En lo que respecta a nuestros orígenes cósmicos, se han propuesto varias teorías a lo largo de la historia. Literalmente, cada cultura que ha existido ha tenido su propia tradición mitológica, que naturalmente incluía una historia de creación. Con el nacimiento de la tradición científica, los científicos comenzaron a comprender el Universo en términos de leyes físicas que podían probarse y demostrarse.
Con los albores de la era espacial, los científicos comenzaron a probar teorías cosmológicas en términos de fenómenos observables. A partir de todo esto, surgieron varias teorías en la segunda mitad del siglo XX que intentaron explicar cómo surgió toda la materia y las leyes físicas que la gobiernan. De estos, el Teoria del Big Bang sigue siendo la más aceptada, mientras que la hipótesis del estado estacionario ha sido históricamente su mayor desafío.
El modelo de estado estable establece que la densidad de la materia en el universo en expansión permanece sin cambios con el tiempo debido a la creación continua de materia. En otras palabras, el Universo observable permanece esencialmente igual sin importar el tiempo o el lugar. Esto lo coloca en marcado contraste con la teoría de que la mayor parte de la materia se creó en un solo evento (el Big Bang) y se ha estado expandiendo desde entonces.
Ilustración que muestra los tres pasos que usaron los astrónomos para medir la tasa de expansión del universo (constante de Hubble). Créditos: NASA, ESA, A. Feild (STScI) y A. Riess (STScI / JHU)
Orígenes
Si bien la noción de un Universo estable e inmutable ha sido adoptada a lo largo de la historia, no fue hasta el período moderno temprano que los científicos comenzaron a interpretar esto en términos astrofísicos. El primer ejemplo claro de esto que se argumentó en el contexto de la astronomía y la cosmología fue en Isaac Newton 's Principios matemáticos de la filosofía natural (Principios matemáticos de la filosofía natural) publicado en 1687.
En la obra magna de Newton, conceptualizó el Universo más allá del Sistema Solar como un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas direcciones hasta distancias inconmensurables. Explicó además a través de demostraciones matemáticas y observaciones que todo el movimiento y la dinámica en este sistema se explican a través del principio único de gravedad universal .
Sin embargo, lo que se conocería como la hipótesis del estado estacionario no surgió hasta principios del siglo XX. Este modelo cosmológico se inspiró en una serie de descubrimientos, así como en avances en el campo de la física teórica. Estos incluyeron Albert Einstein 's Teoría de la relatividad general y Edwin Hubble Observaciones de que el Universo se encuentra en un estado de expansión.
Einstein formalizó esta teoría en 1915 después de que decidió ampliar su teoría de Relatividad especial para incorporar la gravedad. En última instancia, esta teoría establece que la fuerza gravitacional de la materia y la energía altera directamente la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor. O como lo resumió el famoso físico teórico John Wheeler, “el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse '.
Ilustración de la profundidad a la que el Hubble tomó imágenes de las galaxias en iniciativas anteriores de Campo Profundo, en unidades de la Edad del Universo. Crédito: NASA y A. Feild (STScI)
En 1917, los cálculos teóricos basados en las ecuaciones de campo de Einstein mostraron que el Universo tenía que estar en un estado de expansión o contracción. En 1929, las observaciones hechas por George Lemaitre (quien propuso la Teoría del Big Bang) y Edwin Hubble (usando el Telescopio Hooker de 100 pulgadas en el Observatorio Mount Wilson ) demostró que esto último era así.
Sobre la base de estas revelaciones, comenzó un debate en la década de 1930 sobre los posibles orígenes y la verdadera naturaleza del Universo. Por un lado, estaban quienes afirmaban que el Universo era finito en edad y evolucionó con el tiempo a través del enfriamiento, la expansión y la formación de estructuras debido al colapso gravitacional. Esta teoría recibió el nombre satírico de 'Big Bang' por Fred Hoyle, y el nombre se quedó.
Mientras tanto, la mayoría de los astrónomos en ese momento sostenían la teoría de que aunque el Universo observable se está expandiendo, no obstante, no cambia en términos de la densidad de la materia. En resumen, los defensores de esta teoría argumentaron que el Universo no tiene principio ni fin, y que la materia se crea continuamente a lo largo del tiempo, a una tasa de un átomo de hidrógeno por metro cúbico por cada 100 mil millones de años.
Esta teoría también amplió el Principio Cosmológico de Einstein, también conocido como. Constante cosmológica (CC), que Einstein propuso en 1931. Según Einstein, esta fuerza era responsable de 'contener la gravedad' y asegurar que el Universo permaneciera estable, homogéneo e isotrópico en términos de su estructura a gran escala.
Modificando este principio y extendiéndolo, los miembros de la escuela de pensamiento Steady State argumentaron que fue la creación continua de materia lo que aseguró que la estructura del Universo permaneciera igual a lo largo del tiempo. Esto también se conoce como el principio cosmológico perfecto, que elimina la hipótesis del estado estable.
La teoría del estado estacionario se hizo ampliamente conocida en 1948 con la publicación de dos artículos: “ Un nuevo modelo para un universo en expansión ”Por el astrónomo inglés Fred Hoyle, y“ La teoría del estado estacionario y el universo en expansión ”Por el equipo astrofísico y cosmólogo británico-austriaco de Hermann Bondi y Thomas Gold.
Predicciones y argumentos clave
Los argumentos a favor de la hipótesis del estado estacionario incluyen el aparente problema de escala de tiempo planteado por la tasa observada de expansión cósmica (también conocida como la Constante de Hubble o la ley de Hubble-Lemaitre). Basado en las observaciones de Hubble de galaxias cercanas, calculó que el Universo se expandía a una velocidad que aumentaba sistemáticamente con la distancia.
Esto dio lugar a la idea de que el Universo comenzó a expandirse desde un volumen de espacio mucho menor. En ausencia de aceleración / desaceleración, 500 km / s por Megaparsec (310 mps por Mpc), la constante de Hubble significaba que toda la materia se ha estado expandiendo durante aproximadamente 2 mil millones de años, lo que también sería la edad superior del Universo.
Qué materia y antimateria podrían parecer aniquilarse entre sí. Crédito: NASA / CXC / M. Weiss
Este hallazgo fue contradicho por la datación radiactiva, donde los científicos midieron la tasa de desintegración de los depósitos de uranio-238 y plutonio-205 en muestras de rocas. Usando este método, se estimó que las muestras más antiguas de roca (que eran de origen lunar) tenían 4.600 millones de años. Otra incongruencia surgió como resultado de la teoría de la evolución estelar.
En resumen, la velocidad a la que el hidrógeno se fusiona en el interior de las estrellas (para crear helio) arroja una estimación de edad superior de 10 mil millones de años para los cúmulos globulares, las estrellas más antiguas de la galaxia. Es más, no podría haber ocurrido ninguna evolución a grandes distancias en este modelo, lo que significaría que las fuentes de radio, alias. quásares o Núcleos galácticos activos (AGN) - sería uniforme en todo el Universo.
También significaría que la constante de Hubble (calculada a principios del siglo XX) permanecería constante. El modelo de estado estable también predijo que la creación constante de antimateria y neutrones resultaría en aniquilaciones regulares y desintegración de neutrones, lo que conduciría a la existencia de un fondo de rayos gamma y gas emisor de rayos X caliente en todo el Universo.
Big Bang para la victoria
Sin embargo, las observaciones en curso durante las décadas de 1950 y 1960 llevaron constantemente a una acumulación de evidencia en contra de la Hipótesis del Estado Estacionario. Estos incluyeron el descubrimiento de fuentes de radio brillantes (también conocidas como quásares y radiogalaxias) que se descubrieron en galaxias distantes pero no en las más cercanas a nosotros, lo que indica que muchas galaxias se volvieron 'radio silenciosas' con el tiempo.
Esta única imagen de todo el cielo, capturada por el telescopio Planck, capturó simultáneamente dos instantáneas del CMB. Crédito: ESA
En 1961, encuestas de fuentes de radio permitió realizar análisis estadísticos que descartaron la posibilidad de que las brillantes radiogalaxias estuvieran distribuidas uniformemente. Otro argumento importante en contra de la hipótesis del estado estacionario fue el descubrimiento de la Fondo de microondas cósmico (CMB) en 1964, que predijo el modelo del Big Bang.
Combinado con la ausencia de un fondo de rayos gamma y nubes omnipresentes de gas emisor de rayos X, el modelo del Big Bang fue ampliamente aceptado en la década de 1960. En la década de 1990, las observaciones con el telescopio espacial Hubble y otros observatorios también descubrieron que la expansión cósmica no ha sido constante a lo largo del tiempo. Durante los últimos tres mil millones de años, de hecho, se ha ido acelerando.
Esto ha llevado a varios refinamientos de la Constante de Hubble. Basado en datos recopilados por el Sonda de anisotropía para microondas Wilkinson (WMAP), la tasa de expansión cósmica es estimado actualmente estar entre 70 y 73,8 km / s por Mpc (43,5 a 46 mps por Mpc) con un margen de error del 3%. Estos valores son mucho más consistentes con las observaciones que sitúan la edad del Universo en alrededor de 13,8 mil millones de años.
Variantes modernas
A partir de 1993, Fred Hoyle y los astrofísicos Geoffrey Burbidge y Jayant V. Narlikar comenzaron a publicar una serie de estudios en los que proponían una nueva versión de la Hipótesis del Estado Estacionario. Conocido como el Hipótesis del estado cuasi-estacionario (QSS), esta variación intentó explicar los fenómenos cosmológicos que la vieja teoría no tenía en cuenta.
Este modelo sugiere que el Universo es el resultado de focos de creación (también conocidos como mini-explosiones) que ocurren en el transcurso de muchos miles de millones de años. Este modelo se modificó en respuesta a los datos que mostraban cómo se está acelerando la tasa de expansión del Universo. A pesar de estas modificaciones, la comunidad astronómica todavía considera que el Big Bang es el mejor modelo para explicar todos los fenómenos observables.
Hoy en día, este modelo se conoce como modelo Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), que incorpora las teorías actuales sobre la materia oscura y la energía oscura con la teoría del Big Bang. A pesar de eso, algunos astrofísicos y cosmólogos todavía defienden la hipótesis del estado estable (y sus variantes). Y no es la única alternativa a la cosmología del Big Bang ...
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Astronomía Reparto también algunos episodios interesantes sobre el tema. Aquí está Episodio 5: El Big Bang y el trasfondo cósmico de microondas , Episodio 6: Más pruebas del Big Bang , Episodio 79: ¿Qué tamaño tiene el universo? , Episodio 187: Historia de la astronomía, parte 5: el siglo XX , y Episodio 499: ¿Qué es la Ley de Hubble-Lemaitre propuesta? .
Fuentes:
- Wikipedia - Principio cosmológico
- Wikipedia - Hipótesis del estado estacionario
- Ideas de cosmología: ¿Big Bang o estado estable?
- Enciclopedia Británica - Teoría del estado estacionario
- Astronomía y astrofísica de la UBC: cuestiones fundamentales en cosmología
- “ Un nuevo modelo para el universo en expansión , ”Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, no. 372 (1948)
- “ Modelos cosmológicos de estado cuasi-estacionario y relacionados: una revisión histórica , ”Kragh. H.(2012)
- “ La teoría del estado estacionario del universo en expansión , ”MNRAS, vol. 108, pág. 252 (1948)
- “ La teoría del estado estable de Einstein: un modelo abandonado del cosmos , ”The European Physical Journal H, vol. 39, pág. 353-367 (2014)
- “ Un modelo cosmológico de estado cuasi-estacionario con creación de materia , ”Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, pág. 437 (1993)