¿Cómo sabemos que la métrica del espacio se está expandiendo en lugar de que los objetos se muevan entre sí?

Observamos que las galaxias parecen alejarse de nosotros, de forma isotrópica, a un ritmo proporcional a su distancia de nosotros (ley de Hubble).

Si bien se podría argumentar que estamos en (o cerca) del centro de una expansión muy uniforme, habría que explicar por qué debería existir la ley de Hubble y por qué el universo nos parece isotrópico, pero no desde una posición diferente en el universo. . La explicación más simple es que se aplica la Relatividad General (como observamos en varios otros casos) y vivimos en un universo en expansión; esto significa que no necesitamos ocupar una posición privilegiada en el universo (una suposición errónea que ha demostrado ser incorrecta). cada dos veces que se ha hecho).

En tal universo, el corrimiento hacia el rojo de las galaxias distantes no es causado por el movimiento relativo, sino por la expansión del espacio. En corrimientos al rojo altos, estos fenómenos se vuelven distintos en el sentido de que la relación entre "velocidad" y corrimiento al rojo es diferente, por ejemplo, permitiendo velocidades "más rápidas que la luz" (aparentes).

Básicamente, en la actualidad, la expansión se ajusta a los hechos (mucho) mejor y de forma más sencilla que cualquiera de las alternativas.

Otra prueba indirecta proviene de un análisis cuidadoso de las condiciones físicas del gas con altos desplazamientos al rojo, iluminado por cuásares de fondo y alteraciones sutiles del espectro de fondo cósmico de microondas (CMB), causado por el efecto Sunyaev-Zel'dovich, hacia la galaxia. cúmulos con bajos corrimientos al rojo. Ambos métodos dan la temperatura del CMB en esos lugares.

En el modelo del universo en expansión, la temperatura debería aumentar a medida que$1+z$, dónde$z$es el corrimiento al rojo. Si, en cambio, uno tiene un universo que no se expande y explica que el CMB se debe a una capa de material en expansión, entonces la temperatura promedio no cambiaría para las galaxias distantes a menos que el gas de la capa se haya enfriado uniformemente en una cantidad que coincide. con corrimiento al rojo de esa galaxia.

Avgoustidis et al. (2015) revisan la evidencia de la evolución de la temperatura del CMB y concluyen que concuerda con una expansión adiabática superior al 1%.

Sin embargo, la evidencia directa de la expansión está en el horizonte. En un universo en expansión, la velocidad a la que las galaxias se alejan de nosotros puede cambiar lentamente con el tiempo (y con la distancia) del orden de 10 cm/s por año, a pesar de que no ejercen ninguna fuerza sobre ellas. Esto se conoce como la deriva del corrimiento al rojo . Hay planes para medir este pequeño efecto con el European Extremely Large Telescope y el Square Kilometre Array en el transcurso de una década.

El modelo cosmológico es un modelo matemático construido sobre la Relatividad General. La métrica de la relatividad general es de cuatro dimensiones.

La observación de "todo alejándose de todo lo demás" no puede encajar lógicamente en un espacio tridimensional. Parece como si hubiera una explosión en todas partes, en cada (x,y,z). ¿Por qué necesita una explosión? Para explicar cómo surgió la energía. Por lo tanto, no se puede ajustar en la gravedad del espacio tridimensional con un modelo razonable.

Un modelo matemático bidimensional calculable, de todo lo que se aleja de todo lo demás, se puede encontrar en la analogía del globo. A medida que un globo se expande, todos los puntos de su superficie se alejan de todos los demás puntos. Desafortunadamente, observamos la expansión de la galaxia en un espacio tridimensional y necesitamos una cuarta dimensión para tener el análogo matemático. Lo que trae el modelo de la relatividad general, que lleva el concepto de expansión del espacio como la formulación matemática más simple para explicar por qué todo se aleja de todo lo demás. Eso sí, GR se ajusta a todas las observaciones y datos experimentales hasta ahora.

Como mencioné en un comentario sobre la pregunta en sí, Davis (del par de Lineweaver y Davis que trazaron varios horizontes de observación en diagramas muy utilizados) ha dejado en claro que la expansión espacial no es una "fuerza o arrastre" que transporta otro material. y objetos energéticos junto con él. Sin embargo, el espacio se expande localmente como resultado de cambios en el número o trayectorias de los objetos masivos y/o energéticos que contiene, los cuales son, a su vez, intercambiables entre sí según la equivalencia masa/energía de la Relatividad General: En efecto, los cambios de los contenidos espaciales, de masa a energía, pueden resultar en su expansión. (Aunque un universo infinito sería intrínsecamente no verificable, podría existir, con una "expansión" localmente aparente que en realidad comprende una "subdivisión" de su espacio).

Los modelos cosmológicos que explican una expansión localmente aparente del espacio utilizando solo la Relatividad General de 1915 tienden a depender de la "energía oscura" o la "gravedad repulsiva" para separar los objetos astronómicos y, por lo tanto, explicar el desplazamiento hacia el rojo. Sin embargo, el modelo que más aprovecha la relatividad de Einstein es la "cosmología con torsión" de Nikodem Poplawski (descrito en numerosos artículos, escritos entre 2010 y 2021, cuyos preprints se pueden encontrar junto a su nombre en el sitio web "Arxiv" de la Universidad de Cornell): utiliza la teoría de Einstein-Cartan (desarrollada por Einstein y el matemático francés Elie Cartan en 1929, unos años después del descubrimiento del espín de las partículas), que asigna una pequeña extensión espacial a los fermiones.

Su modelo aplica estas consideraciones en el contexto del colapso gravitatorio de grandes estrellas en agujeros negros, después de que el agotamiento de su combustible nuclear las haya dejado con una presión de radiación insuficiente para evitarlo. (Como la mayoría de las estrellas están en pares binarios, existe evidencia astronómica de que tales colapsos han ocurrido al menos 90 veces dentro de nuestra región observable, ya que la estrella sobreviviente de cada par continúa siguiendo la órbita elíptica que antes compartía con su pareja).

En el modelo de Poplawski, las trayectorias de los fermiones recién materializados por el campo gravitacional (a través de su separación de los compañeros en pares virtuales de partículas/antipartículas por el horizonte de eventos que se propaga hacia el exterior de la estrella que colapsa) se invierten y se aceleran enormemente a través de la interacción con los mucho más grandes. fermiones estelares, y forman un nuevo "universo local" cuya forma Poplawski ha comparado con la piel de una pelota de baloncesto.

Si un universo lo suficientemente viejo fuera infinito (o incluso "extremadamente grande") en extensión espacial, y tan homogéneo e isotrópico en todas partes como parece ser en la parte observable desde la Tierra, la vida en su región central sería menos probable sin tales separaciones causales como las permitidas por el "Génesis del Agujero Negro" sugerido por Lee Smolin e implementado por Poplawski, ya que la luz que finalmente llega de sus regiones periféricas elevaría las temperaturas de la superficie planetaria más allá del punto de ebullición, lo que deja la formación de estructuras estables mucho menos probable. Un buen resumen de BHG se puede ver libremente en línea, en el video "Before the Big Bang 10: Black Hole Genesis".

La adición de cantidades variables de desechos u otra masa, en algunos casos bastante pequeña, a estrellas grandes que de otro modo podrían colapsar en estrellas de neutrones, puede haber sido emprendida por civilizaciones avanzadas para hacer que colapsen en agujeros negros, en el futuro. expectativa de que uno u otro de los LU que germinen dentro de ellos se parecería al hogar de esa civilización, en una forma de autoperpetuación intermitente y aproximada que no es posible a través de la inflación basada en campos escalares: esta posibilidad puede haber dejado el modelo basado en ECT más probable .

El "Génesis del Agujero Negro" se desarrolló como un factor dentro del marco más amplio de la "Selección Cosmológica Natural" de Smolin: En consecuencia, se me ocurre que, así como una población suficientemente grande de cualquier especie biológica tenderá a proporcionar un caldo de cultivo para la evolución de parásitos aptos para reducirlo, la "selección cosmológica artificial" esbozada en mi párrafo anterior podría tender a reducir la proporción de estrellas de neutrones frente a las BH, pero aumentar su tamaño durante cualquier adición de desechos u otra masa que pudiera haber ocurrido dentro cosmológicamente. hace poco,dada la posibilidad de que las civilizaciones hipotéticas involucradas puedan esperar razonablemente tener un espectro más amplio de datos sobre exactamente qué condiciones y entornos podrían influir en el punto de ruptura entre los dos tipos de objetos astrofísicos bajo consideración.

El físico matemático Roger Penrose, colaborador frecuente de Stephen Hawking y ganador del Premio Nobel de Física de 2020, escribió un modelo cosmológico diferente del pasado y el futuro eterno (que, como el de Poplawski, data de 2010). En su "cosmología conforme cíclica", que depende de la entropía gravitacional que funciona inversamente a la entropía termodinámica, el equilibrio térmico de cada uno de una secuencia interminable de "eones" se convierte en el "big bang" del siguiente después de la decoherencia gravitacional de todos los anteriores. partículas masivas de un eón en radiación. (La geometría conforme, conservando los ángulos durante grandes aumentos de escala, permite la representación esquemática de este interesante modelo, cuyo contenido, al consistir sólo en radiación, carecería de tiempo físico,

Ha habido evidencia consistente para el modelo de Penrose en la observación de "puntos de Hawking" (puntos anómalos de temperatura significativamente elevada en el cielo CMB que resultan de la liberación de radiación de Hawking por la "evaporación" de agujeros negros), como se discute en el Documento de marzo de 2020 en https://arxiv.org/abs/1808.01740 .