Princípio cosmológico - Cosmological principle

Na cosmologia física moderna , o princípio cosmológico é a noção de que a distribuição espacial da matéria no universo é homogênea e isotrópica quando vista em uma escala grande o suficiente, uma vez que as forças devem atuar uniformemente em todo o universo, e devem, portanto, produzir nenhuma irregularidade observável na estruturação em grande escala ao longo da evolução do campo da matéria que foi inicialmente estabelecido pelo Big Bang .

Definição

O astrônomo William Keel explica:

O princípio cosmológico é geralmente declarado formalmente como 'Visto em uma escala suficientemente grande, as propriedades do universo são as mesmas para todos os observadores.' Isso equivale a uma afirmação fortemente filosófica de que a parte do universo que podemos ver é uma boa amostra e que as mesmas leis físicas se aplicam a todo o resto. Em essência, isso de certa forma diz que o universo é conhecível e está jogando limpo com os cientistas.

O princípio cosmológico depende de uma definição de "observador" e contém uma qualificação implícita e duas consequências testáveis.

"Observadores" significa qualquer observador em qualquer local do universo, não simplesmente qualquer observador humano em qualquer local da Terra: como afirma Andrew Liddle, "o princípio cosmológico [significa que] o universo tem a mesma aparência, seja quem for e onde quer que você esteja."

A qualificação é que a variação nas estruturas físicas pode ser negligenciada, desde que isso não coloque em risco a uniformidade das conclusões tiradas da observação: o Sol é diferente da Terra, nossa galáxia é diferente de um buraco negro, algumas galáxias avançam em direção ao invés de retroceder. nós, e o universo tem uma textura "espumosa" de aglomerados de galáxias e vazios, mas nenhuma dessas estruturas diferentes parece violar as leis básicas da física.

As duas consequências estruturais testáveis do princípio cosmológico são homogeneidade e isotropia . Homogeneidade significa que a mesma evidência observacional está disponível para observadores em diferentes locais do universo ("a parte do universo que podemos ver é uma amostra razoável"). Isotropia significa que a mesma evidência observacional está disponível ao se olhar em qualquer direção no universo ("as mesmas leis físicas se aplicam em todo"). Os princípios são distintos, mas intimamente relacionados, porque um universo que parece isotrópico de quaisquer duas (para uma geometria esférica, três) localizações também deve ser homogêneo.

Origem

O princípio cosmológico é afirmado claramente pela primeira vez no Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) de Isaac Newton . Em contraste com as cosmologias clássicas ou medievais anteriores, nas quais a Terra repousava no centro do universo, Newton conceituou a Terra como uma esfera em movimento orbital ao redor do Sol dentro de um espaço vazio que se estendia uniformemente em todas as direções a distâncias incomensuravelmente grandes. Ele então mostrou, por meio de uma série de provas matemáticas em dados observacionais detalhados dos movimentos de planetas e cometas, que seus movimentos podiam ser explicados por um único princípio de " gravitação universal " que se aplicava também às órbitas das luas galiléias em torno de Júpiter , a Lua ao redor da Terra, a Terra ao redor do Sol e os corpos que caem na Terra. Ou seja, ele afirmou a natureza material equivalente de todos os corpos dentro do Sistema Solar, a natureza idêntica do Sol e das estrelas distantes e, portanto, a extensão uniforme das leis físicas do movimento a uma grande distância além da localização de observação da própria Terra.

Implicações

As observações mostram que galáxias mais distantes estão mais próximas e têm menor conteúdo de elementos químicos mais pesados que o lítio. Aplicando o princípio cosmológico, isso sugere que elementos mais pesados não foram criados no Big Bang, mas foram produzidos por nucleossíntese em estrelas gigantes e expulsos através de uma série de explosões de supernovas e nova formação de estrelas a partir dos remanescentes de supernovas, o que significa que elementos mais pesados se acumulariam ao longo do tempo . Outra observação é que as galáxias mais distantes (tempo anterior) são frequentemente mais fragmentadas, interagindo e com formato incomum do que as galáxias locais (tempo recente), sugerindo evolução na estrutura da galáxia também.

Uma implicação relacionada do princípio cosmológico é que as maiores estruturas discretas do universo estão em equilíbrio mecânico . A homogeneidade e a isotropia da matéria nas escalas maiores sugerem que as estruturas discretas maiores são partes de uma única forma indiscreta, como as migalhas que constituem o interior de um bolo. Em distâncias cosmológicas extremas, a propriedade de equilíbrio mecânico em superfícies laterais à linha de visão pode ser testada empiricamente; no entanto, sob o pressuposto do princípio cosmológico, ele não pode ser detectado paralelamente à linha de visão (veja a linha do tempo do universo ).

Os cosmólogos concordam que, de acordo com as observações de galáxias distantes, um universo deve ser não estático se seguir o princípio cosmológico. Em 1923, Alexander Friedmann estabeleceu uma variante das equações da relatividade geral de Albert Einstein que descrevem a dinâmica de um universo isotrópico homogêneo. Independentemente, Georges Lemaître derivou em 1927 as equações de um universo em expansão das equações da Relatividade Geral. Assim, um universo não estático também está implícito, independente de observações de galáxias distantes, como resultado da aplicação do princípio cosmológico à relatividade geral .

Crítica

Karl Popper criticou o princípio cosmológico com o fundamento de que torna "nossa falta de conhecimento um princípio de saber algo ". Ele resumiu sua posição como:

os “princípios cosmológicos” eram, temo, dogmas que não deveriam ter sido propostos.

Observações

Embora o universo seja heterogêneo em escalas menores, ele é estatisticamente homogêneo em escalas maiores que 250 milhões de anos-luz. A radiação cósmica de fundo é isotrópica, ou seja, sua intensidade é quase a mesma em qualquer direção para a qual olhamos.

No entanto, descobertas recentes colocaram essa visão em questão. Os dados da Missão Planck mostram o viés hemisférico em 2 aspectos: um em relação à temperatura média (ou seja, flutuações de temperatura), o segundo em relação a variações maiores no grau de perturbações (ou seja, densidades). A Agência Espacial Europeia (o órgão dirigente da Missão Planck) concluiu que essas anisotropias são, de fato, estatisticamente significativas e não podem mais ser ignoradas.

Inconsistências

O princípio cosmológico implica que em uma escala suficientemente grande, o universo é homogêneo . Com base em simulações de N-corpos em um universo ΛCDM , Yadav e seus colegas mostraram que a distribuição espacial das galáxias é estatisticamente homogênea se calculada em escalas de 260 / h Mpc ou mais.

Uma série de observações foi relatada como estando em conflito com as previsões de tamanhos máximos de estruturas:

O Clowes – Campusano LQG , descoberto em 1991, tem um comprimento de 580 Mpc e é marginalmente maior do que a escala consistente.
A Grande Muralha de Sloan , descoberta em 2003, tem um comprimento de 423 Mpc, que é apenas consistente com o princípio cosmológico.
U1.11 , um grande grupo de quasares descoberto em 2011, tem um comprimento de 780 Mpc e é duas vezes maior do que o limite superior da escala de homogeneidade.
O Huge-LQG , descoberto em 2012, é três vezes mais longo e duas vezes mais largo do que é previsto possível de acordo com esses modelos atuais e, portanto, desafia nossa compreensão do universo em grandes escalas.
Em novembro de 2013, uma nova estrutura a 10 bilhões de anos-luz de distância medindo 2.000-3.000 Mpc (mais de sete vezes a do SGW) foi descoberta, a Grande Muralha de Hércules-Corona Borealis , colocando mais dúvidas sobre a validade do princípio cosmológico.
Em junho de 2021, o Arco Gigante foi descoberto, uma estrutura que mede aproximadamente 1000 Mpc. Ele está localizado a 2820 MPc de distância e consiste em galáxias, aglomerados galácticos, gás e poeira.

No entanto, como apontado por Seshadri Nadathur em 2013, a existência de estruturas maiores do que a escala homogênea (260 / h Mpc pela estimativa de Yadav) não viola necessariamente o princípio cosmológico (ver Huge-LQG # Dispute ).

Embora a isotropia do universo ao redor da Terra seja confirmada em alta significância por estudos dos mapas cósmicos de temperatura de fundo em micro-ondas , sua homogeneidade em escalas cosmológicas ainda é uma questão de debate.

Dipolo Cósmico

Como afirmado acima, é verdade que a radiação cósmica de fundo fornece um instantâneo de um universo isotrópico e homogêneo. No entanto, o que muitas vezes não é anunciado é que há uma anisotropia dipolar na radiação cósmica de fundo . A amplitude do dipolo ultrapassa as amplitudes das demais flutuações de temperatura e, por esse motivo, é subtraída na suposição de que se trata de um efeito Doppler , ou simplesmente devido ao movimento relativo. Nos últimos anos, essa suposição foi testada e os resultados atuais sugerem que nosso movimento em relação a rádios galáxias e quasares difere de nosso movimento em relação à radiação cósmica de fundo . A mesma conclusão foi alcançada em estudos recentes do diagrama de Hubble de supernovas e quasares do Tipo Ia . Isso contradiz o princípio cosmológico e desafia a suposição de que o dipolo CMB é simplesmente devido ao movimento relativo.

Este potencial erro de interpretação do dipolo CMB é sugerido por uma série de outras observações. Primeiro, mesmo dentro da radiação cósmica de fundo , existem curiosos alinhamentos direcionais e uma assimetria de paridade anômala que pode ter uma origem no dipolo CMB. Separadamente, a direção do dipolo CMB emergiu como uma direção preferida em estudos de alinhamentos em polarizações de quasar, relações de escala em aglomerados de galáxias, forte atraso de lente , supernovas Tipo Ia e quasares e rajadas de raios gama como velas padrão . O fato de que todos esses observáveis independentes, com base em física diferente, estão rastreando a direção do dipolo CMB sugere que o Universo é anisotrópico na direção do dipolo CMB.

Princípio cosmológico perfeito

O princípio cosmológico perfeito é uma extensão do princípio cosmológico e afirma que o universo é homogêneo e isotrópico no espaço e no tempo. Nessa visão, o universo parece o mesmo em todos os lugares (em grande escala), o mesmo que sempre foi e sempre será. O princípio cosmológico perfeito sustenta a teoria do estado estacionário e emerge da teoria da inflação caótica .

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