Principio cosmológico

En la cosmología física moderna, el principio cosmológico es la noción de que la distribución espacial de la materia en el universo es homogénea e isotrópica cuando se ve en una escala lo suficientemente grande, ya que se espera que las fuerzas actúen de manera uniforme en todo el universo y, por lo tanto, no debería producir irregularidades observables en la estructuración a gran escala en el curso de la evolución del campo de materia que fue establecido inicialmente por el Big Bang.

Definición

El astrónomo William Keel explica:

El principio cosmológico generalmente se declara formalmente como "Visado en una escala suficientemente grande, las propiedades del universo son las mismas para todos los observadores". Esto equivale a la afirmación fuertemente filosófica de que la parte del universo que podemos ver es una muestra justa, y que las mismas leyes físicas se aplican en todo. En esencia, esto en un sentido dice que el universo es conoceble y está jugando justo con los científicos.

El principio cosmológico depende de una definición de "observador", y contiene una calificación implícita y dos consecuencias comprobables.

"Observadores" significa cualquier observador en cualquier lugar del universo, no simplemente cualquier observador humano en cualquier lugar de la Tierra: como dice Andrew Liddle, "el principio cosmológico [significa que] el universo tiene el mismo aspecto sea quien sea y estés donde estés". #34;

La salvedad es que la variación en las estructuras físicas puede pasarse por alto, siempre que esto no ponga en peligro la uniformidad de las conclusiones extraídas de la observación: el Sol es diferente de la Tierra, nuestra galaxia es diferente de un agujero negro, algunas galaxias avanzan hacia que alejarse de nosotros, y el universo tiene un "espumoso" textura de los cúmulos y vacíos de galaxias, pero ninguna de estas diferentes estructuras parece violar las leyes básicas de la física.

Las dos consecuencias estructurales comprobables del principio cosmológico son la homogeneidad y la isotropía. La homogeneidad significa que la misma evidencia observacional está disponible para los observadores en diferentes lugares del universo ("la parte del universo que podemos ver es una muestra justa"). Isotropía significa que la misma evidencia observacional está disponible mirando en cualquier dirección del universo ("las mismas leyes físicas se aplican en todo"). Los principios son distintos pero están estrechamente relacionados, porque un universo que parece isotrópico desde dos (para una geometría esférica, tres) ubicaciones también debe ser homogéneo.

Origen

El principio cosmológico se afirma claramente por primera vez en la Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton. En contraste con las cosmologías clásicas o medievales anteriores, en las que la Tierra descansaba en el centro del universo, Newton conceptualizó la Tierra como una esfera en movimiento orbital alrededor del Sol dentro de un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas direcciones a distancias inconmensurablemente grandes. Luego demostró, a través de una serie de pruebas matemáticas sobre datos de observación detallados de los movimientos de los planetas y los cometas, que sus movimientos podían explicarse mediante un solo principio de "gravitación universal". eso se aplicaba también a las órbitas de las lunas galileanas alrededor de Júpiter, la Luna alrededor de la Tierra, la Tierra alrededor del Sol y la caída de cuerpos sobre la Tierra. Es decir, afirmó la naturaleza material equivalente de todos los cuerpos dentro del Sistema Solar, la naturaleza idéntica del Sol y las estrellas distantes y, por lo tanto, la extensión uniforme de las leyes físicas del movimiento a una gran distancia más allá de la ubicación de observación de la Tierra misma.

Implicaciones

Desde la década de 1990, las observaciones han demostrado que, si se asume el principio cosmológico, alrededor del 68 % de la densidad de masa-energía del universo se puede atribuir a la energía oscura, lo que condujo al desarrollo del modelo ΛCDM.

Las observaciones muestran que las galaxias más distantes están más juntas y tienen un menor contenido de elementos químicos más pesados que el litio. Aplicando el principio cosmológico, esto sugiere que los elementos más pesados no se crearon en el Big Bang, sino que fueron producidos por nucleosíntesis en estrellas gigantes y expulsados a través de una serie de explosiones de supernovas y formación de nuevas estrellas a partir de los remanentes de supernovas, lo que significa que los elementos más pesados se acumularían con el tiempo.. Otra observación es que las galaxias más lejanas (tiempos anteriores) a menudo son más fragmentarias, interactúan y tienen una forma inusual que las galaxias locales (tiempos recientes), lo que sugiere también una evolución en la estructura de las galaxias.

Una implicación relacionada del principio cosmológico es que las estructuras discretas más grandes del universo están en equilibrio mecánico. La homogeneidad y la isotropía de la materia en las escalas más grandes sugerirían que las estructuras discretas más grandes son partes de una sola forma indiscreta, como las migajas que forman el interior de un pastel. A distancias cosmológicas extremas, la propiedad del equilibrio mecánico en superficies laterales a la línea de visión puede probarse empíricamente; sin embargo, bajo la suposición del principio cosmológico, no se puede detectar paralelo a la línea de visión (ver línea de tiempo del universo).

Los cosmólogos están de acuerdo en que, de acuerdo con las observaciones de galaxias distantes, un universo debe ser no estático si sigue el principio cosmológico. En 1923, Alexander Friedmann estableció una variante de las ecuaciones de la relatividad general de Albert Einstein que describen la dinámica de un universo isotrópico homogéneo. Independientemente, Georges Lemaître derivó en 1927 las ecuaciones de un universo en expansión a partir de las ecuaciones de la Relatividad General. Así, también se implica un universo no estático, independiente de las observaciones de galaxias distantes, como resultado de aplicar el principio cosmológico a la relatividad general.

Crítica

Karl Popper criticó el principio cosmológico sobre la base de que hace de "nuestra falta de conocimiento un principio de saber algo". Resumió su posición como:

los "principios cosmológicos" eran, temo, dogmas que no deberían haber sido propuestos.

Observaciones

Aunque el universo no es homogéneo a escalas más pequeñas, según el modelo ΛCDM debería ser isotrópico y estadísticamente homogéneo a escalas mayores de 250 millones de años luz. Sin embargo, hallazgos recientes han sugerido que existen violaciones del principio cosmológico en el universo y, por lo tanto, han cuestionado el modelo ΛCDM, y algunos autores sugieren que el principio cosmológico ahora está obsoleto y que la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker se rompe en el universo tardío.

Violaciones de isotropía

El modelo ΛCDM predice que el fondo cósmico de microondas (CMB) es isotrópico, es decir, que su intensidad es aproximadamente la misma en cualquier dirección que miremos. Sin embargo, hallazgos recientes han puesto en duda el principio cosmológico en el modelo ΛCDM. Los datos de la Misión Planck muestran un sesgo hemisférico en 2 aspectos: uno con respecto a la temperatura promedio (es decir, fluctuaciones de temperatura), el segundo con respecto a variaciones más grandes en el grado de perturbaciones (es decir, densidades). La Agencia Espacial Europea (el órgano rector de la Misión Planck) ha concluido que estas anisotropías son, de hecho, estadísticamente significativas y ya no se pueden ignorar. Además, la evidencia de cúmulos de galaxias, cuásares y supernovas de tipo Ia sugiere que la isotropía se viola a gran escala.

Sin embargo, algunos autores dicen que el universo alrededor de la Tierra es isótropo de alta significación según los estudios de los mapas de temperatura de fondo de microondas cósmicas.

Violaciones de homogeneidad

El principio cosmológico implica que a una escala suficientemente grande, el universo es homogéneo. Basado en simulaciones de N-cuerpos en un universo ΛCDM, Yadav y sus colegas demostraron que la distribución espacial de las galaxias es estadísticamente homogénea si se promedia en escalas de 260/h Mpc o más.

Se ha informado que varias observaciones están en conflicto con las predicciones de los tamaños máximos de estructuras:

• El Clowes-Campusano LQG, descubierto en 1991, tiene una longitud de 580 Mpc, y es marginalmente más grande que la escala consistente.
• La Gran Muralla Sloan, descubierta en 2003, tiene una longitud de 423 Mpc, que es sólo consistente con el principio cosmológico.
• U1.11, un gran grupo de quasar descubierto en 2011, tiene una longitud de 780 Mpc, y es dos veces mayor que el límite superior de la escala de homogeneidad.
• El Huge-LQG, descubierto en 2012, es tres veces más largo que, y el doble de ancho que se predice posible de acuerdo con estos modelos actuales, y así desafía nuestra comprensión del universo a grandes escalas.
• En noviembre de 2013, se descubrió una nueva estructura de 10 mil millones de años luz que mide 2000–3000 Mpc (más de siete veces la de la Gran Muralla de Sloan), la Gran Muralla Hércules–Corona Borealis, poniendo más dudas sobre la validez del principio cosmológico.
• En septiembre de 2020, se encontró un conflicto de 4.9σ entre la explicación cinemática del dipolo CMB y la medición del dipolo en la distribución angular de una muestra de 1.36 millones de quasars limitada por el flujo y todo el cielo.
• En junio de 2021, se descubrió el arco gigante, una estructura que abarca aproximadamente 1000 Mpc. Se encuentra a 2820 MPc de distancia y consta de galaxias, racimos galácticos, gas y polvo.

Sin embargo, como señaló Seshadri Nadathur en 2013 usando propiedades estadísticas, la existencia de estructuras más grandes que la escala homogénea (260/h Mpc según la estimación de Yadav) no viola necesariamente el principio cosmológico en el modelo ΛCDM. (ver Enorme-LQG § Disputa).

La homogeneidad del fondo cósmico de microondas en escalas cosmológicas sigue siendo un tema de debate.

Dipolo CMB

Como se indicó anteriormente, es cierto que el fondo cósmico de microondas proporciona una instantánea de un universo isotrópico y homogéneo. Sin embargo, lo que a menudo no se anuncia es que existe una anisotropía dipolar en el fondo cósmico de microondas. La amplitud del dipolo excede las amplitudes de las otras fluctuaciones de temperatura, por lo que se resta bajo la suposición de que se trata de un efecto Doppler, o simplemente debido a un movimiento relativo. En los últimos años se ha probado esta suposición y los resultados actuales sugieren que nuestro movimiento con respecto a las distantes radiogalaxias y cuásares difiere de nuestro movimiento con respecto al fondo cósmico de microondas. Se ha llegado a la misma conclusión en estudios recientes del diagrama de Hubble de supernovas y cuásares de Tipo Ia. Esto contradice el principio cosmológico y desafía la suposición de que el dipolo CMB se debe simplemente al movimiento relativo.

Esta posible interpretación errónea del dipolo CMB se insinúa a través de otras observaciones. En primer lugar, incluso dentro del fondo cósmico de microondas, hay curiosas alineaciones direccionales y una asimetría de paridad anómala que puede tener su origen en el dipolo CMB. Por separado, la dirección del dipolo CMB se ha convertido en la dirección preferida en los estudios de alineaciones en polarizaciones de cuásares, relaciones de escala en cúmulos de galaxias, retardo de tiempo de lente fuerte, supernovas de tipo Ia y cuásares & estallidos de rayos gamma como velas estándar. El hecho de que todos estos observables independientes, basados en diferentes físicas, sigan la dirección del dipolo CMB sugiere que el Universo es anisótropo en la dirección del dipolo CMB.

Principio cosmológico perfecto

El principio cosmológico perfecto es una extensión del principio cosmológico y establece que el universo es homogéneo e isotrópico en el espacio y en el tiempo. Desde esta perspectiva, el universo se ve igual en todas partes (a gran escala), igual que siempre ha sido y siempre será. El principio cosmológico perfecto sustenta la teoría del estado estacionario y surge de la teoría de la inflación caótica.