La luz cansada es una clase de mecanismos hipotéticos de desplazamiento al rojo que se propuso como una explicación alternativa para la relación desplazamiento al rojo-distancia . Estos modelos se han propuesto como alternativas a los modelos que requieren una expansión métrica del espacio, de los cuales las cosmologías del Big Bang y del Estado Estacionario son los ejemplos más famosos. El concepto fue propuesto por primera vez en 1929 por Fritz Zwicky , quien sugirió que si los fotones perdían energía con el tiempo a través de colisiones con otras partículas de manera regular, los objetos más distantes aparecerían más rojos que los más cercanos. El propio Zwicky reconoció que cualquier tipo de dispersiónde luz difuminaría las imágenes de objetos distantes más de lo que se ve. Además, se han observado el brillo de la superficie de las galaxias que evolucionan con el tiempo , la dilatación temporal de las fuentes cosmológicas y un espectro térmico del fondo cósmico de microondas ; estos efectos no deberían estar presentes si el corrimiento al rojo cosmológico se debiera a algún mecanismo de dispersión de luz cansado. [1] [2] [3] A pesar del reexamen periódico del concepto, la luz cansada no ha sido respaldada por pruebas de observación y sigue siendo un tema marginal en astrofísica. [4]
Historia y acogida
La luz cansada fue una idea que surgió debido a la observación realizada por Edwin Hubble de que las galaxias distantes tienen corrimientos al rojo proporcionales a su distancia . El corrimiento al rojo es un cambio en el espectro de la radiación electromagnética emitida desde un objeto hacia energías y frecuencias más bajas, asociado con el fenómeno del efecto Doppler . Los observadores de nebulosas espirales como Vesto Slipher observaron que estos objetos (ahora conocidos por ser galaxias separadas ) generalmente exhibían corrimiento al rojo en lugar de corrimientos al azul, independientemente de dónde estuvieran ubicados. Dado que la relación se mantiene en todas las direcciones, no se puede atribuir a un movimiento normal con respecto a un fondo que mostraría una variedad de desplazamientos al rojo y al azul. Todo se aleja de la Vía Láctea. La contribución de Hubble fue mostrar que la magnitud del corrimiento al rojo se correlacionó fuertemente con la distancia a las galaxias.
Basándose en los datos de Slipher y Hubble, en 1927 Georges Lemaître se dio cuenta de que esta correlación ajustaba las soluciones no estáticas a las ecuaciones de la teoría de la gravedad de Einstein, las soluciones de Friedmann-Lemaître. Sin embargo, el artículo de Lemaître fue apreciado solo después de la publicación de Hubble en 1929. La relación universal de desplazamiento al rojo-distancia en esta solución es atribuible al efecto que un universo en expansión tiene sobre un fotón que viaja en un intervalo de espacio-tiempo nulo (también conocido como un espacio geodésico "similar a la luz"). ). En esta formulación, todavía había un efecto análogo al efecto Doppler , aunque las velocidades relativas deben manejarse con más cuidado, ya que las distancias se pueden definir de diferentes maneras en las métricas en expansión .
Al mismo tiempo, se propusieron otras explicaciones que no concordaban con la relatividad general. Edward Milne propuso una explicación compatible con la relatividad especial pero no con la relatividad general de que hubo una explosión gigante que podría explicar los desplazamientos al rojo (ver universo de Milne ). Otros propusieron que los efectos sistemáticos podrían explicar la correlación desplazamiento al rojo-distancia. En esta línea, Fritz Zwicky propuso un mecanismo de "luz cansada" en 1929. [5] Zwicky sugirió que los fotones podrían perder energía lentamente a medida que viajan grandes distancias a través de un universo estático por interacción con la materia u otros fotones, o por algún mecanismo físico novedoso. . Dado que una disminución de energía corresponde a un aumento en la longitud de onda de la luz , este efecto produciría un corrimiento al rojo en las líneas espectrales que aumentan proporcionalmente con la distancia de la fuente. El término "luz cansada" fue acuñado por Richard Tolman a principios de la década de 1930 como una forma de referirse a esta idea. [6] Helge Kragh ha señalado que "la hipótesis de Zwicky era la alternativa más conocida y más elaborada al universo en expansión, pero estaba lejos de ser la única. Más de una docena de físicos, astrónomos y científicos aficionados propusieron en la década de 1930 ideas de luz cansada teniendo en común el supuesto de que los fotones nebulares interactúan con la materia intergaláctica a la que transfieren parte de su energía ". Kragh señaló en particular a John Quincy Stewart , William Duncan MacMillan y Walther Nernst . [7]
Los mecanismos de luz cansados se encontraban entre las alternativas propuestas al Big Bang y las cosmologías del estado estacionario , las cuales se basaban en la expansión relativista general del universo de la métrica FRW. A mediados del siglo XX, la mayoría de los cosmólogos apoyaron uno de estos dos paradigmas , pero hubo algunos científicos, especialmente aquellos que estaban trabajando en alternativas a la relatividad general, que trabajaron con la alternativa de la luz cansada. [8] A medida que la disciplina de la cosmología observacional se desarrolló a finales del siglo XX y los datos asociados se volvieron más numerosos y precisos, el Big Bang surgió como la teoría cosmológica más apoyada por la evidencia observacional, y sigue siendo el modelo de consenso aceptado con una corriente parametrización que especifica con precisión el estado y la evolución del universo. Aunque las propuestas de "cosmologías de luz cansada" están ahora más o menos relegadas al basurero de la historia, como propuesta completamente alternativa, las cosmologías de luz cansada se consideraron una posibilidad remota digna de consideración en los textos de cosmología hasta bien entrada la década de 1980, aunque fue descartada como una propuesta improbable y ad hoc por los astrofísicos convencionales. [9]
En la década de 1990 y en el siglo XXI, una serie de observaciones falsas han demostrado que las hipótesis de la "luz cansada" no son explicaciones viables para los corrimientos al rojo cosmológicos. [2] Por ejemplo, en un universo estático con mecanismos de luz cansados, el brillo de la superficie de las estrellas y galaxias debe ser constante, es decir, cuanto más lejos está un objeto, menos luz recibimos, pero su área aparente también disminuye, por lo que la luz recibida dividida por el área aparente debe ser constante. En un universo en expansión, el brillo de la superficie disminuye con la distancia. A medida que el objeto observado retrocede, los fotones se emiten a una velocidad reducida porque cada fotón tiene que viajar una distancia un poco más larga que la anterior, mientras que su energía se reduce un poco debido al aumento del corrimiento al rojo a una distancia mayor. Por otro lado, en un universo en expansión, el objeto parece ser más grande de lo que realmente es, porque estaba más cerca de nosotros cuando los fotones comenzaron su viaje. Esto provoca una diferencia en el brillo de la superficie de los objetos entre un Universo estático y uno en expansión. Esto se conoce como la prueba de brillo de la superficie de Tolman que en esos estudios favorece la hipótesis del universo en expansión y descarta los modelos de luz cansados estáticos. [10] [11] [12]
El corrimiento al rojo es directamente observable y utilizado por los cosmólogos como una medida directa del tiempo retroactivo . A menudo se refieren a la edad y la distancia a los objetos en términos de desplazamiento al rojo en lugar de años o años luz. En tal escala, el Big Bang corresponde a un corrimiento al rojo del infinito. [10] Las teorías alternativas de la gravedad que no tienen un universo en expansión necesitan una alternativa para explicar la correspondencia entre el corrimiento al rojo y la distancia que es sui generis para las métricas en expansión de la relatividad general. Estas teorías a veces se denominan "cosmologías de luz cansada", aunque no todos los autores son necesariamente conscientes de los antecedentes históricos. [13]
Modelos falsificados específicos
En general, cualquier mecanismo de "luz cansada" debe resolver algunos problemas básicos, en el sentido de que el corrimiento al rojo observado debe:
- admitir la misma medida en cualquier banda de longitud de onda
- no exhibir desenfoque
- seguir la relación detallada de Hubble observada con los datos de supernova (ver universo en aceleración )
- explicar la dilatación del tiempo asociada a eventos cosmológicamente distantes.
A lo largo de los años se han sugerido varios mecanismos de luz cansados. Fritz Zwicky , en su artículo proponiendo estos modelos, investigó una serie de explicaciones del corrimiento al rojo, descartando algunas por sí mismo. La forma más simple de una teoría de la luz cansada asume una disminución exponencial de la energía de los fotones con la distancia recorrida:
dónde es la energía del fotón a distancia de la fuente de luz, es la energía del fotón en la fuente de luz, y es una gran constante que caracteriza la "resistencia del espacio". Para corresponder a la ley de Hubble , la constantedebe ser de varios giga parsecs . Por ejemplo, Zwicky consideró si un efecto Compton integrado podría explicar la normalización de escala del modelo anterior:
... la luz proveniente de nebulosas distantes sufriría un cambio al rojo por efecto Compton en esos electrones libres [en espacios interestelares] [...] Pero entonces la luz dispersa en todas direcciones haría que el espacio interestelar fuera intolerablemente opaco, lo que elimina la explicación anterior. [...] es evidente que cualquier explicación basada en un proceso de dispersión como el efecto Compton o el efecto Raman , etc., quedará en una posición desesperada en cuanto a la buena definición de las imágenes. [5]
Este esperado "desenfoque" de objetos cosmológicamente distantes no se ve en la evidencia de observación, aunque se necesitarían telescopios mucho más grandes que los disponibles en ese momento para mostrar esto con certeza. Alternativamente, Zwicky propuso una especie de explicación del efecto Sachs-Wolfe para la relación de distancia de corrimiento al rojo:
Uno podría esperar un cambio de líneas espectrales debido a la diferencia del potencial gravitacional estático a diferentes distancias del centro de una galaxia. Este efecto, por supuesto, no tiene relación con la distancia de la galaxia observada de nuestro propio sistema y, por lo tanto, no puede proporcionar ninguna explicación del fenómeno discutido en este artículo. [5]
Las propuestas de Zwicky se presentaron cuidadosamente como falsificables según observaciones posteriores:
... [un] análogo gravitacional del efecto Compton [...] Es fácil ver que el corrimiento al rojo anterior debería ampliar estas líneas de absorción asimétricamente hacia el rojo. Si estas líneas pueden fotografiarse con una dispersión lo suficientemente alta, el desplazamiento del centro de gravedad de la línea dará un corrimiento al rojo independiente de la velocidad del sistema desde el cual se emite la luz. [5]
Este ensanchamiento de las líneas de absorción no se ve en objetos con alto corrimiento al rojo, lo que falsifica esta hipótesis en particular. [14]
Zwicky también señala, en el mismo artículo, que de acuerdo con un modelo de luz cansado, una relación distancia-desplazamiento al rojo estaría necesariamente presente en la luz de fuentes dentro de nuestra propia galaxia (incluso si el desplazamiento al rojo fuera tan pequeño que sería difícil de medir). ), que no aparecen bajo una teoría basada en la velocidad recesional. Él escribe, refiriéndose a las fuentes de luz dentro de nuestra galaxia: "Es especialmente deseable determinar el corrimiento al rojo independientemente de las velocidades adecuadas de los objetos observados". [5] Posteriormente a esto, los astrónomos han cartografiado pacientemente el espacio tridimensional de la fase de la velocidad-posición de la galaxia y encontraron que los desplazamientos al rojo y al azul de los objetos galácticos concuerdan bien con la distribución estadística de una galaxia espiral, eliminando el componente de desplazamiento al rojo intrínseco como efecto. [15]
Siguiendo a Zwicky en 1935, Edwin Hubble y Richard Tolman compararon el corrimiento al rojo recesional con uno no recesivo, escribiendo que ellos:
... ambos se inclinan a la opinión, sin embargo, de que si el corrimiento al rojo no se debe a un movimiento recesivo, su explicación probablemente involucrará algunos principios físicos bastante nuevos [... y] el uso de un modelo estático de Einstein del universo, combinado con el supuesto de que los fotones emitidos por una nebulosa pierden energía en su viaje hacia el observador por algún efecto desconocido, que es lineal con la distancia, y que conduce a una disminución de la frecuencia, sin una desviación transversal apreciable. [dieciséis]
Estas condiciones se volvieron casi imposibles de cumplir y el éxito general de las explicaciones relativistas generales para la relación desplazamiento al rojo-distancia es una de las razones fundamentales por las que el modelo del universo del Big Bang sigue siendo la cosmología preferida por los investigadores.
A principios de la década de 1950, Erwin Finlay-Freundlich propuso un corrimiento al rojo como "el resultado de la pérdida de energía por los fotones observados que atraviesan un campo de radiación". [17] que fue citado y argumentado como una explicación de la relación desplazamiento al rojo-distancia en un artículo de 1962 sobre la teoría de la astrofísica Nature por el profesor de física PF Browne de la Universidad de Manchester . [18] El eminente cosmólogo Ralph Asher Alpher escribió una carta a Nature tres meses después en respuesta a esta sugerencia criticando duramente el enfoque: "No se ha propuesto ningún mecanismo físico generalmente aceptado para esta pérdida". [19] Aún así, hasta que se introdujo la llamada "Era de la cosmología de precisión" con los resultados de la sonda espacial WMAP y las encuestas modernas de desplazamiento al rojo , [20] los modelos de luz cansados podrían publicarse ocasionalmente en las revistas principales, incluida una que fue publicado en la edición de febrero de 1979 de Nature proponiendo "desintegración de fotones" en un espacio-tiempo curvo [21] que cinco meses después fue criticado en la misma revista por ser totalmente inconsistente con las observaciones del corrimiento al rojo gravitacional observado en la extremidad solar . [22] En 1986 se publicó en el Astrophysical Journal un artículo que afirmaba que las teorías de la luz cansada explicaban el corrimiento al rojo mejor que la expansión cósmica , [23] pero diez meses después, en la misma revista, se demostró que esos modelos de luz cansada eran incompatibles con las observaciones existentes. [24] A medida que las mediciones cosmológicas se volvieron más precisas y las estadísticas en los conjuntos de datos cosmológicos mejoraron, las propuestas de luz cansadas terminaron siendo falsificadas, [1] [2] [3] en la medida en que la teoría fue descrita en 2001 por el escritor científico Charles Seife como "firmemente al margen de la física hace 30 años; aún así, los científicos buscaron pruebas más directas de la expansión del cosmos". [25]
Ver también
- Dispersión (óptica)
Referencias
- ^ a b Wright, Errores EL en cosmología ligera cansada .
- ^ a b c Tommaso Treu, Diapositivas de la conferencia para el curso de Astrofísica de la Universidad de California en Santa Bárbara . pag. 16 Archivado el 23 de junio de 2010 en la Wayback Machine .
- ↑ a b Peebles, PJE (1998). "El modelo cosmológico estándar". En Greco, M. (ed.). Rencontres de Physique de la Vallee d'Aosta . arXiv : astro-ph / 9806201 .
- ^ Overduin, James Martin; Wesson, Paul S. (2008). El universo claro / oscuro: luz de galaxias, materia oscura y energía oscura . Publicaciones científicas mundiales. pag. 10. ISBN 978-981-283-441-6.
- ^ a b c d e Zwicky, F. (1929). "Sobre el corrimiento al rojo de las líneas espectrales a través del espacio interestelar" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 15 (10): 773–779. Código bibliográfico : 1929PNAS ... 15..773Z . doi : 10.1073 / pnas.15.10.773 . PMC 522555 . PMID 16577237 .
- ^ Evans, Myron W .; Vigier, Jean-Pierre (1996). El fotón enigmático: teoría y práctica del campo B3 . Saltador. pag. 29. ISBN 978-0-7923-4044-7.
- ^ Kragh, Helge (2019). "Teorías cosmológicas alternativas". En Kragh, Helge; Longair, Malcolm S. (eds.). El manual de Oxford de la historia de la cosmología moderna . pag. 29. doi : 10.1093 / oxfordhb / 9780198817666.013.4 .
- ^ Wilson, OC (1939). "Posibles aplicaciones de las supernovas al estudio de los desplazamientos al rojo nebular". El diario astrofísico . 90 : 634. Bibcode : 1939ApJ .... 90..634W . doi : 10.1086 / 144134 .
- ^ Ver, por ejemplo, p. 397 dellibrode Joseph Silk , The Big Bang . (1980) WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-1812-X .
- ^ a b Geller, MJ; Peebles, PJE (1972). "Prueba del postulado del universo en expansión". El diario astrofísico . 174 : 1. Código Bibliográfico : 1972ApJ ... 174 .... 1G . doi : 10.1086 / 151462 .
- ^ Goldhaber, G .; Novio, DE; Kim, A .; Aldering, G .; Astier, P .; Conley, A .; Deustua, SE; Ellis, R .; Fabbro, S .; Fruchter, AS; Goobar, A .; Hook, I .; Irwin, M .; Kim, M .; Knop, RA; Lidman, C .; McMahon, R .; Nugent, PE; Dolor, R .; Panagia, N .; Pennypacker, CR; Perlmutter, S .; Ruiz ‐ Lapuente, P .; Schaefer, B .; Walton, NA; York, T .; Proyecto de cosmología de supernovas (2001). "Parametrización de estiramiento de escala de tiempo de curvas de luz de banda B de supernova de tipo Ia". El diario astrofísico . 558 (1): 359–368. arXiv : astro-ph / 0104382 . Código Bibliográfico : 2001ApJ ... 558..359G . doi : 10.1086 / 322460 . S2CID 17237531 .
- ^ Lubin, Lori M .; Sandage, Allan (2001). "La prueba de brillo de la superficie de Tolman para la realidad de la expansión. IV. Una medición de la señal de Tolman y la evolución de la luminosidad de las galaxias de tipo temprano". El diario astronómico . 122 (3): 1084-1103. arXiv : astro-ph / 0106566 . Código Bibliográfico : 2001AJ .... 122.1084L . doi : 10.1086 / 322134 . S2CID 118897528 .
- ^ Barrow, John D. (2001). Peter Coles (ed.). El compañero de Routledge para la nueva cosmología . Routledge. pag. 308. bibcode : 2001rcnc.book ..... C . ISBN 978-0-415-24312-4.
- ^ Consulte, por ejemplo, los espectros de alto corrimiento al rojo que se muestran en http://astrobites.com/2011/04/27/prospecting-for-c-iv-at-high-redshifts/
- ^ Binney y Merrifield: Astronomía galáctica . Prensa de la Universidad de Princeton, ISBN 978-0-691-02565-0
- ^ Hubble, Edwin ; Tolman, Richard C. (noviembre de 1935). "Dos métodos para investigar la naturaleza del corrimiento al rojo nebular". Revista astrofísica . 82 : 302. Bibcode : 1935ApJ .... 82..302H . doi : 10.1086 / 143682 .
- ^ Finlay-Freundlich, E. (1954). "Red-Shifts en los espectros de los cuerpos celestes". Proc. Phys. Soc. Una . 67 (2): 192-193. Código Bib : 1954PPSA ... 67..192F . doi : 10.1088 / 0370-1298 / 67/2/114 .
- ^ Brown, PF (1962). "El caso de una ley de desplazamiento al rojo exponencial". Naturaleza . 193 (4820): 1019–1021. Código Bibliográfico : 1962Natur.193.1019B . doi : 10.1038 / 1931019a0 . S2CID 4154001 .
- ^ Alpher, RA (1962). "Prueba de laboratorio de la hipótesis del cambio al rojo de Finlay-Freundlich". Naturaleza . 196 (4852): 367–368. Código Bibliográfico : 1962Natur.196..367A . doi : 10.1038 / 196367b0 . S2CID 4197527 .
- ^ Smoot, George S. "Actas del Simposio internacional de 2002 sobre cosmología y astrofísica de partículas" (CosPA 02) Taipei, Taiwán, 31 de mayo - 2 de junio de 2002 (págs. 314-325) Nuestra era de la cosmología de precisión .
- ^ DF Crawford, "Descomposición de fotones en el espacio-tiempo curvo", Nature , 277 (5698), 633-635 (1979).
- ^ Beckers, JM; Cram, LE (julio de 1979). "Uso del efecto de la extremidad solar para probar las teorías cosmológicas del corrimiento al rojo y la desintegración de fotones". Naturaleza . 280 (5719): 255–256. Código Bibliográfico : 1979Natur.280..255B . doi : 10.1038 / 280255a0 . S2CID 43273035 .
- ^ LaViolette PA (abril de 1986). "¿El universo realmente se está expandiendo?". Revista astrofísica . 301 : 544–553. Código bibliográfico : 1986ApJ ... 301..544L . doi : 10.1086 / 163922 .
- ^ Wright EL (febrero de 1987). "La fuente cuenta en la cosmología cronométrica". Revista astrofísica . 313 : 551–555. Código Bibliográfico : 1987ApJ ... 313..551W . doi : 10.1086 / 164996 .
- ^ Charles Seife (28 de junio de 2001). " La hipótesis de la 'luz cansada' se vuelve a cansar" . Ciencia . Consultado el 3 de junio de 2016 .
Las mediciones del fondo cósmico de microondas pusieron la teoría firmemente al margen de la física hace 30 años; aún así, los científicos buscaron pruebas más directas de la expansión del cosmos.