El Premio Nobel de Física 2011, fue otorgado apenas unas semanas atrás a la investigación sobre la luz de las supernovas de Tipo 1a, que demuestra que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. El problema bien conocido resultado de estas observaciones es que esta expansión parece estar ocurriendo incluso más rápido que todas las formas conocidas de energía podrían permitir. Aunque no hay escasez de explicaciones propuestas -desde la energía oscura a las teorías modificadas de la gravedad- es menos común que alguien cuestione la interpretación de los datos de las supernovas en sí.
Eso es lo que propone un un nuevo estudio, realizado por Arto Annila, Profesor de Física de la Universidad de Helsinki. La base de su argumento, que se publica en una edición reciente de la Monthly Notices de la Royal Astronomical Society , radica en la forma siempre cambiante que la luz viaja a través de un universo en constante evolución.
“El modelo estándar de la cosmología del big bang (el modelo Lambda-CMD ) es un modelo matemático, pero no una representación física del universo en evolución “, dice Annila. ”Así, el modelo Lambda-CMD obtiene la distancia de luminosidad en un corrimiento al rojo dado, en función de los parámetros del modelo, tales como la constante cosmológica, pero no en función de los procesos físicos que son liberados de una explosión de supernova y se dispersan en el universo en expansión .
“Cuando la supernova explota, su energía en forma de fotones comienza a dispersarse por el universo, que mientras es observado el flash, se hace más grande y por lo tanto también más diluido. En consecuencia, la intensidad observada de la luz cae de modo proporcionalmente inverso al cuadrado de la distancia de luminosidad y directamente proporcional a la frecuencia de corrimiento al rojo. Debido a estos dos factores, el brillo contra el desplazamiento hacia el rojo no es una línea recta en una gráfica log-log, sino una curva. “
Como resultado, Annila sostiene que los datos de las supernovas no implican que el universo esté experimentando una expansión acelerada.
Como Annila explica, cuando un rayo de luz viaja desde una lejana estrella al telescopio de un observador, se desplaza a lo largo del camino que recorre en un tiempo mínimo. Este principio de la física conocido como Principio de Fermat o Principio de Tiempo Mínimo. Es importante destacar que el camino más rápido no es siempre el camino recto. Las desviaciones de una trayectoria recta se producen cuando la luz se propaga a través de medios de comunicación de diferentes densidades de energía, como cuando la luz se curva debido a la refracción, ya que viaja a través de un prisma de cristal.
El principio de tiempo mínimo es una forma específica de principios más generales, de por lo menos una acción. De acuerdo con este principio, la luz, como todas las formas de energía en movimiento, siempre viaja a través del camino que maximiza la disipación de la energía. Vemos este concepto cuando la luz de una bombilla (o estrella) emana hacia afuera en todas las direcciones disponibles.
Matemáticamente, el principio de mínima acción tiene dos formas diferentes. Los físicos casi siempre usan la forma que implica la llamada integral Lagrange, pero Annila explica que esta forma sólo puede determinar las rutas en un entorno fijo. Como la expansión del universo es un sistema en evolución, sugiere que la forma original, pero menos popular, que fue producida por el matemático francés Maupertuis, puede determinar con mayor precisión la trayectoria de la luz de las supernovas distantes.
Usando el principio de mínima acción de Maupertuis, Annila ha calculado que el brillo de la luz de supernovas de Tipo 1a después de viajar a muchos millones de años luz de la Tierra está de acuerdo con las observaciones de la cantidad conocida de energía en el universo, y por lo tanto no requiere la energía oscura o cualquier otra fuerza de conducción adicional.
“Es natural para los seres humanos anhelar predicciones desde que estas contribuyen a nuestra supervivencia”, dijo. ”Sin embargo, los procesos naturales, como los que Maupertuis formuló correctamente, intrínsecamente no son computables. Por lo tanto, no hay ninguna razón real, sino que ha sido sólo nuestro deseo de hacer predicciones precisas lo que nos ha llevado a rechazar la forma de Maupertuis, a pesar de que el imperativo de tiempo mínimo es una cuenta exacta de los procesos dependientes de la trayectoria. El principio unificador sirve para racionalizar diversos problemas de puesta a punto, como la homogeneidad a gran escala y la planitud del universo. “
¿Cómo funciona exactamente el viaje de la luz por el camino del mínimo tiempo? Mientras que la luz se desplaza, la expansión del universo está disminuyendo en densidad. Cuando la luz pasa de una región de energía de mayor densidad a una región de baja densidad, el principio de Maupertuis de la mínima acción dice que la luz se adapta al disminuir su ímpetu. Por lo tanto, debido a la conservación de los cuantos, la longitud de onda de los fotones se incrementará y su frecuencia disminuirá. Por lo tanto, la intensidad radiante de luz se reducirá en el camino de la explosión de una supernova en el pasado distante de alta densidad de su actual entorno de baja densidad universal. También cuando la luz pasa por una zona de alta densidad energética, como una estrella, la velocidad de la luz varía y su dirección de propagación cambia. Todos estos cambios a la luz en última instancia, se derivan de los cambios en la densidad de energía circundante.
Si este es el camino que recorre la luz de las supernovas, desde luego nos dice algo importante acerca de por qué el universo se expande, explica Annila. Cuando explota una estrella y su masa se quema en la radiación, la conservación de la energía requiere que el número de cuantos se mantenga igual, ya sea en forma de materia o de radiación. Para mantener el equilibrio global entre la energía unida a la materia y la energía libre en forma de fotones, las supernovas, en promedio, pasan de un estado a otro con una velocidad media creciente cercana a la velocidad de la luz. Si la energía oscura o cualquier otra forma adicional de energía estuviera involucrada, se estaría violando la conservación de la energía.
El análisis se aplica no sólo a las supernovas, sino a otras “formas consolidadas” de energía. Cuando se forma el límite de energía en las estrellas, los púlsares, agujeros negros, y otros objetos, se transforman en radiación electromagnética -la forma más baja de energía- a través de la combustión, estas transformaciones irrevocables de la densidad de alta energía para convertirse en densidades de energía baja son las que causan que el universo se expanda.
“La continua expansión del universo no es un remanente de alguna explosión furiosa con un pasado lejano, sino que el universo se está expandiendo debido a la energía enlazada a la materia se quema en fotones que se propagan libremente, sobre todo en estrellas y otros mecanismos celestes de gran alcance de transformación de energía “, dijo Annila. “Por lo tanto, la tasa actual de expansión depende de la densidad de energía que todavía está confinado en la materia, así como sobre todo de la eficacia de los mecanismos actuales que descomponen la materia en luz. Así mismo, la tasa de expansión del pasado dependía de los mecanismos que existían entonces, al igual que la tasa futura dependerá también de los mecanismos que puedan surgir en el futuro. Puesto que todos los procesos naturales tienden a seguir las curvas de consumo de energía sigmoide, también el universo se expandirá de forma sigmoide “.
Si bien el concepto descrito parece ser capaz de explicar los datos de las supernovas de acuerdo con el resto de nuestras observaciones del universo, las notas de Annila serían aún más atractivas si este concepto teórico pudiera resolver algunos problemas al mismo tiempo. Y puede. Annila muestra que, cuando las lentes gravitacionales se analizan con este concepto, no requieren materia oscura para explicar los resultados.
La teoría general de la relatividad de Einstein predice que los objetos masivos, como las galaxias, hacen que la luz se curve debido a la forma en que la gravedad distorsiona el espacio-tiempo, y los científicos han observado que esto es exactamente lo que sucede. El problema es que la desviación parece ser más grande que lo que todos los candidatos conocidos (luminosos) no pueden dar cuenta de la materia, lo que llevó a los investigadores a estudiar la posibilidad de la existencia de la materia oscura.
Sin embargo, cuando Annila utiliza el principio de Maupertuis de la mínima acción para analizar cuanto puede una galaxia de una cierta masa desviar la luz que pasa a través de ella, calcula una desviación total cerca de cinco veces mayor que el valor dado por la relatividad general. En otras palabras, las desviaciones observadas requieren menos masa de la que se pensaba, y puede ser contabilizada en su totalidad por la materia conocida las galaxias.
“La relatividad general en términos de las ecuaciones de campo de Einstein es un modelo matemático del universo, mientras que tenemos la física cuántica de la evolución del universo proporcionada por Maupertuis y su principio de mínima acción, “dijo. ”El progreso creando parches puede parecer atractivo, pero se vuelve fácilmente inconsistente recurriendo a aditamentos ad hoc. Bertrand Russell era claro en este punto al decir que “toda ciencia exacta está dominada por la idea de aproximación”, pero, fundamentalmente, los sofisticados modelos son secundarios para comprender el principio simple de cómo funciona la naturaleza. “
Annila agregó que estos conceptos pueden ser examinados para ver si son la forma correcta de analizar supernovas e interpretar la expansión del universo.
“El principio del tiempo mínimo de consumo de energía libre, es por su naturaleza una ley universal e inviolable. Por lo tanto, no sólo sirve para supernovas, sino que básicamente, los datos servirán para probar su validez. La coherencia y la universalidad del principio se puede probar, por ejemplo, por la precesión del perihelio y los datos de rotación de la galaxia. También los resultados finales de la sonda Gravity Probe B para el efecto geodésico me parece que son, sin duda, lo suficientemente buenos para poner a prueba el principio natural, mientras que las grabaciones de los pequeños arrastres de efecto marco se ven comprometidos por una gran incertidumbre, así como por tribulaciones experimentales imprevisibles, pero esclarecedoras. “
Más información: Arto Annila. “Least-time paths of light.” DOI: 10.1111/j.1365-2966.2011.19242.x
Autor: Lisa Zyga
Copyright 2011 PhysOrg.com.
Enlace original: A second look at supernovae: Universe´s expansion may be understood without dark energy
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