Cosmología del plasma

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Modelo no estándar del universo; enfatiza el papel de los gases ionizados

Comparación de la evolución del universo bajo la cosmología Alfvén–Klein y la teoría del Big Bang.

cosmología del plasma es una cosmología no estándar cuyo postulado central es que la dinámica de los gases y plasmas ionizados desempeña un papel importante, si no dominante, en la física del universo a escala interestelar e intergaláctica. Por el contrario, las observaciones y modelos actuales de cosmólogos y astrofísicos explican la formación, el desarrollo y la evolución de estructuras a gran escala dominadas por la gravedad (incluida su formulación en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein).

La forma original de la teoría, cosmología de Alfvén-Klein, fue desarrollada por Hannes Alfvén y Oskar Klein, y sostiene que la materia y la antimateria existen en cantidades iguales a escalas muy grandes, que el universo es eterno en lugar de limitado en el tiempo por el Big Bang, y que la expansión del universo observable es causada por la aniquilación entre la materia y la antimateria en lugar de la energía oscura.

Los cosmólogos y astrofísicos que han evaluado la cosmología del plasma la rechazan porque no coincide con las observaciones de los fenómenos astrofísicos ni con el modelo del Big Bang actualmente aceptado. Muy pocos artículos que apoyen la cosmología del plasma han aparecido en la literatura desde mediados de la década de 1990.

El término universo de plasma se usa a veces como sinónimo de cosmología de plasma, como una descripción alternativa del plasma en el universo. La cosmología del plasma no debe confundirse con las ideas pseudocientíficas del Universo eléctrico, que, por ejemplo, establece que las corrientes eléctricas fluyen hacia las estrellas y las encienden como bombillas.

Cosmología de Alfvén-Klein

Hannes Alfvén sugirió que los resultados del laboratorio de escalado pueden ser extrapolados hasta la escala del universo. Un salto de escalada por un factor 10⁹ era necesario extrapolar a la magnetosfera, un segundo salto para extrapolar a las condiciones galácticas, y un tercer salto para extrapolar a la distancia Hubble.

En la década de 1960, Alfvén, un experto en plasma que ganó el Premio Nobel de Física en 1970 por su trabajo sobre magnetohidrodinámica, presentó la teoría detrás de la cosmología del plasma. Propuso el uso de la escala de plasma para extrapolar los resultados de los experimentos de laboratorio y las observaciones de la física del plasma y escalarlos en muchos órdenes de magnitud hasta los objetos observables más grandes del universo (ver recuadro). En 1971, Oskar Klein, un físico teórico sueco, amplió las propuestas anteriores y desarrolló el modelo Alfvén-Klein del universo, o "metagalaxia", un término anterior utilizado para referirse a la parte empíricamente accesible del universo., en lugar de todo el universo, incluidas partes más allá de nuestro horizonte de partículas.

En este modelo, el universo se compone de cantidades iguales de materia y antimateria con los límites entre las regiones de materia y antimateria delimitados por campos electromagnéticos cósmicos formados por capas dobles, regiones delgadas que comprenden dos capas paralelas con carga eléctrica opuesta.. La interacción entre estas regiones límite generaría radiación, y esto formaría el plasma. Alfvén introdujo el término ambiplasma para un plasma formado por materia y antimateria y así se forman las dobles capas de ambiplasma. Según Alfvén, tal ambiplasma tendría una vida relativamente larga ya que las partículas y antipartículas componentes estarían demasiado calientes y tendrían una densidad demasiado baja para aniquilarse entre sí rápidamente. Las capas dobles actuarán para repeler nubes de tipo opuesto, pero combinarán nubes del mismo tipo, creando regiones cada vez más grandes de materia y antimateria. La idea de ambiplasma se desarrolló aún más en las formas de ambiplasma pesado (protones-antiprotones) y ambiplasma ligero (electrones-positrones).

La cosmología de Alfvén-Klein se propuso en parte para explicar la asimetría bariónica observada en el universo, a partir de una condición inicial de simetría exacta entre la materia y la antimateria. Según Alfvén y Klein, el ambiplasma formaría naturalmente bolsas de materia y bolsas de antimateria que se expandirían hacia el exterior a medida que se produjera la aniquilación entre la materia y la antimateria en la doble capa en los límites. Llegaron a la conclusión de que debemos vivir en uno de los bolsillos que eran en su mayoría bariones en lugar de antibariones, lo que explica la asimetría bariónica. Los bolsillos, o burbujas, de materia o antimateria se expandirían debido a las aniquilaciones en los límites, lo que Alfvén consideró como una posible explicación de la expansión observada del universo, que sería simplemente una fase local de una historia mucho más grande. Alfvén postuló que el universo siempre ha existido debido a argumentos de causalidad y al rechazo de modelos ex nihilo, como el Big Bang, como una forma furtiva de creacionismo. La doble capa explosiva también fue sugerida por Alfvén como un posible mecanismo para la generación de rayos cósmicos, Estallidos de rayos X y estallidos de rayos gamma.

En 1993, el cosmólogo teórico Jim Peebles criticó la cosmología de Alfvén-Klein y escribió que "no hay manera de que los resultados puedan ser consistentes con la isotropía de la radiación de fondo cósmico de microondas y los fondos de rayos X". En su libro también demostró que los modelos de Alfvén no predicen la ley de Hubble, la abundancia de elementos ligeros o la existencia del fondo cósmico de microondas. Otra dificultad con el modelo de ambiplasma es que la aniquilación de materia y antimateria da como resultado la producción de fotones de alta energía, que no se observan en las cantidades previstas. Si bien es posible que el local "dominado por la materia" célula es simplemente más grande que el universo observable, esta proposición no se presta a pruebas observacionales.

Cosmología del plasma y estudio de galaxias

Hannes Alfvén, de 1960 a 1980, argumentó que el plasma desempeñaba un papel importante, si no dominante, en el universo porque las fuerzas electromagnéticas son mucho más importantes que la gravedad cuando actúan sobre partículas cargadas interplanetarias e interestelares. Además, planteó la hipótesis de que podrían promover la contracción de las nubes interestelares e incluso constituir el principal mecanismo de contracción, iniciando la formación estelar. La opinión estándar actual es que los campos magnéticos pueden impedir el colapso, que no se han observado corrientes de Birkeland a gran escala y que se prevé que la escala de longitud para la neutralidad de carga sea mucho más pequeña que las escalas cosmológicas relevantes.

En las décadas de 1980 y 1990, Alfvén y Anthony Peratt, un físico de plasma del Laboratorio Nacional de Los Álamos, esbozaron un programa al que llamaron "universo de plasma". En las propuestas del universo de plasma, varios fenómenos de la física del plasma se asociaron con observaciones astrofísicas y se utilizaron para explicar misterios y problemas contemporáneos sobresalientes en astrofísica en los años 80 y 90. En varios lugares, Peratt perfiló lo que caracterizó como un punto de vista alternativo a los modelos principales aplicados en astrofísica y cosmología.

Por ejemplo, Peratt propuso que el enfoque principal de la dinámica galáctica que se basaba en el modelado gravitacional de estrellas y gas en galaxias con la adición de materia oscura estaba pasando por alto una contribución posiblemente importante de la física del plasma. Menciona los experimentos de laboratorio de Winston H. Bostick en la década de 1950 que crearon descargas de plasma que parecían galaxias. Perrat realizó simulaciones por computadora de nubes de plasma en colisión que, según informó, también imitaban la forma de las galaxias. Peratt propuso que las galaxias se formaron debido a que los filamentos de plasma se unieron en un pellizco en z, los filamentos comenzaron a 300 000 años luz de distancia y transportaban corrientes de Birkeland de 10¹⁸ amperios. Peratt también informó de simulaciones que hizo que mostraban chorros de material emergentes de la región de amortiguamiento central que comparó con cuásares y núcleos galácticos activos que ocurren sin agujeros negros supermasivos. Peratt propuso una secuencia para la evolución de las galaxias: 'la transición de radiogalaxias dobles a radioquásares a QSO's radiosilenciosos a galaxias peculiares y Seyfert, que finalmente terminan en galaxias espirales'. También informó que se simularon curvas de rotación de galaxias planas sin materia oscura. Al mismo tiempo, Eric Lerner, un investigador de plasma independiente y partidario de las ideas de Peratt, propuso un modelo de plasma para cuásares basado en un foco de plasma denso.

Comparación con la astrofísica convencional

Las teorías y los modelos astronómicos estándar intentan incorporar toda la física conocida en las descripciones y explicaciones de los fenómenos observados, con la gravedad desempeñando un papel dominante en las escalas más grandes, así como en la mecánica y la dinámica celestes. Con ese fin, tanto las órbitas de Kepler como la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein se utilizan generalmente como marcos subyacentes para modelar los sistemas astrofísicos y la formación de estructuras, mientras que la astronomía de alta energía y la física de partículas en cosmología también apelan a los procesos electromagnéticos, incluido el plasma. la física y la transferencia radiativa para explicar los procesos energéticos de escala relativamente pequeña observados en los rayos X y los rayos gamma. Debido a la neutralidad general de la carga, la física del plasma no proporciona interacciones de muy largo alcance en astrofísica, incluso cuando gran parte de la materia del universo es plasma. (Consulte Plasma astrofísico para obtener más información).

Los defensores de la cosmología del plasma afirman que la electrodinámica es tan importante como la gravedad para explicar la estructura del universo y especulan que proporciona una explicación alternativa para la evolución de las galaxias y el colapso inicial de las nubes interestelares. En particular, se afirma que la cosmología del plasma proporciona una explicación alternativa para las curvas de rotación planas de las galaxias espirales y elimina la necesidad de materia oscura en las galaxias y la necesidad de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias para alimentar cuásares y núcleos galácticos activos. Sin embargo, el análisis teórico muestra que "muchos escenarios para la generación de campos magnéticos semilla, que dependen de la supervivencia y sostenibilidad de las corrientes en tiempos tempranos [del universo] están desfavorecidos", es decir, las corrientes de Birkeland de la magnitud necesarios (10¹⁸ amperios en escalas de megaparsecs) para la formación de galaxias no existen. Además, muchos de los problemas que eran misteriosos en las décadas de 1980 y 1990, incluidas las discrepancias relacionadas con el fondo cósmico de microondas y la naturaleza de los cuásares, se han resuelto con más evidencia que, en detalle, proporciona una escala de distancia y tiempo para el universo.

Algunos de los puntos donde los partidarios de la cosmología del plasma están más en desacuerdo con las explicaciones estándar incluyen la necesidad de que sus modelos produzcan elementos ligeros sin la nucleosíntesis del Big Bang, que, en el contexto de la cosmología de Alfvén-Klein, se ha demostrado que produce exceso de rayos X y rayos gamma más allá de lo observado. Los defensores de la cosmología del plasma han hecho más propuestas para explicar la abundancia de elementos ligeros, pero los problemas concomitantes no se han abordado por completo. En 1995, Eric Lerner publicó su explicación alternativa para la radiación de fondo cósmico de microondas (CMBR). Argumentó que su modelo explicaba la fidelidad del espectro CMB al de un cuerpo negro y el bajo nivel de anisotropía encontrado, incluso cuando el nivel de isotropía a 1:10⁵ no se tiene en cuenta para ese precisión por cualquier modelo alternativo. Además, la sensibilidad y resolución de la medición de las anisotropías del CMB fue muy avanzada por WMAP y el satélite Planck y las estadísticas de la señal estaban tan en línea con las predicciones del modelo Big Bang, que el CMB ha sido anunciado como un importante confirmación del modelo del Big Bang en detrimento de las alternativas. Los picos acústicos en el universo primitivo se ajustan con gran precisión a las predicciones del modelo del Big Bang y, hasta la fecha, nunca se ha intentado explicar el espectro detallado de las anisotropías en el marco de la cosmología del plasma o cualquier otra alternativa. modelo cosmológico.

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