Cosmologia non standard - Non-standard cosmology

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Una cosmologia non standard è qualsiasi modello cosmologico fisico dell'universo che è stato, o è tuttora, proposto come alternativa all'allora modello standard della cosmologia. Il termine non standard viene applicato a qualsiasi teoria non conforme al consenso scientifico . Poiché il termine dipende dal consenso prevalente, il significato del termine cambia nel tempo. Ad esempio, la materia oscura calda non sarebbe stata considerata non standard nel 1990, ma lo sarebbe stata nel 2010. Al contrario, una costante cosmologica diversa da zero risultante in un universo in accelerazione sarebbe stata considerata non standard nel 1990, ma fa parte di la cosmologia standard nel 2010.

Diverse importanti controversie cosmologiche si sono verificate nel corso della storia della cosmologia . Una delle prime fu la Rivoluzione Copernicana , che stabilì il modello eliocentrico del Sistema Solare. Più recente è stato il Grande Dibattito del 1920, in seguito al quale è stato stabilito lo stato della Via Lattea come una delle tante galassie dell'Universo. Dagli anni '40 agli anni '60, la comunità astrofisica era equamente divisa tra sostenitori della teoria del Big Bang e sostenitori di un universo di stato stazionario rivale ; questo fu infine deciso a favore della teoria del Big Bang dai progressi della cosmologia osservativa alla fine degli anni '60. Tuttavia, rimasero detrattori vocali della teoria del Big Bang tra cui Fred Hoyle , Jayant Narlikar , Halton Arp e Hannes Alfvén , le cui cosmologie furono relegate ai margini della ricerca astronomica. I pochi oppositori del Big Bang ancora attivi oggi spesso ignorano prove consolidate provenienti da ricerche più recenti e, di conseguenza, oggi le cosmologie non standard che rifiutano completamente il Big Bang sono raramente pubblicate su riviste scientifiche peer-reviewed ma appaiono online su riviste marginali e siti web privati.

L'attuale modello standard della cosmologia è il modello Lambda-CDM , in cui l'Universo è governato dalla Relatività Generale , è iniziato con un Big Bang e oggi è un universo quasi piatto che consiste di circa il 5% di barioni, il 27% di materia oscura fredda e 68% di energia oscura . Lambda-CDM è stato un modello di grande successo, ma conserva alcuni punti deboli (come il problema della galassia nana ). Sono in corso ricerche su estensioni o modifiche a Lambda-CDM, nonché su modelli fondamentalmente diversi. Gli argomenti studiati includono la quintessenza , la dinamica newtoniana modificata (MOND) e la sua generalizzazione relativistica TeVeS e la materia oscura calda .

Storia

La moderna cosmologia fisica, così come è attualmente studiata, è emersa per la prima volta come disciplina scientifica nel periodo successivo al dibattito Shapley-Curtis e alle scoperte di Edwin Hubble di una scala delle distanze cosmiche, quando astronomi e fisici hanno dovuto fare i conti con un universo che era molto scala più grande della dimensione galattica precedentemente ipotizzata . I teorici che hanno sviluppato con successo cosmologie applicabili all'universo su larga scala sono ricordati oggi come i fondatori della cosmologia moderna. Tra questi scienziati ci sono Arthur Milne , Willem de Sitter , Alexander Friedman , Georges Lemaître e lo stesso Albert Einstein.

Dopo la conferma della legge di Hubble mediante l'osservazione, le due teorie cosmologiche più popolari divennero la teoria dello stato stazionario di Hoyle , Gold e Bondi e la teoria del big bang di Ralph Alpher , George Gamow e Robert Dicke con un piccolo numero di sostenitori di un un'infarinatura di alternative. Uno dei maggiori successi della teoria del Big Bang rispetto al suo concorrente è stata la sua previsione per l' abbondanza di elementi leggeri nell'universo che corrisponde alle abbondanze osservate di elementi leggeri. Le teorie alternative non hanno un mezzo per spiegare queste abbondanze.

Le teorie che affermano che l'universo ha un'età infinita senza inizio hanno difficoltà a spiegare l'abbondanza di deuterio nel cosmo, perché il deuterio subisce facilmente la fusione nucleare nelle stelle e non ci sono processi astrofisici noti oltre al Big Bang stesso che possono produrlo in grandi quantità. Quindi il fatto che il deuterio non sia un componente estremamente raro dell'universo suggerisce sia che l'universo abbia un'età finita sia che ci sia stato un processo che ha creato il deuterio in passato che non si verifica più.

Le teorie che affermano che l'universo ha una vita finita, ma che il Big Bang non è avvenuto, hanno problemi con l'abbondanza di elio-4 . La quantità osservata di 4 He è molto più grande della quantità che avrebbe dovuto essere creata tramite le stelle o qualsiasi altro processo noto. Al contrario, l'abbondanza di 4 He nei modelli del Big Bang è molto insensibile alle ipotesi sulla densità barionica , poiché cambia solo di una piccola percentuale quando la densità barionica cambia di diversi ordini di grandezza. Il valore osservato di 4 He rientra nell'intervallo calcolato.

Tuttavia, non è stato fino alla scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB) da parte di Arno Penzias e Robert Wilson nel 1965, che la maggior parte dei cosmologi ha finalmente concluso che le osservazioni erano meglio spiegate dal modello del big bang. I teorici dello stato stazionario e altre cosmologie non standard sono stati quindi incaricati di fornire una spiegazione per il fenomeno se dovevano rimanere plausibili. Ciò ha portato ad approcci originali tra cui luce stellare integrata e baffi di ferro cosmici , che avrebbero dovuto fornire una fonte per uno sfondo a microonde pervasivo e per tutto il cielo che non era dovuto a una transizione di fase dell'universo primordiale.

Rappresentazione artistica del veicolo spaziale WMAP nel punto L2. I dati raccolti da questo veicolo spaziale sono stati utilizzati con successo per parametrizzare le caratteristiche della cosmologia standard, ma non è stata ancora raggiunta un'analisi completa dei dati nel contesto di una cosmologia non standard.

Lo scetticismo sulla capacità delle cosmologie non standard di spiegare la CMB ha causato un calo dell'interesse per l'argomento da allora, tuttavia, ci sono stati due periodi in cui l'interesse per la cosmologia non standard è aumentato a causa di dati osservativi che hanno posto difficoltà per il grande scoppio. Il primo si è verificato alla fine degli anni '70, quando c'erano una serie di problemi irrisolti, come il problema dell'orizzonte , il problema della planarità e la mancanza di monopoli magnetici , che mettevano in discussione il modello del big bang. Questi problemi sono stati infine risolti dall'inflazione cosmica negli anni '80. Questa idea in seguito è diventata parte della comprensione del big bang, sebbene di volta in volta siano state proposte alternative. Il secondo si è verificato a metà degli anni '90, quando le osservazioni sulle età degli ammassi globulari e sull'abbondanza di elio primordiale , apparentemente erano in disaccordo con il big bang. Tuttavia, alla fine degli anni '90, la maggior parte degli astronomi aveva concluso che queste osservazioni non mettevano in discussione il big bang e che i dati aggiuntivi di COBE e WMAP fornivano misure quantitative dettagliate coerenti con la cosmologia standard.

Oggi, le cosmologie eterodosse non standard sono generalmente considerate indegne di considerazione dai cosmologi, mentre molte delle cosmologie non standard storicamente significative sono considerate falsificate . Gli elementi essenziali della teoria del big bang sono stati confermati da un'ampia gamma di osservazioni complementari e dettagliate e nessuna cosmologia non standard ha riprodotto la gamma di successi del modello del big bang. Le speculazioni sulle alternative non fanno normalmente parte della ricerca o delle discussioni pedagogiche, se non come lezioni oggettive o per la loro importanza storica. Una lettera aperta iniziata da alcuni sostenitori rimasti della cosmologia non standard ha affermato che: "oggi, praticamente tutte le risorse finanziarie e sperimentali in cosmologia sono dedicate agli studi sul big bang...."

Negli anni '90, l'alba di un'"età d'oro della cosmologia" fu accompagnata dalla sorprendente scoperta che l'espansione dell'universo stava, in effetti, accelerando. In precedenza, si presumeva che la materia, nella sua forma di materia oscura visibile o invisibile , fosse la densità energetica dominante nell'universo. Questa cosmologia "classica" del big bang è stata rovesciata quando si è scoperto che quasi il 70% dell'energia nell'universo era attribuibile alla costante cosmologica, spesso definita "energia oscura". Ciò ha portato allo sviluppo di un cosiddetto modello di concordanza ΛCDM che combina dati dettagliati ottenuti con nuovi telescopi e tecniche di astrofisica osservativa con un universo in espansione e che cambia densità. Oggi è più comune trovare nella letteratura scientifica proposte di "cosmologie non standard" che in realtà accettano i principi di base della cosmologia del big bang, modificando parti del modello di concordanza. Tali teorie includono modelli alternativi di energia oscura, come la quintessenza, l'energia fantasma e alcune idee nella cosmologia delle brane ; modelli alternativi di materia oscura, come la dinamica newtoniana modificata; alternative o estensioni all'inflazione come l' inflazione caotica e il modello ekpyrotic ; e proposte per integrare l'universo con una causa prima, come la condizione al contorno di Hartle-Hawking , il modello ciclico e il paesaggio delle stringhe . Non c'è consenso su queste idee tra i cosmologi, ma sono comunque campi attivi di indagine accademica.

Alternative alle cosmologie del Big Bang

Prima che venissero raccolte prove osservative, i teorici hanno sviluppato strutture basate su quelle che ritenevano essere le caratteristiche più generali della fisica e delle ipotesi filosofiche sull'universo. Quando Albert Einstein sviluppò la sua teoria della relatività generale nel 1915, questa fu usata come punto di partenza matematico per la maggior parte delle teorie cosmologiche. Per arrivare a un modello cosmologico, tuttavia, i teorici avevano bisogno di fare ipotesi sulla natura delle scale più grandi dell'universo. Le ipotesi su cui si basa l'attuale modello standard di cosmologia sono:

  1. l' universalità delle leggi fisiche  - che le leggi della fisica non cambiano da un luogo e un tempo all'altro,
  2. il principio cosmologico  - che l'universo è approssimativamente omogeneo e isotropo nello spazio anche se non necessariamente nel tempo, e
  3. il principio copernicano  - che non stiamo osservando l'universo da un luogo preferito.

Queste ipotesi, se combinate con la relatività generale, danno luogo a un universo governato dalla metrica di Friedmann–Robertson–Walker (metrica FRW). La metrica FRW consente un universo in espansione o in contrazione (oltre a universi stazionari ma instabili). Quando è stata scoperta la Legge di Hubble , la maggior parte degli astronomi ha interpretato la legge come un segno che l'universo si sta espandendo. Ciò implica che l'universo era più piccolo in passato e quindi ha portato alle seguenti conclusioni:

  1. l'universo è emerso da uno stato caldo e denso in un tempo finito nel passato,
  2. poiché l'universo si riscalda mentre si contrae e si raffredda mentre si espande, nei primi momenti in cui il tempo esisteva come lo conosciamo, le temperature erano abbastanza alte da far sì che si verificasse la nucleosintesi del Big Bang , e
  3. dovrebbe esistere uno sfondo cosmico a microonde che pervade l'intero universo, che è una registrazione di una transizione di fase avvenuta quando gli atomi dell'universo si sono formati per la prima volta.

Queste caratteristiche sono state derivate da numerosi individui per un periodo di anni; infatti è solo verso la metà del ventesimo secolo che sono state fatte previsioni accurate sull'ultima caratteristica e osservazioni che ne hanno confermato l'esistenza. Teorie non standard sviluppate o partendo da presupposti diversi o contraddicendo le caratteristiche previste dal modello standard prevalente della cosmologia.

Oggi il Big Bang non è seriamente messo in discussione.

Teorie dello stato stazionario

Articolo principale: teoria dello stato stazionario

La teoria dello stato stazionario estende l' assunzione di omogeneità del principio cosmologico per riflettere un'omogeneità nel tempo così come nello spazio . Questo "principio cosmologico perfetto", come verrebbe chiamato, affermava che l'universo sembra lo stesso ovunque (su larga scala), lo stesso che è sempre stato e sempre sarà. Questo è in contrasto con Lambda-CDM, in cui l'universo sembrava molto diverso in passato e sarà molto diverso in futuro. La teoria dello stato stazionario è stata proposta nel 1948 da Fred Hoyle , Thomas Gold , Hermann Bondi e altri. Per mantenere il principio cosmologico perfetto in un universo in espansione, la cosmologia dello stato stazionario doveva postulare un "campo di creazione di materia" (il cosiddetto campo C ) che inserisse materia nell'universo per mantenere una densità costante.

Il dibattito tra i modelli Big Bang e Steady State durerebbe 15 anni con campi divisi grosso modo equamente fino alla scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde. Questa radiazione è una caratteristica naturale del modello del Big Bang che richiede un "tempo di ultima dispersione" in cui i fotoni si disaccoppiano con la materia barionica . Il modello dello stato stazionario proponeva che questa radiazione potesse essere spiegata dalla cosiddetta "luce stellare integrata" che era uno sfondo causato in parte dal paradosso di Olbers in un universo infinito. Per tenere conto dell'uniformità dello sfondo, i sostenitori dello stato stazionario hanno ipotizzato un effetto nebbia associato a particelle di ferro microscopiche che disperderebbero le onde radio in modo tale da produrre un CMB isotropo. Il fenomeno proposto è stato stravagantemente chiamato "baffi di ferro cosmico" e serviva come meccanismo di termalizzazione . La teoria dello stato stazionario non aveva il problema dell'orizzonte del Big Bang perché presumeva che fosse disponibile una quantità infinita di tempo per termalizzare lo sfondo.

Quando si iniziò a raccogliere più dati cosmologici, i cosmologi iniziarono a rendersi conto che il Big Bang aveva predetto correttamente l'abbondanza di elementi luminosi osservati nel cosmo. Quello che era un rapporto di coincidenza di idrogeno per il deuterio ed elio nel modello di stato stazionario è stata una caratteristica del modello del Big Bang. Inoltre, misurazioni dettagliate del CMB dagli anni '90 con le osservazioni COBE , WMAP e Planck hanno indicato che lo spettro dello sfondo era più vicino a un corpo nero rispetto a qualsiasi altra fonte in natura. I migliori modelli integrati di luce stellare che potevano prevedere era una termalizzazione al livello del 10% mentre il satellite COBE misurava la deviazione di una parte su 10 5 . Dopo questa drammatica scoperta, la maggior parte dei cosmologi si convinse che la teoria dello stato stazionario non potesse spiegare le proprietà della CMB osservate.

Sebbene il modello dello stato stazionario originale sia ora considerato contrario alle osservazioni (in particolare il CMB) anche dai suoi sostenitori di una volta, sono state proposte modifiche al modello dello stato stazionario, incluso un modello che immagina l'universo come originato da molti piccoli colpi piuttosto che un big bang (la cosiddetta "cosmologia dello stato quasi stazionario"). Suppone che l'universo attraversi fasi periodiche di espansione e contrazione, con un morbido "rimbalzo" al posto del Big Bang. Quindi la Legge di Hubble è spiegata dal fatto che l'universo è attualmente in una fase di espansione. Il lavoro continua su questo modello (in particolare da Jayant V. Narlikar ), sebbene non abbia ottenuto un'ampia accettazione mainstream.

Proposte basate sullo scetticismo osservativo

Quando la cosmologia osservativa iniziò a svilupparsi, alcuni astronomi iniziarono a offrire speculazioni alternative sull'interpretazione di vari fenomeni che occasionalmente diventavano parti di cosmologie non standard.

Luce stanca

Articolo principale: Luce stanca

Le teorie della luce stanca sfidano l'interpretazione comune della Legge di Hubble come segno che l'universo si sta espandendo. Fu proposto da Fritz Zwicky nel 1929. La proposta di base consisteva nella perdita di energia della luce ("stancarsi") a causa della distanza percorsa piuttosto che in qualsiasi espansione metrica o recessione fisica delle sorgenti da parte degli osservatori. Una spiegazione tradizionale di questo effetto era attribuire un attrito dinamico ai fotoni; le interazioni gravitazionali dei fotoni con le stelle e altro materiale ridurranno progressivamente il loro momento, producendo così uno spostamento verso il rosso. Altre proposte per spiegare come i fotoni potrebbero perdere energia includevano la diffusione della luce mediante l'intervento di materiale in un processo simile all'arrossamento interstellare osservato . Tuttavia, tutti questi processi tenderebbero anche a sfocare le immagini di oggetti distanti e tale sfocatura non è stata rilevata.

La luce stanca tradizionale è stata trovata incompatibile con la dilatazione del tempo osservata associata al redshift cosmologico. Questa idea è per lo più ricordata come una spiegazione alternativa falsificata per la legge di Hubble nella maggior parte delle discussioni di astronomia o cosmologia.

Periodicità del redshift e redshift intrinseci

Vedi anche: quantizzazione Redshift
Halton Arp a Londra, ottobre 2000

Alcuni astrofisici erano convinti che i redshift cosmologico sono causati da cosmologico universale espansione . Lo scetticismo e le spiegazioni alternative iniziarono ad apparire nella letteratura scientifica negli anni '60. In particolare, Geoffrey Burbidge , William Tifft e Halton Arp erano tutti astrofisici osservativi che proposero che ci fossero incongruenze nelle osservazioni del redshift delle galassie e dei quasar . I primi due erano famosi per aver suggerito l'esistenza di periodicità nelle distribuzioni del redshift delle galassie e dei quasar. Successive analisi statistiche delle rilevazioni redshift , tuttavia, non hanno confermato l'esistenza di tali periodicità.

Durante le controversie sui quasar degli anni '70, questi stessi astronomi erano anche dell'opinione che i quasar mostrassero alti redshift non a causa della loro incredibile distanza, ma piuttosto a causa di inspiegabili meccanismi intrinseci di redshift che avrebbero causato le periodicità e messo in dubbio il Big Bang. Le discussioni su quanto fossero distanti i quasar hanno preso la forma di dibattiti sui meccanismi di produzione di energia dei quasar, sulle loro curve di luce e se i quasar mostrassero un movimento proprio . Gli astronomi che credevano che i quasar non fossero a distanze cosmologiche sostenevano che la luminosità di Eddington poneva dei limiti alla distanza dei quasar poiché la produzione di energia necessaria per spiegare l' apparente luminosità dei quasar cosmologicamente distanti era troppo alta per essere spiegabile con la sola fusione nucleare . Questa obiezione è stata messa in discussione dai modelli migliorati di dischi di accrescimento alimentati dalla gravità che per materiale sufficientemente denso (come i buchi neri ) possono essere più efficienti nella produzione di energia rispetto alle reazioni nucleari. La controversia è stata messa a tacere negli anni '90, quando sono diventate disponibili prove che i quasar osservati erano in realtà i nuclei ultra-luminosi di nuclei galattici attivi distanti e che i componenti principali del loro spostamento verso il rosso erano in effetti dovuti al flusso di Hubble .

Durante la sua carriera, Halton Arp sostenne che c'erano delle anomalie nelle sue osservazioni di quasar e galassie, e che quelle anomalie servirono a confutare il Big Bang. In particolare, Arp ha indicato esempi di quasar vicini alla linea di vista di (relativamente) vicine attive, principalmente galassie di Seyfert. Questi oggetti sono ora classificati sotto il termine nuclei galattici attivi (AGN), Arp ha criticato l'uso di tale termine in quanto non è empirico. Ha affermato che gli ammassi di quasar erano allineati attorno ai nuclei di queste galassie e che i quasar, piuttosto che essere i nuclei di AGN distanti, erano in realtà molto più vicini ed erano oggetti simili a stelle espulsi dai centri di galassie vicine con alti spostamenti verso il rosso intrinseci. Arp ha anche affermato che hanno gradualmente perso la loro componente non cosmologica del redshift e alla fine si sono evoluti in galassie a tutti gli effetti. 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 centinaia di migliaia di quasar con noti spostamenti verso il rosso scoperti da varie rilevazioni del cielo. La stragrande maggioranza di questi quasar non è correlata in alcun modo con l'AGN vicino. In effetti, con tecniche di osservazione migliorate, sono state osservate numerose galassie ospiti attorno ai quasar, il che indica che almeno quei quasar si trovano davvero a distanze cosmologiche e non sono il tipo di oggetti proposti da Arp. L'analisi di Arp, secondo la maggior parte degli scienziati, soffre di essere basata su statistiche di piccoli numeri e di cercare coincidenze particolari e associazioni strane. Campioni imparziali di sorgenti, presi da numerose rilevazioni galattiche del cielo, non mostrano nessuna delle "irregolarità" proposte, né che esistano correlazioni statisticamente significative .

Inoltre, non è chiaro quale meccanismo sarebbe responsabile dei redshift intrinseci o della loro graduale dissipazione nel tempo. Non è nemmeno chiaro come i quasar vicini spiegherebbero alcune caratteristiche nello spettro dei quasar che il modello standard spiega facilmente. Nella cosmologia standard, le nubi di idrogeno neutro tra il quasar e la terra creano linee di assorbimento alfa di Lyman aventi redshift differenti fino a quello del quasar stesso; questa caratteristica è chiamata foresta Lyman-alpha . Inoltre, nei quasar estremi si può osservare l'assorbimento di idrogeno neutro che non è stato ancora reionizzato in una caratteristica nota come depressione Gunn-Peterson . La maggior parte dei cosmologi considera questo lavoro teorico mancante come una ragione sufficiente per spiegare le osservazioni come casualità o errore.

Halton Arp ha proposto una spiegazione per le sue osservazioni con una "ipotesi di massa variabile" machiana . La teoria della massa variabile invoca la creazione costante di materia da nuclei galattici attivi, che la colloca nella classe delle teorie dello stato stazionario. Con la scomparsa di Halton Arp, questa cosmologia è stata relegata a una teoria respinta.

Cosmologia del plasma

Articolo principale: cosmologia del plasma

Nel 1965, Hannes Alfvén propose una teoria della "cosmologia del plasma" dell'universo basata in parte sulla scala delle osservazioni della fisica del plasma spaziale e degli esperimenti sui plasmi nei laboratori terrestri a scale cosmologiche di ordini di grandezza maggiori. Prendendo come punto di partenza la simmetria materia-antimateria , Alfvén insieme a Oskar Klein propose il modello cosmologico di Alfvén-Klein , basato sul fatto che poiché la maggior parte dell'universo locale era composto da materia e non da antimateria , potrebbero esserci grandi bolle di materia e antimateria che si equilibrerebbe globalmente con l'uguaglianza. Le difficoltà con questo modello sono state evidenti quasi immediatamente. L' annichilazione materia-antimateria porta alla produzione di fotoni ad alta energia che non sono stati osservati. Sebbene fosse possibile che la cellula locale "dominata dalla materia" fosse semplicemente più grande dell'universo osservabile , questa proposizione non si prestava a test osservativi.

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

Sebbene la cosmologia del plasma non abbia mai avuto il supporto della maggior parte degli astronomi o dei fisici , un piccolo numero di ricercatori sul plasma ha continuato a promuovere e sviluppare l'approccio e a pubblicare nei numeri speciali dell'IEEE Transactions on Plasma Science . Alcuni articoli riguardanti la cosmologia del plasma sono stati pubblicati in altre riviste mainstream fino agli anni '90. Inoltre, nel 1991, Eric J. Lerner , un ricercatore indipendente in fisica del plasma e fusione nucleare, ha scritto un libro di livello popolare a supporto della cosmologia del plasma chiamato The Big Bang Never Happened . A quel tempo c'era un rinnovato interesse per l'argomento tra la comunità cosmologica insieme ad altre cosmologie non standard. Ciò era dovuto a risultati anomali riportati nel 1987 da Andrew Lange e Paul Richardson dell'UC Berkeley e Toshio Matsumoto dell'Università di Nagoya che indicavano che il fondo cosmico a microonde potrebbe non avere uno spettro di corpo nero . Tuttavia, l'annuncio finale (nell'aprile 1992) dei dati satellitari COBE ha corretto la precedente contraddizione del Big Bang; la popolarità della cosmologia del plasma da allora è diminuita.

Alternative ed estensioni a Lambda-CDM

Il modello standard della cosmologia odierno, il modello Lambda-CDM , ha avuto un enorme successo nel fornire un quadro teorico per la formazione delle strutture , le anisotropie nel fondo cosmico a microonde e l' espansione accelerata dell'universo . Tuttavia, non è privo di problemi. Ci sono molte proposte oggi che sfidano vari aspetti del modello Lambda-CDM. Queste proposte in genere modificano alcune delle caratteristiche principali di Lambda-CDM, ma non rifiutano il Big Bang.

Universo anisotropo

Vedi anche: Flusso scuro

L'isotropicità – l'idea che l'universo sembri lo stesso in tutte le direzioni – è uno dei presupposti fondamentali che entra nelle equazioni di Friedmann. Nel 2008, tuttavia, gli scienziati che lavoravano sui dati della sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe affermarono di aver rilevato un flusso di ammassi di 600-1000 km/s verso una porzione di cielo di 20 gradi tra le costellazioni del Centauro e della Vela. Hanno suggerito che il movimento potrebbe essere un residuo dell'influenza di regioni non più visibili dell'universo prima dell'inflazione. Il rilevamento è controverso e altri scienziati hanno scoperto che l'universo è molto isotropo.

Materia oscura esotica

Articolo principale: materia oscura

In Lambda-CDM, la materia oscura è una forma di materia estremamente inerte che non interagisce né con la materia ordinaria (barioni) né con la luce, ma esercita comunque effetti gravitazionali. Per produrre la struttura su larga scala che vediamo oggi, la materia oscura è "fredda" (la "C" in Lambda-CDM), cioè non relativistica. La materia oscura non è stata identificata in modo definitivo e la sua esatta natura è oggetto di intensi studi. I principali candidati alla materia oscura sono particelle massive debolmente interagenti (WIMP) e assioni . Entrambe queste sono nuove particelle elementari non incluse nel Modello Standard della Fisica delle Particelle . Una delle principali differenze tra i due è la loro massa: le WIMP generalmente hanno masse nell'intervallo GeV , mentre gli assioni sono molto più leggeri, con masse nell'intervallo meV o inferiori.

WIMP e assioni sono tutt'altro che gli unici candidati per la materia oscura, e ci sono una varietà di altre proposte, ad esempio:

Ancora altre teorie tentano di spiegare la materia oscura e l'energia oscura come diverse sfaccettature dello stesso fluido sottostante (vedi fluido oscuro ), o ipotizzano che la materia oscura possa decadere in energia oscura.

Energia oscura esotica

Articolo principale: Energia oscura
L' equazione di stato dell'Energia Oscura per 4 modelli comuni in funzione del redshift. Il nostro universo attuale è a , e la costante cosmologica lo è . A: Modello CPL, B: Modello Jassal, C: Modello Barboza e Alcaniz, D: Modello Wetterich



In Lambda-CDM, l'energia oscura è una forma sconosciuta di energia che tende ad accelerare l'espansione dell'universo. È meno compreso della materia oscura e allo stesso modo misterioso. La spiegazione più semplice dell'energia oscura è la costante cosmologica (la 'Lambda' in Lambda-CDM). Questa è una semplice costante aggiunta alle equazioni di campo di Einstein per fornire una forza repulsiva. Finora le osservazioni sono pienamente coerenti con la costante cosmologica, ma lasciano spazio a una pletora di alternative, ad esempio:

  • Quintessenza , che è un campo scalare simile a quello che ha determinato l'inflazione cosmica poco dopo il Big Bang. Nella quintessenza, l'energia oscura di solito varia nel tempo (al contrario della costante cosmologica, che rimane una costante).
  • Cosmologia disomogenea . Uno dei presupposti fondamentali del Lambda-CDM è che l'universo è omogeneo, ovvero che sembra sostanzialmente lo stesso indipendentemente da dove si trovi l'osservatore. Nello scenario dell'universo disomogeneo, l'energia oscura osservata è un artefatto di misurazione causato dal fatto che ci troviamo in una regione dello spazio più vuota della media.
  • Energia oscura variabile, che è simile alla quintessenza in quanto le proprietà dell'energia oscura variano nel tempo (vedi figura), ma diversa in quanto l'energia oscura non è dovuta a un campo scalare.

Alternative alla relatività generale

Articolo principale: Alternative alla relatività generale

La relatività generale, su cui si basa la metrica FRW, è una teoria di grande successo che finora ha superato tutti i test osservativi. Tuttavia, a un livello fondamentale è incompatibile con la meccanica quantistica e, prevedendo le singolarità , prevede anche la propria rottura. Qualsiasi teoria alternativa della gravità implicherebbe immediatamente una teoria cosmologica alternativa poiché l'attuale modellazione dipende dalla relatività generale come presupposto quadro. Ci sono molte motivazioni diverse per modificare la relatività generale, come eliminare la necessità della materia oscura o dell'energia oscura, o evitare paradossi come il firewall .

Universo machiano

Vedi anche: teoria di Brans-Dicke e principio di Mach

Ernst Mach sviluppò una sorta di estensione della relatività generale che proponeva che l' inerzia fosse dovuta agli effetti gravitazionali della distribuzione di massa dell'universo. Ciò ha portato naturalmente a speculazioni sulle implicazioni cosmologiche di tale proposta. Carl Brans e Robert Dicke furono in grado di incorporare con successo il principio di Mach nella relatività generale che ammetteva soluzioni cosmologiche che implicherebbero una massa variabile. La massa omogeneamente distribuita dell'universo risulterebbe in un campo approssimativamente scalare che permea l'universo e servirebbe da fonte per la costante gravitazionale di Newton ; creare una teoria della gravità quantistica .

LUNEDI'

Articoli principali: dinamica newtoniana modificata e gravità tensore-vettore-scalare

La Dinamica Newtoniana Modificata (MOND) è una proposta relativamente moderna per spiegare il problema della rotazione delle galassie basata su una variazione della Seconda Legge della Dinamica di Newton a basse accelerazioni. Ciò produrrebbe una variazione su larga scala della teoria universale della gravità di Newton . Una modifica della teoria di Newton implicherebbe anche una modifica della cosmologia relativistica generale in quanto la cosmologia newtoniana è il limite della cosmologia di Friedman. Mentre quasi tutti gli astrofisici oggi rifiutano il MOND a favore della materia oscura, un piccolo numero di ricercatori continua a migliorarlo, incorporando recentemente le teorie di Brans-Dicke in trattamenti che tentano di spiegare le osservazioni cosmologiche.

La gravità tensore-vettore-scalare (TeVeS) è una teoria relativistica proposta che è equivalente alla dinamica newtoniana modificata (MOND) nel limite non relativistico, che pretende di spiegare il problema della rotazione delle galassie senza invocare la materia oscura. Creato da Jacob Bekenstein nel 2004, incorpora vari campi tensoriali dinamici e non dinamici , campi vettoriali e campi scalari.

La svolta di TeVeS su MOND è che può spiegare il fenomeno della lente gravitazionale , un'illusione ottica cosmica in cui la materia piega la luce, che è stata confermata molte volte. Una recente scoperta preliminare è che può spiegare la formazione di strutture senza CDM, ma richiedendo un neutrino massiccio di ~2eV (sono necessari anche per adattarsi ad alcuni ammassi di galassie , incluso il Bullet Cluster ). Tuttavia, altri autori (vedi Slosar, Melchiorri e Silk) sostengono che TeVeS non può spiegare le anisotropie cosmiche di fondo a microonde e la formazione di strutture allo stesso tempo, escludendo cioè quei modelli ad alta significatività.

f(R) gravità

Articolo principale: gravità f(R)

f ( R ) la gravità è una famiglia di teorie che modificano la relatività generale definendo una diversa funzione dello scalare di Ricci . Il caso più semplice è solo la funzione uguale allo scalare; questa è la relatività generale. Come conseguenza dell'introduzione di una funzione arbitraria, può esserci libertà di spiegare l' espansione accelerata e la formazione della struttura dell'Universo senza aggiungere forme sconosciute di energia oscura o materia oscura. Alcune forme funzionali possono essere ispirate da correzioni derivanti da una teoria quantistica della gravità . La gravità f ( R ) è stata proposta per la prima volta nel 1970 da Hans Adolph Buchdahl (sebbene fosse usato φ anziché f per il nome della funzione arbitraria). È diventato un campo attivo di ricerca in seguito al lavoro di Starobinsky sull'inflazione cosmica . Una vasta gamma di fenomeni può essere prodotta da questa teoria adottando diverse funzioni; tuttavia, molte forme funzionali possono ora essere escluse per motivi di osservazione o per problemi teorici patologici.

Appunti

Bibliografia

  • Arp, Halton, vedendo il rosso . Apeiron, Montreal. 1998. ISBN  0-9683689-0-5
  • Hannes, Alfvén D., Plasma cosmico . Reidel Pub Co., 1981. ISBN  90-277-1151-8
  • Hoyle, Fred; Geoffrey Burbidge e Jayant V. Narlikar, un approccio diverso alla cosmologia: da un universo statico attraverso il Big Bang verso la realtà . Cambridge University Press. 2000. ISBN  0-521-66223-0
  • Lerner, Eric J., Big Bang Never Happened , Vintage Books, 1992. ISBN  0-679-74049-X
  • Narlikar, Jayant Vishnu, Introduzione alla cosmologia . Jones & Bartlett Pub. ISBN  0-86720-015-4

Collegamenti esterni e riferimenti