El problema bien conocido resultante de estas observaciones es que esta expansión parece estar ocurriendo incluso más rápido de lo 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.
En un nuevo estudio, es lo que Arto Annila, Profesor de Física en la Universidad de Helsinki, está haciendo. La base de su argumento, que se publica en una edición reciente de la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, radica en la forma siempre cambiante en 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 ", dijo Annila . "Así, el modelo Lambda-CMD proporciona la distancia de luminosidad para 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 dónde los cuantos liberados de la explosión de una supernova se dispersan en el universo en expansión .
"Cuando la supernova explota, su energía como fotones comienza a dispersarse en el universo, por lo cual , al momento en que se observa el flash, se hace más grande y por lo tanto también más diluida ", dijo. "En consecuencia, la intensidad observada de la luz ha caído inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de luminosidad y directamente proporcional a la frecuencia de corrimiento al rojo. Debido a estos dos factores, el brillo vs desplazamiento hacia el rojo no es una línea recta en una gráfica, sino una curva. "
Como resultado, Annila sostiene que los datos de las supernovas no implican que el universo está 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 se recorre en menos tiempo. Este principio de la física es conocido como el principio de Fermat o el 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 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 del principio más general, de mínima acción. De acuerdo con este principio, la luz, como todas las formas de energía en movimiento, siempre viaja en el 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 al así llamado integrando Lagrangiano, pero Annila explica que esta forma sólo puede determinar las rutas en un entorno fijo. Dado que la expansión del universo es un sistema en evolución,el sugiere la forma original, pero menos popular, que fué producida por el matemático francés Maupertuis, la cual puede determinar con mayor precisión la trayectoria de la luz de las supernovas distantes.
Usando la forma de Maupertuis del principio de mínima acción, 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 no requiere la energía oscura o cualquier otra fuerza de conducción adicional.
en la relación entre la distancia y el corrimiento al rojo de las supernovas tipo 1a, los datos (puntos) están de acuerdo con la ecuación en la que la luz se propaga a través de la expansión del universo en el camino de tiempo mínimo (línea continua). Crédito de la imagen: Annila. © 2011 Royal Astronomical Society.
"Es natural para nosotros los seres humanos anhelar predicciones desde las previsiones que contribuyan a nuestra supervivencia", dijo. "Sin embargo, los procesos naturales, como correctamente Maupertuis las formuló, intrínsecamente no son computables. Por lo tanto, no hay ninguna razón real, pero ha sido sólo nuestro deseo de hacer predicciones precisas que nos han 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 fino ajuste, como la homogeneidad a gran escala y la planitud del universo. "
¿Cómo funciona exactamente el viaje de la luz en su camino de mínimo tiempo? Mientras la luz se desplaza, el universo en expansión está disminuyendo en densidad. Cuando la luz atraviesa una región de densidad de energía mayor a una región de más baja densidad de energía, el principio de Maupertuis de la mínima acción dice que la luz se adaptará al disminuir su ímpetu omomento.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 la luz se reducirá en el camino de la explosión de una supernova desde el pasado distante de alta densidad a su actual entorno de baja densidad universal.También cuando la luz pasa por una zona local de alta densidad energética, como una estrella, la velocidad de la luz cambiará y su dirección de propagación también. Todos estos cambios en la luz en última instancia, se derivan de los cambios en la densidad de energía circundante.
la luz se dispersa desde la explosión de una supernova en (amarillo) hasta el sitio de detección en (azul).Cuando el universo se expande la energía de la luz se diluye cuando ella viaja desde su denso entorno en el pasado hasta su entorno esparcido en el presente .Las longitudes de onda de la luz se incrementan como un resultado del decrecimiento de la densidad de energía en su entorno.Crédito.Annila. ©2011 Royal Astronomical Society.
Si este es el camino que la luz viaja desde las supernovas, entonces nos dice algo importante acerca del por qué el universo se expande, Annila explica. Cuando una estrella explota y su masa se quema en radiación, la conservación requiere que el número de cuantos se mantenga igual, ya sea en forma de materia o radiación. Para mantener el equilibrio global entre la energía unida a la materia y la energía libre en forma de fotones, las supernovas están, en promedio, alejándose las unas de las otras con una creciente velocidad media cercana a la velocidad de la luz.Si la energía oscura o cualquier otra forma adicional de energía estuviera involucrada, se estaría violando laconservación de la energía.
El análisis se aplica no sólo a las supernovas, sino a otras "formas consolidadas" de energía tambien. Cuando formas consolidadas de energía como las estrellas, los púlsares, agujeros negro, y otros objetos se transforman en radiación electromagnética - la forma más baja de energía - a través de la combustión, estas transformaciones irrevocables desde densidades de alta energía a densidades de baja energía son las que causan que el universo se expanda.
si la expansión del universo se debe a los mecanismos que " descomponen la materia en luz", entonces la expansión del universo se espera que siga una curva sigmoidea. Crédito de la imagen: QEF, Wikimedia Commons.
"La continua expansión del universo no es un remanente de alguna explosión furiosa en un pasado lejano, sino que el universo se está expandiendo debido a la energía que esta unida a la materia y se quema propagándo a los fotones libremente, sobre todo en las estrellas y otros mecanismos celestes de gran alcance en transformación de la energía ", dijo Annila. "Por lo tanto, la tasa actual de expansión depende de la densidad de energía que todavía está confinada en la materia, así como sobre la eficacia de los mecanismos actuales que descomponen la materia en luz. Asimismo, la tasa de expansión del pasado dependía de los mecanismos que existían entonces, al igual que la tasa de expansión futura dependerá también de los mecanismos que puedan surgir en el futuro. Puesto que todos los procesos naturales tienden a seguir las curvas sigmoide cuando consumen energía libre en el menor tiempo, también el universo se expandirá de forma sigmoidal ".
Si bien el concepto del camino de menos tiempo de la luz parece ser capaz de explicar los datos de las supernovas de acuerdo con el resto de nuestras observaciones del universo, Annila nota que sería aún más interesante si este concepto teórico podría resolver algunos problemas al mismo tiempo. Y puede que sea - 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 doble 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 de lo que toda la conocida materia (luminosa) puede dar cuenta, lo que llevó a los investigadores a estudiar la posibilidad de la materia oscura (no luminosa).
Sin embargo, cuando Annila utilizó el principio de Maupertuis de la mínima acción para analizar qué parte de una galaxia de una cierta masa debería desviar la luz que pasa, el resultado del cálculo fué que la desviación total es cerca de cinco veces mayor que el valor dado por la relatividad general. En otras palabras, las desviaciones observadas requieren menos masa de lo que se pensaba, y puede ser contabilizada en su totalidad por la materia conocida en las galaxias.
"La relatividad general en términos de las ecuaciones de campo de Einstein es un modelo matemático del universo, mientras que tenemos la cuenta física de la evolución del universo proporcionada por el principio de mínima acción de Maupertuis , "dijo. "El progreso por parches puede parecer interesante , pero fácilmente se vuelven inconsistentes recurriendo a aditamentos ad hoc. Bertrand Russell es terminante al señalar sobre el principio contemporáneo al decir que "toda ciencia exacta está dominada por la idea de aproximación", pero, fundamentalmente, cualquier sofisticado modelo es secundario para comprender el principio simple de cómo funciona la naturaleza. "
Annila agrega que estos conceptos pueden ser examinados para ver si son la forma correcta de analizar las supernovas e interpretar la expansión del universo.
"El principio del tiempo mínimo del consumo de energía libre reclama, por su naturaleza a ser una ley universal e inviolable", dice. "Por lo tanto, no sólo las explosiones de supernova , sino, básicamente,cualquier dato servirá para probar su validez. La coherencia y la universalidad del principio se pueden probar, por ejemplo, por la precesión del perihelio y los datos de rotación galáctica.También los resultados finales de la sonda Gravity Probe B para el efecto geodésico me parecen sin duda lo suficientemente buenos para poner a prueba el principio natural, mientras que los registros del pequeño efecto de arrastre de marcos “frame-dragging “se ven comprometidos por la gran incertidumbre, así como por las imprevisibles, pero esclarecedoras tribulaciones experimentales. " .
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fuente de la información:
http://www.physorg.com/news/2011-10-supernovae-universe-expansion-understood-dark.html
