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Ambiplasma

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El ambiplasma, también conocido como "universo eléctrico", es una teoría cosmológica no convencional,[1]​ generalmente atribuida a Hannes Alfvén en los años 1960.[2]​ Esta teoría intenta explicar el desarrollo del universo visible a través de la interacción de fuerzas electromagnéticas en plasma astrofísico.[3]​ Alfvén desarrolló sus ideas cosmológicas basadas en el escalado de observaciones desde laboratorios terrestres y experimentos espaciales a escalas cosmológicas con órdenes de magnitud mayores.[4]​ Su propuesta cosmológica más famosa fue que el Universo era una mezcla equitativa de materia y antimateria en la forma llamada ambiplasma que se habría separado de manera natural cuando ocurrieron las reacciones de aniquilación acompañadas por una tremenda liberación de energía. En este concepto, el Universo siempre ha existido (preexiste) y no posee un punto común de origen.

El ambiplasma contradice el actual consenso de la astrofísica que dice que la relatividad general de Einstein explica el origen y evolución del Universo en sus mayores escalas, confiando en vez de ello en los desarrollos posteriores de la mecánica clásica y la electrodinámica clásica como aplicaciones a plasmas astrofísicos. Mientras que a finales de la década de 1980 y principios de la década de 1990 la discusión se limitaba a las ventajas de la cosmología del plasma, hoy los defensores de estas ideas son generalmente ignorados por los cosmólogos profesionales de la comunidad científica.[5]​[6]​

Plasma cósmico

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Hannes Alfvén dedicó gran parte de su carrera profesional a intentar caracterizar el plasma por el que fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1970. Sin embargo, mientras que la física del plasma no está controvertidamente aceptada para desempeñar un papel importante en muchos fenómenos astrofísicos debido en parte a la ubicuidad del plasma, Alfvén siguió firme en unas cuantas ideas que no han sido aceptadas por la comunidad científica. Entre estas ideas, la principal es la afirmación de que las fuerzas electromagnéticas son iguales en importancia que la gravedad en las grandes escalas.[7]​ Alfvén llegó a esta conclusión simplemente extrapolando el fenómeno del plasma a pequeña escala a gran escala.[4]​ Mientras los campos magnéticos se consideran de interés en la astrofísica moderna en muchos modelos convencionales de estructuras astrofísicas a pequeña escala con corrientes de Foucault acelerando el colapso gravitacional transfiriendo el momento angular desde los objetos contraídos, los modelos de estructuras a gran escala convencionales normalmente no consideran los campos magnéticos lo suficientemente grandes como para ayudar en la transferencia de momento angular por procesos viriales en cúmulos.[8]​ La investigación en estos temas está en curso, pero no se considera que los procesos del plasma desempeñen un papel importante en el modelado teórico de estructuras o formación de galaxias.[9]​ Los modelos de Alfvén no proporcionan ninguna predicción que pueda ser tomada en cuenta en muchas observaciones cosmológicas ley de Hubble, la abundancia de elementos pesados, o la existencia del fondo cósmico de microondas. [cita requerida]

Algunas de las propuestas más provocadoras de Alfvén son las explicaciones cualitativas de la formación estelar utilizando corrientes de Birkeland.[10]​ Estas corrientes de plasma fueron considerados por Alfvén y sus seguidores como responsables de muchas estructuras filamentarias vistas en observaciones astrofísicas. Sin embargo, continúa sin haber ninguna prueba observacional directa de tales corrientes a gran escala de plasma y las explicaciones astrofísicas dominantes para fenómenos a gran escala no incluyen mecanismos de corrientes de plasma.

Teoría del ambiplasma de Alfvén

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Los orígenes conceptuales de la cosmología del plasma fueron desarrollados en 1965 por Alfvén en su libro Mundos-Antimundos, basándose parte de su trabajo en ideas de Kristian Birkeland descritas a principios de siglo y una propuesta anterior de Oskar Klein en la que el plasma astrofísico jugaba un papel importante en la formación y evolución de galaxias. En 1971, Klein extendió las propuestas de Alfvén y desarrolló el "modelo Alfvén-Klein" de la cosmología. Su cosmología se basa en explosiones astrofísicas gigantes resultantes de una mezcla hipotética de materia y antimateria que creó el Universo o meta-galaxia como ellos preferían especular (ver el debate Shapley-Curtis para una información más amplia de la historia de distinción entre el Universo y la Vía Láctea). Esta hipotética sustancia que engendró el Universo se llamó ambiplasma y tomó las formas de protones-antiprotones (ambiplasma pesado) y electrones-positrones (ambiplasma ligero). El ambiplasma se divide en regiones celulares de materia y antimateria. En la cosmología de Alfvén, el Universo contenía ambiplasma simétrico pesado con ambiplasma ligero protector, separados por dobles capas. De acuerdo con Alfvén, tal ambiplasma tendría una vida relativamente larga, ya que el componente de las partículas y las antipartículas estaría demasiado caliente y tendría una densidad demasiado baja como para aniquilarse las unas con las otras rápidamente. Esta aniquilación puede causar una rápida expansión del universo. La radiación de aniquilación emanaría de las capas dobles de plasma y antiplasma. La explosión de la doble capa también fue sugerida por Alfvén como un posible mecanismo de generación de rayos cósmicos, ráfagas de rayos X y GRB.[11]​ Alfvén hizo hincapié en la importancia de la naturaleza celular y filamentosa del plasma a cualquier escala, desde el laboratorio hasta lo galáctico.

El ambiplasma fue propuesto en parte para explicar la asimetría bariónica observada en el Universo que es debida a una condición inicial de la simetría exacta entre materia y antimateria.[12]​ De acuerdo con Alfvén y Klein, el ambiplasma formaría naturalmente bolsas de materia y antimateria que se expandiría hacia afuera según ocurriera la aniquilación entre materia y antimateria. Por tanto, concluyeron que la vida tiene que ocurrir en un bolsillo principalmente bariónico en vez de antibariónico. Los procesos de la evolución y características del Universo en su mayor escala estarían gobernados principalmente por esta característica.

Alfvén postuló que el Universo siempre ha existido[13]​ debido a los argumentos causales y el rechazo de modelos ex nihilo como una forma sigilosa de creacionismo.[14]​ Las regiones celulares exclusivamente de materia o antimateria parecerían expandirse en regiones locales de aniquilación, que Alfvén consideraba como una posible explicación para la aparentemente observada expansión del Universo como una simple fase local de una historia mucho más larga. Segundo, el modelo no necesita de físicas exóticas (más allá de la antimateria, que se ha verificado en la Tierra en colisiones de alta energía), sino que modeliza el universo utilizando las ya conocidas fuerzas electromagnéticas junto con la gravedad. De hecho, Alfvén basó sus ideas en trabajos experimentales sobre la física del plasma aquí en la Tierra. Él siempre defendió el trabajo experimental como una parte necesaria y primordial de cualquier teoría. Incluso en el campo de la física del plasma en la Tierra, tuvo que sobreponerse a la inercia de los enfoques puramente teóricos de sus colegas, cuyos análisis no pudieron obtener predicciones precisas.

Desarrollos posteriores

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Mientras que la cosmología del plasma nunca ha obtenido el apoyo de demasiados astrónomos o físicos, los investigadores han continuado promoviendo y desarrollando el enfoque y publican en el tema del IEEE Transactions on Plasma Science] que está coeditada por el cosmólogo del plasma Anthony Peratt.[15]​ Unos cuantos artículos abordando la cosmología del plasma fueron publicados en otras revistas dominantes hasta los años 1990. Adicionalmente, en 1991, Eric J. Lerner, un investigador independiente en física del plasma y fusión nuclear, escribió un libro a nivel popular apoyando la cosmología del plasma llamado El Big Bang Nunca Ocurrió. En ese momento hubo un interés renovado en el tema entre la comunidad cosmológica (junto con otras cosmologías no convencionales). Esto fue debido a los resultados anómalos reportados en 1987 por Andrew Lange y Paul Richardson de UC Berkeley y Toshio Matsumoto de la Universidad de Nagoya que indicaban que el fondo cósmico de microondas no puede tener un espectro de cuerpo negro. Sin embargo, el anuncio final (en abril de 1992) de que los datos del satélite COBE corregían la contradicción anterior del Big Bang, el nivel de interés en la cosmología del plasma ha decaído tanto que se investiga muy poco en este campo.

Comparación con la cosmología dominante

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La cosmología del plasma ha sido desarrollada en mucho menos detalle que la cosmología dominante y carece de muchas de las predicciones de los modelos actuales. En la cosmología convencional, las simulaciones detalladas de la función de correlación del Universo, la nucleosíntesis primordial y las fluctuaciones en la Radiación de fondo de microondas, basados en los principios de la cosmología convencional y un puñado de parámetros libres, se han realizado y comparado con observaciones, incluyendo comprobaciones de consistencia no triviales. La cosmología del plasma generalmente proporciona descripciones cualitativas y explicaciones no sistemáticas para las características estándar de las teorías cosmológicas dominantes.

Por ejemplo, los modelos jerárquicos convencionales de la formación estructurales depende de la materia oscura almacenada en los supercúmulos, cúmulos y galaxias vistas en el Universo actual. El tamaño y naturaleza de las estructuras están basadas en una condición inicial de las anisotropías primigenias vistas en el espectro de potencia de la Radiación de fondo de microondas.[16]​ Las recientes simulaciones demuestran la coincidencia entre las observaciones de las expediciones y las simulaciones cosmológicas de cuerpos de grado N del modelo Lambda-CDM[17]​ Muchos astrofísicos aceptan la materia oscura como un fenómeno real y un ingrediente vital en la formación de estructuras, que no se puede explicar apelando a procesos electromagnéticos. La masa estimada de las agrupaciones galácticas utilizando lentes gravitacionales también indica que hay una gran cantidad de materia oscura presente, una observación no explicada por los modelos cosmológicos de plasma.[18]​

Los estudios dominantes también sugieren que el Universo es homogéneo a gran escala sin pruebas de la estructura a escalas muy grandes requeridas por las propuestas de filamentación del plasma.[19]​ La expedición con mayor número de galaxias detectadas hasta la fecha, la Sloan Digital Sky Survey, se corresponde bien con el dibujo dominante.[20]​

La producción de elementos ligeros sin la nucleosíntesis del Big Bang (como requería la cosmología del plasma) ha sido discutido en la literatura generalista y fue determinante para producir excesivos rayos X y rayos gamma más allá que lo observado.[21]​[22]​ Esta cuestión no ha sido completamente abordada por los defensores de la cosmología del plasma.[23]​ De forma adicional, desde un punto de vista observacional, los rayos gamma emitidos incluso por pequeñas cantidades de aniquilación de materia/antimateria deberían ser fácilmente visibles utilizando telescopios de rayos gamma. Sin embargo, tales rayos gamma no han sido observados. Esto podría ser resuelto proponiendo, como hizo Alfvén, que la burbuja de materia en la que estamos es mayor que el universo observable. Para comprobar el modelo, se tendría que haber observado algún rastro del ambiplasma y esto requeriría que este modelo fuera formalizado hasta el punto donde se pudieran detallar las predicciones cuantitativas.

Aunque no se ha publicado ningún artículo de la cosmología del plasma explicando la radiación de fondo de microondas desde que los resultados del COBE fueron desvelados, las explicaciones basadas en la luz de las estrellas integrada no proporciona ninguna indicación sobre cómo explicar el espectro de potencia angular observado en una parte entre 105 anisotropías del CMB. La sensibilidad y resolución de las medidas de estas anisotropías fue enormementa avanzada por el WMAP y fue consecuentemente anunciada como una gran confirmación del Big Bang en detrimento de otras alternativas.[24]​ Estas medidas mostraron que los "picos acústicos" se ajustaban con gran precisión con las predicciones del modelo del Big Bang y condiciones del Universo promigenio.

La cosmología del plasma no está considerada por la comunidad astronómica para que sea una alternativa viable al Big Bang e incluso defiende las explicaciones que proporciona para el fenómeno que son menos detalladas que las de la cosmología convencional. Así, la cosmología del plasma ha permanecido a un lado y vista por la comunidad como una propuesta indigna de seria consideración.

Críticas al modelo de Alfvén

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Alfvén propuso que la burbuja de materia en la que estamos es mayor que el universo observable, lo que llevó a cuestionar sobre cómo alguien podría verificar el modelo si las estructuras tan grandes que predice no pueden ser observadas. Sin embargo, muchas estructuras son observables, como las corrientes intergalácticas Birkeland, doble capas, efectos de velocidad-selección a múltiples escalas, etc.

Desafortunadamente, desde un punto de vista teórico, aún quedan problemas con el modelo de Alfvén. Alfvén no formalizó su modelo hasta donde sí es posible realizar simulaciones numéricas similares a aquellas que ahora se realizan comúnmente para modelar el comportamiento de las galaxias jóvenes en la cosmología estándar y que se usaron para predecir la función de correlación del universo. En vez de eso, Alfvén apuntó una visión muy genérica de cómo las galaxias son generadoras de discos. Alfvén fue un tanto indiferente respecto a ajustar su modelo para que pudiera hacer las mismas predicciones que el Big Bang.

A pesar de que las simulaciones 3D de formación de galaxias se han llevado a cabo usando el modelo de plasma (ver artículos de Anthony Peratt) donde tanto las fuerzas electromagnéticas como la gravedad son tenidas en cuenta, no ha habido artículos publicados que intenten calcular las funciones de correlación y por lo tanto, permitan comparaciones detalladas con las observaciones. Sin embargo, cuando uno compara la simulación de cross-section con radioisótopos de AGN, se puede ver una semejanza remarcable. Esta semejanza no es sorprendente, ya que es bien conocido que las altas energías asociadas con el AGN deberían ser similares a las del plasma.

Otro problema es, irónicamente, que la cosmología del plasma depende de la física que es, aunque no completamente bien entendida, si bien documentada a través de experimentos en el laboratorio. Ya que el modelo estándar del Big Bang involucra a la física que está peor entendida, uno puede ajustar el modelo de Big Bang para encajar las observaciones tan solo apelando a parámetros variables del laboratorio y físicas exóticas, como la existencia de partículas todavía no observadas. A causa de su fundamento empírico (Alfvén fue un físico de laboratorio de pro, desarrollando sistemas de transmisión de potencia y similares), es mucho más difícil modificar el modelo de Alfvén para adecuarse a las observaciones cosmológicas.

Desde el punto de vista de la observación, los rayos gamma emitidos incluso por pequeñas cantidades de aniquilaciones materia/antimateria deberían ser fácilmente visibles utilizando telescopios de rayos gamma. Sin embargo, dichos rayos gamma no han sido observados. Se podría recuperar el modelo proponiendo, como Alfvén hace, que la burbuja de materia en la que estamos es más grande que el universo observable, lo que llevó a cuestionar sobre cómo alguien podría verificar el modelo si las estructuras tan grandes que predice no pueden ser observadas. Para verificar el modelo, se tendría que encontrar algún rastro del modelo en las observaciones actuales, y esto requiere que el modelo sea formalizado teniendo en cuenta que predicciones detalladas y cuantitativas puedan realizarse, lo que provoca el mencionado problema teórico comentado en el párrafo anterior.

Referencias

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Notas

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  1. ↑ Es descrita por partes iguales por sus seguidores y sus críticos. En el número de febrero de 1992 de Sky & Telescope ("Plasma Cosmology"), Anthony Peratt la describió como un "dibujo no convencional". La carta abierta el www.cosmologystatement.org –que ha sido firmada por Peratt y Lerner– denota que "hoy, virtualmente todos los recursos experimentales financiados están en cosmología están dedicados a estudios del Big Bang". El dibujo del Big Bang del Modelo Lambda-CDM es descrito típicamente como el "modelo de concordancia", el "modelo convencional" o el "paradigma estándar" de la cosmología aquí (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). y aquí.
  2. ↑ Helge S. Kragh, Cosmología y Controversia: El Desarrollo Histórico de Dos Teorías del Universo, 1996 Princeton University Press, 488 páginas, ISBN 0-691-00546-X (pp.482-483)
  3. ↑ Alfven, Hannes O. G., "Cosmología en el plasma del universo - una exposición introductoria", IEEE Transactions en Ciancia del Plasma (ISSN 0093-3813), vol. 18, Feb. 1990, p. 5-10.
  4. ↑ a b Hannes Alfvén, "Sobre la jerarquía cosmológica" (1983) Astrofísica y Ciencia Espacial (ISSN 0004-640X), vol. 89, no. 2, Ene. 1983, p. 313-324.
  5. ↑ La cosmología del plasma defendida por Anthony Peratt y Eric Lerner, en una carta abierta consignada por un total de 34 autores, expone "Un intercambio abierto de ideas ausente en la mayoría de conferencias", y "Actualmente, prácticamente todos los recursos experimentales financiados en cosmología están dedicados a estudios del Big Bang". [1]
  6. ↑ Tom Van Flandern escribe en Los 30 Principales Problemas con el Big Bang Archivado el 27 de marzo de 2013 en Wayback Machine., "Para la mayoría, estas cuatro alternativas cosmológicas [incluyendo la Cosmología del Plasma] son ignoradas por los astrónomos".
  7. ↑ H. Alfvén y C.-G. Falthammar, Electrodinámica cósmica (2ª edición, Clarendon press, Oxford, 1963). "La razón básica por la que los fenómenos electromagnéticos son tan importantes en la física cósmica es que existen campos magnéticos celestes que afectan el movimiento de partículas cargadas en el espacio. La fuerza de los campos magnéticos interplanetarios es del orden de 10-4 gauss, de lo que una relación de la fuerza magnética on la fuerza gravitatoria ≈ 107. Esto ilustra la enorme importancia de los campos magnéticos interplanetarios e interestelares, comparadas con la gravedad, tanto más según la materia está ionizada." (p.2-3)
  8. ↑ Colafrancesco, S. y Giordano, F. El impacto de los campos magnéticos en la relación M - T de los cúmulos Astronomía y Astrofísica, Volumen 454, Número 3, agosto II 2006, pp.L131-L134. [2] recuento: "Las simulaciones numéricas has demostrado que los campos magnéticos de escala estrecha en cúmulos masivos producen variaciones de la masa del cúmulo a un nivel de ~ 5−10 % de su valor desmagnetizado.... Tales variaciones no se esperan que produzcan fuertes variaciones en la relación relativa masa-temperatura para cúmulos masivos".
  9. ↑ Ver por ejemplo: Dekel, A. y Silk, J. El origen de galaxias enanas, materia oscura fria y formación parcial de galaxias Astrophysical Journal, Parte 1 (ISSN 0004-637X), vol. 303, 1 de abril de 1986, p. 39-55.[3] donde modelan los procesos del plasma en la formación de galaxias que está liderado principalmente por la gravedad de la materia oscura fría.
  10. ↑ Alfvén, H.; Carlqvist, P., "Nubes interstelares y la formación de estrellas" Astrofísica y Ciencia Espacial, vol. 55, no. 2, mayo de 1978, p. 487-509.
  11. ↑ Alfvén, H., "Capas dobles y circuitos en astrofísica", (1986) IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. PS-14, Dic. 1986, p. 779-793. Basado en la conferencia patrocinada por la NASA "Capas Dobles en Astrofísica" (1986)
  12. ↑ H. Alfvén y C.-G. Falthammar, Cosmic electrodynamics (Clarendon press, Oxford, 1963). H. Alfvén, Worlds-antiworlds: antimatter in cosmology, (Freeman, 1966). O. Klein, "Arguments concerning relativity and cosmology," Science 171 (1971), 339.
  13. ↑ Hannes Alfvén, "Tiene el Universo un Origen" (1988) Trita-EPP, 1988, 07, p. 6. Véase también Anthony L. Peratt, "Introducción a la Astrofísica y Cosmología del Plasma" (1995) Astrofísica y Ciencia Espacial, v. 227, p. 3-11: "cuestiona ahora un debate centenario incluyendo la cosmología traditional del plasma rehúsa reivindicar cualquier conocimiento sobre un 'origen' del Universo (p.ej., Alfvén, 1988).
  14. ↑ Alfvén, Hannes, "Cosmología: ¿Mito o Ciencia?" (1992) IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, no. 6, p. 590-600. Véase también [4]
  15. ↑ (Ver IEEE Transactions on Plasma Science, temas en 1986, 1989, 1990, 1992, 2000, 2003 y 2007 2007 aquí)
  16. ↑ Ver p.ej. P. J. E. Peebles, Estructura a gran escala del Universo (Princeton, 1980).
  17. ↑ Ver, por ejemplo, la simulación a gran escala del Consorcio de Virgo de los "Universos en cajas" con los mayores vacíos alcanzando tales tamaños- Véase también F. Hoyle y M. S. Vogeley, Vacíos en el 2dF galaxy redshift survey, Astrophys. J. 607, 751–764 (2004).
  18. ↑ Ver p.ej. M. Bartelmann y P. Schneider, Weak gravitational lensing, Phys. Rept. 340 291–472 (2001).
  19. ↑ P. J. E. Peebles, Principios de Cosmología Física (Princeton, 1993). P. J. E. Peebles, Estructura a gran escala del Universo (Princeton, 1980).
  20. ↑ M. Tegmark y otros (colaboración SDSS), "Los espectros de potencia tridimensionales de las galaxias desde el Sloan Digital Sky Survey", Astrophysical J. 606 702–740 (2004). El fallo en los modelos de formación de estructuras alternativos está claramente indicado por la desviación del espectro de potencia de la materia de un power law a escalas mayores de 0.5 h Mpc-1 (visible aquí)."
  21. ↑ J.Audouze y otros', Fotosíntesis del Big Bang y Nucleosíntesis Pregaláctica de Elementos ligeros, Astrophysical Journal 293:L53-L57, 15 de junio de 1985 [5]
  22. ↑ Epstein y otros, El origen del deuterio, Nature, Vol. 263, 16 de septiembre de 1976 señalaron que si los flujos de protones con energías mayores que 500 MeV eran lo suficientemente intensas como para producir los niveles observados de deuterio, también producirían unas 1000 veces más rayos gamma que los que se observan.
  23. ↑ Ref. 10 en "Modelo Galáctico de la Formación de Elementos" (Lerner, IEEE Trans. Plasma Science Vol. 17, No. 2, abril de 1989 [6]) es J.Audouze y J.Silk, "Síntesis Pregaláctica de Deuterio" en Proc. ESO Workshop en "Helio Primordial", 1983, pp. 71-75[7] Lerner incluye un párrafo sobre la "Producción de Rayos Gamma" en el que proclama que el nivel esperado de rayos gamma es consistente con las observaciones. No cita ni a Audouze ni a Epstein en este contexto y no explica por qué su resultado contradice los suyos.
  24. ↑ D. N. Spergel y otros (colaboración WMAP), "Primer año de observaciones WMAP: Determinación de parámetros cosmológicos", Astrophys. J. Suppl. 148 (2003) 175.

Bibliografía

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  • H. Alfvén, Mundos-antimundos: antimateria en cosmología, (Freeman, 1966).
  • H. Alfvén, Plasma Cósmico (Reidel, 1981) ISBN 90-277-1151-8
  • E. J. Lerner, El Big Bang Nunca Ocurrió, (Vintage, 1992) ISBN 0-679-74049-X
  • A. L. Peratt, Física del Universo de Plasma, (Springer, 1992) ISBN 0-387-97575-6

Enlaces externos

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  • IEEE Xplore, IEEE Transactions en Ciencia del Plama, 18 tema 1 (1990), Tema especial en Cosmología del Plasma incluyendo A. L. Peratt, "Cosmología del Plasma", IEEE T. Plasma Sci. 18, 1-4 (1990).
  • Varios autores: "Introducción a la Asrofísica y Cosmología del Plasma", Astrofísica y Ciencia Espacial, v. 227 (1995) p. 3-11. Proceedings del Segundo Congreso Internacional del IEE en Astrofísica y Cosmología del Plasma, del 10 al 12 de mayo de 1993 en Princeton, New Jersey
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