univers gêmeos contra matéria escura, matéria escura, energia escura e constante cosmológica
- A era radiativa..
A ideia é que as chamadas constantes da física se comportam como constantes absolutas durante a era da matéria, mas mudam radicalmente durante a era radiativa. Isso pode parecer muito artificial, mas essa ideia pode resolver o problema da homogeneidade do universo primitivo, como recentemente destacado por vários autores, como Magueijo (1999), embora o autor tenha descoberto isso 13 anos antes, no final dos anos 80 ([44],[45], [46]) e posteriormente desenvolvido ( [4] e [47] ). Primeiro, notamos que a escolha do marcador de tempo t permanece arbitrária. Não é nada mais do que "a maneira como pensamos que as coisas aconteceram". O tempo absoluto não tem significado na cosmologia. Nenhum fenômeno "existe" se não houver um observador no universo para olhá-lo, para comparar uma sequência de eventos com o seu próprio fluxo temporal. Atualmente, tudo é comparado ao tempo do observador, da maneira como ele vive. Mas o passado e o futuro dependem da maneira como ele imagina, pois ele não pode viajar para o passado ou futuro. O passado e o futuro não são nada mais do que imagens que formamos. Diremos que essas imagens são corretas se correspondem a fenômenos locais particulares, que chamamos de "observações", "medidas". Consideremos as "constantes da física". Elas foram descobertas relativamente recentemente. São a velocidade da luz c, a constante gravitacional G, a constante de Planck h, as massas das partículas, a carga elétrica elementar e, a permissividade do vácuo ε₀, e algumas outras. As medições realizadas no laboratório não mostram nenhuma variação significativa. As pessoas tentaram estudar o impacto, ao longo de longos períodos, de uma mudança dessas constantes em diversos fenômenos cósmicos. Mas elas variaram essas constantes uma por uma, independentemente. Em tais condições, pode-se mostrar que uma variação leve de uma constante isolada produz contradições com os dados observacionais. Mas o que acontece com as variações conjuntas? Surpreendentemente, podemos conceber uma variação conjunta de todas as constantes, que não pode ser detectada no laboratório, pois os instrumentos do laboratório são construídos com base nas equações fundamentais da física. Se esse processo de calibração mantiver essas equações invariantes, será impossível detectar a variação de qualquer constante, pois os instrumentos e as constantes que eles são supostos medir sofrem desvios paralelos. Imagine que você queira medir o comprimento de uma mesa de ferro, com uma régua de ferro. Ambos estão à temperatura ambiente. Se o comprimento da mesa for encontrado constante no tempo, você não pode jurar que esse comprimento não varia, pois essa mesa e sua régua podem sofrer uma variação de temperatura ambiente e se expandir da mesma forma. Procuremos, portanto, um tal processo fundamental de calibração. Considere, por exemplo, a equação do campo, onde aparece a constante de Einstein. Supomos que a divergência dessa equação é nula, o que, na aproximação newtoniana, corresponde à conservação da matéria e da energia. Se isso não for o caso, devemos introduzir um termo fonte. Segundo essa hipótese, a constante de Einstein c deve ser uma constante absoluta. Isso implica que G e c devem ser constantes absolutas? Definitivamente não. Isso implica apenas que:
Como introduzido pela primeira vez em 1988, supomos que todas as formas de energia são conservadas, mas não as massas, a carga elétrica, etc. Isso dá, por exemplo:
Na física, todos os estudantes conhecem a técnica chamada análise dimensional. Dado um problema físico regido por uma equação, ou um conjunto de equações, produzimos comprimentos característicos, tempos e números compostos a partir das constantes e dados experimentais. Agora, consideramos que tudo o que está presente na equação pode variar, incluindo as "constantess". Colocamos tudo em uma forma sem dimensão. Considere, por exemplo, a equação de Boltzmann:
Introduzimos uma escala de comprimento característica R e uma escala de tempo característica T:
A equação se torna:
Vemos que o comprimento de Schwarzschild varia como o fator de escala R. Para resumir, obtemos:
Vemos que o comprimento de Jeans Lj varia como R, enquanto o tempo de Jeans tj varia como T. R e T estão ligados por uma relação que evoca um modelo de Friedmann. Mas se olharmos com mais atenção e a considerarmos como uma relação de calibração, isso significa que as leis de Kepler também são invariantes:
De passagem, ao introduzir as pressões (como densidades de energia), obtemos as variações de calibração desses parâmetros e vemos que as energias posteriores são conservadas (neste modelo, todas as formas de energia são conservadas durante a era radiativa). Assim, determinamos a maneira como a velocidade da luz c varia em função da densidade de energia quando o radiação domina.
Agora, considere a equação de Schrödinger:
Introduzimos uma expressão sem dimensão do potencial e transformamos essa equação:
Como resultado, a energia permanece inalterada por esse processo de calibração. A constante de Planck h cresce com T, como conjecturado pela primeira vez por Milne [48]. Os comprimentos característicos:
variam como o fator de escala espacial R, enquanto o tempo de Planck tp varia como o fator de escala temporal T. Do ponto de vista dessa descrição, a evolução durante a era radiativa é concebida como um processo de calibração. Isso torna a "barreira de Planck" problemática. A era "pré-quântica" tem algum significado real? Agora, para terminar, devemos tratar as equações de Maxwell.
Continue a realizar esse tipo de "análise dimensional generalizada". Obtemos:
Para manter a estrutura dos átomos durante o processo de evolução, supomos que a constante de estrutura fina é uma constante absoluta, o que dá a solução completa:
Obtemos facilmente:
Como podemos ver, durante a era radiativa, se a evolução cósmica for identificada a um processo de calibração, todos os comprimentos característicos variam como R (acima, o raio de Bohr), todos os tempos característicos variam como T, e todas as energias são constantes.
Todas as constantes, escalas espaciais e temporais estão envolvidas nesse processo de calibração, que pode ser descrito escolhendo qualquer uma delas. Podemos tomar T como nosso marcador temporal t.
Em seguida, a variação das constantes durante a era radiativa em função da pressão radiativa pr:
Se assumirmos que os valores das constantes dependem da pressão radiativa, introduzindo um valor crítico pcr, a ser definido, podemos escrever:
Go, mo, ho, co, ε₀ correspondem aos valores atuais. Supomos que essas condições críticas são atingidas para um valor t = tcr do marcador temporal escolhido.
o que corresponde à figura 16.
Fig. 16 : Variação das constantes durante a era radiativa.
t >> tcr corresponde à era da matéria
- A homogeneidade do Universo.
Todo modelo requer confirmação observacional. Figura 17, à esquerda, o paradoxo clássico da homogeneidade do universo primitivo. "Explicação clássica": a "teoria da inflação", exigindo hipóteses pesadas. Hoje, algumas pessoas começam a considerar um modelo com constantes variáveis, incluindo uma variação secular de c. Eles a chamam de "VLS": "velocidade da luz variável". Na verdade, desenvolvi essa ideia em 1988 [44]. Com a variação temporal sugerida de c, que, com a seção anterior, faz o horizonte variar como R(t), garantindo assim a homogeneidade em qualquer momento.
Fig. 17 : **O horizonte, segundo o modelo padrão e segundo o modelo atual. **
- **Quando o advérbio "antes" falha. **
Como dito acima, um marcador de tempo corresponde a uma escolha arbitrária. Ele não tem significado intrínseco. No modelo padrão, se considerarmos o passado distante do universo, a temperatura aumenta e as velocidades dos elementos tendem a c. Todas as partículas tornam-se relativistas, o que levanta uma pergunta: "como construir um relógio, com que material?". Quando olhamos para um relógio, o que estamos olhando? A rotação de uma agulha. Uma volta corresponde a um minuto, ou uma hora. Uma volta da Terra em torno do Sol corresponde a um ano. Qualquer que seja o nome que lhe demos, essa rotação de 360° tem um significado físico real. É um evento indiscutível. Da mesma forma, podemos considerar um sistema de referência composto por duas massas m em órbita ao redor de seu centro de gravidade comum. Podemos chamá-lo de nossa "relógio elementar". Em um gás em equilíbrio termodinâmico, a energia disponível é distribuída entre a energia de translação, a energia de rotação, a energia vibratória. Um par de partículas em órbita ao redor de seu centro de gravidade comum é concebível se a energia do sistema for comparável à energia das partículas livres que se deslocam ao redor. Em um sistema com constantes variáveis, isso é possível. Então, podemos contar o número de voltas, usando o marcador de tempo t, que não tem significado real: é apenas um marcador cronológico.
Fig.18 : O relógio elementar.
O que isso significa? De acordo com essa descrição do universo, um número infinito de "eventos elementares" ocorreu no passado. Se esse relógio corresponde a uma medida do tempo, o passado é infinito e o marcador de tempo t nada mais é do que uma ficção. Vamos dar uma imagem. Suponha que você visite um editor e diga: "Quero publicar um livro com dois polegadas de espessura". Isso depende da largura das páginas. Você pode enganar o editor se usar páginas cuja largura tende a zero ao tentar ler "as primeiras páginas". Embora a largura global do livro pareça finita, ele conta uma história infinita. A boa pergunta que o editor deveria lhe fazer é: "Quantos tipos no seu livro, quantas frases, palavras, letras?". Uma letra do seu livro pode ser comparada a um "evento elementar". Como seu livro, chamado "História do Universo", se estende para o passado, mostra um número infinito de "eventos elementares", ele não tem começo e você nunca conseguirá ler o prefácio do autor. Além disso, como mostrado na referência [4], o número de voltas do nosso relógio elementar corresponde à entropia por bárion. Log t também é chamado de "tempo conforme". Na verdade, se escolhido como novo marcador de tempo, a métrica se torna conformemente plana:
Na seção anterior, encontramos que o tempo de Planck varia como o marcador de tempo t. Isso significa que quando voltamos para a chamada "singularidade inicial (t = 0)", o tempo de Planck se reduz. O que isso significa? Eu não tenho a resposta. De qualquer forma, esse modelo não resolve todos os problemas. Não tratamos as interações fortes e fracas. É apenas um olhar diferente sobre o que chamamos de "tempo".
- Instabilidades gravitacionais conjuntas.
Na seção 3, apresentamos um modelo de galáxia confinada pelo seu ambiente de matéria gêmea repulsiva. Este trabalho era semi-empírico. Na presente seção, apresentamos uma solução exata com simetria esférica. Se partirmos das equações acopladas do campo, assumimos que elas são sem divergência
A partir dessas equações, podemos derivar a equação de Euler. O método é completamente semelhante ao aplicado à equação de Einstein.
Acoplado à equação de Poisson:
O método clássico das perturbações fornece duas equações acopladas do tipo Jeans, Lj e Lj sendo comprimentos de Jeans característicos.
Uma solução estacionária com simetria esférica, com condições iniciais:
Na figura 19, a solução numérica típica.
Fig. 19 **: Instabilidades gravitacionais conjuntas. **Formação de um aglomerado de matéria cercado por um ambiente de matéria gêmea repulsiva.
**Nota (2007, 23 de maio): **
A forma geral das curvas depende das condições iniciais. As condições escolhidas são arbitrárias e correspondem a densidades de massa iguais e velocidades térmicas iguais nos dois dobras. No entanto, encontramos uma característica interessante. Na figura 19 bis, podemos traçar a direção do campo gravitacional:
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** Fig 19 bis : Efeito "halo de matéria escura" **
O campo gravitacional induz um efeito de lente gravitacional. Este último é uma medida do campo gravitacional, independentemente da fonte deste campo. Na nossa teoria, a matéria ordinária, a da nossa "dobra", contribui com sua própria contribuição. A "matéria gêmea" também contribui (ela se comporta como material com massa negativa).
Se considerarmos que os efeitos fortes de lente gravitacional observados são devidos a alguma misteriosa "matéria escura", dado o campo gravitacional e a distribuição da matéria visível, podemos calcular a distribuição desta matéria escura, se ela existir. Na figura 19bis observamos uma inversão da direção do campo gravitacional, que acompanha uma variação correspondente da lente gravitacional local. Seguindo o modelo da matéria mais matéria escura, poderíamos calcular a distribuição da matéria escura que daria os efeitos de lente correspondentes. Considerando a figura no topo da Fig 19 bis, deduziríamos que este aglomerado está cercado por "uma casca oca de matéria escura". A imagem de baixo evoca esta conclusão.
Como sabemos, o telescópio Hubble recentemente descobriu um "halo de matéria escura". Veja a próxima figura.
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** Fig 19 ter : O "halo de matéria escura" descoberto pelo telescópio espacial Hubble em 2007, pode. Como "deduzido a partir de cálculos". **
Surpreendentemente, este halo está centrado no aglomerado galáctico visível. Acreditamos que ele não corresponde a uma estrutura plana, mas a uma estrutura simétrica esférica. *Preveemos que estruturas semelhantes devem ser descobertas em breve. Em qualquer caso, o "halo" estará centrado no aglomerado, de modo que o astrônomo admitirá que não é um halo, mas "alguma espécie de estrutura oca". *
A estrutura do halo pode ser considerada como o resultado de um antigo encontro (parecendo "um anel de fumaça").
Suponha que nossa previsão seja confirmada. Se os astrônomos tiverem que admitir que estas observações correspondem a uma estrutura simétrica esférica, como eles modelizarão esta casca de matéria escura oca?
Se for confirmado, isto pode trazer elementos para fazer uma escolha entre o modelo matéria mais matéria escura e o modelo universo gêmeo.
- A confinamento de galáxias esferoidais.
Na seção 7, figura 11, dissemos que o campo devido a um buraco em uma matéria de energia negativa uniforme era equivalente ao campo criado por uma esfera equivalente, preenchida por matéria de energia positiva e cercada por vazio. Agora, isso precisa ser justificado. Vamos recordar como a ligação à equação de Poisson é construída na teoria clássica (veja, por exemplo, [52]).
Isso dá (a) :
Escreve-se (b). Com (d) e (c), a equação (b) é identificada à equação de Poisson. Mas note imediatamente que a métrica perturbada dada corresponde a condições de estado estacionário. Isso é concebível apenas se a solução de ordem zero (a métrica de Lorentz) corresponder a um universo vazio, onde nenhuma força gravitacional e nenhuma pressão atuam.
Então há uma ligação entre o campo e as equações de Poisson. Mas se o universo é suposto não vazio e uniforme, este método já não é válido, pois não podemos nos referir à métrica de estado estacionário. Qual é o impacto? Não podemos definir um potencial gravitacional em um universo uniforme, preenchido por material de densidade constante. Se olharmos para a equação de Poisson (e), escrita em coordenadas esféricas e se supusermos que r é constante, encontramos a solução esférica (f) e o campo gravitacional correspondente é (g). Não é surpreendente encontrar uma força gravitacional não nula, apontando para um centro arbitrário de coordenadas e tendendo ao infinito com a distância radial? Explicação: esta pseudosolução não é correta, pois a equação de Poisson não existe em um universo uniforme em estado estacionário. O campo é zero em todos os lugares, o que parece mais físico.
Fig. 20 : Buraco esférico em uma distribuição de matéria gêmea de densidade constante e o potencial gravitacional associado.
A figura (b) mostra o campo gravitacional ao redor e dentro de uma esfera preenchida por material de densidade positiva constante (como a Terra). Em (c) o potencial gravitacional associado. Se invertermos as setas de (b), obtemos o campo associado a uma esfera preenchida por massa negativa. Se isso for adicionado a (a), obtemos uma região uniforme e ilimitada, preenchida por massa negativa, com um campo nulo, de modo que (a) mostra o campo dentro de uma cavidade esférica, que não é nulo. Obtemos um efeito de confinamento e a intensidade do campo é máxima na borda interna. Isso explica por que as galáxias espirais mantêm seus braços e por que a diminuição da densidade do gás do disco é tão abrupta na periferia.
****Resumo do Artigo
