Modelo cosmológico bi-métrico

La severidad bimétrique o bigravité incluye dos conjuntos diferentes de modelos cosmológicos . El primer conjunto se basa en teorías matemáticas modificadas de la ley de la gravedad , en las que se utilizan dos tensores métricos en lugar de uno. La segunda métrica se puede introducir en los cálculos para estados altos de densidad de energía , con la implicación de que la velocidad de la luz podría depender de la densidad de energía, lo que permite que los modelos utilicen velocidades variables de la luz . En estos casos, la segunda métrica se refiere a gravitones , partículas hipotéticas dotadas de masa  (in) , e incluso en algunos estudios de un "espectro de masas". Son entonces extensiones de la teoría de la gravedad masiva  (en) .

Por el contrario, las teorías de la gravedad bimétrica del segundo conjunto no se basan en gravitones masivos y no modifican las leyes de Newton , sino que describen el Universo como una variedad que tiene dos métricas riemannianas acopladas donde la materia que habita los dos sectores interactúa por gravedad, incluida la entre los dos lados del universo. La gravedad repulsiva y la antigravedad aparecen si la topología y la aproximación newtoniana  (in) consideraran introducir masas negativas y estados de energía negativa  (in) en cosmología como alternativa a la materia oscura y la energía oscura . Algunos de estos modelos cosmológicos también utilizan una velocidad variable de la luz en el estado de alta densidad de energía de la era radiativa  (en) , desafiando la hipótesis de la inflación cósmica .

Existe así una diversidad de propuestas de modelos bimétricos que, en la mayoría de los casos, tienen pocos aspectos en común, y que están más o menos avanzadas en su capacidad para explicar las observaciones. Hossenfelder ha identificado 18 que comparten consideraciones de simetría similares a las suyas.

En busca del modelo cosmológico adecuado

Las preguntas abiertas del modelo cosmológico estándar ΛCDM

La violación de la paridad materia-antimateria

El enigma de la antimateria - "¿Por qué hay tan poca antimateria en el universo?" "( Asimetría bariónica del universo), o en otras palabras" ¿por qué es la materia la que prevalece sobre la antimateria? ( Bariogénesis ) - también ha llevado a algunos científicos a la hipótesis de una forma de universo paralelo (por ejemplo, las hojas en simetría CPT descritas por Andreï Sakharov y Jean-Pierre Petit ). En el marco de una teoría cuántica de campos, esta asimetría requiere que se cumplan las tres condiciones de Sajarov : una ruptura de la simetría CP , una no conservación del número bariónico y un proceso térmico fuera de equilibrio que involucra estos dos fenómenos. El Modelo Estándar de partículas retiene este número bariónico, y generalmente se considera que la violación de CP presente en el Modelo Estándar no es suficiente para explicar el exceso de materia, por lo que requiere una física más allá del Modelo Estándar .

La materia oscura como solución propuesta a la masa faltante del universo

El modelo cosmológico postula la existencia de materia oscura para explicar las velocidades de las estrellas dentro de las galaxias, las velocidades de las galaxias dentro de los cúmulos, las velocidades de los cúmulos dentro de los supercúmulos, así como los efectos de las lentes gravitacionales fuertes alrededor de los supercumulos.

El primer problema es que la materia oscura representa de 10 a 30 veces más masa que la materia visible.

El segundo problema es que el tensor de energía-momento de la materia oscura podría desplazarse total o parcialmente del lado derecho al lado izquierdo de la ecuación de Einstein , dando como resultado una teoría de la gravedad modificada, como la teoría MOND, por ejemplo, en lugar de manteniendo intacta la relatividad general y cambiando el contenido de la materia. Sin embargo, la observación del cúmulo Bullet y otros cúmulos similares tiende a respaldar la hipótesis de la materia oscura en detrimento de una modificación de la gravedad por la teoría clásica de MOND.

Otro problema clave es que, para encajar en una extensión del Modelo de partículas estándar, la materia oscura debería estar formada por partículas. El candidato preferido desde la década de 1990 es el neutralino más ligero, predicho por la supersimetría . Pero ninguno de los experimentos dedicados a la detección de estas partículas ( XENON , LUX  (en) para los más importantes) las descubrió. Además, el LHC hasta ahora no ha mostrado evidencia de supersimetría . La investigación se está moviendo ahora hacia el dominio virgen de las partículas candidatas a la materia oscura con una masa de menos de 1  GeV , y tardaría una década en solucionarse. Hoy, esta ausencia de partícula candidata para la materia oscura es, por tanto, un problema abierto.

La expansión acelerada del universo

Se ha demostrado desde 1998 que la expansión del Universo se está acelerando, más precisamente que el parámetro de desaceleración.

es negativo y hoy es igual a -0,5275. Fue 0 hace unos 6 mil millones de años y fue positivo antes (fase anterior de desaceleración en la expansión del Universo). Continuará en el futuro tendiendo hacia su valor límite inferior de -1 al que también corresponderá un valor límite mínimo de H (que disminuye con el tiempo) y un valor cero de Ḣ = dH / dt. En el marco de la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , que es la solución de la ecuación de Einstein para un universo homogéneo e isotrópico, esta observación es el signo característico de que la constante cosmológica es distinta de cero. Resulta que incluso representa alrededor del 70% de la densidad de energía total , Ω Λ ≈ 0,7 (y aún más precisamente 0,685 según las mediciones del experimento PLANCK ). La constante cosmológica es un parámetro libre de la relatividad general: como ha demostrado Elie Cartan , las ecuaciones más generales que dependen linealmente de las únicas segundas derivadas de la métrica son las ecuaciones de Einstein con una constante cosmológica (el hecho de que esta última no formaba parte de la primera versión de la teoría publicada por Einstein es solo un accidente histórico).

Luego, dos puntos plantean preguntas. En primer lugar, si intentamos modelar la constante cosmológica como una energía de vacío, los intentos de cálculo en la teoría cuántica de campos mediante los métodos habituales dan un resultado diferente en 120 órdenes de magnitud. Entonces, la constante cosmológica representaba una fracción igual a 10 -95 de la de la materia en la época de Planck, lo que plantea el llamado problema de ajuste fino si esta constante fuera un fenómeno emergente de una teoría más fundamental.

La resolución de estas preguntas es un tema activo de investigación . Algunos modelos intentan, por ejemplo, encontrar una explicación unificada para la materia oscura y la constante cosmológica, como el modelo del fluido oscuro , mientras que otros intentan modelar este último solo introduciendo un campo escalar a partir del cual la ecuación de estado da como resultado una constante cosmológica. variando con el tiempo, lo que podría permitir resolver el problema del ajuste fino en la escala de Planck: ver el modelo de Quintessence . Otro enfoque de solución son los modelos cosmológicos bimétricos.

Desarrollo histórico de las teorías bimétricas

En el primer conjunto de teorías mencionadas en la introducción, si las dos métricas son dinámicas e interactúan, una primera posibilidad involucra dos modos de gravitón , uno con masa y otro sin masa; tales teorías bimétricas están entonces muy cerca de la gravedad masiva  (in) . Existen varias teorías bimétricas con gravitones masivos, como las atribuidas a Nathan Rosen (1909-1995) o Mordehai Milgrom con la teoría bimétrica MOND, que es una generalización relativista de la teoría MOND . Más recientemente, los desarrollos en la gravedad masiva también han dado lugar a nuevas variantes en el campo de la gravedad bimétrica. Sin embargo, ninguno de ellos pudo explicar las observaciones físicas de manera más precisa o más consistente que la teoría de la relatividad general . Se ha demostrado que la teoría de Rosen es incompatible con las observaciones del púlsar binario de Hulse-Taylor . Algunas de estas teorías conducen a una aceleración de la expansión cósmica en épocas tardías y, por lo tanto, son alternativas a la energía oscura .

Andrei Sakharov fue uno de los precursores de los modelos bimétricos y podemos considerar que abrió el camino para seguir trabajando en este campo. La teoría de Born-Infeld (1934) podría considerarse según Moffat como una forma muy temprana de modelo bimétrico, aunque no se aplica a la gravedad.

Siguiendo la paradoja de la violación de la simetría CP , Andrei Sakharov en 1967 planteó la hipótesis de la existencia de un segundo universo, paralelo, donde la antimateria predominaría simétricamente sobre la materia. La partición del universo fundamental en dos universos paralelos llamados "láminas" en las que la materia predomina para uno y la antimateria para el otro, podría reconciliar el modelo cosmológico y las observaciones. Este universo gemelo estaría en simetría CPT con respecto al nuestro:

Estas propiedades significan que la materia habitual sería reemplazada allí por una antimateria como la inicialmente definida por Stueckelberg (la idea de antipartículas que "retroceden en el tiempo" la retoma Feynman en sus diagramas ).

En diciembre 2018, Latham Boyle, Kieran Finn y Neil Turok publicaron un modelo cosmológico basado en la existencia de un universo espejo nuestro, poblado de antimateria y "retrocediendo en el tiempo", similar al de Sajarov. Por lo tanto, está en simetría CPT. Esta es una explicación enfatizada como " obvia " para la presencia de materia y la ausencia de antimateria en nuestro universo conocido. Los autores presentan una nueva especie hipotética de neutrinos de muy alta masa (más de 500 millones de veces más pesado que el protón, o 4,8 × 10 8   GeV / c²) como una explicación candidata para la naturaleza de la materia oscura.

El modelo cosmológico de Janus

En 1977, Jean-Pierre Petit comenzó a construir una teoría de la gravedad atípica (no bimétrica y no relativista). En 1994, el modelo se desarrolló utilizando una descripción bimétrica del universo. Finalmente lo llamó después de 2010 el modelo cosmológico Janus en referencia al dios de 2 caras que “mira simultáneamente hacia el futuro y hacia el pasado” en relación a las dos flechas opuestas del tiempo que caracterizan a los dos universos gemelos ( simetría CPT ). Sufre una evolución en 2015 para reflejar la aceleración de la expansión del universo. Esta versión fue invalidada enenero 2019 y nuevamente enmendada en consecuencia, también enero 2019, tras una crítica del físico Thibault Damour que demuestra una inconsistencia interna del modelo.

Este modelo atípico no ha despertado mucho interés en la comunidad científica desde sus primeras publicaciones.

En física de partículas , la teoría muestra similitudes con la materia espejo de sectores ocultos propuesta en respuesta a la violación de la simetría CP . En relatividad general , estudios independientes posteriores de la gravedad bimétrica con masas positivas y negativas llevaron a las mismas conclusiones con respecto a las leyes de la gravedad.

El modelo deriva de una acción . Solo utiliza una masa: la masa relativista , a la que se le asigna un signo más o menos.

Tiene los mismos fundamentos que el modelo previamente publicado por Andreï Sakharov de 1967. No propone nuevas interacciones sobre este tema de la violación del número bariónico , considerando solo las interacciones del modelo estándar de partículas y las simetrías, así como un posible cambio de topología del universo en la era primordial (formación de la segunda hoja).

A diferencia de Sajarov, donde los dos universos están vinculados solo por su singularidad inicial común, el modelo Janus permite que las dos láminas de universos interactúen directamente en todos los puntos, solo por gravedad .

Bigravity, atípico, es presentado por sus autores como una extensión de la relatividad general describe el universo como una variedad riemanniana asociada con dos métricas conjugadas que generan sus propias geodésicas .

El universo bimétrico según el modelo de Janus

Tipos de material

Se supone que coexisten cuatro tipos de materia:

  1. materia de masa positiva ( materia bariónica ).
  2. la masa positiva de antimateria ( Simetría C relativa al primer tipo). Es antimateria según la definición de Dirac , que no es muy abundante en comparación con el primer tipo.
  3. materia de masa negativa ( simetría CPT con respecto al primer tipo, con un operador T antilineal y anti-unitario), que es escasa en comparación con el cuarto tipo.
  4. antimateria de masa negativa (PT-simetría con respecto al primer tipo, con un operador T lineal y unitario).

El cuarto tipo, la antimateria llamada "Feynman" , es la antimateria primordial.

Interacciones gravitacionales

La aproximación newtoniana del sistema de dos ecuaciones de campo acopladas explicaría las siguientes interacciones gravitacionales  :

  • las partículas con energías del mismo signo se atraen entre sí de acuerdo con la ley de Newton (la masa positiva atrae la masa positiva y la masa negativa atrae la masa negativa )
  • las partículas con energías de signo opuesto se repelen entre sí de acuerdo con la ley "anti" de Newton (una masa positiva y una masa negativa se repelen)

Estas leyes son diferentes de las leyes enunciadas por Hermann Bondi en 1957 y William Bonnor en 1989. Resuelven la paradoja del fugitivo .

La formación de grandes estructuras en el universo según el modelo de Janus

La formación y estabilidad de galaxias y estructuras a gran escala.

El modelo de Janus explicaría la forma y estabilidad de las galaxias espirales gracias a la masa negativa en interacción con la galaxia que la confinaría y sería repulsiva para esta última.

Las estructuras a gran escala del universo observable (estructuras de filamentos separadas por grandes vacíos aparentes, Gran Repelente) se explicarían por la repulsión gravitacional entre masas positivas y negativas.

Reseñas

El modelo de Janus ha sido objeto de numerosas críticas científicas (positivas o negativas), las más significativas de las cuales son:

De Jean-Pierre Luminet

Jean-Pierre Luminet durante su conferencia en el CPPM enenero 2020mencionado en la introducción una alternativa teórica al agujero negro a través de Janus. Sin embargo, en su último libro "La espuma del espacio-tiempo", lamenta la ausencia de pruebas experimentales y el desarrollo de la teoría, insuficiente para interesar a la comunidad especializada.

De Thibault Damour

El académico Thibault Damour publicado enenero 2019en la web del IHÉS una revisión de la última versión (2015) del modelo Janus. Allí presenta varios argumentos que demuestran serios problemas de coherencia de las ecuaciones de campo utilizadas. Al hacerlo, especifica una revisión de Janus publicada en 2017 por Henry-Couannier sobre el respeto de Janus por las identidades de Bianchi . Enfoca el análisis en el movimiento de materia con masa positiva en ausencia de materia de masa negativa. Demuestra que las ecuaciones acopladas del modelo de Janus implican que la materia de masa positiva obedece a dos ecuaciones de movimiento diferentes y a priori incompatibles. Para ilustrar este punto, toma el ejemplo de una estrella estática y muestra en la aproximación newtoniana que una de las ecuaciones tiene como solución una presión que disminuye desde el centro hacia la periferia, mientras que la otra ecuación tiene como solución una presión que aumenta del centro a la periferia. Concluye escribiendo que “estas dos ecuaciones contradictorias son consecuencias necesarias de las ecuaciones de campo que definen el 'modelo de Janus'”.

Petit respondió a estas críticas unas semanas después en un video y en un artículo publicado en la revista Progress in Physics . Petit demuestra en esta nueva publicación cómo se puede derivar el modelo de Janus a partir de una acción siempre que se modifiquen las ecuaciones de campo acopladas. Presenta una nueva derivación lagrangiana del modelo de Janus dotado de estas nuevas ecuaciones y su respeto por las identidades de Bianchi . La publicación especifica que los resultados presentados en los artículos antes de la fecha de modificación del modelo (2019) siguen siendo válidos porque la problemática solo concernía al sector positivo dentro de una estrella, este último punto se confirma en la propia conclusión de la publicación de Damour. .

Validez y relevancia del modelo Janus

Las diferencias del modelo de Janus con el modelo cosmológico estándar ΛCDM

La principal diferencia entre el modelo Janus y el modelo ΛCDM es que, por construcción, Janus explica a posteriori varios puntos que quedan abiertos a interpretación en el modelo ΛCDM (la homogeneidad del universo primordial, materia oscura , energía oscura ...). El modelo de Janus aún no ha predicho ningún hecho nuevo que hubiera sido validado por la experiencia, y sus autores no ofrecen una observación accesible en una escala de tiempo razonable que permita un corte claro entre Janus y los modelos competidores. Por el momento, no ha hecho ninguna predicción correcta sobre la señal asociada con la radiación gravitacional producida por la colisión de dos agujeros negros, la imagen del agujero negro supermasivo M87 * o sobre la forma del espectro de potencia del fondo difuso cósmico. registrados por las misiones Planck o WMAP , a diferencia de los modelos de la competencia.

En una publicación científica publicada en la revista Astrophysics and Space Science  (en) enjunio 2018, Petit y Gilles D'Agostini enuncian varios fenómenos que, según ellos, serían explicados por Janus, a diferencia del modelo ΛCDM. Sin embargo, este artículo es anterior a las modificaciones de las ecuaciones del modelo siguiendo las críticas de Thibault Damour, los resultados que proponen son, por tanto, para reconsiderar con las nuevas ecuaciones de campo acoplado. Las observaciones enumeradas por los autores también se relacionan solo con observaciones anteriores al modelo, no se destaca ningún fenómeno predicho por el modelo antes de su observación.

Observaciones explicadas por el modelo ΛCDM y no por el modelo Janus

El modelo ΛCDM ha tenido varios éxitos predictivos:

  • la existencia del fenómeno de las oscilaciones acústicas bariónicas , descubierto en 2005;
  • el cálculo estadístico sobre lentes gravitacionales débiles , que se observó por primera vez en 2000;
  • en la recogida de datos realizada en 2015 por el satélite Planck, observamos 7 picos en el espectro de potencia de la temperatura del fondo difuso cósmico en función de la escala angular (espectro TT), 6 picos en el espectro de polarización cruzada de temperatura (TE) y 5 picos en el espectro de polarización (EE). El conjunto de seis parámetros libres y vinculados del modelo ΛCDM se puede deducir solo del espectro TT. Los espectros TE y EE se pueden deducir con una precisión de un pequeño porcentaje.

Hasta la fecha, no se conocen estudios publicados que sean objeto de tales cálculos con el modelo Janus. Respecto a los efectos de las lentes gravitacionales débiles , D'Agostini y Petit explicaron en 2014 el interés de tal estudio y cómo realizarlo en el caso de lentes negativas.

Otros modelos y teorías bimétricas

La teoría de la gravedad oscura

Fue propuesto en 2006 por Frédéric Henry-Couannier quien reintrodujo el principio de las teorías de la gravedad que usaban una métrica de fondo de Minkowski con un tensor plano y no dinámico, pero que fallaron en la década de 1970 debido al incumplimiento del principio de equivalencia . A diferencia de estas teorías, utiliza esta métrica básica solo como un enlace de dos métricas dinámicas, lo que permite establecer una simetría de una con respecto a la otra, por analogía con los números positivos y negativos cuyo cero es el elemento neutro que sirve de enlace. entre los dos. Esta adición es obligatoria para él si queremos introducir una gravedad repulsiva, es decir, energías negativas. Por lo tanto, es un enfoque diferente al de Hossenfelder y Petit , incluso si retoma las nociones de masa negativa y gravedad repulsiva, no usa dos campos diferentes, sino solo uno que tiene dos lados.

El punto de partida es una acción .

.

es el escalar de Ricci , L la densidad lagrangiana de la materia (que permite encontrar el tensor de energía-momento ), dV un elemento de volumen. Los caracteres normales representan la primera métrica, tildes la segunda. Las dos métricas g y están vinculados por una relación (que implica la métrica de Minkowski , como se explica en la introducción). De hecho, una variación de g da como resultado una variación de , produciendo una ecuación (más precisamente un solo sistema de 10 ecuaciones, como en la Relatividad General ). Por tanto, la métrica no es un campo nuevo en sentido estricto, sino que se presenta como un lado nuevo del mismo campo. Por tanto, es un campo con dos pendientes que él denomina "campo de Janus".

Buscamos g y verificando Delta S = 0 .

En relatividad general , la acción no incluye la segunda integral (con las tildes). Este término adicional modifica la dinámica del sistema y genera una nueva fenomenología.

Las dos 'capas' ( variedad de dimensión 4) definidas por y están en interacción.

F. Henry-Couannier continúa desarrollando sobre esta base su teoría sobre la extensión bimétrica de la relatividad general llamada Dark Gravity .

El modelo bimétrico con intercambio de simetría

Ofrecido en 2008de Sabine Hossenfelder , deriva de una acción . El principio básico es exactamente el mismo que el modelo de Janus, es decir, una extensión de la relatividad general con dos métricas diferentes que utilizan la geometría de Riemann y solo interactúan gravitacionalmente.

Luego, el modelo define para cada métrica una conexión Levi-Cevita y un tensor de curvatura, los dos tipos de campos que se mueven de acuerdo con una de las métricas y su conexión . Para obtener las ecuaciones de campo para la segunda métrica, se impone una simetría de intercambio a la acción. Los campos adicionales luego hacen una contribución al tensor de energía-momento gravitacional , con una densidad de energía negativa.

La principal diferencia con el modelo de Janus es que la simetría requiere que las densidades de material sean las mismas en los dos sectores. No desarrollará más el modelo desde esta publicación.

El modelo bimétrico basado en la gravedad de la masa

Ofrecido en 2002por Thibault Damour e Ian I. Kogan, el principio se basa en una interacción entre dos branas que tiene lugar a través de gravitones con un espectro de masas.

El punto de partida es una acción genérica de gravedad masiva a partir de una acción de bigravidad de cuatro dimensiones. La métrica correspondiente es fija, es decir, se convierte en un fondo espacial de Einstein no dinámico, o una métrica no dinámica, asumiendo que es plana. Rechazan esta acción de acuerdo con diferentes modelos ( branas , Kaluza-Klein , geometría no conmutativa) que conducen a diferentes clases de universalidad para la acción de bigravedad completamente no lineal con clases de soluciones compatibles con "nuestro universo".
Concluyen: “Los dos problemas principales de la gravedad masiva (campos fantasmas y la divergencia de algunas variables de campo cuando m2 → 0 ) Aún no se han examinado en detalle. (…) El problema importante es encontrar la correspondencia con las fuentes locales del campo para que la métrica completa no tenga singularidades. Sin embargo, suponiendo una resolución positiva de estas cuestiones o simplemente tomando los aspectos fenomenológicos, los lagrangianos de esta bigravidad no lineal abren una nueva e interesante vía para efectos gravitacionales no estándar. Exploraremos en futuras publicaciones las acciones físicas no lineales de la bigravedad, con una visión particular sobre los aspectos cosmológicos, que podrían proporcionar un candidato natural para un nuevo tipo de energía oscura ” . No han seguido más el modelo desde esta publicación.

Ver también

enlaces externos

Notas y referencias

Notas

  1. Richard Feynman sugirió que el electrón, moviéndose hacia atrás en el tiempo y observado por un espejo (simetría P), se comportaría como un positrón.

Referencias

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