cosmología de agujero negro (también llamada cosmología de Schwarzschild o modelo cosmológico de agujero negro ) es un modelo cosmológico en el que el universo observable es el interior de un agujero negro . Tales modelos fueron propuestos originalmente por el físico teórico Raj Pathria , [1] y simultáneamente por el matemático I. J. Good . [2]
Cualquier modelo de este tipo requiere que el radio de Hubble del universo observable sea igual a su radio de Schwarzschild , es decir, el producto de su masa y la constante de proporcionalidad de Schwarzschild . De hecho, se sabe que esto es casi el caso; sin embargo, la mayoría de los cosmólogos consideran que esto es una coincidencia. [3]
En la versión propuesta originalmente por Pathria y Good, y estudiada más recientemente por, entre otros, Nikodem Popławski ,[4] el universo observable es el interior de un agujero negro que posiblemente sea uno de muchos dentro de un universo padre más grande , o multiverso .
Según la relatividad general , el colapso gravitatorio de una masa suficientemente compacta forma un agujero negro singular de Schwarzschild. En el Einstein-Cartan teoría -Sciama-Kibble de gravedad, sin embargo, se forma un habitual del puente de Einstein-Rosen , o agujero de gusano . Los agujeros de gusano de Schwarzschild y los agujeros negros de Schwarzschild son diferentes soluciones matemáticas de la relatividad general y la teoría de Einstein-Cartan . Sin embargo, para los observadores, los exteriores de ambas soluciones con la misma masa son indistinguibles. La teoría de Einstein-Cartan extiende la relatividad general al eliminar una restricción de la simetría de la conexión afín y, en relación con su parte antisimétrica, el tensor de torsión., como variable dinamica. La torsión naturalmente explica el momento angular ( giro ) mecánico-cuántico e intrínseco de la materia. El acoplamiento mínimo entre la torsión y los espinores de Dirac genera una interacción repulsiva de espín-espín que es significativa en materia fermiónica a densidades extremadamente altas. Tal interacción impide la formación de una singularidad gravitacional . En cambio, la materia que colapsa alcanza una densidad enorme pero finita y rebota, formando el otro lado de un puente Einstein-Rosen , que crece como un nuevo universo. [5] En consecuencia, el Big Bang fue un Big Bounce no singular en el que el universo tenía un factor de escala mínimo y finito.[6] O bien, el Big Bang fue un agujero blanco supermasivo que fue el resultado de un agujero negro supermasivo en el corazón de una galaxia en nuestro universo padre.
The Black Hole Initiative (BHI) es un programa interdisciplinario en la Universidad de Harvard que incluye los campos de Astronomía , Física y Filosofía , y se afirma que es el primer centro del mundo en centrarse en el estudio de los agujeros negros . [1] [2] [3] Entre los principales participantes notables se incluyen: Sheperd Doeleman, Peter Galison , Avi Loeb , Ramesh Narayan , Andrew Strominger y Shing-Tung Yau . [1] La inauguración de BHI se llevó a cabo el 18 de abril de 2016 y asistió Stephen Hawking.; [4] los talleres relacionados se llevaron a cabo el 19 de abril de 2016. [1]Robert Dijkgraaf creó el mural para la inauguración de BHI. [5]
Un cambio de blues es cualquier disminución en la longitud de onda , con un aumento correspondiente en la frecuencia, de una onda electromagnética ; El efecto contrario se conoce como desplazamiento al rojo . En luz visible , esto cambia el color del extremo rojo del espectro al extremo azul.
Doppler blueshift [ editar ]
Doppler blueshift es causado por el movimiento de una fuente hacia el observador. El término se aplica a cualquier disminución en la longitud de onda y aumento en la frecuencia causada por el movimiento relativo, incluso fuera del espectro visible . Solo los objetos que se mueven a velocidades casi relativistas hacia el observador son notablemente más azules a simple vista , pero la longitud de onda de cualquier fotón reflejado o emitido u otra partícula se acorta en la dirección del viaje. [1]
- La galaxia de Andrómeda se está moviendo hacia nuestra propia galaxia Vía Láctea dentro del Grupo Local ; así, cuando se observa desde la Tierra, su luz está experimentando un cambio de blues.
- Los componentes de un sistema estelar binario serán blueshifted cuando se mueven hacia la Tierra
- Al observar galaxias espirales, el lado que gira hacia nosotros tendrá un ligero cambio de color con respecto al lado que gira alejándose de nosotros (consulte la relación Tully-Fisher ).
- Blazares son conocidos para impulsar chorros relativistas hacia nosotros, que emite radiación de sincrotrón y la radiación de frenado que aparece blueshifted.
- Las estrellas cercanas, como la Estrella de Barnard, se están moviendo hacia nosotros, lo que resulta en un cambio de blues muy pequeño.
- El efecto Doppler blueshift de objetos distantes con una z alta se puede restar del gran desplazamiento al rojo cosmológico para determinar el movimiento relativo en el universo en expansión . [2]
Blueshift gravitacional [ editar ]
A diferencia del blueshift Doppler relativo , causado por el movimiento de una fuente hacia el observador y, por lo tanto, depende del ángulo recibido del fotón, el blueshift gravitacional es absoluto y no depende del ángulo recibido del fotón:
Es una consecuencia natural de la conservación de la energía y la equivalencia masa-energía , y se confirmó experimentalmente en 1959 con el experimento Pound-Rebka . El cambio de tono gravitacional contribuye a laanisotropía del fondo de microondas cósmico (CMB) a través del efecto Sachs-Wolfe : cuando un pozo gravitacional evoluciona mientras pasa un fotón, la cantidad de cambio de color en el enfoque diferirá de la cantidad de desplazamiento al rojo de la región. [5]
Outliers azules [ editar ]
Hay galaxias activas lejanas que muestran un cambio de blues en sus líneas de emisión [O III] . Uno de los mayores cambios de blues se encuentra en el quásar de línea estrecha , PG 1543 + 489, que tiene una velocidad relativa de -1150 km / s. [2] Estos tipos de galaxias se denominan "valores atípicos azules". [2]
Blueshift cosmológica [ editar ]
En un universo hipotético que experimenta una gran contracción desbocada , se observará un cambio de color cosmológico, con galaxias más lejanas con un aumento creciente de blues, exactamente lo contrario del desplazamiento al rojo cosmológico observado en el universo en expansión actual .
La simulación de Bolshoi , ejecutada en 2010 en la supercomputadora de las Pléyades en el Centro de Investigación Ames de la NASA , fue la simulación cosmológica más precisa hasta esa fecha de la evolución de la estructura a gran escala del universo . [1] La simulación Bolshoi usó el ahora estándar ΛCDM modelo (Lambda-CDM) del universo y los WMAP cinco y siete años de parámetros cosmológicos de la NASA 's WMAP equipo. [2]"El propósito principal de la simulación de Bolshoi es calcular y modelar la evolución de los halos de materia oscura., haciendo visible lo invisible para que los astrónomos estudien y predigan la estructura visible que los astrónomos pueden buscar observar ". [3] " Bolshoi "es una palabra rusa que significa" grande ".
Los primeros dos de una serie de trabajos de investigación que describen a Bolshoi y sus implicaciones se publicaron en 2011 en el Astrophysical Journal . [4] [5] La primera publicación de los resultados de Bolshoi se ha hecho pública para los astrónomos y astrofísicos del mundo. [6] Los datos incluyen la salida de la simulación de Bolshoi y de BigBolshoi, o MultiDark, simulación de un volumen 64 veces mayor que la de Bolshoi. [7] La simulación de Bolshoi-Planck , con la misma resolución que Bolshoi, se ejecutó en 2013 en la supercomputadora de las Pléyades utilizando el satélite PlanckLos parámetros cosmológicos del equipo se publicaron en marzo de 2013. La simulación de Bolshoi-Planck se está analizando actualmente en preparación para la publicación y distribución de sus resultados en 2014. [8] [9]
Las simulaciones de Bolshoi continúan desarrollándose a partir de 2018.Colaboradores [ editar ]
El equipo de Joel R. Primack en la Universidad de California, Santa Cruz , se asoció con el grupo de Anatoly Klypin en la Universidad Estatal de Nuevo México , en Las Cruces [4] [5] para ejecutar y analizar las simulaciones de Bolshoi. El análisis adicional y la comparación con las observaciones del grupo de Risa Wechsler en Stanfordy otros se reflejan en los documentos basados en las simulaciones de Bolshoi. [10]
Justificación [ editar ]
Una exitosa simulación a gran escala de la evolución de las galaxias , con resultados consistentes con lo que realmente ven los astrónomos en el cielo nocturno, proporciona evidencia de que los fundamentos teóricos de los modelos empleados, es decir, las implementaciones de supercomputadoras ΛCDM, son bases sólidas para la comprensión. La dinámica galáctica y la historia del universo, y abre vías para futuras investigaciones. La simulación de Bolshoi no es la primera simulación a gran escala del universo, pero es la primera en rivalizar con la extraordinaria precisión de las observaciones astrofísicas modernas. [1]
La simulación anterior más grande y exitosa de la evolución galáctica fue el Proyecto de Simulación del Milenio , dirigido por Volker Springel. [11] Aunque el éxito de ese proyecto estimuló más de 400 artículos de investigación, las simulaciones del Milenio usaron los primeros parámetros cosmológicos de WMAP que se han vuelto obsoletos. Como resultado, llevaron a algunas predicciones, por ejemplo, sobre la distribución de galaxias, que no coinciden muy bien con las observaciones. Las simulaciones de Bolshoi utilizan los últimos parámetros cosmológicos, tienen una resolución más alta y se han analizado con mayor detalle. [10]
Métodos [ editar ]
La simulación de Bolshoi sigue la evolución de la distribución de un conjunto estadístico de 8,6 billones de partículas de materia oscura , cada una de las cuales representa unos 200 millones de masas solares , en un cubo de espacio tridimensional de aproximadamente 1 billón de años luz en el borde. La materia oscura y la energía oscura dominan la evolución del cosmos en este modelo. La dinámica se modelan con la teoría ΛCDM y Einstein 's teoría general de la relatividad , con el modelo incluyendo materia fría oscura (CDM) y el Λ cosmológica constante término simulando la aceleración cósmica se refiere a la energía como oscuro.
Los primeros 100 millones de años ( Myr ) de la evolución del universo después del Big Bang pueden derivarse analíticamente. [12] La simulación de Bolshoi se inició con un desplazamiento al rojo z = 80, correspondiente a aproximadamente 20 Myr después del Big Bang. Los parámetros iniciales se calcularon con la teoría lineal implementada por las herramientas CAMB [13] , [14] parte del sitio web WMAP. [15] Las herramientas proporcionan las condiciones iniciales, incluida una distribución estadística de las posiciones y velocidades de las partículas en el conjunto, para la mucho más exigente simulación de Bolshoi de los próximos 13.800 millones de años. Por lo tanto, el volumen experimental representa una región aleatoria del universo, por lo que las comparaciones con observaciones deben ser estadísticas.
La simulación de Bolshoi emplea una versión de un algoritmo de refinamiento de malla adaptable (AMR) denominado árbol de refinamiento adaptativo (ART), en el cual un cubo en el espacio con más de una densidad de materia predefinida se divide recursivamente en una malla de cubos más pequeños. La subdivisión continúa a un nivel límite, elegido para evitar el uso excesivo de tiempo de supercomputadora. Los cubos vecinos no pueden variar en demasiados niveles, en el caso de Bolshoi en más de un nivel de subdivisión, para evitar grandes discontinuidades. El método AMR / ART es adecuado para modelar la distribución de materia cada vez más heterogénea que evoluciona a medida que avanza la simulación. "Una vez construida, la malla, en lugar de ser destruida en cada paso del tiempo, se ajusta rápidamente a la distribución de partículas en evolución". [16] A medida que se ejecutaba la simulación de Bolshoi, la posición y la velocidad de cada uno de los 8,6 billones de partículas que representan materia oscura se registraron en 180 instantáneas aproximadamente espaciadas uniformemente a lo largo del simulado 13,8 billones de años en la supercomputadora Pleiades. [4] Cada instantánea se analizó para encontrar todos los halos de materia oscura y las propiedades de cada uno (composición de partículas, ubicación, distribución de densidad, rotación, forma, etc.). Todos estos datos se utilizaron para determinar el crecimiento completo y el historial de fusión de cada halo. Estos resultados se utilizan a su vez para predecir dónde se formarán las galaxias y cómo evolucionarán. La forma en que estas predicciones se corresponden con las observaciones proporciona una medida del éxito de la simulación. También se hicieron otros controles. [5]
Resultados [ editar ]
Se considera que la simulación de Bolshoi ha producido la mejor aproximación a la realidad obtenida hasta ahora para un volumen de espacio tan grande, de aproximadamente 1 billón de años luz. “Bolshoi produce un universo modelo que tiene un sorprendente y sorprendente parecido con lo real. Comenzando con las condiciones iniciales basadas en la distribución conocida de la materia poco después del Big Bang, y utilizando la teoría general de la relatividad de Einstein como las "reglas" de la simulación, Bolshoi predice un universo moderno con galaxias alineadas en cientos de millones de luz filamentos de un año de duración que rodean inmensos huecos, formando una estructura cósmica similar a la espuma que se ajusta exactamente a la red cósmica como lo revelan los estudios de galaxias profundas como el Sloan Digital Sky Survey. Para lograr una coincidencia tan cercana, Bolshoi está claramente dando a los cosmólogos una imagen bastante precisa de cómo evolucionó realmente el universo ". [17]
Soporte [ editar ]
Esta investigación fue apoyada por subvenciones de la NASA y NSF a Joel Primack y Anatoly Klypin, incluidas concesiones masivas de tiempo de supercomputadora en la Pleiades de supercomputación avanzada de la NASA (NAS) en el Centro de Investigación Ames de la NASA. El alojamiento de los resultados y análisis de Bolshoi en el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) está parcialmente respaldado por la subvención MultiDark del Programa MICINN en español. [18]
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