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Evidencias del Big Bang

[N del T: la traducción de este artículo se encuentra incompleta]

Por Björn Feuerbacher y Ryan Scranton

© 2006 [ 25 de enero de 2006]

Traducido por: Diego Romero

Original en: http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html

0) Introducción.

A) Propósito de esta FAQ

De acuerdo con la página bienvenida de este archivo, el grupo de noticias talk.origins está dirigido al debate sobre los "orígenes biológicos y físicos", y el archivo existe para proveer "respuestas de la corriente principal científica a las muchas preguntas frecuentemente hechas en el grupo de noticias talk.origins". Muchas FAQs actuales tratan sobre preguntas acerca de los orígenes biológicos y geológicos aquí en la Tierra. Esta página tomará una visualización más ancha, enfocado en el universo mismo.

Antes de empezar el examen de las pruebas en torno a la cosmología actual, es importante comprender qué es y qué no es la teoría del Big Bang (TBB). Contrario a la percepción común, la TBB no es una teoría sobre el origien del universo. En cambio, describe el desarrollo del universo a través del tiempo. Este proceso es llamado "Evolución cósmica" o "Evolución cosmológica" a menudo; mientras los términos son usados por personas dentro y fuera de la comunidad astronómica, es importante tener en cuenta que la TBB es totalmente independiente de la evolución biológica. Durante las últimas décadas el escenario básico de cosmología dado por la TBB ha sido aceptado por astrónomos, físicos y la comunidad científica más amplia en general. Sin embargo, ningún consenso similar ha sido alcanzado acerca de las ideas sobre el origen definitivo del universo. Esto siguie siendo investigado activamente y algunas ideas actuales se discutirán más adelante en este artículo. Dicho esto, no obstante la TBB trata de los orígenes - de la materia, el origen de los elementos, el origen de la estructura a gran escala, el origen de la radiación de fondo de microondas cósmica, etcétera. Todo esto será discutido en el detalle más abajo.

Además de ser una teoría sobre los orígenes de los componentes básicos del mundo que vemos hoy, la TBB también es paradójicamente una de las más conocidas teorías dentro del público en general y uno de las más malinterpretadas (y, ocasionalmente, distorsionadas). Teniendo en cuenta la naturaleza del tema, también es frecuentemente discutida con cargados matices religiosos. Los creacionistas de tierra jóven la descartan por ser una "teoría atea", inventada por científicos que parecen negar el relato de creación divina del Génesis. A la inversa los creacionistas de tierra vieja (así bien como los otros Cristianos) han querido entender la TBB como prueba del mismo Génesis, afirmando que la teoría demuestra que el universo tuvo un origen y no existía en algún momento distante en el pasado. Finalmente, algunos ateos han argumentado que TBB descarta a un creador del universo.

La discusión detallada de estas peleas religiosas puede ser encontrada en otros lugares (por ejemplo el libro de Craig y Smith en las referencias). Esta FAQ se concentrará en la ciencia únicamente: lo que la teoría dice, por qué fue desarrollada y cuáles son las evidencias.

B) Contenido general

Muchas explicaciones de la TBB empiezan presentando variadas observaciones astronómicas, argumentando que resultan en la idea de un universo en expación y enfriándose naturalmente. Aquí, tomamos un enfoque diferente: Empezamos describiendo qué no es la TBB y corregiendo algunas ideas falsas comunes sobre la teoría. Una vez hecho esto, luego hablaremos sobre qué es la teoría y qué suposiciones se hacen cuando se describe una teoría física sobre cómo opera el universo. Con esa base en su lugar, nos cambiaremos a un examen de qué predice la TBB para nuestro universo y cómo eso encaja con lo que vemos cuando miramos el cielo. El próximo paso será mirar un poco a las objeciones más comunes a la teoría como a los desacuerdos entre la teoría y las observaciones, lo cuál conduce naturalmente a un examen de algunos de los modelos osmológicos alternativos. Terminamos con dos temas más especulativos: las ideas actuales acerca de las etapas muy tempranas del universo y su origen absoluto y una discusión de lo que podríamos esperar que nos digan la siguiente generación de experimentos y ensayos cosmológicos acerca de la TBB.

C) Fuentes adicionales de información

Como uno podría esperar de un tema con público numeroso, hay mucha literatura sobre la TBB en tantos medios de comunicación tanto impreso como la Web. El nivel de este material es muy grande, de textos avanzados para cursos de posgrado y más, hasta textos de divulgación para profanos. Igual, la calidad de la explicación en estos recursos puede variar considerablemente. En particular, algunos textos de divulgación simplifican el material en tal extremo que puede ser muy engañoso. Finalmente, hay varias diatribas contra el modelo cosmológico actual, lleno de malentendidos, tergivesaciones y sarcasmos directo contra La TBB y los cosmólogos en general. Hemos tratado de filtrar este inmenso conjunto de información, resaltando las fuentes que describen la teoría con exactitud y lo presentan de la forma más clara posible. Disculpas con anticipación para cualquier fuente valiosa que se ha pasado por alto o expluido sin querer.

Para una introducción seria y técnica del el tema, dos libros son particularmente útiles: los principios de cosmología física de Peebles y El universo temprano de Kolb y Turner. Éstos son escritos para estudiantes universitarios avanzados y estudiantes postgraduados así que se requieren unos buenos conocimientos de matemática. Para una descripción menos técnica de las etapas tempranas del universo (con énfasis especial en la nucleosíntesis y la física de partículas), los libros de Fritzsch y Weinberg son muy bueno y apuntan hacia el público en general.

Mientras los libros mencionados anteriormente están bien escritos, el material es algo anticuado, habiendo sido escrito antes de las observaciones y los siguientes desarrollos de los últimos años (por ejemplo la expansión acelerada del universo y la inclusión de la energía oscura en el modelo de la cosmologíca actual). Textos más nuevos como los escritos por Peacock, Kirshner y Livio incluyen la discusión de estos temas. El primero está en el nivel de Peebles, Kolb y Turner, mientras que los segundos dos están escrito para una audiencia general. Finalmente, el autor de ésta FAQ recomienda un nuevo libro de Kippenhahn, con la advertencia de que está solo disponible en alemán actualmente.

En la red, la fuente mejor conocida la información de divulgación sobre el Big Bang es el tutorial de cosmología de Ned Wright. Dr. Wright es un cosmólogo profesional de la Universdad de California, Los Angeles y su tutorial se usó exhaustivamente para compilar esta FAQ. También ha escrito Su propia FAQ del Big Bang, actualiza su sitio con regularidad con las últimas noticias sobre cosmología y trata algunos de los más populares modelos cosmológicos alternativos.

Las páginas de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (Zonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson) en la NASA tienen una muy buena descripción de las sustentaciones teóricas de la TBB dirigida a una audiencia lega. Otras de las páginas bien escritas sobre la TBB incluyen la Wikipedia, los artículos sobre el Universo y el Big Bang. Por último, hay una pequeña FAQ El Big Bang y la expansión del universo en el Atlas del universo, el cual también corrige algunas de las falsas ideas más comunes.

1) ¿Qué es la teoría del Big Bang?

A) Confunciones frecuentes sobre el Big Bang

En la mayoría de las fuentes de divulgación científica, la TBB es descrita a menudo con algo como "El universo surgió debido a la explosión de un punto en el que toda la materia estaba concentrada." No sorprendentemente, ésta es probablemente la impresión usual que la mayoría de las personas tienen de la teoría. Ocasionalmente, uno incluso escucha "En el principio, no había nada, que estalló."

Hay algunas falsas ideas escondidas en estas declaraciones:

  • La TBB no se trata del origen del universo. En vez de eso, su enfoque principal es el desarrollo del universo a través del tiempo.
  • La TBB no implica que el universo era parecido a un punto.
  • El origen del universo no fue una explosión de materia en espacio ya existente.

El famoso cosmólogo P. J. E. Peebles dijo esto sucintamente en la edición de enero 2001 de Scientific American (toda esa edición trata sobre cosmología y vale la pena leerla!): "Que el universo se está expandiendo y enfriándose es la esencia de la teoría del Big Bang. Usted notará que no he dicho nada sobre una "Explosión" - la teoría del Big Bang describe cómo nuestro universo se está desarrollando, no cómo comenzó." (P. 44). La edición de marzo de 2005 también contiene un excelente artículo que corrige muchas de las frecuentes falsas ideas sobre la TBB.

Otro cosmólogo, el alemán Rudolf Kippenhahn, escribió lo siguiente en su libro "Kosmologie fuer die Westentasche" ("Cosmología para el bolsillo "): "existe la equivocada y generalizada creencia de que, de acuerdo con la ley de Hubble, la gran explosión comenzó en un cierto punto en el espacio. Por ejemplo: en un momento, una explosión ocurrió, y de eso una nube de explosión se desplazó a través del espacio, de la misma manera que una explosión sobre la tierra, y la materia se expande más y más en áreas más grandes del espacio. No, la ley de Hubble solamente dice que la materia era más densa en todas partes del espacio en el pasado, y que se vuelve más tenue con el tiempo porque todo se aleja entre sí." En una nota al pie de página, añadió: "En las presentaciones de divulgación científica, a menudo las fases tempranas del universo son descriptas como "Cuando el universo era tan grande como una manzana" o "Como una arveja". Lo que se representa allí es en general la época en la que no todo, sino solamente la parte del universo que es observable hoy tenía estos tamaños." (Pp. 46, 47; la traducción del autor de la FAQ, énfasis en el original).

Definitivamente, la página web que describe el Universo Ekpyrótico (un modelo del universo temprano que involucra los conceptos de la Teoría de Cuerdas) contiene un buen recuento de las usuales falsas ideas. Leer el primer párrafo, "¿En qué consiste el modelo del Big Bang?".

Hay varias razones por las cuales estas falsas ideas persisten en la mente del público. Ante todo, el término "Big Bang" ("Gran explosión" en inglés) fue acuñado originalmente en 1950 por Sir Fred Hoyle, un oponente incondicional de la teoría. Era un defensor del modelo de "Estado Estacionario" y tenía una opinión muy baja acerca de la idea de un universo en expansión. Otro origen de la confusión es la expresión "Átomo Primigenio" repetida a menudo. Esta fue usada por Lemaitre (uno de los desarrolladores tempranos de la teoría) en 1927 para explicar el concepto a la audiencia lega, quienes no estarían familiarizados con la idea de bombas nucleares durante algunas décadas. Con éstos y las otras descripciones erroneas incesantemente propagadas por lo demás bienintencionados medios de comunicación (y no tan bienintencionados), no es sorprendente que muchas personas tengan ideas completamente distorsionadas sobre qué dice la TBB. Por eso mismo, el hecho de que muchas personas piensan que la teoría es una cosa ridícula es esperable, dado su conocimiento inexacto de la teoría y la datos detrás de ella.

B) ¿Qué es lo que realmente dice la teoría?

Dar una descripción exacta de la TBB en términos sencillos es sumamente difícil. De la misma manera que muchos temas científicos modernos, cada uno de los intentos será necesariamente vago y poco consistente cuando ciertos detalles se resaltan y otros se barren bajo la alfombra. Para realmente comprender tal teoría, uno tiene que mirar las ecuaciones que describen la teoría completamente, y esto puede ser muy exigente. Dicho esto, las citas de Peebles y Kippenhahn deben dar una idea de lo que la teoría en realidad dice. En los siguientes párrafos, daremos más detalles sobre su descripción básica.

La más simple descripción de la teoría sería algo como esto: "En el pasado distante, el universo era muy denso y caliente; desde entonces se expandió, poniendose menos denso y más frío". La palabra "expandir" no debe ser entendida como que la matera saltó en pedazos; antes bien, hace referencia a la idea de que el espacio mismo se está haciendo más grande. Las analogías más comunes que se usan para describir este fenómeno son la superficie de un globo (con galaxias representadas por puntos o monedas fijada a la superficie) o pan de hornear (con galaxias representadas por pasas en la masa que se dilata). De la misma manera que todas analogías, la semejanza entre la teoría y el ejemplo es imperfecta. En ambos casos, el modelo insinúa que el universo se está expandiendo en algo más grande, en un volumen preexistente. A decir verdad, la teoría no indica nada de esto. En su lugar, la expansión del universo es totalmente autocontenida. Esto va contra nuestro sentido común acerca del volumen y la geometría, pero es el resultado de las ecuaciones. Más información adicional acerca de esta cuestión se puede encontrar en la sección ¿En qué se está expandiendo el universo? en la FAQ de Ned Wright.

Las personas a menudo tienen dificultad con la idea de que "el espacio mismo se expande". Una manera más fácil de comprender este concepto es pensar en ello como el incremento en la distancia entre dos puntos cualquier del universo (con algunas excepciones notables, como menciono más abajo). Por ejemplo, Digamos que tenemos dos puntos (A y B) que están en posiciones de coordinadas fijos. En un universo en expansión, descubriríamos dos cosas extraordinarias son verdaderas. La primera, la distancia entre A y B es una función del tiempo; y la segunda, la distancia está siempre en aumento.

Para comprender realmente qué representa esto y cómo se definiría la "distancia" en éste modelo, es necesario tener alguna idea de lo que trata la teoría de relatividad general (TGR) de Einstein; otro tema que no se presta a explicaciones simples y sencillas. Uno de los libros de texto sobre la TGR más populares de Misner, Thorne & Wheeler lo resume así: "el espacio le dice a la materia cómo moverse, la materia le dice el espacio cómo curvarse." Por supuesto, esta sentencia omite los ciertos detalles de la teoría, por ejemplo que el espacio también le dice a la radiación electromagnética cómo moverse (bellamente demostrado mediante la "lente gravitacional", la desviación de la luz alrededor de objetos masivos), cómo el espacio también se curva en respuesta a la energía, y cómo la energía puede causar que el espacio haga mucho más que sólo curvarse. Quizás una mejor (aunque más larga) forma de describir la TGR sería: "La energía determina la geometría y los cambios en la geometría del universo, y, a su vez, la geometría condiciona el movimiento de la energía".

Así que, dado esto, ¿cómo se llega a la TBB a partir de la TGR?. Las ecuaciones básicas de la TBB vienen directamente de las ecuaciones de la TGR de Einstein bajo dos suposiciones clave: primera, que la distribución de la materia y la energía en el universo es homogénea y, segunda, que la distribución es isotrópica. Una manera más simple de poner esto es que el universo se ve igual por todas partes y en todas direcciones. La combinación de estas dos suposiciones frecuentemente se mencionan con el término principio cosmológico. Obviamente, estas suposiciones no describen el universo en todas las escalas físicas. Sentado en su silla, usted tiene una densidad que es aproximádamente 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 veces la densidad media del universo. Asimismo, la densidad de cosas como estrellas, galaxias y grupos de galaxia están bien encima de la media (aunque no tan cercana como la de usted). En vez de eso, descubrimos que estas suposiciones solamente son aplicable sobre escalas sumamente grandes, alrededor de varios cientos de millones año luz. Sin embargo, aunque tenemos buenas pruebas de que el principio osmológico es válido en estas escalas, estamos limitados solo a un punto y un volumen finito del universo para examinar así que estas suposiciones deben quedarse exactamente en eso.

Si asumimos estas suposiciones aparentemente simples, las implicanciones para la geometría del universo son muy profundas. Primero, uno puede demostrar matemáticamente que hay solamente tres curvaturas posibles para el universo: la curvatua positiva, negativa o cero (éstos comúnmente también son llamado modelos "Cerrado", "Abierto" y "Plano"). Véanse estas conferencias sobre cosmología y TGR, y esta discusión sobre la métrica Friedman-Robertson-Walker (también llamada la métrica Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker) para derivacioes más detalladas. Más aún, la suposición de la homogeneidad nos dice que la curvatura debe ser igual en todas partes. Para visualizar las tres posibilidades, modelos de dos dimensiones del verdadero espacio tridimensional pueden servir de ayuda; la figura de más abajo, perteneciente al Equipo Científico NASA/WMAP, se da como ejemplo. El modelo más familiar con curvatura positiva es la superficie de una esfera. No el objeto tridimensional entero, sino sólo su superficie (usted puede distinguir que la superficie es bidimensional ya que puede especificar cualquier punto con sólo dos números, de la misma manera que la longitud y la latitud de la Tierra). La curvatura cero se puede modelar como un simple plano recto; esto es las coordenadas cartesianas clásicas que la mayoría de las personas recordarán de la escuela. Por último, uno puede imaginar la curvatura negativa como la superficie de una silla de montar, donde las líneas paralelas se bifurcarán entre sí cuando son proyectados hacia el infinito (permanecen paralelas en un espacio de curvatura cero y son convergentes en un espacio absolutamente curvado).

Possible geometries of the universe

Hay ejemplos más complicados de estas configuraciones, pero no hablaremos de ellos aquí. Aquellos interesados en leer más sobre este punto pueden mirar esta descripción de topología del universo.

La segunda conclusión important que podemos trazar a partir del principio cosmológico es que el universo no tiene ningún límite y no tiene ningún centro. Obviamente, si cualquiera de estas declaraciones fuera verdadera, entonces la idea de que todos puntos en el universo son indistinguibles (i.e. el universo es isotrópico) sería falsa. Esta conclusión puede ser antiintuitiva, particularmente cuando se considera un universo con curvatura positiva como la de una concha esférica. Este espacio es evidentemente finito, pero, como también estar claro después de la idea de hace un momento, es también posible recorrer una distancia arbitrariamente grande alrededor del círculo sin dejar la superficie. Por lo tanto, no tiene ningún límite. Para las superficies planas y negativamente curvadas, está claro que estos casos deben extenderse a un tamaño infinito. Notablemente, dadas las inmensas diferencias que estos casos presentan para la configuración y el tamaño del universo, determinar cuál de estos tres casos vale para nuestro universo es en realidad todavía una cuestión sin resolver en cosmología.

C) Contenido del universo

Tal como dijimos más arriba, la TGR nos dice que el contenido de materia y energía del universo determinan tanto la presente como la futura geometría del espacio. Por lo tanto, si queremos hacer cualquier predicción sobre cómo el universo cambia con el tiempo, tenemos que tener una idea de qué tipos de materia y energía están presentes en el universo. Otra vez, aplicar el principio cosmológico simplifica el asunto considerablemente. De hecho, si la distribución de la materia y la energía es uniforme a escalas muy grandes, entonces todo que tenemos que saber es la densidad y la presión de cada componente. Incluso mejor, para la mayoría de los casos que son relevante para la cosmología, la presión y la densidad tienden a estar relacionadas una con la otra por la así llamada "equación de estado". Por lo tanto, si sabemos la densidad de un componente en particular, entonces sabemos su presión vía la ecuación de estado y podemos calcular cómo afectará la geometría del universo ahora y en cualquier momento en el pasado o el futuro.

Después de mucho trabajo teórico y de observación, esencialmente hay tres grandes categorías de materia y energía que tenemos que considerar

  • Materia: en el curso normal de la vida sobre la Tierra, tendemos a pensar sobre la relación entre la presión y la densidad de la materia como importante, pero incompleta. De química básica o clases de física, nos enteramos de que la presión también es típicamente una función de la temperatura. Otra manera de pensar en la temperatura es como medida de la velocidad a que la materia está recorriendo, aunque de manera aleatoria (piense en las moléculas de aire dentro de un globo; se mueven rápida y desordenadamente dentro del globo, pero el globo mismo se queda inmóvil). Mientras estas moléculas pueden moverse rápidamente para nuestros estándares, comparado con la velocidad de la luz (que es lo relevante cuando consideramos la TGR) estas partículas están prácticamente inmóviles. Para una muy buena aproximación, sólo podemos poner la materia a presión cero; lo que realmente estamos diciendo es que la presión es diminuta comparada con la densidad de energía de la materia.

    En el lenguaje cosmológico, esta clase de materia es descrita como "materia fría", un término que incluiría estrellas, planetas, asteroides, polvo interestelar, etcétera. Debido a que estamos limitados a observar fotones del resto del universo, el hecho de que gran parte de esta materia fría no brilla de cualquier manera apreciable quiere decir que tenemos que observarlo indirectamente, principalmente por su efecto gravitacional sobre la materia que podemos ver. Este tipo de materia obscura (principalmente planetas, estrellas agotadas y gas frío) es muy abundante en el universo.

    Además de esta materia oscura normal, también hay pruebas suficientes de que el universo contiene mucha material oscura que es básicamente diferente de la material oscura descrita más arriba. Mientras que materia normal brilla si está suficientemente caliente, esta materia oscura es oscura porque no interactúa con la luz en absoluto. Esto es contrario a nuestra experiencia diaria, por supuesto, pero la teoría de campo cuántico actual predice la existencia de varias partículas que encajarían con este requisito (por ejemplo el "neutralino" predicho por la supersimetría o el "axion"; ver más abajo para más detalles).

    Como en el caso de la materia obscura normal (que suele ser llamada "materia oscura bariónica" debido a que está hecha principalmente de protones y neutrones, que pertenecen a un grupo de partícula llamado "bariones"), No necesitamos saber los detalles exactos de este materia obscura para hacer predicciones cosmológicas. Todo que necesitamos saber es su ecuación de estado. La "materia oscura fría" estaría constituida por partículas masivas de movimiento lento, donde "masiva" está en relación con la masa de las partículas como el protón y "lento" está en relación con la velocidad de la luz. De la misma manera que con la materia fría bariónica, la presión asociada con estas partículas sería efectivamente cero. Por otro lado, si los partículas de materia obscura son muy ligeras, entonces tenderían a moverse muy rápidamente y su presión asociada debería ser insignificante. Este tipo de materia obscura es llamada "materia oscura caliente". Como complemento, uno también podía imaginar un tercer, caso intermedio ("la materia oscura tibia"). En definitiva, es digno de notar que, debido a que no interactúa con la luz, la "temperatura" de la materia oscura no va tener que ver con la temperatura del universo en su conjunto; la materia oscura caliente se queda caliente no importa qué tan frío se ponga el universo. Como hablaremos luego, las observaciones actuales indican que el componente de matria del universo está dominado por la materia oscura fría, con cantidades pequeñas de materia bariónica y un poco a ninguna materia oscura tibia o caliente.

  • Radiación: en rigor, esta categoría solamente incluye la radiación electromagnética. Sin embargo, la materia oscura caliente a menudo se agrupa junto a la radiación ya que, cuando las partículas están moviendo a velocidades muy cercanas a la de la luz, tienen esencialmente la misma ecuación de estado. Para la radiación, la presión es igual a un tercio de la densidad de energía. De las observaciones, sabemos que la radiación no es una parte importante en el balance final de densidad de energía en el universo actual. Sin embargo, debido a la ecuación de estado, la densidad de energía de la radiación es la cuarta fuerza inversa para el tamaño del universo. Por ejemplo, si volvemos atrás en el tiempo al momento en el que el universo observable era la mitad del tamaño que es hoy, descubriríamos que la densidad de energía era 16 veces el valor actual, mientras que la densidad de energía de la materia era solamente 8 veces su valor actual. La obvia implicación de esto es que, no importa cuáles son sus valores hoy, si volvemos lo suficientemente lejos en el tiempo, la radiación será la fuente dominante de la densidad de energía en el universo. Esto tiene implicancias enormes para ambos la creación de elementos ligeros en etapas muy tempranas del universo (también conocido como nucleosíntesis primigenia) y la formación de la radiación de fondo de microondas cósmica (RFMC).
  • El tercer componente en el modelo estandar de la TBB es también del que menos sabemos. El término genérico para este componente es "energía oscura", aunque este término cubre una amplia gama de posibilidades. De la teoría de campo cuántico, sabemos que todo el espacio debe estar lleno de energía, incluso sin la presencia de materia o radiación. Esta energía es conocida por varios nombres: "energía del punto cero", "fluctuaciones del punto cero ", "energía del vacío", "fluctuaciones del vacío", etcétera. Como algunos de los nombres implican, esta energía no persiste de la misma manera que la materia o la radiación normal lo hacen; en su lugar las partículas que la transportan aparecen y desaparecen, tal como predice el principio de incertidumbre de Heisenberg. Este tipo de la energía no puede ser detectado directamente, pero las mediciones de, por ejemplo el efecto de Casimir, demuestran que existe.

    Tomando esto como un indicador de que este tipo de energía existe, podemos observar qué efecto podría tener esto desde el punto de vista de la cosmología. Sin considerar la expansión del universo, la densidad de la energía del punto cero permanece constante y positva. Esto conduce a una conclusión curiosa (y antiintuitiva), que la presión relacionada con la energía oscura es negativa. Si uno tapa un componente como éste en las ecuaciones de la TBB estandar, el efecto de la presión negativa es más grande que el de la densidad de energía positiva. Por consiguiente, en un universo impulsado por la energía oscura, el efecto de su gravedad es acelerar la expansión del universo, en lugar de disminuir su velocidad (como uno podría esperar en un universo compuesto solo de materia).

    A veces uno también escucha el término "constante cosmológica" relacionada con la energía oscura. Para comprender la razón para esto, uno tiene que estar un poco al tanto de la historia de la aplicación de la TGR a todo el universo. Cuando Einstein trató primero de hacer eso, descubrió que predecía que el universo se debe dilatar o bién contraer. Pero en laépoca de Einstein, el universo se pensaba que era estático. Así que observó las suposiciones que realizó para obtener las ecuaciones de la TGR otra vez. Uno de ellos era que un universo vacío, es decir, uno que no contiene materia o energía, debe tener curvatura cero ("plano" como se dijo anteriormente). Einstein descubrió que si retiraba esa suposición, un parámetro adicional libre salía en las ecuaciones de la TGR. Si ese parámetro se pone a un valor especial, ¡las ecuaciones producen de nuevo el universo estático esperado! Por lo tanto, llamó a ese parámetro adicional la "Constante cosmológica".

    Obviamente, esto era una solución algo ad hoc para un problema solamente aparente (la solución se hizo superflua cuando empezaron a aparecer pruebas de que el universo no era estático). De acuerdo con Gamow, Einstein llamó después este truco "su metida de pata más grande". Dicho esto, ahora también sabemos que el espacio, sin los la materia o energía "ordinaria" (o ni siquiera exótica), todavía tiene que contener fluctuaciones de vacío predichas por teoría de campo cuántico. En otras palabras, incluso el espacio "vacío" todavía contiene energía y por lo tanto no tiene que ser plano. Esto (más bien) justifica usar la constante cosmológica; en esta interpretación, representaría el "densidad de energía del vacío" causada por las fluctuaciones cuánticas, convirtiendo la constante cosmológica en un tipo especial de energía oscura. De este punto de vista, presentar la constante cosmológica no fue una metida de pata - antes bien el descubrimiento por accidente de un parámetro adicional necesario y aún crucial en las ecuaciones de la TGR y en consecuencia también de las ecuaciones de la TBB.

D) Resumen: parámetros de la teoría del Big Bang

De la misma manera que toda teoría física, la TBB necesita de parámetros. Basándonos en el lo que hemos establecido hasta ahora, tenemos

  • La curvatura del espacio. Como se discutió más arriba, puede ser positiva (cerrado), negativa (abierto) o bién cero (plano).
  • El factor de escala. Una de las primeras cosas que uno nota cuando se estudiar cosmología es que medir el valor absoluto de cualquier cantidad puede ser sumamente exigente. Antes bien, la mayoría de las cantidades que los cosmólogos tratan de medir son en realidad promedios. El factor de escala es la proporción entre el "tamaño" actual del universo y el tamaño del universo en algún momento del pasado o del futuro (el "tamaño" que está definido apropiado para una curvatura en particular). Obviamente, este parámetro es uno ahora y menos de uno en cualquier momento en el pasado para un universo en expansión.
  • El parámetro de Hubble. Este se confunde con la "constante de Hubble". En parte, esto es una reliquia del trabajo original de Hubble mostrando la expansión del universo, donde era sólo un parámetro sumplementario para traducir velocidad en distancia. En el uso moderno, ese término solamente se refiere al valor actual; en realidad esta cantidad varía con el tiempo. Oficialmente, el parámetro de Hubble mide la tasa de cambio del factor de escala en un momento dado (la derivada del factor de escala normalizado por el valor actual). Una manera más simple de pensar en ello es que el parámetro de Hubble dice qué tan rápido el universo se está expandiendo en un momento dado.
  • Parámetro de desaceleración. En un universo de solo materia, la expansión del universo disminuiría de velocidad debido a la gravedad de esa materia, probablemente causando el colapso de éste. Esto quiere decir que la tasa de expansión (el parámetro de Hubble) cambiaría y el parámetro de desaceleración mide esa tasa de cambio (la segunda derivada del factor de escala, para aquellos que siguen la pista). La primera evidencia de que la energía oscura era importante para la cosmología vino del descubrimiento de que el parámetro de desaceleración no era negativo (como era de esperar), sino positivo. Por lo tanto, en lugar de disminuir la velocidad, la expansión se estaba en realidad acelerando. Irónicamente, esto ha llevado a que los cosmólogos hagan caso omiso de este parámetro principalmente en provecho del próximo juego de los parámetros.
  • Densidad de los componentes. Esto es muy simple: ¿cuánta radiación, materia (bariónica y obscura) y energía oscura hay en el universo? Estas densidades son expresadas en proporciones entre la densidad de un componente en particular y la densidad que haría que la curvatura del universo fuese plana. Si uno sabe los valores de estas densidades y el parámetro de Hubble en un momento dado, entonces uno puede determinar el valor del parámetro de desaceleración; de allí que haya desaparecido ese parámetro en gran parte de la literatura cosmológica en los últimos años.
  • Ecuación de estado de la energía oscura. Como se dijo anteriormente, para la radiación y la material las ecuaciones de estado son determinadas por física ya conocida. Para la energía oscura, sin embargo, los datos todavía no son capaces de determinar un modelo en particular. Como tal, la mayoría de los trabajos en la literatura tratan la ecuación de estado de la energía oscura como un parámetro libre (posiblemente variando con el tiempo, dependiendo del modelo) o escogen un valor explícitamente como una restricción previa (ver abajo).

Esto parece una lista larga de los parámetros - - tanto que uno podría argumentar que cualquier teoría con tantos parámetros podría encajar con cualquier grupo de observaciones. Sin embargo, como se dijo anteriormente, realmente no son independientes. Escogiendo un valor para el parámetro de Hubble inmediatamente afecta los valores esperados para las densidades y el parámetro de desaceleración. De la misma manera, una mezcla diferente de las densidades de componentes cambiarán la manera que el parámetro de Hubble varía con el tiempo. Además, hay una gran variedad de observaciones de cosmológicas que se pueden hacer, observaciones con metodologías, sensibilidades y asunciones sistemáticas diametralmente diferentes. Un modelo consensuado tiene que combinar con todos de los datos disponibles y, durante la última década en cosmología, combinar estos experimentos ha resultado en lo que ha sido llamado el "modelo de concordancias".

Esta imagen básica se construye sobre la base del llamado modelo "Lambda CDM". El Lambda demuestra la inclusión de la energía oscura en el modelo (específicamente la constante cosmológica, que implica una ecuación de estado donde la presión es igual a -1 veces de la densidad de energía). "CDM" es la abreviatura para para la "materia oscura fría (Cold Dark Matter)". Por lo tanto,, el nombre del modelo incluye lo que se cree son los dos componentes más importantes del universo: la energía oscura y la materia oscura. La abundancia de estos dos respectivos componentes y el tercer componente importante, la materia bariónica (u "ordinaria"), se muestra abajo en el gráfico circular (provisto por el Equipo Científico NASA/WMAP):

Contents of the universe

Como se dijo anteriormente, estos valores encajan los datos de una gran variedad de observaciones cosmológicas, las cuales son nuestro próximo tema.

2) Evidencias

Habiendo establecido las ideas básicas y la terminología de la TBB, ahora podemos considerar cómo los datos se comparan a lo que esperamos de la teoría. Como mencionamos al final de la última sección, no hay un solo experimento que es consistente con todos aspectos de la TBB. Antes bien, cualquier observación en particular provee comprender alguna combinación de los parámetros y aspectos de la teoría y tenemos que combinar los resultados de diferentes líneas de investigación para conseguir una imagen global lo más clara posible. Este tipo de enfoque será más evidente en las últimas dos secciones donde hablaremos de las evidencias para los dos aspectos más exóticos de la TBB actual: la materia oscura y la energía oscura.

A) Homogeneidad a gran escala

Regresando a nuestra discusión original de la TBB, Una de las suposiciones clave hecha para derivar la TBB a partir de la TGR era que el universo es, a gran escala, homogéneo. A pequeña escala, donde tropezamos con planetas, estrellas y galaxias, esta suposición no es obviamente verdadera. Como tal, no esperaríamos que las ecuaciones que gobiernan la TBB fueran una muy buena descripción de cómo funcionan estos sistemas. Sin embargo, cuando uno incrementa la escala de interés a escalas realmente grandes - cientos de millones de años luz - ésta se va convirtiendo en una aproximación mejor de la realidad.

Como un ejemplo, considere el dibujo vectorizado de abajo mostrando las galaxias del relevamiento de corrimiento al rojo de Las Campanas (proveído por Ned Wright). Cada punto representa una galaxia (aproximadamente 20,000 en la encuesta total) donde han medido tanto la posición en el cielo como el corrimiento al rojo y traducido a una ubicación en el universo. Imagine poniendo muchos círculos de un tamaño fijo sobre ese dibujo vectorizado y contar cuántas galaxias están dentro de cada círculo. Si usted usara una abertura pequeña (donde "pequeña" no es nada menos que decenas de millones de años luz), entonces el número de galaxias en cualquier círculo en particular va a fluctuar mucho en comparación con el número medio de galaxias en todos los círculos: algunos círculos estarán totalmente vacíos mientras que los otros podían tener más de una docena. Por otro lado, si usted usa círculos grandes (¡y permaneciendo dentro de sus límites!), la variación de círculo a círculo termina siendo muy pequeño comparado con el número medio de galaxias en cada círculo. Ésto es lo que los cosmólogos quieren decir cuando dicen que el universo es homogéneo. Un caso aún más fuerte para la homogeneidad puede hacer con la RFMC, del cual hablaremos más abajo.

Las Campanas Redshift Survey
B) Diagrama de Hubble

La idea básica de un universo en expansión es que la distancia entre dos puntos cualquiera se incrementa con el tiempo. Una de las consecuencias de este efecto es que, cuando la luz se desplaza a través de este espacio en expansión, su longitud de onda se distorsionada también. En la parte óptica del espectro electromagnético, la luz roja tiene una longitud de onda más larga que la luz azul, así que los cosmólogos se refieren a este proceso como corrimiento o desplazamiento al rojo (corrimiento al rojo). Cuanto más tiempo recorre la luz en el espacio que se expande, más corrimiento la rojo experimenta. Por lo tanto, ya que la luz viaja a una velocidad fija, la TBB nos dice que el corrimiento al rojo que observamos para la luz de un objeto distante debe estar relacionado con la distancia de ese objeto. Esta elegante conclusión se hace un poco más complicada por la pregunta qué quiere decir "distancia" en un universo en expansión (ver la sección "muchas distancias" de Ned Wright en su tutorial de cosmología para un resumen de lo que "distancia" quiere decir en la TBB), pero la idea básica permanece igual.

El corrimiento al rojo cosmológico es a menudo combinado engañosamente con el fenómeno conocido como el efecto Doppler. Éste es el cambio en la longitud de onda (del sonido o la luz) que uno observa debido al movimiento respectivo entre el observador y la fuente de sonido o luz. El ejemplo más común citado para este efecto es el cambio en el tono cuando un tren se acerca y luego se aleja del observador; mientras el tren se está acercando, el tono aumenta, seguido de un decrecimiento rápido cuando el tren se aleja. Debido a que la expansión del universo parece como algún tipo de movimiento relativo y sabemos de la discusión de más arriba que debemos ver fotones desplazándose al rojo, es tentador explicar el corrimiento al rojo cosmológico como simplemente otra manifestación del efecto Doppler. Efectivamente, cuando Edwin Hubble hizo sus mediciones de la expansión del universo por primera vez, su interpretación inicial era en relación con un verdadero y físico movimiento de las galaxias; de allí, las unidades sobre la constante de Hubble: kilómetro por segundo por megapársec.

Sin embargo, en realidad, el "movimiento" de las galaxias distantes no es verdadero movimiento como estrellas que giran alrededor del centro de nuestra galaxia, tierra que gira alrededor del Sol o incluso alguien que camina en la habitación. Antes bien, el espacio se está dilatando y se está llevando las galaxias a pasear. Esto se puede ver en la fórmula para calcular el corrimiento al rojo de una fuente de luz en particular. El corrimiento al rojo (z) está relacionado con la proporción de la longitud de onda observada (W_O) y la longitud de onda de la luz emitida (W_E) de la siguiente manera: 1 + z = W_O / W_E. La longitud de onda de la luz es ampliada en la misma proporción que el universo así que también sabemos que: 1 + z = a_O/a_E, donde a_O es el valor actual del factor de escala (puesto a 1 generalmente) y a_E es el valor del factor de escala cuando la luz fue emitida. Como uno puede ver, la velocidad está ausente en estas ecuaciones, verificando así nuestra primera afirmación. Más detalle en este punto se puede encontrar en Reconsideraciones sobre el corrimiento al rojo. Si uno insiste (y es muy cuidadoso sobre qué quiere decir exactamente "Distancia" y "Velocidad"), en entender el corrimiento al rojo cosmológico como efecto Doppler es posible, pero (por razones que analizaremos después) ésta no es la interpretación acostumbrada.

Como mencionamos antes, incluso después de que Einstein desarrolló la TGR, el consenso en astronomía era que el universo era estático y había existido por siempre. En 1929, sin embargo, Edwin Hubble hizo a series of mediciones en el Observatorio del Monte Wilson cerca de Pasadena, California. Usando estrellas variable Cefeidas en varias galaxias, Hubble descubrió que el corrimiento al rojo (que interpretó como una velocidad, como se dijo anteriormente) era toscamente proporcional a la distancia. Esta relación se hizo conocida como Ley de Hubble y provocó una serie de trabajos teóricos que se transformaron en la TBB moderna.

A primera vista, montar un diagrama de Hubble y determinar el valor de la constante de Hubble parecen muy fáciles. En la práctica, sin embargo, ésto no es el caso. Medir la distancia a las galaxias (y otros objetos astronómicos) nunca es simple. Como se dijo anteriormente, el único dato que tenemos del universo es la luz; imagine la dificultad de calcular la distancia a una persona que camina en la calle con exactitud sin saber qué tan alto es o si es capaz de mover su cabeza. Sin embargo, usando una combinación de geometría física y estadística, los astrónomos se las han arreglado para tener una series de métodos interrelacionados, conocido como la escalera de distancias, que son razonablemente confiables. La FAQ en Talk-Origins sobre cómo determinar distancias astronómicas Provee una detallada explicación de estos métodos, su aplicabilidad y sus limitaciones.

A la inversa, la otra parte de la ecuación, el corrimiento al rojo, es relativamente fácil de medir dado con los modernos equipos astronómico de hoy. Desafortunadamente, cuando uno mide el corrimiento al rojo de una galaxia, ese valor contiene más que sólo el corrimiento al rojo cosmológico. De la misma manera que las estrellas y los planetas, las galaxias tienen legítimos movimientos en respuesta a su ambiente gravitacional local: otras galaxias, grupos de galaxia, etcétera. Este movimiento es llamado velocidad peculiar en el lenguaje cosmológico y genera un corrimiento al rojo asociado (o corrimiento al azul!!) vía el efecto Doppler. Para galaxias relativamente cercanas, la amplitud de este efecto puede fácilmente hacer parecer pequeño el corrimiento al rojo cosmológic. El ejemplo más sorprendente de esto es el galaxia de Andromeda, dentro de nuestro propio Grupo Local. A pesar de estar a alrededor de 2 millón año luz de distancia, está en rumbo de colisión con la Vía Láctea y la luz de Andromeda está por consiguiente desplazada hacia el azul al final del espectro, en vez de al rojo. El resultado de esta complicación es que, si queremos medir el parámetro de Hubble, tenemos que mirar galaxias que están lo suficientemente lejos para que el corrimiento al rojo cosmológica sea más grande que los efectos de las velocidades peculiares. Esto fija un límite inferior de aproximádamente 30 millones año luz e incluso cuanto sobrepasamos esta marca, necesitamos tenemos un gran número de objetos para asegurarse de que los efectos de las velocidades peculiares se cancelen.

La combinación de estas dos complicaciones explica (en parte) por qué han tomado algunas décadas medir la constante de Hubble converger en un valor aceptado por la mayoría. Con el conjunto de datos actuales, la naturaleza casi lineal de la relación de Hubble está muy clara, como muestran las cifras abajo (basadas en los datos de Riess (1996); provisto por Ned Wright).

Hubble diagram

Como se dijo previamente, La versión estandar de la TBB supone que el origen dominante de la densidad de energía en los último miles de millones de años era la materia fría oscura. Introduciendo esta suposición en las ecuaciones controlando la expansión del universo, los cosmólogos esperaban ver que la expansión disminuyera la velocidad con el paso del tiempo. Sin embargo, en 1998, las mediciones de la relación de Hubble con supernovas distantes parecían indicar que lo contrario era lo verdadero. En vez de disminuir la velocidad, los últimos mil millones de años han visto la expansión del universo acelerar aparentemente (Riess 1998; Mediciones nuevas: Wang 2003, Tonry 2003). En efecto, lo que se observó es que la luz de las supernovas era más débil de lo esperado a partir del cálculo de su distancia usando la ley de Hubble.

Dentro de la TBB estandar, hay varias posibilidades de explicar este tipo de observación. La posibilidad más simple es que la geometría del universo es abierta (curvatura negativa). En este tipo de universo, la densidad de la materia está debajo del valor crítico y la expansión continuará hasta que la densidad de energía efectiva del universo sea cero. La segunda posibilidad es que las supernovas distantes estaban artificialmente atenuadas cuando la luz pasó de sus galaxias anfitrionas a observadores aquí en la Tierra. Este tipo de absorción por polvo interestelar es una problema muy común con las observaciones donde uno tiene que ver através del disco de nuestra propia galaxia así que uno fácilmente podía imaginar que algo así estaba pasando. Esta absorción es generalmente dependiente de la longitud de onda, sin embargo, los dos equipos que investigaban las supernovas distantes no vieron ninguno de estos efectos. Por poner un ejemplo, uno podía postular queel "Polvo gris" atenua objetos equitativamente en todas longitudes de onda. La posibilidad final es que el universo contiene algún tipo de energía oscura (ver las secciones 1c y 2n). Esto aceleraría la expansión, pero podía mantener plana la geometría.

En corrimientos al rojo debajo de la unidad (z < 1), estas posibilidades son todas muy poco indistinguibles, teniendo en cuenta la precisión disponible en las mediciones. Sin embargo, para un universo con materia oscura y energía oscura mezcladas, hay un punto de transición de la dominación de lo primero sobre lo último (exactamente de la misma manera que la transición entre la radiación dominante y la materia dominante de la expansión antes de la formación de la RFMC). Antes de ese momento la materia oscura era la dominante así que la expansión debía haber estado reduciendo la velocidad, solo comenzando a acelerar cuando la densidad de la energía oscura superaba la de la materia. Esta así llamada sacudida cósmica insinúa que las supernovas antes de este punto deben ser perceptiblemente más brillantes de lo que uno esperaría de un universo abierto (la desaceleración continua) o un universo con polvo gris (disminución constante). Las nuevas mediciones en corrimiento al rojos bien por encima de la unidad han mostrado que esta "sacudida" es efectivamente lo que vemos - - hace aproximadamente 8 mil millones años nuestro universo se desplazó lentamente desde una reducción de la velocidad a una expansión acelerada, exactamente como predijeron los modelos de energía obscura (Riess 2004).

C) Abundancia de elementos ligeros

Como mencionamos antes TBB estandar no incluye el origen de nuestro universo. Bastante, simplemente hace un recuento del universo hasta el punto cuando estaba sumamente caliente y denso. Exactamente cuán caliente y denso podría estarlo y todavía ser razonablemente descrito por la TGR es una área de investigación activa pero podemos irnos a temperaturas y a densidades bien por encima de lo que uno encontraría en el centro del sol.

En este límite, tenemos temperaturas y densidades lo suficientemente altas que los protones y neutrones existían como partículas libres, no contenidas en los núcleos atómicos. Esta fue la era de la nuclesíntesis primigenia, durando la mayoría de los primeros tres minutos de la existencia de nuestro universo (de allí el título del libro famoso de Weinberg "Los primeros tres minutos"). Una descripción detallada de la nucleosíntesis del Big Bang (BBN) puede encontrarse en el sitio web de Ned Wright, incluyendo las reacciones nucleares relevantes, dibujos y referencias. Para nuestros propósitos una introducción breve bastará.

Como en el núcleo de nuestro sol, los protones y los neutrones libres en el universo temprano pasaron por la fusión nuclear, produciendo núcleos de helio principalmente (He3 y He4), con un remanente de deuterio (una forma de hidrógeno con un núcleo neutrón-protón), litio y berilio. A diferencia de aquellos en el sol, las reacciones duraron solamente un breve momento gracias al hecho de que la temperatura y densidad del universo estaban bajando rápidamente cuando se dilató. Esto quiere decir que los núcleos más pesados no tenían una oportunidad de formarse durante este momento. En vez de eso, esos núcleos se formaron después en estrellas. Los elementos con los números atómicos hasta el hierro son moldeados por la fusión en núcleos estelares, mientras que los elementos más pesados son producidos en supernovas. Información adicional sobre nucleosíntesis estelar se puede encontrar en páginas de la Wikipedia y en la sección 2g más abajo.

Armado con TBB estandar (más fácil esta vez debido a que sabemos que la expansión fue dominada por la radiación en ese momento) y un poco de física nuclear, los cosmólogos pueden hacer pronósticos muy precisos sobre la respectiva abundancia de los elementos ligeros a partir de la BBN. Como con el diagrama de Hubble que combina, sin embargo, hacer cuadrar las predicciones con las observaciones es más fácil de decir que hacer. La abundancia de elementos se puede medir de diferentes maneras, pero el método más común es mirando la fuerza relativa de las características espectrales en estrellas y galaxias. En cuanto la abundancia es medida, sin embargo, tenemos un problema similar al de la sección previa acerca de a las velocidades peculiares: ¿cuánto de los elementos se produjeron durante la BBN y cuánto se produjo después durante nucleosíntesis estelar de elementos?

Para resolver este problema, los cosmólogos usan dos enfoques:

  • Deuterio: de los elementos producidos durante la BBN, el deuterio tiene por lejos la energía obligatoria más baja . Por consiguiente, el deuterio que es producido en estrellas se consume muy rápidamente en otras reacciones y cualquier deuterio que observamos en el universo es muy posiblemente el primigenio. La desventaja de este enfoque es que el deuterio primigenio también puede ser destruido en las capas exteriores de las estrellas, dándonos una subestimación de la abundancia total, pero hay otros métodos (como observar la región alfa de Lyman en los quásares distantes) que evitan estos problemas.
  • Mirada profunda: uno puede tratar de mirar las estrellas y las nubes de gas que están muy lejos. Gracias a la velocidad finita de la luz, cuanto más grande es la distancia entre el objeto y los observadores aquí sobre la Tierra, más antigua es la imagen. Por lo tanto, mirando las estrellas y las nubes de gas muy lejanas, uno puede observarlos cuando la abundancia de elementos pesados era mucho más baja. Yendo lo suficientemente hacia atrás, uno llegaría a una época donde ninguna estrella previa habría tenido oportunidad de formarse, y por lo tanto, la abundancia de elementos estaba en su nivel primigenio. Por el momento, no podemos mirar hacia atrás tan lejos. Estos objetos tendrían corrimiento al rojos muy altos, tomando la luz en el infrarrojo donde las observaciones que se hacen en la Tierra son muy difíciles debido a los efectos de la atmosfera. De la misma manera, al estar muy lejos las hace sumamente débiles, añadiendo a nuestros problemas. Ambos de estos problemas deberían solucionarse enormemente cuando el telescopio espacial James Webb entre en servicio. Lo que podemos hacer ahora ser observar estrellas más viejas, medir la abundancia de sus elementos, y tratar de hacer una extrapolación de atrás para adelante.

De la misma manera que la mayoría de las predicciones de la TBB, la abundancia de elementos primigenios depende de algunos parámetros. Los que importan en este caso son el parámetro de Hubble (la velocidad de expansión determina cuán rápidamente el universo va de caliente y denso para producir la nucleosíntesis a suficientemente frío y tenue para detenerla) y la densidad bariónica (para que la nucleosíntesis ocurra, los bariones tienen que chocar y la densidad de ellos nos dice cuán a menudo ocurre eso). La dependencia sobre ambos parámetros generalmente es expresada como una dependencia simple en el parámetro conjunto OmegaB h2 (como se ve en el dibujo abajo, suministrado por Ned Wright).

Abundance of light elements

Como esta cifra implica, hay dos pliegues de comprobación para la teoría. Antes que nada, las mediciones de varias de las abundancia de los elementos deben producir un valor consistente de OmegaB h2 (la intersección de las bandas horizontales y las líneas varias). En segunda, mediciones independientes de OmegaB h2 de las otras observaciones (como los resultados del WMAP en la sección 2e) deben producir un valor que es compatible con la composición de la abundancia primigenia (la banda vertical). Ambos enfoques fueron usados en el pasado; antes de los resultados precisos del WMAP para la densidad bariónica, el primero se usó más frecuentemente. Para una descripción detallada de lo que se sabía en 1997, mirar nucleosíntesis de la gran explosión ingresa en la era de la precisión.

Una de las principales pruebas de la teoría del Big Bang las observaciones que muestran que, cuando uno ve objetos más y más viejos, la abundancia de la mayoría de los elementos pesados se hace más y más pequeña, tendiendo al cero. Por contraste, la abundancia de helio se va a un valor con límite casi cero. Las mediciones muestran consistentemente que la abundancia de helio, incluso en objetos muy viejos, todavía está alrededor del 25 % del monto total de materia "normal". Y eso corresponde al valor que la TBB pronostica para la producción de Helio durante la nucleosíntesis primigenia. Para más detalles, vea Olive 1995 o Izotov 1997. También mirar la gráfica de más abajo, comparando la predicción de la TBB con la del modelo del universo estacionario (datos tomados de Turck Chieze 2004, gráfica provista por Ned Wright).

Abundance of helium vs. oxygen

Cálculos recientes tanto así como referencias a observaciones recientes pueden encontrarse en Mathews (2005). En estudios más antiguos, había algunos problemas con galaxias que tenían abundancia de helio aparentemente muy bajo (específicamente I Zw 18); este problema fue tratado y ha sido resuelto desde entonces (cf.. Luridiana 2003).

D) Existencia de la radiación de fondo de microondas cósmica (RFMC)

Aunque los núcleos atómicos fueron creados durante la BBN, los átomos como los pensamos normalmente todavía no existían. Antes de eso, el universo estaba lleno de un plasma caliente hecho de núcleos libres muy densos y electrones. En un ambiente así, la luz no puede viajar libremente; los fotones se están dispersando constantemente de las partículas cargadas. De igual manera, cualquier núcleo que se liga a un electrón a un electrón tropezaría con un fotón lo suficientemente cargado que rompería el enlace rápidamente.

Como con la era de BBN, sin embargo, el universo no se quedaría caluroso y denso lo suficiente para mantener este estado. Al final (después de aproximadamente 400,000 años), el universo se enfrió hasta el punto en que los electrones y núcleos podían formar átomos (un proceso que es descrito con el confuso término "Recombinación"). Debido a que los átomos son electricamente neutros solo interactúan con fotones con cierta energías solamente, la mayoría de los fotones repentinamente fueron capaces de recorrer distancias mucho más grandes sin interactuar con ninguna materia (generalmente esta parte del proceso es descrita con el término "descomposición"). El universo se hizo transparente y los fotones a partir de ese momento han estado moviéndose libremente en todo el universo. Y, debido a que el universo se ha dilatado muchísimo, las longitudes de onda de estos fotones han sido distorsionadas muchísimo (por sobre un factor de 1000).

De este escenario básico, podemos hacer dos predicciones muy poderosas para esta radiación residual:

  • Debe ser muy uniforme. Una de las suposiciones básicas de la TBB es que el universo es homogéneo y, teniendo en cuenta el tiempo entre el principio del universo y descomposición, cualquier inhomogeneidad (tal como los esperados de la inflación) no habrían tenido mucho tiempo de crecer.
  • Debe tener un espectro de cuerpo negro. Cuando dijimos antes, antes de la descomposición el universo estaba lleno de plasma y fotones que se estaban dispersando constantemente fuera de toda la materia ionizada. Esto hace al universo un receptor perfecto; ningún foton podía dejar el universo así que pondrían a todo el universo (o por lo menos la parte que estaba causalmente conectada) en el equilibrio térmico. Como tal, podemos describir el universo como teniendo una temperarua única. En termodinámica clásica, los fotones emitidos por un cuerpo negro en una temperatura dada tiene una distribución muy específica de energías y, como Tolman mostró en 1934, un espectro de cuerpo negro se quedará como un espectro de cuerpo negro (aunque a una temperatura más baja) cuando se desplaza al rojo.

La existencia de esta radiación de fondo fue sugerida por Gamow primero al mismo tiempo que Alpher y Herman en 1948. Sus predicciones iniciales correctamente decían que la temperatura de la radiación, que habría sido de luz visible durante la descomposición, de desplazaría a la región de microondas del espectro electromagnético en este momento. Eso, combinado con el hecho de que la fuente de la radiación lo puso "por detrás" de las fuentes de liz normales como las estrellas y las galaxias, dio su nombre a esta radiación: la radiación de fondo de microondas cósmica (RFMC o simplemente RF).

[N. del T: la parte siguiente del artículo no ha sido revisada en su traducción]

Mientras a grandes rasgos estaban en lo correcto, los Gamow, Alpher y Herman cálculos aproximados para la temperatura exacta no eran tan precisos. El rango inicial estaba entre 1 K (grado Kelvin) y 5 K, usando modelos algo diferentes para el universo (Alpher 1949), y en un libro posterior Gamow estiró esta aproximación a 50 K. Los mejores cálculos aproximados hoy en día ponen la temperatura en 2,725 K (Mather 1999). Mientras esto puede parecer una discrepancia grande, es importante tener en cuenta que el pronóstico depende de varios parámetros cosmológicos (el más notablemente es la constante de Hubble) que no eran conocidos con exactitud en ese momento. Volveremos a este punto más adelante, pero tomemos un momento para hablar de las mediciones que resultaron en el valor actual (la página de Ned Wright sobre RFMC también es digna de leer para más detalles sobre la historia temprana de las mediciones de RFMC).

El primer intento intencional de medir la RFMC fue hecho por Dicke y Wilkinson en 1965 con un instrumento montado sobre el techo del departamento de física de Princeton. Mientras todavía estaban formulando su experimento, fueron sacados por dos ingenieros de Bell Labs que trabajaban en la transmisión de microonda como una herramienta de comunicaciones sin querer. Penzias y Wilson habían desarrollado un receptor de microondas pero ser unable eliminar un ruido de fondo persistente que seem afectar el auricular no importa dónde lo apuntaron en el cielo, de día o de noche. Al se contactar con Dicke para el consejo sobre el problema, se daban cuenta de qué habían observado y recibieron el premio Nobel al final para física en 1978. Más detalle sobre el descubrimiento está disponible aquí.

Desde entonces, las mediciones de la temperatura y distribución de energía dla RFMC han mejorado dramáticamente. Medir la RFMC del suelo es difícil porque microwave radiation es absorbido por vapor de agua enérgicamente en la átmosfera. Para evitar este problema, los cosmólogos han usado globos a gran altitud cohetes balísticos y satélite - los experimentos nacidos. El experimento más famoso que se concentraba en la temperatura dla RFMC era el satélite de COBE (El Explorer de fondo cósmico). Giró alrededor de la tierra, tomando los datos de 1989 a 1993.

COBE era en realidad algunos experimentos en uno. El instrumento de DMR midió los anisotropies en la temperatura de RFMC al otro lado del cielo (¿usted ve? más abajo) Mientras el experimento de FIRAS midió la temperatura total dla RFMC y su distribución de energía espectral. Como dijimos antes, el pronóstico de TBB es que la RFMC debe ser un blackbody perfecto. FIRAS encontró eso al que esto era verdadero un grado raro. La trama abajo (proveído por Ned Wright) indica el espectro de RFMC y el mejor blackbody apto. Como uno puede ver, las barras de error, que son muy pequeñas, son en realidad 400 desviaciones típicas. A decir verdad, la RFMC está tan cerca de un blackbody como algo que podemos crear aquí sobre Tierra.

Spectrum of the CMBR

En muchos orígenes de cosmología alternativos, uno tropezará con la afirmación de que la RFMC no era un pronóstico genuino de TBB, but bastante un "Retrodiction" desde los valores para la temperatura de RFMC que Gamow pronosticó antes de que la medición fuera diferente/s del valor mesurado eventual significativamente. Por lo tanto,, el argumento se va, el" valor de "Derecha" podía ser obtenido ajustando que los parámetros de la teoría se ajusten al observar solamente. Este extraña dos puntos cruciales:

  • La existencia, no la temperatura, es la clave. En la falta de TBB, no habrá razón de esperar un uniforme, largo - la radiación de fondo de longitud de onda en el universo. Es cierto, astrónomos como Eddington predijeron que veríamos la radiación de polvo interestelar (la luz de las estrelllas absorta, el re que - irradió como la emisión térmica) o el fondo protagoniza. Sin embargo, esos modelos No resulte en el tipo de la uniformidad que see en la RFMC, ni ellos producir Un espectro de blackbody (Estrellas, en particular, tener fuerte Líneas espectrales Que estar perceptiblemente ausente en el espectro de RFMC). Los pronósticos similares pueden ser hecho para la radiación de fondo en otras partes del espectro electromagnético (x - el fondo de rayo de supernovas distantes y quásares, por ejemplo) y la distribución de esos fondos no es ni cerca tan uniforme como vemos con la RFMC.
  • Esto es cómo la ciencia funciona. Ninguna teoría física existe independiente de los parámetros libres que son determinado de la observación siguiente. Esto es cierto de la gravedad de Newtonian y gramos (la constante de Newton), es verdadero de mecánica cuántica y electrodinámica de cuanto (la constante de Planck, el precio de electrón) y es verdadero de cosmología. Cuando mentionedabove, La prueba de una teoría no lo es que conoce un pronóstico. En vez, la prueba verdadera si el modelo puede ajustarse a los otros comentarios en cuanto ha sido calibrado contra uno data set ser.

Una prueba final de los orígenes de cosmológica dla RFMC viene de mirar galaxias distantes. Debido a que la luz de estas galaxias fue emitida en el pasado, esperaríamos que la temperatura dla RFMC fuera en consecuencia más alta en ese momento. Revisando la distribución de la luz de estas galaxias, podemos conseguir una medición cruda de la temperatura dla RFMC cuando la luz que estamos observando ahora fue emitida (por ejemplo Srianand 2000). El estado en curso de esta medición es mostrado en la trama abajo (proveído por Ned Wright). La precisión de esta medición no es obviamente casi tan gran como vimos con los datos de COBE, pero están de acuerdo con los pronósticos de TBB básicos para la evolución de la temperatura de RFMC con corrimiento al rojo (y no estar de acuerdo con el lo que uno would esperar para uno RFMC generado significativamente de la luz de las estrelllas corrimiento al rojoed o el semejante).

Changing temperature of the CMBR
E) fluctuaciones en la RFMC

Como se menciona en el punto previo, la temperatura dla RFMC es sumamente uniforme; las diferencias en la temperatura en ubicaciones diferentes sobre el cielo son debajo de 0.001 K.. Debido a que tema y radiación fueron juntados fuerte durante las etapas más tempranas del universo, esto insinúa que la distribución del tema era también inicialmente uniforme. Mientras esto se ajusta a nuestra suposición de cosmológica básica, resulta en la pregunta de cómo nos fuimos de ese universo muy uniforme a la distribución decididamente clumpy del tema que vemos sobre balanzas pequeñas hoy. ¿En otras palabras, cómo podían haberse formado de un gas esencialmente homogéneo planetas, estrellas, galaxias, grupos de galaxia, etcétera?

In estudiar esta pregunta, cosmólogos terminarían desarrollar uno de los pronósticos más fuertes y espectacularmente prósperos de TBB. Antes de describir el equipo de teoría de cosas, sin embargo, tomaremos un desvío breve en la historia de medir fluctuaciones ("Anisotropies" en términos de cosmológica) en la RFMC.

El primer intento de medir las fluctuaciones en la RFMC fue hecho como part of el COBE (El Explorer de fondo cósmico) la misión. Como part of su misión cuatro años durante el a comienzos de 1990s, usó un instrumento called el DMR para buscar las fluctuaciones en la RFMC al otro lado del cielo. Sobre la base de the then - modelos de TBB en curso, las fluctuaciones observadas por el DMR eran mucho más pequeño de lo esperado. Debido a que el instrumento había sido diseñado con los amplitudes de fluctuación esperadas en mente, las observaciones terminaron estar justo encima del umbral de sensibilidad del instrumento. Esto resultó en la especulación de que la "Señal" era simplemente el ruido estadística, pero era enough generar varios intentos siguientes buscar la señal.

Con las observaciones de satélite todavía cerca, los datos durante the following década fueron coleccionado usando - experimentos resistidos de globo principalmente (ver la lista En el(la/los/las) de administración espacial norteamericana Centro de datos de RFMCPara una historia minuciosa). Estos experimentos a gran altitud podían get encima de la mayoría vasta del vapor de agua en la átmosfera para una mirada más clara en el cielo de RFMC at the expense of una relativamente pequeño amount of vez observing. Esto limitó la cantidad de la cobertura de cielo que estas misiones podían conseguir, pero podían demostrar que la señal vista por COBE era legítima concluyentemente y (en menor grado) que las fluctuaciones se ajustaban a los pronósticos de TBB.

En 2001, la investigación de mapa (Investigación de Anisotropy de microondas) ser iniciado, después respecto a - nombrado para WMAP en el honor deWilkinsonQuién haber sido part of el equipo original que buscaba la RFMC back in the 1960s. A diferencia de COBE, WMAP fue enfocado completamente sobre la cuestión de medir las fluctuaciones de RFMC. Se basar en la experiencia y los avances tecnológicos se desarrolló para las misiones de globo, tenía mucho mejor que COBE resolución angular (vea la imagen abajo del equipo de Science de la administración espacial norteamericana / WMAP). También evitó uno de los problemas que habían atormentado la delegación de COBE: la emisión de gas térmica fuerte de la tierra. En lugar de girar alrededor de la tierra, el satélite de WMAP suponía que un viaje de tres meses lo hacer/siera L2, El segundo punto de Lagrangian en la tierra - el sistema de Sun. Este meta - idea estable es más allá de la tierra la ruta de circunvalación estar alrededor del sol, roughly uno décimo tan lejos como la tierra es del Sun. Ha estado ahí, tomando los datos, desde entonces.

Comparsion of the sky maps taken by COBE and WMAP

En la primavera de 2003, los resultados del primer año de la observación eran - lanzados al mercado y eran asombrosos en su precisión. Como un ejemplo, por décadas la edad del universo no había sido sabida hacerlo/serlo mejor que aproximadamente dos mil millones años. Combinando los datos de WMAP con las otras mediciones disponibles, repentinamente sabíamos la edad del universo a menos de 0.2 mil millones años. General, los parámetros que habían sido sabidos a menos de 20 - 30 % vieron sus errores shrink a less than 10 por ciento o mejor. Para una descripción más llena de cómo afectaron nuestro conocimiento de TBB los datos de WMAP, vea los resultados de misión del sitio web de WMAP. Esa página es dirigida a un profano audiencia; más técnico del que el detalle puede ser encontrado en su lista su Trabajos de primer año.

Así que, ¿cómo sucedió este salto asombroso en la precisión? La respuesta está tendida en el conocimiento un poco sobre qué ocurrió entre el tiempo cuando el tema y la radiación tenían densidad de energía iguales y el tiempo de decouple. Una descripción más llena de esto puede ser encontrado en las páginas de Anisotropy de CMB de Wayne Hu Y el(la/los/las) de Ned Wright Páginas. Después del tema - la igualdad de radiación material oscuro era eficazmente decoupled de la radiación (el tema normal se quedaba juntado desde que todavía era un plasma ionizado). Esto quiso causar cualquier inhomogeneities (surgir de las fluctuaciones de cuanto esencialmente) a eso en la materia obscura que la distribución rápidamente empezaría para desplomarse y formar la base para el desarrollo posterior de la estructura a gran escala (las semillas de estos inhomogeneities fueron colocadas durante la inflación, pero haremos caso omiso de eso para la discusión en curso). La balanza física más grande por éstos inhomogeneities en cualquier momento era the then - tamaño en curso del universo observable (debido a que el efecto de la gravedad también se desplaza en la velocidad de la luz). Estos grupos de tema oscuros poner Pozos potenciales gravitacionales Eso dibujó materia más oscura tanto como el mezcla de baryon de - de radiación.

A diferencia dla materia obscura, la radiación - el fluido de baryon tenía una presión asociada. En lugar de se reducir a la parte inferior del potencial gravitacional bien, oscilaría, se comprimiendo hasta que la presión superó el tirón gravitacional y luego se dilatando hasta que el contrario era verdad. Este puso lugares calurosos donde la compresión era más grandes lugares fríos donde el fluido se había hecho su más enrarecido. Cuando los baryons y la radiación decoupled, este dibujo fue congelado sobre los fotones de RFMC, resultando en los sitios calurosos y fríos que observamos hoy.

Obviamente, el dibujo exacto de estas diferencias de temperatura no nos indica algo en particular. However, si recordamos que el tamaño más grande por los espacios calurosos corresponde al tamaño del universo visible en cualquier momento, eso nos dice eso, si podemos find el tamaño angular de estas diferencias sobre el cielo del que, entonces/luego ese ángulo más grande corresponderá al tamaño del universo visible en la época decouple. Para hacer esto, medimos qué ser conocido como el espectro a motor anguloso dla RFMC. En pocas palabras, encontramos todos los puntos sobre el cielo que están separado por una balanza angulosa en particular. Para all of those pares, encontramos la diferencia de temperatura y el promedio sobre todos de los pares. Si nuestra fotografía básica es correcta, entonces/luego debemos ver un realce del espectro a motor en la balanza angulosa de la compresión más grande, another one en el tamaño del a mayor escala que ha sufrido la compresión y está en rarefaction de máximo (el espectro a motor es solamente consciente del cuadrado de la diferencia de temperatura tan caliente los lugares y lugares fríos son equivalentes), etcétera. Esto resulta en una serie de lo que es conocido como los "Máximos apogeos acústicos", el puesto exacto y forma de que decir a nosotros sobre no sólo el tamaño del universo en decouple, sino también la geometría del universo muchísimo (ya que estamos mirando la distancia angulosa; ver 1b) Y los otros parámetros de cosmológica.

La cifra abajo del equipo de Science de la administración espacial norteamericana / WMAP muestra los resultados de la medición de WMAP del espectro a motor anguloso usar el primer año de los datos de WMAP. Además de la balanza angulosa tramado sobre el eje de - de x superior, las tramas del espectro a motor anguloso son mostradas como una función de "L" en general. Esto es el número de multipole y es convertido en un ángulo dividiendo 180 grados por los litros aproximadamente. Para más detalle sobre esto, usted puede hacer una búsqueda de Google sobre "Expansión de multipole" o verificar esta página. Las páginas de ciencia de WMAP también proveen una introducción para esta manera de mirar los datos.

Angular power spectrum

Como con la medición de temperatura de COBE, el acuerdo entre la forma pronosticada del espectro de potencia de RFMC y las observaciones verdaderas es sorprendente. El - de globo tenido que experimentos (particularmente bumerán, máximos, y DASI) estaban capaz proveer convenciendo WMAP hace detections de los primeros máximos apogeos acústicos segundos, pero ninguno de esos experimentos podían correlacionar una área grande lo suficientemente del cielo combinar con los datos de DMR de COBE. WMAP llenó esa brecha y proveyó la medición mucho más apretada de los puestos de los primeros máximos apogeos segundos. Ésta era una confirmación muy importante de no solamente la versión de CDM de Lambda de TBB, pero también la imagen básica de cómo el cosmos pasar de una - de radiación temprano dominado, - de plasma llenó universo al tema - universo dominado donde la mayor parte de la estructura a gran escala que vemos hoy empezó a formarse.

F) Estructura del universo a gran escala

Los sitios calurosos y fríos que vemos sobre la RFMC hoy eran las regiones altas y de baja densidad a la época en que la radiación que observábamos hoy fue emitida primero. En cuanto el tema tomó el mando como la fuente dominante de la densidad de energía, estas perturbaciones eran free crecer acumulando otra materia de sus entorno. Inicialmente, el tema se desplomando acabaría de ser material oscuro desde que los baryons todavía eran relacionado a la radiación. Después de la formación dla RFMC y decouple, sin embargo, los baryons también cayó en los pozos gravitacionales puestos por la materia obscura y empezó a moldear estrellas, galaxias, grupos de galaxia, etcétera. Los cosmólogos refer to esta distribución del tema como la "Estructura a gran escala" del universo.

Como una regla general, hacer los pronósticos para las propiedades estadísticas de la estructura a gran escala puede ser muy estimulante. Para la RFMC, las desviaciones de la temperatura de media son muy pequeñas teoría de perturbación lineal es una muy buena aproximación. En comparación, la densidad del tema en nuestra galaxia comparado con la densidad de media del universo es enorme. Por consiguiente, hay dos opciones básicas: haga las mediciones sobre muy balanzas físicas grandes donde las diferencias en la densidad son típicamente mucho más pequeñas o compare las mediciones con las simulaciones del universo donde los efectos lineales non - de la gravedad pueden ser hecho un modelo. Ambos de estas opciones requieren la inversión importante en tanta teoría como equipo físico, pero los últimos varios años han causado algunas confirmaciones excelentes de la fotografía básica.

Como mencionamos en la última sección, el proceso que resultó en la generación de los máximos apogeos acústicos en el espectro de potencia de RFMC fue impulsado por la presencia de un apareamiento ajustado entre fotones y baryons sólo antes de decouple. Este fluido caería en los pozos potenciales gravitacionales puestos por la materia obscura (que no interactuar con fotones) hasta que la presión en el fluido contrarrestaría el tirón gravitacional y el fluido se dilataría. Esto resultó en lugares calurosos y lugares fríos en la RFMC, pero también resultó en donde la densidad del tema era un poco más alta places gracias a los baryons adicionales ser arrastrado hacia adelante por los fotones y las áreas donde la contrario era verdadero. Como con la RFMC, el tamaño de estas áreas fue determinado por el tamaño del universo observable at the time de decouple, por eso ciertas balanzas físicas serían aumentadas si usted mirara el espectro a motor anguloso de los baryons. Por supuesto, en cuanto el universo se fue a través de decouple, los baryons cayó en los pozos gravitacionales con la materia obscura, pero esas balanzas persistirían cuando los "Meneos" sobre el tema en conjunto suministran energía al espectro.

Por supuesto, cuando el tamaño del universo creció, la balanza física de esos meneos aumentó, llegando a aproximadamente 500 millón año luzs al final hoy. Hacer una medición estadística de objetos separado por esos tipos de las distancias requiere encuestar un volumen muy grande del espacio. En 2005, dos equipos de cosmólogos Informó sobre las mediciones independientes de la característica de baryon esperada. Como con el poder de RFMC el espectro, tan confirmado que los cosmólogos de modelo han desarrollado para el crecimiento inicial de la estructura a gran escala era un buen fósforo al lo que veíamos en el cielo.

El segundo método para comprender la estructura a gran escala es vía las simulaciones de cosmológica. La idea básica detrás de todas simulaciones es esta: ¿si fuéramos un cuerpo grande y podíamos sentir la atracción gravitacional de todos the other cuerpos grandes en el universo y la geometría en conjunto del universo, adónde nos iríamos después? Las simulaciones responden a esta pregunta quantizing tanto tema como el tiempo. Una típica simulación tomará n partículas (where Nis un número grande; por lo tanto el N de término - la simulación de cuerpo) y destínelos a uno tres - la cuadrícula dimensional. Esos puestos iniciales son entonces/luego perturbed imitar las fluctuaciones iniciales en la densidad de energía de la inflación ligeramente. Dado los puestos de todas estas partículas y habiendo elegido una configuración por nuestro universo fingido, podemos calcular dónde deben irse en el próximo bit pequeño del tiempo todas estas partículas ahora. Cambiamos de lugar todas las partículas en consecuencia y luego lo recalculamos y hacemos otra vez.

Obviamente, esta técnica tiene límites. Si atribuimos un montón en particular a todas nuestras partículas, entonces/luego las mediciones de la masa debajo de cierto límite serán enérgicamente quantizeds (y por lo tanto inexacto). Igual, el alcance de balanzas de longitud es limitado: de arriba por el volumen del trozo del universo que hemos decidido simular y abajo por el resolver escalar de nuestras partículas masivas. También hay el problema que, sobre balanzas pequeñas por lo menos, la física que condiciona donde baryons se irá involucra más de lo que sólo la gravedad; la dinámica de gas y los efectos de la formación de estrella son simulando baryons (y por lo tanto, la parte del universo que podemos en realidad ver el!) Estimulante. Definitivamente, no esperamos la distribución exacta de la masa en la simulación para decirnos ninguna cosa en particular; solamente queremos comparar las propiedades estadísticas de la distribución con nuestro universo. Este artículo Habla de estos métodos estadísticos en el detalle además de proveer las referencias a los datos de observación relevantes.

Todavía, teniendo en cuenta todos estos defectos, los esfuerzos de simular el universo han mejorado tremendamente sobre las últimas décadas, tanto de un equipo físico y un punto de vista de software. Blanco (1997) Examina los fundamentos de la estructura fingida que la formación tanto como el de observación evalúa que uno puede usar para comparar las simulaciones con los datos legítimos. Muestra los resultados para cuatro sabores diferentes de modelos - - incluyendo tanto the then "Materia oscura fría" universo de nivel de - como un universo con una constante de cosmológica. Este estaba poniendo la mentira a la afirmación de que, antes de los datos de supernovas, la posibilidad de que la constante de cosmológica era el cero non - fue hecha caso omiso de en la literatura de cosmológica antes de que los resultados de supernovas fueran dados a conocer. Un universo de CDM era el favorito at the time, pero cosmólogos eran bien conscientes del hecho de que los datos no eran eliminar algunos modelos variantes lo suficientemente poderoso.

El Columbi (1996) El papel es también un buen ejemplo de este conocimiento. En este artículo modelos varios que contenían las cantidades diferentes de materia oscura caliente y fría eran simulados, tan bien como los intentos para incluir "Calientan" materia oscura (i.e. materia oscura que no es muy relativista, pero todavía en movimiento tener presión importante lo suficientemente rápido). Su Figure 7 provee una comparación visual bonita entre distribuciones de galaxia observadas y los resultados de los universos sintéticos varios.

En 2005, el Virgo consorcioLiberó el "Simulación de milenio"; los detalles pueden ser encontrados sobre ambos el Virgo página de inicio y Esto pageEn el Max Planck instituto para astrofísica. Usando el modelo de concordancias (librado de corresponder a los resultados de los estudios de supernovas, las observaciones de WMAP, etcétera), estas simulaciones pueden reproducir los distribuciones de galaxia a gran escala observado muy bien. Sobre balanzas pequeñas, todavía hay un poco de desacuerdo, sin embargo (vea abajo para una discusión más detallada).

G) La edad de las estrellas

Debido a que las estrellas son una parte del universo, naturalmente sigue que, si TBB y nuestras teorías de la formación sobresaliente y la evolución son más o menos correctas, entonces/luego no debemos esperar ver a estrellas más viejas que el universo (3d de comparación!). Más precisamente, el Observaciones de WMAP Sugera que las primeras estrellas fueran "Nacidas" cuando el universo era solamente aproximadamente 200 millón años, así que debemos esperar ver a ningunas estrellas que son más viejo que aproximadamente 13.5 mil millones años. Por otro lado modelos de evolución sobresalientes nos dicen que el más bajo - estrellas masivas (aquellos con una mole roughly 1/10 eso de nuestro Sun) es esperados "Vivir" durante decenas de billones de años así que hay una oportunidad para el desacuerdo importante.

Antes de ahondar en este asunto más lejos, un poco de nomenclatura es necesaria. Los astrónomos asignan la formación sobresaliente en tres generaciones called "Poblaciones" en general. El distinguir característico aquí es la abundancia de elementos con la masa atómica más grande que el helio (éstos son refer to como "Metales" en la literatura astronómica y la abundancia de metales como el "Metallicity" de la estrella all). Cuando explicamos en 2c de sección, A una muy buena aproximación nucleosíntesis primigenia produjo solamente helio e hidrógeno. Todos los metales fueron producidos después en los núcleos de estrellas. Así, las poblaciones de estrellas están bruscamente separadas por su contenido de metal; la población a quien tengo como protagonista (de la misma manera que nuestro sol) tiene un metallicity alto, mientras que las estrellas de Population II son mucho más pobres en los metales. Debido a que el contenido de metal de nuestro universo aumenta con el tiempo (cuando las estrellas tienen más y más el tiempo de unir elementos más ligeros en ones más pesados), metallicity también actúa como un indicador desigual por cuando una estrella en particular fue moldeada. Las creación sobresalientes diferentes también son resumido en este artículo.

Aunque no puede ser inmediatamente obvio, la abundancia de metales durante la formación de estrella tiene un impacto importante en la población sobresaliente dar como resultado. El problema básico de la formación de estrella Es que la identidad - la gravedad de una nube en particular del gas interestelar tiene que superar la presión térmica de la nube; nubes donde esto ocurre se derrumbarán al final para moldear estrellas mientras que ésos donde no hace la voluntad se quedan nubes. Cuando una nube de gas se derrumba, la energía gravitacional es traspasada en la energía térmica y la nube se calienta. Por turno, esto incrementa la presión y hace la nube less likely derrumbarse más lejos. El truco, entonces/luego, es irradiar a que la energía térmica adicional tan eficientemente tan posible por eso que se desploma puede continuar. Los metales cuidan tener una estructura de electrón más complicada y son more likely moldear moléculas que hidrógeno o helio, haciéndolos la energía en irradiar a térmica mucho más eficiente. En la falta de tales vías, la única manera de get alrededor de este problema es incrementando el lado gravitacional de la ecuación, i.e., la mole de la nube de gas se derrumbando. Por lo tanto, para una nube interestelar en particular, más metales resultarán en una fracción más alta de estrellas masivas bajas, respectivo a las estrellas causadas por un metal - nube mala.

El caso extremo con respecto a esto es las estrellas de Population III. Éstos eran the very primero con el que la generación de estrellas y los por lo tanto ellos se formaron prácticamente ningunos metales en todos. Como such, su distribución masiva fue distorsionada en exceso hacia el final masivo alto del espectro. Un poco de los detalles y las implicancias de esta situación pueden ser encontrados en esta charla sobre reionization Y éstos Dos Artículos Sobre las primeras estrellas.

Observar esta población de estrellas directamente would ser una muy bueno pieza de pruebas para TBB. Desafortunadamente, la vez de vida de estrellas (que es decir la época durante la que están uniendo hidrógeno en sus núcleos en helio) disminuye enérgicamente con su mole. Para una estrella como nuestro sol, la vida es del estilo de 10 mil millones años. Para la población III protagoniza, que son esperado tener una típica mole a la que around 100 veces eso del sol, esta vez shrink en torno de años de unos cuantos millones (un instante, por los padrones de cosmológica). Por lo tanto, debemos mirar regiones de universo donde la luz que observamos fue emitida primero al borde de la época cuando estas estrellas brillaron. Esto quiere decir que la luz será tanto débil como muy corrimiento al rojoed (z ~ 20). La combinación de estos dos efectos hace las observaciones del suelo en gran parte impracticable, pero puede ponerse posible when el telescopio de espacio de James Webb Empieza el servicio.Primeros resultados prometedores Ser obtenido sólo recientemente by elSpitzer infrarrojo telescopio de espacio.

De la misma manera que estrellas hoy, estrellas de Population III moldearon elementos pesados en sus núcleos (por la fusión nuclear), E incluso elementos más pesados cuando se fueron Supernova. Estos metales fueron dispersados en todo el espacio por las supernovas que las explosiones y las estrellas de Population II moldearon. Con la ayuda del enfriamiento de metal, estrellas masivas más bajas podían formarse, que todavía se están quemando hoy lo suficientemente bajo. Las estrellas de II de población son vistas de forma preferencial en grupos globulares que giran alrededor de la galaxia y en la protuberancia galáctica. Por usar el Hertzsprung - diagrama de Russell, Los astrónomos pueden conseguir un cálculo aproximado de cuándo las estrellas en un grupo globular (o el otro grupo de estrella) se formaron. Esto es explicado en más detalle presente el Pregunta frecuente sobre determinar las distancias a objetos astronómicosO sobre esta página aproximadamente el Hertzsprung Russell Diagram y evolución sobresaliente.

Un segundo método de determinar la edad sobresaliente está en las capas exteriores de una estrella midiendo el contenido de beryllium. Aplicar esta técnica al grupo globular NGC 6397, lo Pasquini (2004) Encontrar una edad de 13.4 mil millones años, plus or minus 800 millón años (mayor cantidad en la que los detalles pueden ser encontrados Este artículo). Los otros estudios desean Krauss (2003) Y Hansen (2004) Resultados similares obtenidos con los métodos relacionados: 12.2 y 12.1 mil millones años, respectivamente, con los errores on ordenan 1 a 2 mil millones años.

Las incertidumbres grandes en estas edades ser en parte debido a que estos métodos dependen de nuestro desarrollo de ofstellar de teoría crucialmente("Evolución sobresaliente"), cuál por turno depender de que nuestro conocimiento de las reacciones nucleares pase en estrellas. A pesar de las energías relativamente bajas, los detalles para algunas de estas reacciones se quedan algo imprecisos.

Recientemente, los nuevos resultados fueron obtenidos sobre la velocidad de una cadena de reacción nuclear Cuál ser muy importante en las estrellas, el tan - llamarCiclo de CNO. Este estudio (Imbriani 2004) Reveló que la velocidad de esta reacción era far más lenta que ser asumido antes. Esto insinúa que las estrellas son más viejas que asumir antes, junto a algo entre 0.7 y 1 mil millones años por turno. Usando los datos de Pasquini, esto insinúa que las estrellas más mayores en el Milky Way son 14.1 a 14.4 mil millones años years viejo. Esto es más viejo que el age of el universo determinó de las otras mediciones (comparar los datos de WMAP, 2d); Pero uno tiene que tener en cuenta los errores relativamente grandes relacionados con estas determinaciones de edad (vea de arriba). Así que estas edades de estrella todavía son compatibles con el age of el universo resuelto en las otras maneras.

Como apuntar por Dauphas (2005), Es también posible determinar la edad del Milky Way sin depender de las suposiciones sobre los detalles de las reacciones nucleares pasar en las estrellas. Usó mediciones del uranio (- 238 de U) y abundancia de torio (- 232 de Th), tanto en el sistema solar y en estrellas de halo de metallicity de - bajos para determinar el age de nuestra galaxia. Su resultado era 14.5 mil millones años, con las incertidumbres de - 2.2 y +2.8 mil millones años. Tardando estos márgenes de errores into account, esto es otra vez bien compatible con la edad del universo determinada por WMAP.

Uno también debe notar que la edad de las estrellas en galaxias distantes también puede ser determinado. Para hacer esto, uno calcula modelos teóricos de qué parece cuando las estrellas de adentro tienen cierta edad el espectro de una galaxia (¿usted ve? Jimenez 2004), Y compara estos pronósticos de modelo con los espectros observados de galaxias. Obviamente, éste es un método algo complicado con los errores potenciales ni siquiera más grandes que de los métodos para determinar los ages of estrellas en nuestro vecindario.

Sin embargo, hasta ahora los resultados encontrados son compatibles con un universo con una edad finita. En galaxias que están lejano de nosotros, que debemos por lo tanto ver cuando parecían cuando todavía eran muy jóvenes, solamente estrellas jóvenes son encontradas. Por ejemplo, Nolan (2003) Descubrió que en dos galaxias con corrimiento al rojos alrededor de 1.5, las estrellas tuvieron ages of around 3 - 4 mil millones años a lo más. También había un estudio detallado hecho sobre la historia de formación de estrella del universo, usar observaciones de los ages of estrellas en galaxias distantes, que mostraba que el rate de la formación de estrella era más alto hace aproximadamente 5 mil millones años (Cielos 2004).

H) La evolución de las galaxias

Las galaxias son también entidades dinámicas, cambiando con el tiempo. Como con la estructura a gran escala, los golpes anchos de formación de galaxia siguen a una ruta de "Se agrupar": las estructuras jerárquico pequeñas se forman muy antes y éstos fusionan para moldear estructuras más grandes cuando el tiempo pasa. Dentro de este marco más grande, algunas galaxias desarrollarán las características secundarias como brazos en espiral o - de la barra como estructuras, algunos de que will ser temporal y algunos de que will persistir.

Esta fotografía básica nos dice que, si miramos regiones muy distantes del universo (i.e., galaxias con corrimiento al rojos muy altos), debemos ver galaxias principalmente pequeñas e irregulares. En su mayor parte, éste es el lo que encontramos (con algunas excepciones notables, como cubriremos después). Empezar en 1996, el Hubble Space Telescope Tomar a series of ideas muy hondas: el Hubble campo hondo, ElHubble sur de campo hondo, Y elHubble Ultra campo hondo. Como uno would esperar, la morfología de pocas galaxias cercanas en estas ideas es quite a bit diferente de las galaxias de corrimiento al rojo muy altas.

Otro indicador importante de evolución de galaxia viene desde quásares, Específicamente su distribución de corrimiento al rojo. Los quásares son creídos ser suministrados energía por agujeros negros de supermassive en los centros de galaxias que acumulan materia en general; cuando polvo y gas caen en el agujero negro, se caldea tremendamente y emite una cantidad enorme de la energía al otro lado de un espectro amplio. Para la mayoría de los quásares verdaderos, la cantidad de la energía soltada durante este proceso es algunos órdenes de importancia más grandes que toda la luz emitió junto a the rest of la galaxia. In order para este tipo de comportamiento ocurrir para un poco de duración del tiempo, las galaxias tienen que tener Ô‹’ polvo y gas gratis cerca de sus núcleos. El en grandes cantidades de quásares observados tiene corrimiento al rojos cerca de z ~ 2, que sugiere que había una época especial durante la historia del universo cuando las condiciones eran correctas por una fracción grande de galaxias. Para novio - los modelos estatales del universo, esto es hard explicar. Por otro lado, TBB explica esto muy prolijamente notando que, en sus etapas tempranas de la formación, las galaxias tienen mucho polvo y gas gratis y colisiones de galaxia eran también más común, que podía servir de un mecanismo para provocar la actividad de quásar.

Con eso dicho, debe ser notado que el formación de galaxia y evolución se queda una pregunta muy abierta dentro de TBB y no sin la controversia. Vea 5d de sección Para más detalles.

I) La dilatación del tiempo en las curvas de la luminosidad de las supernovas

Como explicar en 2b, El viajar ligero por el universo se dilatando pasa por corrimiento al rojo (i.e., la longitud de onda es distorsionada a valores más grandes cuando el universo se dilata). Debido a que la longitud de onda y la frecuencia para un fotón en particular están relacionadas inversamente a través de la velocidad de la luz, que es una constante, es obvio que cuando la longitud de onda aumenta la frecuencia debe disminuir. Igual, si la luz de una galaxia distante varía con el tiempo (como esperaríamos estrellas variables o púlsares para Cepheid), entonces/luego el tiempo entre estos eventos es distorsionado (recordar, la frecuencia está inversamente relacionada con el tiempo). Por lo tanto,, si observamos esta galaxia de Tierra, veremos uno más lento que un observador diferencia en esa galaxia distante y la proporción entre esas veces será exactamente igual a uno más el corrimiento al rojo de la galaxia.

Mientras observar esta dilatación de tiempo con estrellas en galaxias distantes es difícil, podemos evaluarlo usando supernovas En esas galaxias. Las supernovas de Type Ia, en particular, son sabidas tener una firma característica, aumentar en la luminosidad rápidamente y luego se desvaneciendo despacio over the course of las varias semanas. Esta firma varía algo dependiendo de la composición química exacta de la estrella antes de que pase por su explosión de supernova, pero con la observación cuidadosa podemos compensar este efecto. Este aspecto era clave para los mediciones de supernovas que dieron la señal más temprana de la existencia de la energía oscura y ha sido el tema de muchos trabajos (por ejemplo, Leibundgut 1996, Riess 1997, Goldhaber 2001 Y Knop 2003). Estos trabajos lo hacen claro que corregir para los efectos de la dilatación de tiempo de corrimiento al rojo es crítico para comprender los datos. En particular, Goldhaber descarta un "Ninguna dilatación de tiempo" modelo en 18 desviaciones típicas. La trama abajo (de Ned Wright) demuestra las conclusiones de Goldhaber.

Time dilation in supernova brightness curves vs. redshift
J) Pruebas de Tolman

Además de predecir que la longitud de onda de la luz debe cambiar cuando el universo se dilata (donde la longitud de onda observada es distorsionada por un factor de (1 + z) en comparación con la longitud de onda inicial), el TBB también requiere que la luminosidad de superficie de orígenes ligeros disminuya, pero como el cuarto poder de (1 + z). Una consecuencia importante de este efecto es que la emisión térmica de un cuerpo negro en una temperatura en particular en algún momento en la historia del universo todavía aparecerá como un espectro térmico later on, pero en una fiebre que es un factor de (1 + z) más bajo (como mencionamos en 2d). Por lo tanto,, midiendo la desviación del espectro de RFMC observado de eso de un cuerpo negro perfecto, recibimos una prueba muy fuerte de la idea de que la expansión del universo sigue a la fotografía básica de TBB estandar. Esta medición fue llevada con el satélite de COBE en the 1990s y el espectro era found corresponder a un cuerpo negro a una parte en 10,000 (Mather 1990,Fixsen 1996).

Varios intentos han sido hecho aplicar esta prueba a otros objetos en el universo desde Tolman Work el luminosidad adaptar de superficie en 1930. La dificultad muy importante in aplicar esta prueba a cualquier objeto especial es eso, in order probar la luminosidad de superficie observada en comparación con la expectativa, uno debe saber la luminosidad total primero en primer lugar. La falta de tal "Vela de nivel" en cosmología es sentida muy afilado.

En 2001, a series of trabajos por Lubin Intentó aplicar esta prueba a galaxias distantes. Esto es una tarea difícil ya que las galaxias son entidades dinámicas sobre la balanza de tiempo del universo. Pasan por los períodos de estallidos de estrella (la formación rápida de estrellas, generalmente en discos astronómicos), unen la opacidad de los cambios de polvo interestelars con sí, cuando el contenido de metal aumenta, y su elector marca con un asterisco el cambio en la luminosidad cuando envejecen. El periódico de Lubin intenta tardar all of this into account. Después de incorporar estos efectos al esperar adaptando brightnesses de superficie para la galaxia, encuentran los resultados que son compatible con el lo lo que esperan de la galaxia de los que la evolución hace un modelo. Esto no es tan fuerte una señal de que la relación de Tolman resiste como la temperatura de RFMC, pero es una señal segura que la diferencia de la relación estricta es comprendida más o menos. Efectivamente, los resultados eran "La luz cansada" modelos podían ser descartados usando este método lo suficientemente poderoso.

K) El efecto Sunyaev-Zel'dovich

La fotografía que fue descrito en 2d Involucró los fotones de RFMC pasando por el universo de la época de decouple hasta que los notábamos aquí sobre Tierra sin interactuar con algo por el camino. Mientras esto es en gran parte verdadero, no vale para todos fotones. Las regiones alrededor de grupos de galaxia enormes están llenas del gas muy caliente y ionizado. Tan caluroso, a decir verdad, que los electrones gratis se están moviendo en las velocidades relativistas. Debido a que éstos son iones gratis, pueden interactuar con fotones mucho más libremente (desear durante la fase de plasma del universo). Cuando los fotones de RFMC pasen este gas, aproximadamente 1 % de ellos interactuará con el gas. Debido a que los fotones tengan uno mucho más bajo que los electrones energía, el esparcimiento despedirá la energía en los fotones vía el inverso Efecto de Compton. El resultado es que el espectro de RFMC es distorsionado, con algunos de los fotones cambiados a más alto que would esperar de un espectro térmico puro energías. Ésta es la corriente térmica Efecto de Zel 'dovich de - de Sunyaev Y cuando miramos la RFMC en dirección a estos grupos de galaxia que debemos esperar ver los efectos de esta distorsión (Esto page También ofrecer algunos más detalles).

Como podemos ver de los datos de observación, Este efecto es observado evidentemente. Debido a que esto es indicativo del hecho de que los fotones deben haber pasado el grupo para llegarnos, esto es pruebas fehacientes de que la RFMC era efectivamente un fenómeno de cosmológica y produjo no a nivel local. Éstos de los que los comentarios pueden también ser use medir el valor El parámetro de Hubble. La precisión de la medición es algo limitada ya que depende de los detalles de la distribución del gas caliente dentro del grupo, pero los resultados son compatibles con el lo lo que vemos de los otros métodos.

L) Efecto integrado de SachsWolfe

Además del efecto de Zel 'dovich de - de Sunyaev, fotones dla RFMC también pueden ser afectados por el Sachs de Integrated - Wolfe hábilmente Efecto. La base para este efecto lo es corrimiento al rojo gravitacional, Uno de los pronósticos más básicos de gr y hacer una demostración de experimentalmente por libra primero y Rebka en 1960. La idea básica es que, cuando los fotones entran en un potencial gravitacional bien, recogen la energía adicional y cuando se retiran pierden la energía. Por lo tanto, los científicos hacen referencia a fotones "Cayendo en" y "Salir de" pozos gravitacionales.

Cuando los fotones de RFMC pasan la estructura a gran escala por el primer plano, pasan por many such pozos gravitacionales. Si la profundidad del pozo es estática (o bastante si la profundidad del pozo está aumentando en el same rate como la expansión del universo), entonces/luego el cambio de energía de red es cero. Toda la energía que adquirieron se cayendo es el montañismo desperdiciada afuera. Sin embargo, si el universo contiene la energía oscura (o tener una configuración abierta), entonces/luego el universo se dilata más rápido que los pozos gravitacionales alrededor de objetos grandes pueden crecer. Por consiguiente, los fotones de RFMC no pierden toda la energía que ganaron cayendo en los potentials. Esto hace la RFMC parecer muy ligeramente de mayor aceptación en dirección a estos potentials, que contienen las concentraciones más altas de galaxias también.

Luego del lanzamiento de los datos de WMAP, los estudios hechos por Scranton (2003), Afshordi (2004), Boughn (2004), Y Nolta (2004) Midió este efecto que usaba galaxias seleccionadas en varias maneras diferentes. La señal - el a - el ruido en cualquier una de las mediciones no era muy grande. Sin embargo, timado juntos (y combinado con el comentario de WMAP de que la geometría del universo era mejor ajuste por un universo plano), proveen pruebas importantes de que este efecto es verdadero y es explicado por el modelo de CMD de Lambda usual de TBB mejor.

M) Materia oscura

Una queja común que trata de la inclusión de material oscuro en cosmología es que es un "Epicycle", análogo a los epicycles del Ptolemaic geocentric Modelos del sistema solar. En esta opinión material oscuro es una muleta inventada para salvar un modelo que no es conveniente para los datos por lo demás. Mientras popular con los críticos de TBB, esta postura no resiste bajo el escrutinio adicional.

El origen de material oscuro como una entidad astronómica no viene de cosmología, pero bastante del trabajo de Zwicky Y Oort En 1933 y 1940, respectivamente. Los estudios de las velocidades de galaxias en grupos grandes de Zwicky lo convencieron de que debe haber más mole presente en los grupos (para proveer el tirón gravitacional suficiente para guardar los grupos de volar separadamente) que poder ser explicados por el montón visible de las galaxias ellos mismos. Igual, la medición de la rotación que curvas de galaxias (esencialmente, la velocidad orbital de estrellas alrededor del centro galáctico conspiró contra los radios de las estrellas) indicaron que la mole interior a estas órbitas sobresalientes demostró por física de Newtonian simple de Oort no correspondía a la masa inferida de la luz de los centros de esas galaxias. Ambos de estas observaciones fueron hecho bien antes de que cosmología moderna hubiera tomado la forma realmente y eran independiente de cualquier necesidad para la materia obscura hacer las mediciones de cosmológica se ajustar a la teoría, por lo tanto. El tema más sobre la historia de la noche puede ser encontradoAquí Y hacia dentro Bergh de madriguera de furgoneta (1999).

De la misma manera que the rest of cosmología, las pruebas en curso para material oscuro vienen de varias observaciones diferentes:

  • De la misma manera que las observaciones originales de Oort las mediciones modernas de la rotación que las curvas para galaxias en espiral demuestran que deben ser más mole en estas galaxias que podemos directamente ver allí. La velocidad de una estrella (o nube de gas) en una órbita bruscamente circular alrededor del centro de una galaxia depende del montón interior a esa órbita, cuando la mecánica de Newtonian básica nos indica. Por lo tanto, midiendo la velocidad de órbitas sobresalientes en varios radios, podemos convertir eso en un perfil masivo. Faber (1979) Da una evaluación de un número de tales mediciones de velocidad.
    Dos puntos son relevantes aquí: primero, la masa inferida de estas medidas es siempre más que uno would inferir de mirar el tema visible en estas galaxias. Esto es claro para Oort y se queda cierto hoy. Segundo, la distribución de ese material oscuro no es el same como el tema visible. La densidad sobresaliente en una galaxia en espiral cuida caerse de manera exponencial cuando uno se mueve del centro al borde en el avión del disco. El perfil masivo inferido de la velocidad se curva, por otro lado, cae como el cubo inverso del radio (Prada 2003). Éste no es el lo que esperamos para baryons, que puede perder la energía gravitacional vía la radiación y caer ms profundo en el potencial gravitacional bien de la galaxia. Para CDM, sin embargo, esta alternativa no está disponible (debido a que la materia obscura no interactúa con fotones) y por lo tanto se queda estancado en los radios más grandes. Las simulaciones de CDM verifican este comportamiento, proveyendo otra pista de que no sólo la materia obscura está presente, pero la mayoría de él(ella/eso) no está hecha de lo baryons.
  • Un partido similar puede ser jugado con galaxias elípticas. Estas galaxias no tienen el same estructura orbital simple como galaxias en espiral así que la observación es algo diferente. Rather than medir los curvas de velocidad, podemos mirar el X - la emisión de rayo de estas galaxias. Rayos de - de X son producidos por gas (las temperaturas en millones de grados) sumamente caliente surrounding estas galaxias. Como con las estrellas en la galaxia en espiral, sin embargo, la mole de la galaxia debe ser sufficient guardar las partículas en el gas gravitacionalmente restringido a la galaxia así que un montón puede ser inferido de una medida del X - la temperatura de rayo. Otra vez, el montón medido en esta manera siempre excede eso esperado por la cantidad del tema visible (1986 de Fabian de cf).
  • En un modo similar, uno también puede mirar la seña de galaxias en grupos. De la misma manera que estrellas en galaxias elípticas, las señas de galaxias en estos grupos no son órbitas circulares simples. Para obtener una medida de la energía cinética en las galaxias, los astrónomos miden su dispersión de velocidad, esencialmente la discrepancia de las velocidades observadas para galaxias en el grupo. Si el grupo de galaxia es relativamente inalterable (i.e. no ha pasado por una fusión muy importante con otro grupo de galaxia), entonces/luego el teorema de virial Puede ser use calcular la fuerza gravitacional esperada necessary sujetar una grupo de galaxia de una dispersión de velocidad en particular. Como se dijo anteriormente,Las 1933 mediciones de Zwicky De velocidad de grupo de galaxia dispersions eran el primer indicador de que el montón total de grupos debe ser considerablemente más alto que sólo el tema visible y esto se queda verdadero con las mediciones modernas.
  • Como mencionamos en 2k, Grupos de galaxia son rodeados por un halo del gas ionizado sumamente caliente. Esto quiere decir que podemos usar la misma técnica de nuestro ejemplo de galaxia elíptico más arriba de recibir una medida masiva para grupos de galaxia y compararlo con la mole visible. X - las observaciones de rayo con el Chandra El satélite ha revelado pruebas para material oscuro efectivamente; vea los comunicados de prensaChandra descubre "Ríos de la gravedad" que definen el paisaje cósmico YLas mociones del grupo de Galaxy cercano revelan la presencia de superestructura escondida.
  • Lo grande amount of montón contenido en grupos de galaxia también los hace una fuente excelente de lentes gravitacionales. Uno de los pronósticos más sorprendentes de gr lensing gravitacional es la desviación de la luz debido a potentials gravitacionales. La confirmación de lensing gravitacional by La 1919 expedición de Eddington Era una de las observaciones importantes tempranas a favor de gr y lensing se queda una investigación de cosmológica fuerte hoy. Para potentials gravitacionales particularmente poderoso (como grupos de galaxia), la luz de orígenes detrás del lente puede viajar por senderos múltiples en realidad a observadores on the other side of el lente. Este da como resultado hacia dentro distorsionado, a - de arco como ideas del objeto de fondo le gustan aquellos see Esta idea de Abell 2218. El dibujo y la forma de estas ideas son muy consciente del montón (y la distribución masiva) del objeto de lensing, proveyendo nuestra medida más limpia de masas de grupo de galaxia y, otra vez material oscuro es necessary llenar la brecha entre la observado mole y visible. Una lista de lentes gravitacionales actualmente descubiertos puede ser encontrado on el Sitio web de encuesta de castillos. Este artículo, Los científicos correlacionan la materia obscura, prueban que Einstein justo también explica este efecto en un poco de detalle.
  • Definitivamente, tenemos el modelo de concordancias de cosmológica en curso. Las medidas de supernovas distantes, los anisotropies de RFMC y la estructura a gran escala señalan a un modelo que tiene un componente relativamente grande de material oscuro all. Más lejos, las dos mediciones últimas también pueden diferenciar entre la cantidad del tema en la forma de baryonic normal y eso en el tema de baryonic non -. En el mejor modelo quedar bien requieren aproximadamente 5 partes del último para cada parte del antiguo.

Una evaluación adicional de estas observaciones es proveída en esta página sobre la materia obscura.

Así que, dado que necesitamos un nuevo tipo de tema, uno que no interactuar con la luz en la manera que el tema normal hace, algunas preguntas son evidentes: ¿hay un modelo razonable que puede suministrar las posibilidades para lo que este material oscuro realmente es? ¿Y si es así, por qué ser que no hemos estado capaces observarlo directamente en laboratorios aquí sobre Tierra?

Antes de subir en esas preguntas, es importante recordar que no todo material oscuro es baryonic non -. Para estos baryons, la "Noche" es un término algo impreciso. Ocasionalmente, es soportado para querer decir que no dan la luz en la parte visible del espectro electromagnético; el gas interestelar e intergalactic por ejemplo, tibio los enanos marrones,Agujeros negros, YEstrellas de neutrón. De éstos, solamente el primero está actualmente más allá de nuestras habilidades de observar directamente; los enanos marrones dan la luz en el infrarrojo, mientras que agujeros negros y estrellas de neutrón (o bastante sus ambientes) son fuentes fuertes de las ondas de radio y X - los rayos. Tomar el espectro electromagnético lleno asequible a los astrónomos en la cuenta, Aproximadamente la mitad de De los baryons en el universo puede ser llamado "Material oscuro" a la vez en curso.

Así que, habiendo addressed eso, regresamos al sector de baryonic non - de material oscuro. Las mejores apuestas en curso los candidatos vienen de física de partículas, where teorías para material en curso oscuro de supersymmetry Proporcione un todo los montón de las posibilidades. Presente el Supersymmetric usual modelo mínimo, Cada partícula en el modelo usual tiene uno pareja partícula de - excelente de la masa mucho más grande. Estas partículas solamente existirían en abundancia en las etapas muy más tempranas del universo, pero el más ligero de estas partículas sería estable contra la decadencia en partículas más ligeras (desde nada exista) y se queda in existence hoy, por lo tanto,. En guiones así, la partícula más ligera es típicamente el neutralino. Una posibilidad even more exótica, pero extensamente hablada es el tan - llamar "Axion". Colectivamente, estas partículas son llamadas en general CobardeS, abreviatura de la "Partícula enorme débilemente interactuando".

Porque los muchos años, los neutrinosFue considerado ser candidato de tema oscuro viable (tener la ventaja de que sabíamos que existían definitivamente). Sin embargo, cuando más pruebas se acumularon de la estructura a gran escala y la RFMC, la posibilidad de que neutrinos podían explicar las observaciones se destiño. Para ajustarse a los comentarios, la materia oscura tuvo que estar frío, i.e. se moviendo despacio en comparación con la velocidad de la luz. Con su mole muy pequeña, los neutrinos son muy fáciles se acelerar a cerca de la velocidad ligera. Debido a que tienen tanta energía cinética, neutrinos no se derrumban fácilmente en potentials gravitacionales relativamente pequeño. Si fueran la forma dominante de material oscuro, frotarían la distribución del tema sobre balanzas pequeñas, en el conflicto claro con la balanza pequeña fuerte que se agrupa que observamos. Efectivamente, cuando incluimos la información de WMAP,Los cosmólogos descubren Que los neutrinos pueden comprender nada más que 1.5 % de la densidad de energía total en el universo.

Cuando las pruebas para material oscuro crecieron y la física de partículas podía suministrar a varios candidatos lisonjeros hipócrita, varios experimentos han empezado a detectar la materia obscura directamente durante los últimos varios años. Hasta ahora los experimentos no han estado capaces hacer una detección positiva, pero mucho espacio de parámetro teórico se queda inexplorado. Para una evaluación de las restricciones en curso, esta dos Artículos Ser digno de leer.

Otra posibilidad excitante cerca es el Hadron Collider grande. Este experimento en CERN es esperado llegar a las energías alto lo suficientemente para buscar partículas de supersymmetric, el descubrimiento de que sería un indicador importante de que nuestras teorías en curso sobre la noche importan las partículas son una posibilidad fuerte. Por supuesto, es también posible que el LHC encontrará algo completamente nuevo e inesperado.

N) Energía oscura

En una queja de epicycle la energía oscura es añadida a la lista rápidamente al mismo tiempo que la materia obscura. De la misma manera que el con la materia obscura el caso, llamar la energía oscura un epicycle insertado para salvar TBB hace caso omiso de un número de los hechos de la caja. A diferencia de materia oscura, las únicas pruebas para la energía oscura vienen de simplemente las mediciones de cosmológica, pero la existencia de some tipo de la energía oscura era part of gr y TBB del days muy más temprano de la teoría, hardly el lo que uno would esperar para un parámetro inventó ad hoc para salvar una teoría. Más lejos, las pruebas para la energía oscura vienen de una gran variedad de observaciones de cosmológica, each with sus propios errores independientes y prejuicios sistemáticos. Adicionalmente, hay argumentos teóricos de que this type of la energía debe existir.

Primero, miramos las pruebas de observación.

Por el mediados de - 1990s, varios comentarios de cosmológica habían llegado a la precisión suficiente que era difícil reconciliarlos con un universo dominado por la materia obscura. Roughly uno década y media prior, Alan Guth y otros sugirieron una adición a the then fotografía en curso de TBB: la inflación. La motivación para la inflación fue explicar el horizonte y lo plano problemas (básicamente, por qué ser el universo tan uniforme y cerca to plano si sabemos que éstos son las soluciones inestables para las ecuaciones que gobiernan TBB; esto está cubierto de más detalle en 3e). Desde que ese entonces la inflación se había hecho una parte usual de TBB (y se queda cierto hoy). Uno de los pronósticos de inflación más genéricos eran que la densidad en conjunto del universo debe estar sumamente cerca del valor crítico. Mediados de - 1990s mediciones del tema al que la densidad de grupos de galaxia y otros orígenes constantemente prefería el tema que las densidad mucho bajaban corresponden a los datos. Al mismo tiempo, las mediciones de los ages of las estrellas más mayores estar produciendo las edades que era inconsistente con la era del universo sobre la base de un tema - el solamente el modelo. Un modelo abierto, donde la densidad era más baja que el valor crítico, aliviaría estos problemas de observación hasta cierto punto pero sería difícil para alinear con la inflación, que había sido dado un aumento fuerte por las mediciones de RFMC de COBE algunos años prior. Como would girar la energía oscura solucionó todos estos problemas distintos. La historia es contada en más detalle en este artículo:La energía oscura: sólo el lo que teóricos pidieron.

Mientras la energía oscura era una solución posible frecuentemente mencionado para the state of los problemas antes del a fines de 1990s, pocos cosmólogos eran willing hacer ese salto sin pruebas más fehacientes. Para muchos cosmólogos, esas pruebas vinieron en forma de los 1998 resultados de supernovas. Dos equipos, trabajando por separado y con juegos en gran parte disjuntos de los datos, descubrieron que las observaciones de supernovas distantes eran constantemente más débiles que uno would esperar para un tema - solamente universo (ver Riess 1998 Y Perlmutter 1999). Efectivamente, descubrieron que la expansión del universo había estado se acelerando por lo pasado varios miles de millones años, más allá del efecto esperado incluso para un universo abierto. El mejor ajuste a los datos incluía un componente de energía oscuro concreto, lo suficientemente guardar la configuración del universo plana mientras correspondía al galaxia de densidad de tema bajo también agrupa las mediciones y resolver la crisis de edad. Para más detalles ¿usted ve? esta página: ¿Hay una constante de cosmológica diferente a cero?.

Para aquellos todavía renuentes incluir la energía oscura en sus modelos, la situación se puso más difícil con el lanzamiento de los resultados de WMAP de primer año. Estos comentarios revelaron que la densidad total del universo estaba muy cerca del valor crítico, poniendo la última uña en el ataúd de universo abierto. Tener un mapa de CMB detallado también permitía una medición mucho más limpia del Sachs integrado - Wolfe Efecto, uno de los indicadores de tecla de la energía oscura.

Un buen resumen de las líneas varias de pruebas que soportan la existencia de la energía oscura también ser dado por esta página web: la energía oscura.

Mientras los datos en curso son sufficient demostrar la necesidad para algo como la energía oscura, los detalles de la energía oscura todavía son en gran parte espontáneos. No sabemos qué para la energía oscura es la ecuación de estado, si se queda continuo o cambia con el tiempo, si la densidad de energía oscura se queda constante across all el espacio o si se agrupa, etc.. Como con material oscuro, sin embargo, varios modelos potenciales de física teórica han sido propuesto, aunque los medicamentos de la energía oscura son en general más especulativos que para material oscuro. Corresponden a los datos en curso all, pero hacen los pronósticos muy diferentes para las futuras observaciones, en general. Examinaremos algunos de ellos brevemente.

La forma más básica de la energía oscura es una constante de cosmológica: una densidad de energía suave y constante por todos lados en el universo con la identificación de estado igual a - 1. Este tipo de campo escalar combina con la fotografía básica del vacío de teoría de campo de cuanto: incluso en la falta de partículas, por eso - called "El cero - las fluctuaciones de punto" llenará todos del espacio uniformemente. Sin una teoría correcta de la gravedad de cuanto, un cálculo preciso de la magnitud de esta densidad de energía de vacío es imposible (necesitaríamos saber el quantization correcto de espacio y el tiempo de lo hacer). En la falta de tal teoría, el cálculo más obvio (basado en el montón de Planck) da roughly 120 órdenes de importancia más grandes que la densidad de energía que inferimos de los comentarios de cosmológica a una densidad de energía de vacío. Este disconnect ha sido llamado "El peor pronóstico alguna vez hecho en física teórica", sin cantidad pequeña de la justificación.

Para conciliar esta discrepancia, uno podría imaginar que una contabilidad completa de las contribuciones de todas las partes diferentes de la teoría se cancelaría en gran parte, dejando la densidad de energía de vacío de vestigio pequeña que observamos hoy. Una discusión adicional de esta idea (y ones relacionados) puede ser encontrado aquí: ¿qué es la densidad de energía del vacío?

Aflojando el requisito de que la densidad de la energía oscura se queda constante con el tiempo, llegamos a la clase de la energía oscura que modelos llamaron la quintaesencia. La idea aquí es que, en lugar de depender de una asimetría leve en física de partículas para conseguir nuestra energía oscura, proponemos la existencia de un (hasta ahora completamente hipotético) type of campo; recordar que, en teoría de campo de cuanto, las "Partículas" y los "Campos" son en gran parte la misma cosa. Like para la energía de vacío, la ecuación de estado para este campo es negativa. Sin embargo, debido a que es relacionado con un campo en vez de una parte innata de spacetime, la densidad de energía y la ecuación de estado pueden cambiar con el tiempo. Dependiendo de los detalles del modelo, esta flexibilidad puede ayudar para explicar el "Problema de coincidencia cósmico": el hecho de que la densidad de energía de la energía oscura y el tema son casi iguales hoy nos pone en un punto relativamente infrecuente en la historia de nuestro universo, parecido a sólo ocurrir estar en el puesto exacto donde dos trenes transcontinentales se pasan. Los datos en curso son sufficient restringir la evolución muy fuerte en la ecuación de estado los cambios más pequeños relacionados con algunas variedades de la quintaesencia todavía son modelos viables.

En el resumen mientras que el material oscuro tiene varios modelos prometedores y la detección directa es una posibilidad muy verdadera en un futuro próximo, la energía oscura se queda un misterio. Algunos modelos existir que explica los datos en curso, pero ninguno de ellos es casi tan maduro como la materia obscura hace un modelo de. Los futuros comentarios podrán poner las restricciones más grandes sobre tanto la ecuación en curso de estado como su cambio con el tiempo, pero evaluar estos modelos en el detalle es sumamente estimulante. Como con cualquier área de investigación teórica en curso, sólo tendremos que esperar hasta que más datos están disponible y la teoría ha avanzado antes de hacer sentencias más detalladas.

Z) Regularidad

En la discusión más arriba, hicimos la referencia frecuente al hecho de que muchos tipos diferentes de las observaciones de cosmológica eran combinados para producir el modelo de CDM de Lambda de concordancias que la mayoría de los cosmólogos usan hoy. Esto no debe ser interpretado como un juego de las observaciones all dependientes de sí para el soporte mutuo, wherein el retiro de una observación causa que la estructura entera se desplome. Bastante, es el caso de encontrar intersecciones entre líneas mutuas de pruebas de ubicar la mejor solución en conjunto. Incluso si los futuros datos muestran que nuestra interpretación de una línea es incorrecta, los otros se quedan en gran parte inmunes.

Como un ejemplo, considere la determinación de los parámetros de cosmológica del equipo de WMAP Papel. La edad del universo obtenido de las mediciones de WMAP es compatible con los métodos de edades sobresalientes observados. La proporción de baryons para fotones es compatible con la proporción de deuterio de nucleosíntesis primigenia a helio pronosticado. El constante de Hubble es compatible con las mediciones de supernovas distantes, el Tully - el pescador relato y los brightnesses de superficie de galaxias. Igual, el modelo de cosmológica de las mediciones de WMAP es compatible con las mediciones de la estructura a gran escala de encuestas como el encuesta de cielo de Digital de Sloan (SDSS) y lo dos - encuesta de campo de grado (2dF). Si estos resultados individuales no fueran compatibles con sí, entonces/luego no veríamos una mejora en las restricciones de parámetro cuando combinamos los data sets. El hecho de que vemos una mejora es pruebas de que la teoría, efectivamente, se mantiene intacto.

3) Problemas y objeciones

Esta sección se las arreglará con un número de las objeciones comunes para TBB. Éstos no son - completos lanzados las alternativas a TBB (cubriremos eso en la próxima sección), pero bastante las objeciones para la base fundamental para TBB o el re radical - las interpretaciones de los datos físicos.

A) "Algo no puede venir de la nada" - la primera ley de termodinámica

La declaración simple "Algo no puede venir de la nada" no es, en sí, muy convincente. De teoría de campo de cuanto, sabemos que algo no viene de nada efectivamente: a saber, "fluctuaciones del vacío". En el caso más simple, un electrón, un positrón y un fotón pueden aparecer efectivamente de la nada, existir por un breve momento y luego aniquilarse, dejando ninguna creación neta de masa o energía. El soporte experimental para este tipo de efecto ha sido encontrado de varios experimentos diferentes. Vea, por ejemplo, la página de Wikipedia para el efecto de Casimir.

El punto en común para todos estos efectos es que no violan ninguna ley física conocida de conservación(por ej. conservación de la energía, la velocidad, y la carga). Algo puede venir efectivamente de la nada mientras estas leyes de conservación permitan esto. Pero las personas a menudo argumentan que la teoría de la gran explosión infringe la conservación de la energía (que es esencialmente la primera ley de termodinámica).

Hay algunos counterarguments eficaces contra esto: primero, como ya se señaló, el TBB no es sobre el origen del universo, but bastante su desarrollo con el tiempo. Por lo tanto, cualquier declaración de que la aparición del universo "De la nada" es imposible no tiene nada que ver con el lo que el TBB en realidad aborda. Igual mientras que las leyes de termodinámica son aplicable al universo hoy, no está claro que son aplicable al origen del universo necesariamente; sólo no lo sabemos. Definitivamente, no está claro que uno puede hablar del tiempo sensatamente "Antes de la gran explosión". "El tiempo" ser uno esencial part of nuestro - de universo (por lo tanto el período "Spacetime" de gramos) asi que no es clear cuán exactamente caracterizaría la energía antes y después de la gran explosión en una manera preciso lo suficientemente de llegar a la conclusión de que no fue ahorrado uno.

Suponer que tenemos alguna manera de manejar las nociones del tiempo aparte de nuestro spacetime, el universo que aparecía de la nada would solamente infringir la primera ley de termodinámica si la energía fuera diferente de la energía de antemano después. Probablemente todas personas estarán de acuerdo en que la "Nada" debe tener una energía del cero; así que la ley es solamente infringido si la energía del universo es el cero non -. Pero efectivamente hay buenos argumentos de que la energía del universo debe exactamente ser el cero!

Esta conclusión es algo - de mostrador instintivo a primera vista, ya que obviamente toda la mole y la radiación que see en el universo tienen una enorme amount of energía asociada. Sin embargo, esta cuenta hace caso omiso de la energía potencial gravitacional dentro del universo. En el límite de Newtonian, podemos conseguir una sensación para esta contribución considerando el ejemplo usual de un cohete que deja la tierra "Escaparse" de su campo gravitacional lo suficientemente, con una velocidad gran. Viajando farther and farther away de la tierra, la velocidad del cohete se pone más pequeña y más pequeña, yendo al cero "En el infinito". Por lo tanto el cohete no tiene energía a la izquierda "En el infinito" (descuidar su "Energía de descanso" aquí, que es irrelevante para el argumento). Aplicando la conservación de la energía, sigue que la energía del cohete era también cero cuando dejó Tierra. Pero tenía una velocidad alta entonces/luego, i.e. la energía cinética grande. Sigue que la energía potencial gravitacional que tenía en la tierra era negativa. Para otra explicación, vea por ejemplo esta energía gravitacional post aboutNegative.

En un artículo de naturaleza en 1973, E. Tryon esbozó una pelea de que la energía potencial gravitacional negativa del universo tenía el same magnitud como la energía segura contenía en sus contenido (el tema y la radiación), y por lo tanto la energía total del universo es efectivamente cero (o por lo menos cerca al cero).

Part of la dificultad aquí es que el concepto de la "Energía gravitacional" es esencialmente un one de Newtonian. En gr, el principio de la equivalencia hace definir una energía gravitacional que será visto coherentemente de todos marcos de la referencia problemático. Igual, la idea de la "Energía total del universo" es difficult definir apropiadamente. Misner, Thorne y Wheeler(Uno de los textos usuales sobre gr) hablar de esto detalladamente en chapter 20 de su libro.

Otro enfoque es el "Hamiltonian" o "Función de Hamilton" de Wald para gr como obtener en su texto de gramos. En física clásica, esta función puede ser interpretado como representar la energía total de un sistema en particular (casi siempre). Usando este formalismo, Wald muestra que, para un universo cerrado, el Hamiltonian es cero. Las peleas similares pueden ser applied al mismo efecto para un universo plano, aunque para un universo abierto que la formulación por los finales de Hamiltonian arriba de - enfermo definió.

Los otros esfuerzos de las arreglarse con el ahorro de la energía en gr han usado "Seudo tensores de -" tan - llamar. Este enfoque fue probado por Einstein, entre muchos otros. Sin embargo, la opinión en curso es que los modelos físicos correctos deben ser formulados usando solamente tensores (ver a Misner, Thorne y Wheeler otra vez, Chapter 20), asi que este enfoque ha perdido la predilección.

Sin embargo, esto nos deja con something of a dilema: en la falta de una definición correcta de la energía potencial gravitacional, la ley del ahorro de la energía de la mecánica clásica no resiste en GR evidentemente. Por lo tanto,, para cualquier teoría sobre la base de gr, de la misma manera que TBB, el ahorro de la energía no es evidentemente algo que puede ser sujetado contra él(ella/eso). Por lo tanto, la primera ley de argumento de termodinámica se pone sujeta a discusión. Para una discusión más detallada a lo largo de estas líneas, see esta página de pregunta frecuente en gr en la conservación de energía.

B) el universo muy ordenado hoy no pudo haber venido de una explosión - la segunda ley de termodinámica

Este argumento es una diferencia del creacionista rumor falso usual que trata de la evolución creando la orden del desorden, en la infracción evidente de la segunda ley de termodinámica. El mostrador usual - el argumento, por supuesto, es que esa formulación solamente es aplicable a sistemas aislados, a diferencia de la tierra.

Si estamos hablando del universo, por otro lado, no está claro que esta réplica solicita. Después de todo, el universo, tan lejano como sabemos, es el sistema aislado final, con la energía ni entrar o se retirar del sistema. Sin embargo, aplicar esta forma simple de la segunda ley al universo tiene algunas complicaciones.

La falsa idea usual de la gran explosión es eso de una explosión del tema en el espacio ya existente. Ésta no es la caja. Bastante, TBB sostiene que spacetime mismo se dilató. Obviamente, cualquier declaraciones acompañadas de la afirmación de que la gran explosión estalló de crear la orden tienen que ser tardadas with a grain of salt.

Más lejos, nuestros conceptos diarios del "Orden" y el "Desorden" no son aplicable a la cantidad física called la "Entropía" realmente. Efectivamente, como mostrar por Kolb & Turner, La entropía del universo temprano estaba sumamente deprimida. Esto tiene el sentido si uno recuerda que, en las etapas muy tempranas del universo, la distribución del tema y la energía estaba sumamente ordenada, como demostrar por la uniformidad dla RFMC. Como such, uno podía caracterizar la distribución entera del tema y la energía en el universo con un número solo (la temperatura) a una muy buena aproximación. Compare eso con el universo que vemos ahora, lleno de las distribuciones complicadas y desordenadas de galaxias, estrellas y gas. La cantidad de la entropía en estos objetos es enorme (la destitución nuestro Discusión más temprana Sobre la falta de órbitas coherentes para estrellas en galaxias elípticas y galaxias en grupos de galaxia). Por lo tanto, la idea de que la entropía del universo ha disminuido in violation of la segunda ley de termodinámica de algún modo es en gran parte disparatada.

Irónicamente, sin embargo, esta objeción superficial resulta en una pregunta mucho más seria: dado que la entropía del universo ha aumentado solamente, ¿cómo consiguió tal entropía baja cuando vino into serlo? A la vez en curso, esto todavía es una cuestión sin resolver en cosmología. Obviamente, muchos de los problemas como los que hicimos un esquema en la sección previa respecto a el tiempo antes de la gran explosión y la aplicabilidad de leyes físicas en el origen del universo viene into play aquí, pero hay, de todavía, ninguna respuesta simple.

C) teoría atea

Como con la evolución, TBB es etiquetado por creacionistas de tierra jóvenes a menudo como yet another teoría inventado por arte de magia por ateos que parecían negar que el Dios creó el universo y todo adentro. Obviamente, esto no es una pelea científica ni por asomo, y, como el cargo similar dijo la verdad en la evolución, el reclamo es falso sobre su cara.

TBB no lo fue solamente aceptó por Christian más convencional (y otros religiosos) sectas, pero también incluso junto a tierra vieja a los creacionistas les gusta Hugh Ross. Algunos filósofos de Christian tratan de usar el TBB como pruebas de que para la existencia de un creador - que apuntan, por ejemplo, esa teoría tan científica coincide con la Biblia en la idea de que el universo tenía un principio, que la luz vino primero ni siquiera (aunque esto una tergivesación cruda es de qué el TBB en realidad decir), etc.. Para artículos que contienen las discusiones de este tipo de las peleas, vea, por ejemplo, la páginaFísica y religión.

Definitivamente, debe ser thatLemaitre apuntar, ¡Uno de los creadores del TBB (las ecuaciones céntricas del TBB son llamadas el "Friedman - las ecuaciones de Lemaitre" a menudo), era en realidad un Jesuita sacerdote!

D) ¿Estrellas más viejas que el universo?

Éste es un problema anticuado, pero todavía aparece ocasionalmente en algún creacionista e inconformista - zonas de TBB. Addressed part of esto en la energía oscura La sección, pero nos reiteraremos para la claridad.

En el mediados de - 1990s, los mejores cálculos aproximados del parámetro de Hubble en curso pusieron el valor alrededor de 80 km /s/ Mpc - - no muy lejano del mejor valor en curso alrededor de 72 km /s/ Mpc y well within el margen de error. At the time, el incumplimiento modelo teórico sobre la base de los pronósticos de la inflación y las observaciones de RFMC de COBE era un apartamento, el tema - universo dominado. Bajo este modelo, los valores para el parámetro de Hubble dieron around 10 mil millones años a uno age of el universo aproximadamente. Al mismo tiempo, los cálculos aproximados de edad para las estrellas más mayores en nuestra galaxia estaban entre 13 y 18 mil millones años. Este conflicto fue llamado el "Crisis de edad".

En breve de allí en adelante, dos mejoras en los datos resolvieron este acertijo evidente. Primero, el satélite de Hipparchos suministró los mejores cálculos aproximados por las distancias a las estrellas usadas en las mediciones de edad. Estas nuevas distancias eran más grandes que las mediciones previas que, por turno, quisieron decir que las estrellas en cuestión eran más luminosas que creer en antes. Considerar esto en los cálculos de edad hizo caer el alcance de las edades esperadas antes de unos cuantos miles de millones years. En segundo lugar, los mediciones de supernovas distantes y mediciones de anisotropy de RFMC siguientes demostraban la necesidad para la energía oscura en el modelo de cosmological usual. Incluir este período adicional cambió el cálculo aproximado de edad para el universo, empujándolo al valor en curso de 13.7 mil millones años. Esta combinación de los efectos resolvió la crisis de edad prolijamente.

H) Arp

Halton Arp era un astrónomo profesional, se relacionó con Palomar Observatory, que trabaja en los Max Planck laboratorios en Alemania ahora antes. Over the course of many years of observaciones (y varios trabajos publicados), ha llegado a la conclusión de que el redshift medido para muchos objetos distantes no es cosmological en la naturaleza. Esto se va más allá de las velocidades raras habladas de antes; En el modelo de Arp redshifts son intrínsecos e in no way relacionado con la distancia.

La base para esta conclusión es que muchos pares de galaxias (o galaxias emparejadas con quásares) seem demostrar alguna manera de la relación física, a pesar de las diferencias grandes en redshift (y por lo tanto la distancia, si usamos TBB estandar). Por ejemplo, el brazo de una galaxia en espiral podría parecer extenderse hacia un quásar cercano o (como esta historiaFunciones) un quásar podría parecer estar tendido dentro de una galaxia ni siquiera. Arp ha publicado unoCatálogo entero De estas asociaciones de redshift discordantes.

Los reclamos de Arp son respaldados por algunos otros astrónomos, más notablemente Gregory y Margaret Burbidge. La mayoría de los astrónomos, sin embargo, rechazan sus reclamos, señalando que sus observaciones son explainable por superpositions casuales de objetos sobre el cielo. Calcular la probabilidad exacta de un juego en particular de superpositions puede ser muy difícil y los partidarios y detractores de Arp discrepan a si los cálculos a lo largo de estas líneas de Arp son eficaces en general.

Recientemente, un estudio por Scranton et al (2005)Poder haber perdido some ligero sobre esta controversia. Usar datos delEncuesta de cielo de Digital de Sloan, Los puestos de 200,000 quásares fueron correlacionados con los puestos de 13 millón galaxias. En el modelo de Arp, las galaxias y los quásares son relacionados con sí físicamente y, por lo tanto, uno esperaría que correlacionar las dos poblaciones would mirar muchísimo como correlacionar las galaxias con sí. Por otro lado, TBB nos dice que los quásares son mucho más distantes que las galaxias en esta muestra así que el correlación de - de cross merecida to verdadera que gravitacional se agrupar debe es casi cero. En vez, debemos ver una cruz producida - la correlación debido a el gravitacional lensing de los quásares junto a las galaxias de primer plano. Esta señal es mucho más pequeña que el one esperó del modelo de Arp y cambia el signo dependiendo de la población de quásar. Cuando los investigadores de SDSS hicieron la medición, los resultados se ajustaban a la expectativa de TBB a una trascendencia estadística alta. Mayor cantidad en la que el detalle puede ser encontrado Este artículo Y Esta discusión.

I) Tifft

Otra cifra popular entre las personas que cuetionan el TBB es William Tifft. Su motivo de fama es también sobre redshift. En contraste con Arp, no revisó las correlaciones entre objetos diferentes. Bastante, afirmó haber descubierto una estructura periódica en los redshifts: redshifts no pueden tener valor arbitrario, pero son "Quantized". Por lo tanto,, would solamente esperar medir redshifts en los múltiplos de entero de el un poco de valor fundamental; ¿usted ve? Tifft (1997) Para una evaluación. De la misma manera que el reclamo de Arp, esto pondría en mucha sospecha sobre la interpretación tradicional de redshift. De la misma manera que Arp, Tifft tiene his share of partidarios, incluyendo a algunos creacionistas. Los reclamos de Tifft aparecen en el artículo de Barry Setterfield on El vacío la velocidad ligera, y el redshift.

Desafortunadamente para el reclamo de Tifft, la balanza de quantization para redshifts ha continuado shrink cuando más datos se han puesto disponibles. El valor inicial era 72.46 km / s. que las observaciones adicionales trajeron esto down a 36.2 km / s, a 8.05 km / s y a definitivamente 2.68 km / s. adaptado contra la velocidad de la luz, esto indica un quantization en z de roughly 0.00001, que son ligeramente más arriba (o ni siquiera abajo) la precisión para muchas mediciones de redshifts comunes.

La explicación más probable para las mediciones originales de Tifft es la presencia de la estructura a gran escala. Las galaxias no son distribuidas al azar en todo el universo. En vez están agrupados en los grupos, "Paredes" y "Filamentos" gracias a su atracción gravitacional mutua. Igual, este se agrupar da lugar a los vacíos grandes entre estas estructuras. Si uno fuera mirar solamente en un rayo angosto largo a través de esta estructura (un "Lápiz - viga" - de encuesta que - como ser hecho para gran parte del redshift temprano cataloga), uno esperaría ver un poco de "Quantization" como una reliquia de esta interacción gravitacional naturalmente. Cuando astrónomos podían usar una muestra mucho más grande y más amplia de redshifts de galaxia, de la misma manera que el encuesta de galaxia de 2dF, No descubrieron pruebas del quantization de Tifft (Hawkins 2002). Algunos partidarios de Tifft objetaron que el estudio miró quásares en lugar de galaxias (cercanas), pero esa queja mira - un poco extraño después de todo, si redshift es quantized, debe ser quantized por todos lados, not just en nuestro "Vecindario".

4) modelos de cosmological alternativos

Antes de ahondar en las opciones, debe ser hecho hincapié en que ninguna opción a TBB haber sido creado que puede explicar la extensión llena de las observaciones cubierta por el TBB en curso. Este no es para decir que tal modelo es imposible, simplemente que tiene que ser encontrado. En todos los casos hablados de abajo, algún subconjunto de los datos en curso es hacer caso omiso de o desviar en alguna manera (por ejemplo la afirmación de que los datos no son cosmological, pero solamente debido a some desde los efectos locales aún undescribeds).

Nuestro propósito en esta sección no es desacreditar cada uno de estos modelos concluyentemente (a menudo es decir una pregunta frecuente en sí). Bastante simplemente describiremos cada modelo y mostrador asociado - las peleas brevemente y proveeremos punteros para las discusiones más detalladas.

A) Estado estacionario y estado cuasi - estacionario.

En 1948, H Bondi, T Gold, Y F. Hoyle Desarrolló el modelo estatal regular como una alternativa al Lemaitre - Friedman modelo décadas descritas de gran explosión antes. Este modelo sostuvo que el principio de cosmological era legítimo no sólo para el espacio sino también por el tiempo en que - - el universo había mirado siempre y aparentará el same como hoy siempre. Este modelo aceptó la noción de un spacetime se dilatando (efectivamente la expansión era exponencial), pero el densidad de tema fue mantenido en un nivel constante por la creación ininterrumpida del tema. Más lejos, el densidad de tema era igual al valor crítico necessary guardar la configuración del espacio plana.

At the time, este modelo era una alternativa viable a TBB estandar. Era consecuente con los datos disponible at the time y explicó algunos asuntos con la fotografía usual que seem ser problemático. Observaciones sin embargo, siguientes como el abundancia de elemento de luz Y el Descubrimiento dla RFMC Ponga en la duda seria sobre la validez del modelo estatal regular. En este momento, la mayoría de los cosmólogos abandonaron a este modelo en provecho de TBB.

Impávido, Hoyle (al mismo tiempo que Burbidge y Narlikar) actualizó el modelo estatal regular en 1993, nombrando la extensión el cuasi - el modelo estatal regular. Como con el modelo estatal regular, el universo ha existido siempre. Sin embargo, en esta modificación, el universo pasa por las pulsaciones, creciendo por otra parte y se contrayendo. La "Energía" al final de cada escenario se desplomando es causada por un campo con la densidad de energía negativa, algo análogo a la energía oscura en el TBB estandar. Esto permite que el modelo se constituya en sociedad más de las pruebas de observación que la versión previa, pero falla en varios puntos, incluyendo la expansión acelerada desde entonces detectar. Para más detalles, vea la página de Ned Wright onLos errores en el estado federal regular y Quasi - modelos de la SS.

B) MOND

MOND es breve porque "La modificación de dinámica de Newtonian". La idea fundamental detrás de MOND proviene de la discrepancia entre la cantidad y la distribución del tema inferido de la luz visible en galaxias en espiral y eso dada revisando las velocidades de estrellas en esas galaxias. El padrón la interpretación de estes datos es que las galaxias contienen Material oscuro. MOND explica estes datos cambiando la manera que la gravedad funciona. Proponer por Milgrom (Milgrom 1983), MOND dice que por distancias grandes (fuerza pequeña), la ley de la gravedad de Newton no es más eficaz, pero tiene que ser modificado esencialmente. Usando ese enfoque, es efectivamente posible explicar que la rotación se curva de galaxias cuantitativamente.

Mientras MOND explica que la rotación se curva de galaxias en espiral, éstos están lejos de las únicas pruebas de material oscuro. Como detallamos antes, Hay una gran variedad de pruebas para material oscuro, no todo él relacionado con las medidas dinámicas como la rotación se curva (por ejemplo lensing gravitacional, donde la desviación de la luz en gr es dos veces eso pronosticada por dinámica de Newtonian y MOND). Está claro en absoluto si MOND tampoco puede explicar todas estas observaciones constantemente (¿usted ve? Aguirre 2001 O Sanders 2002). Más específicamente, las observaciones de 2002 con el Chandra X - Observatory de rayo Descubrió más prueba directa contra MOND. El X caliente - el gas rayo emitir alrededor del 720 de NGC de galaxia moldea una nube de ellipsoidal. Esto, por turno, requiere un ellipsoidal potencial gravitacional bien. Mientras esto es posible con el tema oscuro, la balanza de aceleración uniforme de MOND resulta en un potencial gravitacional esférico inmediatamente bien.

De una punto de vista de teoría, hay algunos problemas también. Básicamente, MOND es una modificación ad hoc a una por lo demás bien teoría sportada por - de la naturaleza. Este tipo de enfoque puede ser apropiado para la base de phenomenological para un experimento especial o las observaciones, pero, en el caso general, no hay razón para él(ella/eso) trabajar. Un buen ejemplo es que mientras esta formulación trabaja en galaxias en espiral, donde hay seña coherente de objetos masivos pequeños alrededor de un montón grande y centralmente concentrado muy bien, falla completamente para cajas donde las balanzas masivas son mayor cantidad igualadas, por ej. las galaxias en un grupo. ¿Las distancias están entre galaxias grandes o pequeño en comparación con la balanza de MOND? ¿De qué punto definimos la distancia y la aceleración? Con este tipo de discapacidad, hacer MOND en una teoría completamente relativista ha prove sumamente difícil.

Recientemente, Bekenstein propuso una nueva teoría para la que (esencialmente una extensión de gr) que podía vencer varios de los problemas de Milgrom's trabajaba de modelo MOND (Bekenstein 2004), Pero no está todavía no claro cuán bien puede abordar las pruebas disponibles. El trabajo todavía está en marcha, pero hay una discusión breve en el artículo¿Einstein era equivocado? En el Universo ridículo Blog. Hasta que el modelo propuesto por Bekenstein es analizado más totalmente, MOND se queda principalmente un ejercicio teórico en cómo lejos uno puede empujar opciones a gr mientras todavía se quedar compatible con los datos globales fijó (tanto pruebas de cosmological tanto como pruebas de gramos dentro de nuestro sistema solar y galaxia).

C) luz cansada

Esto no es un modelo solo, but un término de colectividad para las ideas varias que intenta explicar el redshift observado vía mecanismos aparte de la expansión de cosmological. Hay a variety of enfoques, pero todos tratan de mostrar que la luz pierde la energía in one way or another naturalmente cuando viaja sobre las distancias largas.

En contraste con MOND, que genera el examen de revista ocasional, los modelos ligeros cansados no tienen apoyo esencialmente entre cosmólogos profesionales. Esto es principalmente atribuible a la razón de que tenemos muchas pruebas disponible mostrando que el universo se dilata efectivamente, seguir a los pronósticos de gr, haciendo una explicación alternativa del redshift de cosmological en gran parte irrelevante. Peebles se dirigen a muchas de las observaciones contradecir la luz cansada en su texto de cosmología, Incluyendo, para el ejemplo, el Prueba de Tolman. Las pruebas coleccionado desde que ese texto fue escrito, desean el Dilatación de tiempo De curvas de luz de supernovas y el cambio del Temperatura de RFMC Con redshift, solamente añade a la caja contra la luz cansada. Ned Wright también tiene una pregunta frecuente específica Refutar cansó la luz.

D) cosmología de plasma

En 1991, Eric Lerner no publicó el libro que la gran explosión nunca ocurrió, en que aseveró algunos problemas con el TBB estandar y promovió una teoría alternativa, basó en física de plasma. De acuerdo con ese modelo, el universo es infinitamente viejo y pasa por los ciclos (similar al cuasi - novio - teoría estatal de Hoyle et al.., ¿usted ve? 4a). En cosmología de plasma, el electromagnetismo es la fuerza dominante para galaxia y formación de estructura a gran escala, en vez de la gravedad.

Las peleas en contra del TBB de Lerner caen well short de convincente. Afirma que las ideas en curso de la estructura de que la formación (las fluctuaciones de densidad pequeñas crecen a través de las interacciones gravitacionales con su ambiente local) no puede explicar el - grande observar adaptan la estructura del universo. Este hace caso omiso de las simulaciones de computadora que demuestran la habilidad de este mecanismo generar la estructura que se ajusta a los comentarios estadísticamente convenientemente (ver 2f). También niega la existencia de material oscuro y la energía oscura, repitiendo como un loro la línea de que éstos son epicycles añadido a la teoría cuando dejó de satisfacer las expectativas. Esto no es evidentemente verdadero para cualquiera Material oscuro O Energía oscura. También asevera que los valores para la cantidad de material oscuro están en el cambio continuo constante. Este hace caso omiso del hecho de que las mediciones tempranas tenían barras de error relativamente grandes debido a los tamaños de muestra pequeños. Cuando los datos disponibles han aumentado y la precisión mejoró, los valores de a variety of métodos han Convergió bien. Lerner también señala que el tema oscuro tiene que ser detectado directamente sobre Tierra, haciendo caso omiso del hecho de que los aceleradores de partículases y otros métodos de detección directos no han conseguido las energías o las susceptibilidad todavía no pensar necesario para una detección segura otra vez. La lista se va on y on.

Al mismo tiempo, los reclamos sobre la habilidad del modelo de cosmología de plasma de Lerner de describir las observaciones correctamente son sólo equivocados. Ned Wright ha escrito una refutación de muchas de las peleas de Lerner, cuál poder ser encontrado sobre los page Errors hacia dentro el "La gran explosión nunca ocurrió". No está no siempre directamente sobre punto, pero contiene la lo suficientemente información hacerlo claro que las peleas de Lerner son sólo infundadas. Lerner ha respondido la crítica de Wright, Pero sus peleas no mejoraron - de - y sólo hace caso omiso de varios de las peleas de Wright.

De la misma manera que muchos creacionistas, Lerner también tiene una mala costumbre de citar artículos científicos a favor de su caja cuando, a decir verdad, corren contrario a sus reclamos en realidad. Un ejemplo bonito para esto es el artículo por Scranton et al (2003) Que descubrió pruebas para la existencia de la energía oscura midiendo el Eliminó la segregación de Sachs - Wolfe Efecto. Lerner hace caso omiso de las conclusiones del papel, afirmando que demuestra un desacuerdo entre TBB y los comentarios. Las mediciones de ISW son efectivamente inconsistentes con un bemol, el tema - solamente universo, pero combinan con lo que sería esperado del universo de CDM de Lambda muy bien. Efectivamente, esta medición era un cheque importante que diferenciaba entre los dos modelos. Lerner juega a un partido similar con los pronósticos respecto a los tamaños de los vacíos en la estructura de balanza grande local. Éstos son predichos ser mucho más grande para un universo de CDM de Lambda que un tema - solamente universo y Lerner señala al último como estando en el conflicto con los datos mientras ignorar que el antiguo combina muy bien.

E) Humphreys

También hay creacionistas que trataron de reemplazar el TBB con sus propios modelos, más prominente entre otros beingDr. Russell Humphreys. Su modelo, contenido en su libro La luz de las estrelllas y Time, son aprobada por algunas creacionista organizaciones, incluyendo el Instituto para investigación de creación Y Responde en Genesis - Tan a pesar del hecho de que era extensamente discutible incluso entre creacionistas y que los editores de las actas de conferencia para la conferencia internacional sobre el creacionismo en 1994 llegaron a la conclusión de que era defectuoso aparentemente (ver el artículo El estado en curso de astronomía de creación Publicar por el ICR, hacia el final).

El punto principal del modelo de Humphreys es el abandono del principio de cosmological. En vez, propone que el universo no sea uniforme, pero tiene la forma de una esfera bastante con un radio finito. En el modelo, el universo nació de un punto solo en el centro del círculo. En efecto, el modelo de Humphrey trae to life muchas de las falsas ideas comunes sobre qué en realidad dice del origen del universo TBB.

Humphreys trata de aplicar gr al distribución de tema dar como resultado, afirmando que la dilatación de tiempo gravitacional causará que el tiempo pase más rápido el más distante uno es del centro. Si uno postula que la tierra está muy cerca del centro del universo, Humphreys afirma que esto resuelve un problema principal para creacionistas de tierra jóvenes: cómo resolver las pruebas para un universo antiguo con su demanda que la tierra fue creada dentro de lo pasado 10,000 años (give or take).

Humphreys hace un modelo del centro del universo como un "Hoyo blanco", el contrario de un agujero negro (en lugar del tema que circula hacia el interior solamente, un hoyo blanco emite el tema y la energía constantemente). Deja de explicar por qué ese agujero blanco no parece existir más (notaríamos el X sumamente fuerte - el cambio continuo de rayo, si nada más), pero eso está lejos del único problema con el modelo. En particular, Humphreys destroza el trato de gramos usual gravemente para la dilatación de tiempo gravitacional: in order por el tiempo pasar más rápidamente lejos de la tierra, necesitaríamos estar cerca de un agujero negro, no un hoyo blanco. Humphreys trató de salvar su modelo alegando una dilatación de tiempo después dentro del agujero blanco, pero esto era equitativamente inviable. Se da por entendido que su modelo deja de explicar unas vastas array of observaciones de cosmological, por ej. la existencia dla RFMC y su anisotropy, dilatación de tiempo de supernovas, la abundancia de elemento de luz, etcétera.

Cuando mencionamos más temprano que el modelo de Humphreys ha sido el tema de mucha crítica dentro de los creacionista rangos, particularmente de las creacionista razones de la organización de tierra viejas de creer; Vea su artículoEl desentrañar de la luz de las estrelllas y Time. Las otras peleas valiosas del creacionista equipo de la cerca pueden ser encontrado en los artículosLa luz de las estrelllas y Time son la gran explosión Y Errores en el modelo de cosmological de Humphreys. Más críticas de Humphreys ' modelo, y el suyo en los que las réplicas a eso, son coleccionadas Russell Humphreys responde a críticos varios.

F) pequeña aristocracia

Otro creacionista que trató de desarrollar un modelo alternativo es Dr. R Gentry (por lo demás bien - conocido para su "Halo de polonium" las peleas Para una creación reciente). Su modelo y los intentos a los que relacionarlo entonces/luego - las observaciones en curso son contenidos en dos artículos principalmente: Una nueva interpretación de Redshift Y El Rosetta cósmico genuino.

Como con el modelo de Humphreys, la pequeña aristocracia postula un universo esférico con la tierra cerca del centro. De acuerdo con pequeña aristocracia, el universo no se dilata, pero la energía oscura dentro del universo resulta en un movimiento verdadero y físico de galaxias fuera del centro del universo (y por lo tanto bruscamente Hubble - la distancia semejante - la relación de redshift). Para generar la RFMC, rodea el universo con una concha fina y opaca de hidrógeno. De la misma manera que Humphreys, el modelo de pequeña aristocracia es interiormente inconsecuente además de estar en el conflicto serio con gr y mucho las pruebas de observación. Una refutación más detallada del modelo de pequeña aristocracia puede ser encontrado en Carlip & Scranton (1998)Y la charla.Pregunta frecuente de orígenesDesacreditar el nuevo cosmología de interpretación de Redshift de pequeña aristocracia de Robert. Aunque estos artículos son ahora algunos años los más comentarios viejos, recientes han hecho nada de mejorar el fósforo al modelo de pequeña aristocracia.

5) cuestiones sin resolver

A) el origen del universo

Como deber estar claro ya, TBB no es sobre el origen del universo, but bastante su desarrollo con el tiempo. ¡Los creacionistas retratan esto como un defecto, argumentando que, si la ciencia no puede explicar el origen, sigue que el universo fue creado a menudo! Este mordió de la lógica defectuosa a un lado, el origen final del universo se queda un tema de sobre - investigación teórica se yendo, tanto del punto de vista de encontrar modelos cuál poder explicar las pruebas en curso como generar los pronósticos únicos de estos modelos para las futuras observaciones también. Por el momento, la mayoría de estos modelos se quedan muy especulativos, pero es útil constituir algunas de las posibilidades en curso, particularmente teniendo en cuenta el nombre del archivo.

  • Una de las opciones más populares es la "Inflación caótica", primero descrita por Linde en 1983. Esto es similar al guión inflacionario propuesto por Guth (¿usted ve? Abajo) Pero, en lugar de ocurrir dentro de nuestro universo, la inflación continúa con universos pequeños indefinidamente "Echando brotes saliendo" de la región aumentando principal. Estos" universos de "Burbuja" son spacetimes distintos a sí, causalmente inconexo de sí debido a las distancias inmensas hechas posible por la región de inflación de manera exponencial se dilatando. Para más detalle ¿usted ve?Una burbuja se inflando en la inflación caótica O la sección relevante hacia dentroInflación para principiantes.
  • Este modelo resuelve el "Lo que era antes la gran explosión?" Haga preguntas en una manera similar como el problema de regresión infinito. Nuestro universo fue creado por un evento de inflación en algún otro universo a alguna vez arbitraria en el pasado infinito. Whether or not esto es satisfactorio ser left decidir al lector.
  • Teoría de cordel También proponer algunas soluciones. Una de las ideas actualmente en estudio es la posibilidad de que, antes de la gran explosión, existir algo como un "Reflejo opuesto" de nuestro universo. Nuestro universo start out (casi) infinitamente denso y caluroso y continuará infinitamente en el futuro, se reduciendo y enfriando más y más (probablemente). Este era precedido de un universo que era esencialmente lo mismo, pero with la coordenada de tiempo invertida. El "Crujido grande" al final de ese universo creó nuestro universo en curso entonces/luego.
  • Otro Theory inspirado modelo de cordel es el "Ekpyrotic" o el universo "Cíclico" Por P Steinhardt, desarrollar en 2002. Propone que el espacio y el tiempo existieran para siempre en el pasado y que el universo pasa por una secuencia interminable de los ciclos. Pasa por un momento decisivo grande periódicamente, followed by una gran explosión, con billones de años in between dé golpes each y cruja. A ninguna vez en el ciclo la densidad o la temperatura alguna vez se ponen infinitos. Estas fluctuaciones ocurren porque nuestro universo es se arraigado en en un espacio dimensional superior en realidad al mismo tiempo que universos other such. Estos universos se dilatan por separado de acuerdo con gr, only to pasar por un momento decisivo cuando se acercan a sí en este espacio dimensional alto. Cuando estos universos chocan y se separan, pasan por un golpe y repiten el proceso.

    Como con cualquier nueva idea, el modelo de Steinhardt ha pasado por mucha crítica de otros cosmólogos. Ha respondido A muchas de estas críticas, apuntar eso muchos de los problemas supuestos estaban admitiendo que todavía hay muchos asuntos sin resolver left explicar sobre la base de los malentendidos, pero también.

Las second and third ideas son explicadas en más detalle en el mito de articleThe de Scientific American del principio de Time. Este artículo también tiene cuidado para señalar que aunque estas ideas son principalmente teóricas por el momento, sin embargo hay maneras de evaluarlos en realidad. En particular, estos tres modelos (la inflación caótica, el universo de espejo, o el universo cíclico) hacen los pronósticos únicos each para las propiedades estadísticas dla RFMC. Tan bueno como es, los datos disponibles de la investigación de WMAP no son sufficient hacer una determinación aún respecto a cuál de de éstos tres modelos ser correcto (o si ostra cosa será necesitada). Sin embargo, los sucesores para WMAP (ambos frenan misiones - basadas en y elSatélite de Planck) Estar ya estando desarrollado, asi que los siguientes años podrían perdiendo más luz sobre esta pregunta.

B) plano y horizonte

Ya era conocido en the 1970s que la densidad de nuestro universo estaba relativamente cerca a la densidad crítica (las mediciones en curso lo pusieron alrededor de 30 % de la densidad crítica). A primera vista, esto no puede parecer ser uno - del problema - el tema que la densidad tiene para ser algo así que ningún valor parecería equitativamente válido. Sin embargo la densidad tan mal misma no es estático, el valor de la densidad crítica también cambia con el tiempo. En particular, si la proporción del densidad de tema para la densidad crítica es less que unión (un universo abierto), entonces/luego cuando el tiempo pasa esa proporción se pondrá más pequeña y más pequeña. El contrario es verdad para un universo cerrado; en lugar de asymptoting al cero, la proporción se bifurca. Por lo tanto, si la densidad del universo está actualmente cerca a la unión, entonces/luego debe haber estado parejo más de cerca antes en la historia del universo. Y el más atrás a tiempo uno parecía, el más cerca de la unión debe haber sido.

Mientras esto no es un conflicto explícito entre los datos y teoría per se (no hay nada en TBB que determina el valor inicial del densidad de tema), la coincidencia parecía uno - afinar "Fino maravilloso" a muchos cosmólogos. Ya que la proporción de la densidad verdadera para la densidad crítica condiciona la curvatura del universo, y un acuerdo entre ambos valores quiere decir que el universo es plano, como el que esto se puso conocido el "Problema de plano" En cosmología.

Al mismo tiempo, las mediciones dla RFMC estaban mostrando que la temperatura sobre el cielo era muy uniforme. Mientras los cosmólogos esperaban que la temperatura fuera bruscamente lo mismo por todos lados, el grado de la uniformidad era preocupante. In order para dos puntos en el universo tener la misma temperatura, tuvieron que poder cambiar fotones. Debido a que los fotones se desplazan en una velocidad finita y el universo tiene una edad finita, este pone un límite superior (el horizonte) sobre el tamaño de una región que puede ser esperado estar en la misma temperatura en cualquier punto en particular en la historia del universo. Debido a que sabían el redshift dla RFMC (y por lo tanto la época cuando fue emitido), cosmólogos no esperaban que regiones más grandes que aproximadamente 300,000 año luz tuvieran la misma temperatura. En vez, vieron regiones sobre el cielo que habría sido muchos, muchos millón s año luzs fuera de sí cuando la RFMC se formó que estaban en el equilibrio térmico aparentemente. Esto se puso conocido como el "Problema de horizonte". Como con el problema de plano, ésta no es una teoría - el problema terminando, but bastante una coincidencia evidente que parecía sospechosa.

En 1981, Guth propuso una solución posible a ambos de estos problemas (y otros) - - una hipótesis que es en la actualidad conocido como la inflación (Guth 1981). La idea básica es que, a una vez muy temprana en la historia del universo, la expansión del universo no estaba disminuyendo la velocidad, pero se acelerando en uno rate exponencial (recuerde que la expansión del universo no es limitada por la velocidad de la luz mientras que los objetos móviles dentro del universo lo son) en vez. Con este tipo de la expansión impulsar él, las regiones que eran originalmente mucho más pequeño que el horizonte would ser rápidamente se extendían al tamaño enorme mientras mantenían su equilibrio térmico inicial. Además, esta expansión rápida impulsaría la curvatura de la región aumentando al cero, resultando en una densidad sumamente cerca de manera exponencial to el crítico valora su valor inicial pase lo que pase.

Para más detalles sobre esto, vea la inflación de onCosmic de artículo de Wikipedia. Debemos reiterar el hecho de que mientras que fue propuesto como una solución para el plano y los horizonte "Problemas", la inflación hace varios otros pronósticos cuantitativos aquí (en particular lo shape del Espectro de potencia de anisotropy de RFMC) Que haber sido confirmado por las observaciones.

C) el tema - asimetría de antimateria

En el universo muy temprano, spacetime estaba lleno de una "Sopa" muy caliente que constaba del tema partículas e partículas de interacción (quarks, electrones, positrones, fotones, gluons, neutrinos, etcétera). Material y partículas de antimateria fueron creado constantemente de fotones, gluons, etcétera, y desaparecieron otra vez en breve de allí en adelante. Solamente después de que el universo se enfrió y se redujo para el material y lo antimateria partículas sobrevivir y evitar aniquilar a sí inmediatamente ser posible.

Herein un problema muy importante se ocultar: de acuerdo con teoría de campo de cuanto, si todas estas reacciones ocurrieran en el equilibrio térmico las cantidades exactamente iguales del tema y partículas de antimateria deben haber sido causado por este proceso. Pero cuando observamos en nuestro universo, encontramos el solamente el tema y ¡prácticamente ninguna antimateria! Este problema se puso conocido como el "Tema - asimetría de antimateria" en cosmología.

Para solucionar este problema, necesitamos alguna manera de la asimetría entre el tema y antimateria. En 1967, Sakharov apuntó eso para generar tal asimetría, las reacciones tuvieron que ocurrir (por lo menos en parte) en un equilibrio non - térmico. Adicionalmente, el así que - llamado que "Simetría de CP" de física de partículas tenía para ser infringido (i.e. material y antimateria tuvieron que funcionar ligeramente de manera diferente, contrario al lo lo que teoría de campo de cuanto dijo at the time) y que "La cantidad de baryon" no podía ser ahorrado (1967 de Sakharov).

Mientras este da una idea general de qué tener que ocurrir, no es una solución en sí. Las soluciones modernas para este problema dependen on el así que - called la "Simetría de electroweak que se rompe": en las temperaturas suficientemente altas como ésos encontrados en el universo temprano, la fuerza electromagnética y la fuerza débil son esencialmente indistinguibles, se uniendo en una fuerza sola. Cuando el universo se enfrió (debajo de una fiebre de aproximadamente 1015 Kelvin y después de una vez de aproximadamente 0.1 billonésimo de un segundo), esta fuerza se separó en la fuerza distinta que veíamos hoy. Este "Transición de fase" resultó, por lo menos a nivel local, en el equilibrio non - térmico requerido. La infracción de la simetría de CP es convertida en la teoría de electroweak naturalmente, y en la temperatura alta el modelo usual de física de partículas también admite la protección del medio ambiente non - del número de baryon.

No todos los detalles son limpiados aún (por ejemplo, no está todavía no claro si tales modelos pueden explicar la asimetría observada en un nivel cuantitativo), pero mayoría de la que los físicos de partícula y cosmólogos hoy son confident que esto es el camino correcto, y el problema el tema - asimetría de antimateria será solucionado satisfactoriamente pronto.

D) "Small" - la estructura de balanza.

Cuando hemos dicho antes teoría de cosmological en curso seem trabajar muy bien sobre balanzas muy grandes. Esto parece ser el caso de las balanzas más grandes que podemos revisar en el universo all the way down al tamaño de grupos de galaxia de regular tamaño. Sin embargo, cuando extrapolamos la teoría en curso debajo de esas balanzas, no está claro que se ajusta a los comentarios totalmente.

El primer punto de datos importante en esta área vino del Hubble Space Telescope, en el primero Hubble Deep Field. Este data set fue hecho enfocando a Hubble en una corrección relativa y escasamente poblada de cielo y parecer ms profundo que los astrónomos alguna vez tenían antes. Sorprendentemente, astrónomos descubrieron que, incluso en estos redshifts muy altos corresponder a un punto muy temprano en la edad del universo, galaxias ser descubiertos que ya parecía "Maduro". En otras palabras, aparecieron casi tan enormes como las galaxias que vemos hoy y ya habían desarrollado estructuras sub - como los brazos en espiral que see en galaxias como Andromeda. Este artículo de ESO Provee some en el que el detalle; mayor cantidad puede ser encontrado Cimatti (2004). Es cierto, las estrellas que comprendían estas galaxias aparecieron muy jóvenes y no en conflicto con su edad de acuerdo con teoría usual, pero la presencia de galaxias que ya había se ido a través de un poco de descanso dinámico considerable era something of a sorpresa. Por supuesto, las observaciones de campo hondas no son la única obtención de imágenes honda que tenemos. Las observaciones más nuevas con Hubble Ultra campo hondo Sugera que la mayoría de las galaxias en el universo fueran efectivamente pequeños en ese momento y madure no completamente. Esto puede querer decir que lo que Cimatti y otros han visto era simplemente outliers estadísticos, pero mayor cantidad a la que los datos son necesitado lo sabe con certeza.

En el alcance más ancho, formación de galaxia se queda un tema muy difícil dentro de cosmología. Como con la estructura a gran escala, la herramienta teórica principal para comprender el proceso es la simulación de computadora. Para sin embargo, hacer un modelo de una galaxia con exactitud, uno tiene que comprender cómo las arreglarse con baryons. A diferencia del tema oscuro, que interactúa solamente vía la gravedad, baryons dan la luz, moldear estrellas, estallar en supernovas, etcétera. Obviamente, una simulación contener una galaxia lo suficientemente grande no va a poder simular la formación de una estrella sola con exactitud. Como máximo, una simulación tendrá uno mil millones partículas, queriendo decir que cada partícula representará estrellas de unos cuantos miles. Esto quiere decir que procesos como formación sobresaliente y evolución tienen que ser tratados con vía alguna manera de la receta ad hoc, afinado para ajustarse a los comentarios. No es obviamente la mejor de las situación, pero hay buena oferta que podemos aprender del proceso y el progreso está estando hecho.

Además del dinámica de galaxia de - de intra, también hay el tan - llamar "El problema de satélite." Las galaxias grandes, de la misma manera que nuestro Milky Way, son giradas alrededor de por galaxias irregulares más pequeñas típicamente, de la misma manera que las nubes de Magellanic. Estos tipos de galaxias también aparecen en las simulaciones de computadora alrededor de galaxias más grandes. Sin embargo, en lugar de las docenas or so que podemos observar girar alrededor de nuestra galaxia, las simulaciones pronosticarían a cerrador a 50. Como Este artículo Indicar, allí ser las soluciones posibles a este problema (principalmente comprender whether or not el gas en estas galaxias más pequeñas moldeará estrellas o se queda oscuro), excepto los jurados todavía estar resplandeciente.

En resumen: a pesar de que TBB trabaja bien sobre balanzas grandes (grupos de galaxia la estructura a gran escala, el universo como un todo), algunas observaciones en balanzas más pequeñas se quedan desconcertantes. No está todavía no claro si estas preguntas serán limpiadas mejorando nuestra habilidad de simular estas balanzas o si la teoría necesitará las revisiones (menor o muy importante).

6) resumen y punto de vista

Resumen:

  • La teoría de la gran explosión es una teoría es muy probable evaluada. Ô‹’ datos, venir de desenfrenadamente diferente clases de observaciones (ver chapter 2) Dé una imagen interiormente consecuente de la geometría, la composición e historia del universo. El juego principal de los parámetros que ordena que el comportamiento de teoría haya sido determinado a una precisión de 10 % o mejor (que es extraordinario teniendo en cuenta las restricciones on hacer las observaciones) y todos de las mejores mediciones en curso están de acuerdo dentro de su alcance del error con estos parámetros.
  • Mientras las objeciones Y Modelos alternativos Exista, son tampoco fácilmente refutados por los datos o unable explicar el alcance lleno de los datos tan bien como la fotografía usual (y a veces tanto). Esto no para a defensores de estas ideas de atacar TBB, pero es more than suficiente convencer la mayoría abrumadora de la comunidad de cosmological de la solidez básica del modelo.
  • Cuando con cualquier teoría científica, todavía hay asuntos Eso está parcialmente o totalmente sin resolver. Éstos son puntos de investigación continuada, y tantas observaciones adicionales como los avances en física teórica deben perder la luz sobre ellos in the coming years.

La última década ha visto el desarrollo del modelo de concordancias de cosmología. La próxima década continuará este esfuerzo, explorando el las preguntas dar una idea general en Chapter 5 Además de buscar más información sobre la naturaleza y la comportamiento de material oscuro y energía oscura. El trabajo sobre el equipo teórico de cosas continuará, por supuesto; the following lista da un juego de enlaces a observaciones próximas y a experimentos se concentrando en estos temas:

  • Telescopios infrarrojos como el James Webb Space telescopio Investigar el tiempo que, buscar las primeras estrellas y galaxias; en que también ayudarán mejorar nuestras ideas sobre formación de galaxia más atrás.
  • El satélite de Planck Medir la RFMC en más grande que el satélite de WMAP detalle (evaluando la inflación, tender teoría etc.).
  • Visiónes generales de balanza de - grandes de distribuciones de galaxia y supernovas incrementarán nuestros conocimientos sobre la distribución de material oscuro y proveerán las pistas sobre la naturaleza de la energía oscura; por ejemplo la telescopio de encuesta de Synoptic grande, La encuesta de energía oscura, Y el Supernova / investigación de aceleración.
  • Candidatos para material oscuro sí probablemente (esperanzadamente?) Sea encontrado en aceleradores de partículases como RHICO LHC.

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Agradecimientos

Me gustaría agradecer a Ned Wright, Ulf Torkelsson, Stuart A Weinstein, Martin Hutton, Edward Cooper, Jon Fleming, y Mark Isaak por la valiosa crítica y sugerencias.

Björn Feuerbacher Y Ryan Scranton -

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