estacionario dice que aunque el universo se está expandiendo, no cambia su apariencia con el tiempo (el principio cosmológico perfecto ). Por ejemplo, el universo no tiene principio ni fin. Esto requería que la materia se creara continuamente para evitar que la densidad del universo disminuyera. Hermann Bondi , Thomas Gold y Fred Hoyle publicaron artículos influyentes sobre el tema de una cosmología de estado estacionario en 1948. ^{[3] [4]} William Duncan MacMillan , entre otros, había propuesto modelos similares anteriormente . ^[5]

Hoy se sabe que Albert Einstein consideró un modelo de estado estacionario del universo en expansión, como se indica en un manuscrito de 1931, muchos años antes que Hoyle, Bondi y Gold. Sin embargo, Einstein abandonó la idea. ^[6]

Los problemas con el modelo de estado estacionario comenzaron a surgir en los años 1950 y 1960: las observaciones apoyaron la idea de que el universo estaba de hecho cambiando. Las fuentes de radio brillantes ( cuásares y radiogalaxias ) se encontraron solo a grandes distancias (por lo tanto, podrían haber existido solo en el pasado distante debido a los efectos de la velocidad de la luz en la astronomía), no en galaxias más cercanas. Mientras que la teoría del Big Bang predijo tanto, el modelo de estado estacionario predijo que tales objetos se encontrarían en todo el universo, incluso cerca de nuestra propia galaxia. Para 1961, las pruebas estadísticas basadas en estudios de fuentes de radio ^[7] habían descartado el modelo de estado estacionario en las mentes de la mayoría de los cosmólogos, aunque algunos defensores de los astrónomos como Halton Arp insisten en que los datos de radio eran sospechosos. ^{[1] : 384}

Gold y Hoyle (1959) ^[8] consideraron que la materia recién creada existe en una región que es más densa que la densidad media del universo. Esta materia puede entonces irradiar y enfriarse más rápido que las regiones circundantes, lo que da como resultado un gradiente de presión. Este gradiente empujaría la materia a una región sobredensa y daría como resultado una inestabilidad térmica y emitiría una gran cantidad de plasma. Sin embargo, Gould y Burbidge (1963) ^[9] se dieron cuenta de que la radiación térmica de frenado emitida por dicho plasma superaría la cantidad de rayos X observados . Por lo tanto, en el modelo cosmológico de estado estacionario, la inestabilidad térmica no parece ser importante en la formación de masas del tamaño de las galaxias. ^[10]

Para la mayoría de los cosmólogos, la refutación del modelo de estado estacionario llegó con el descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas en 1964, que fue predicha por la teoría del Big Bang. El modelo de estado estacionario explicó la radiación de fondo de microondas como el resultado de la luz de estrellas antiguas que ha sido dispersada por el polvo galáctico. Sin embargo, el nivel de fondo cósmico de microondas es muy uniforme en todas las direcciones, lo que hace difícil explicar cómo podría ser generado por numerosas fuentes puntuales, y la radiación de fondo de microondas no muestra evidencia de características como la polarización que normalmente se asocian con la dispersión. Además, su espectro es tan cercano al de un cuerpo negro ideal que difícilmente podría formarse por la superposición de contribuciones de una multitud de cúmulos de polvo a diferentes temperaturas, así como a diferentes corrimientos al rojo . Steven Weinberg escribió en 1972: "El modelo de estado estacionario no parece estar de acuerdo con la relación dL versus z observada o con los recuentos de fuentes ... En cierto sentido, este desacuerdo es un mérito del modelo; solo entre todas las cosmologías, el modelo de estado estacionario hace predicciones tan precisas que _puede ser refutado incluso con la limitada evidencia observacional de que disponemos. El modelo de estado estacionario es tan atractivo que muchos de sus partidarios aún mantienen la esperanza de que la evidencia en su contra eventualmente desaparecerá a medida que mejoren las observaciones. Sin embargo, si la radiación cósmica de microondas... es realmente radiación de cuerpo negro, será difícil dudar de que el universo ha evolucionado a partir de una etapa temprana más caliente y densa". ^[11]

Desde su descubrimiento, la teoría del Big Bang se considera la mejor explicación del origen del universo. En la mayoría de las publicaciones astrofísicas , el Big Bang se acepta implícitamente y se utiliza como base de teorías más completas. ^{[12] :  388}

Uno de los supuestos fundamentales del modelo de estado estacionario es el principio cosmológico , que se desprende del principio cosmológico perfecto y que establece que nuestra ubicación observacional en el universo no es inusual o especial; en una escala suficientemente grande, el universo se ve igual en todas las direcciones ( isotropía ) y desde cada ubicación ( homogeneidad ). ^[13] Sin embargo, hallazgos recientes sugieren que existen violaciones del principio cosmológico, especialmente de la isotropía, y algunos autores sugieren que el principio cosmológico ahora está obsoleto. ^{[14] [15] [16] [17]}

La evidencia de los cúmulos de galaxias , ^{[18] [19]} cuásares , ^[20] y supernovas de tipo Ia ^[21] sugiere que la isotropía se viola en grandes escalas.

Los datos de la misión Planck muestran un sesgo hemisférico en el fondo cósmico de microondas (CMB) en dos aspectos: uno con respecto a la temperatura media (es decir, las fluctuaciones de temperatura), el segundo con respecto a variaciones mayores en el grado de perturbaciones (es decir, las densidades). La Agencia Espacial Europea (el organismo rector de la misión Planck) ha llegado a la conclusión de que estas anisotropías en el CMB son, de hecho, estadísticamente significativas y ya no se pueden ignorar. ^[22]

Ya en 1967, Dennis Sciama predijo que el CMB tiene una anisotropía dipolar significativa. ^{[23] [24]} En los últimos años se ha probado el dipolo del CMB y los resultados actuales sugieren que nuestro movimiento con respecto a las radiogalaxias distantes ^[25] y los cuásares ^[26] difiere de nuestro movimiento con respecto al CMB. La misma conclusión se ha alcanzado en estudios recientes del diagrama de Hubble de supernovas de tipo Ia ^[27] y cuásares . ^[28] Esto contradice el principio cosmológico.

El dipolo del CMB se insinúa a través de una serie de otras observaciones. En primer lugar, incluso dentro del CMB, hay curiosas alineaciones direccionales ^[29] y una asimetría de paridad anómala ^[30] que puede tener un origen en el dipolo del CMB. ^[31] Por otra parte, la dirección del dipolo del CMB ha surgido como una dirección preferida en estudios de alineaciones en polarizaciones de cuásares, ^[32] relaciones de escala en cúmulos de galaxias, ^{[33] [34]} fuerte retardo temporal de lente, ^[15] supernovas de tipo Ia, ^[35] y cuásares y estallidos de rayos gamma como velas estándar . ^[36] El hecho de que todos estos observables independientes, basados ​​en diferentes físicas, sigan la dirección del dipolo del CMB sugiere que el Universo es anisotrópico en la dirección del dipolo del CMB. ^{[ cita requerida ]}

Sin embargo, algunos autores han afirmado que el universo alrededor de la Tierra es isótropo con un alto grado de significación según estudios de los mapas de temperatura del fondo cósmico de microondas. ^[37]

Se han descubierto muchas estructuras a gran escala y algunos autores han informado que algunas de las estructuras están en conflicto con la condición de homogeneidad requerida para el principio cosmológico, incluyendo

• El LQG Clowes–Campusano , descubierto en 1991, que tiene una longitud de 580 Mpc
• La Gran Muralla Sloan , descubierta en 2003, que tiene una longitud de 423 Mpc, ^[38]
• U1.11 , un gran grupo de cuásares descubierto en 2011, que tiene una longitud de 780 Mpc
• El Huge-LQG , descubierto en 2012, que es tres veces más largo y dos veces más ancho de lo que se predice posible según ΛCDM
• La Gran Muralla Hércules-Corona Boreal , descubierta en noviembre de 2013, que tiene una longitud de 2000-3000 Mpc (más de siete veces la de la Gran Muralla Boreal) ^[39]
• El Arco Gigante , descubierto en junio de 2021, que tiene una longitud de 1000 Mpc ^[40]

Otros autores afirman que la existencia de estructuras a gran escala no viola necesariamente el principio cosmológico. ^{[41] [14]}

La cosmología de estado cuasi-estacionario (QSS) fue propuesta en 1993 por Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge y Jayant V. Narlikar como una nueva encarnación de las ideas de estado estacionario destinadas a explicar características adicionales no explicadas en la propuesta inicial. El modelo sugiere focos de creación que ocurren a lo largo del tiempo dentro del universo, a veces denominados minibangs, minieventos de creación o pequeños estallidos . ^[42] Después de la observación de un universo en aceleración , se realizaron más modificaciones del modelo. ^[43] La partícula de Planck es un agujero negro hipotético cuyo radio de Schwarzschild es aproximadamente el mismo que su longitud de onda Compton ; la evaporación de dicha partícula se ha evocado como la fuente de elementos ligeros en un universo en estado estacionario en expansión. ^[44]

El astrofísico y cosmólogo Ned Wright ha señalado defectos en el modelo. ^[45] Estos primeros comentarios fueron rápidamente refutados por los defensores. ^[46] Wright y otros cosmólogos de la corriente principal que revisan el QSS han señalado nuevos defectos y discrepancias con observaciones que los defensores no han podido explicar. ^[47]

• Cosmología no estándar
• Principio copernicano
• Estructura a gran escala del cosmos
• Expansión del universo

• Burbidge, G., Hoyle, F., "El origen del helio y otros elementos ligeros", The Astrophysical Journal, 509: L1–L3, 10 de diciembre de 1998
• Hoyle, F.; Burbidge, G.; Narlikar, JV (2000). Un enfoque diferente a la cosmología . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-66223-9.
• Mitton, S. (2005). Conflicto en el cosmos: la vida científica de Fred Hoyle . Joseph Henry Press . ISBN 978-0-309-09313-2.
• Mitton, S. (2005). Fred Hoyle: una vida en la ciencia . Aurum Press . ISBN 978-1-85410-961-3.
• Narlikar, Jayant; Burbidge, Geoffrey (2008). Hechos y especulaciones en cosmología . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-86504-3.