DARK AGES

 

Cosmología, la última frontera...

 

 

Dedicado a:

 

 

Mi madre Juana M. Vallejos y hermana Natalia C. Vallejos. De las que heredé el temperamento y la inquietud por todo lo que nos rodea.

 

 

Al Ing. Químico egresado de la FIQ-UNL Santa Fe; Oscar A. Delgado, amigo y mentor.

Me decía: “Nunca se puede subestimar la influencia de un buen profesor sobre un alumno”.

 

 

También agradezco: a mis alumnos particulares, alumnos de mis talleres de astronomía para aficionados, las personas que participan de los cafés científicos, como así también los amigos que comparten salidas de observación…

 

 

¡¡¡Hacemos ciencia!!!

Imagen I

UNIVERSO HIPOTÉTICO PARTE III

¿Tenemos un Universo previo al nuestro? Tal vez, si consideramos la temperatura que se necesitan para la ruptura de simetría de la Fuerza Fuerte que mantiene unidos a los Quark (o temperatura plasma Quarks-Gluon). Y el faltante de antimateria...

Esta área la dejamos para un próximo artículo [1].

 

Iniciamos nuestro análisis a partir de una época con una densidad igual a una Estrella de Neutrones.  Que puede tener incluso Quark en forma de inhomogeneidades a una temperatura de QCD de (temperatura) T= Rango [(40-1) MeV - 37 eV] siguiendo la línea de evolución temporal [2] [3]. La cota izquierda depende de la aniquilación de bariones y anti-bariones. Controversia que evito porque en mi análisis descarto la existencia de antimateria bariónica en el Universo Temprano.

Los principales procesos de emisión de neutrinos se producen en temperaturas de potencias de 10⁹ °K y 10⁸ °K con densidades de 10¹⁶ kg/m³ [4]. Equivalencia de Temperatura en °K y eV [5].

Otra cuestión y que toda la comunidad científica e incluso en este escrito asumimos es que no estamos teniendo en cuanta la masa de los Agujeros Negros, el polvo intergaláctico o la masa de los exoplanetas. La que no deberíamos asumir despreciable. En el caso de tener una frontera que se separó de nuestro universo es aún más difícil estimar su masa, pero por supuesto no subestimo a la comunidad científica y a futuras comprobaciones.  

De millones de galaxias que existen en el universo el 70% exhibe características en espiral. Astrónomos han confirmado que la galaxia A1689B11 es la galaxia espiral más antigua conocida hasta la fecha. Se formó 2.600 millones de años después del Big Bang [6].

 

H) HIPÓTESIS

EL UNIVERSO NACE DESDE UN RADIO, CON UNA CANTIDAD DE MATERIA FINITA, CON UN SISTEMA QUE TIENE FRONTERA Y MOMENTO ANGULAR.

Mi tiempo empieza a contar desde un radio determinado y con una densidad similar a la de una Estrella de Neutrones (NS).

La influencia de la frontera sobre el sistema en el Universo Temprano debería explicar la simetría (morfología y curvas de velocidad) que tienen algunas galaxias en espiral. Y tal vez resuelva otras cuestiones más profundas...

Vemos que todos los objetos rotan (el principio más importante en cosmología: conservación del momento angular). La CONDICIÓN DE FRONTERA, un borde, un límite del sistema que puede tener diferentes propiedades.

Sin dejar de lado el momento angular del sistema. Explicaría por qué todos los objetos astronómicos tienen momento angular. Incluso las galaxias en espiral. Sabemos que galaxias en espira de distinta época tienen similares velocidades de rotación en diferentes tamaños incluso. Cuando decimos que un objeto hereda el momento angular del sistema del que viene. Por ejemplo, un Agujero Negro que se forma de la Estrella que desaparece. Lo que no podemos determinar son las velocidades de los fluidos laminares o turbulentos dentro de ese objeto astronómico.

De igual forma el Universo podría tener un radio con una cantidad de materia finita con la que nació. Y eso me sugiere dos líneas de investigación que forman parte de la propuesta que inicié en el meeting del Keck 2020.

LA PRIMERA línea era poder investigar la trayectoria de las partículas que abandonan el plasma del disco de acreción de Agujeros Negros Super Masivos hacia el Horizonte de Sucesos (por ejemplo, el Agujero Negro de M87, Premio Novel en Física 2020) y que se dispone imágenes en distintas longitudes de onda (EHT).

LA SEGUNDA línea de investigación es poder modelar la formación de galaxias sin Materia Oscura, partiendo de una época donde la densidad del universo ronda en torno a la densidad de una Estrella de Neutrones. KSM2020.

 

Para la ciencia el descubrimiento de Quasar con z > 7 plantea serios desafíos porque no se sabe cómo objetos con 10^9 Masas Solares se pudieron formar en época tempranas del Universo [7] [8] [9] [10].

De igual forma si existieron Agujeros Negros en el universo temprano, también pudieron existir Estrellas de Neutrones primordiales que no pasaron por la etapa previa a una explosión de Supernova (Estrellas de Población III°).

La masa crítica de formación de un Agujero Negro es mayor que la masa crítica de formación de una Estrella de Neutrones. Los Límites Superiores pueden estar en investigación. Pero considero importante cualquiera de los dos descubrimientos porque hablan de una época con predominio e inhomogeneidades de un medio en el que pudieron existir neutrones (n⁰) [11].

Estas variaciones de densidad con predominio de neutrones por regiones pudieron haber dado paso a los SMBH que hoy se encuentran en el centro de la mayoría de las galaxias en espiral.

Contamos con nuevas herramientas para encontrar Estrellas de Neutrones con bajas temperaturas en sistemas múltiples, tal vez con alguna probabilidad, un ejemplo es detectar sistemas con más de dos objetos con cooperación de varios observatorios para rastrear fusiones que pueden ser difíciles de detectar por su emisión de radiación.

Gracias a las ONDAS GRAVITACIONALES tenemos información de fusiones, luego buscar en la región si se encuentran otros objetos acompañando el sistema con similares características. El santo grial sería un SMBH o una NS primordial (una prueba irrefutable para el caso de una NS sería su baja temperatura) [12]. Sumado esto al conocimiento que tenemos sobre el enfriamiento de estos objetos estelares [13] [14].

Tal vez se pueda dar luz sobre una época que es de fundamental importancia para explicar la morfología de las galaxias en espiral. A futuro más información puede aportar el proyecto NICER [15].

 

Métrica

La métrica que explica un Universo en expansión es simple. La concordancia a gran escala es El Principio Cosmológico y el Postulado de Weyl.

A grandes rasgos el Universo es Isotrópico y Homogéneo ya que se expande el espacio que se encuentra entre los objetos del Universo.  

Al margen, actualmente vemos que la Radiación de Fondo de Microondas (CMB) da pequeñas variaciones de temperatura en el orden de ΔT/T ≃ 10^-5 [16].

Podemos agregar algo más trascendente, si miramos en cualquier dirección vamos a tener la misma constante de Hubble (en cualquier dirección, arriba de nuestras cabezas, abajo de nuestros pies, enfrente, detrás, a nuestros lados, vamos a medir la misma constante). Pero son conocidas las mediciones entre diferentes épocas o periodos.

 

Imagen II Artística.

[Imagen III] [17 - Con derechos de autor].

El problema de los modelos con momento angular como Boyer-Lindquist (4-Dimensiones) [18], es que no diferencia las propiedades de la frontera con la materia que contiene, si el momento angular es máximo pierde la simetría esférica.

En ese sentido es conveniente simplificar el análisis en caso de objetivos como determinar la edad del universo por el modelo FLRW [19].

Otra ventaja del modelo FLRW es que podemos trabajar en el plano [Utilizo SageMath para obtener las dos ecuaciones de Friedmann].

Estudios en Estrellas de Neutrones (NS) pueden arrojar luz sobre lo que pasa con las propiedades de la materia en este sentido o futuros estudios sobre el diámetro de los Agujeros Negros Super Masivos (SMBH) ya propuestos en el meeting del KSM2020 por alguna propiedad de la materia en el Universo Temprano, el tamaño actual del Universo, fueron disimuladas y atemperadas o las propiedades intrínsecas de la materia no permiten variaciones en la densidad de la materia en distintas direcciones o diferentes valores de la constante de Hubble.

Es simple, la métrica puede explicar como el espacio fuera de la frontera puede formar ondas y pliegos. No pasa lo mismo dentro de la frontera.

En resumen, lo que expliqué en el KSM2020, la métrica de Kerr nos dice nada sobre las propiedades intrínsecas de la frontera de un SMBH con es el caso del Agujero Negro que se encuentra en M87, tampoco lo hace con ningún BH.

Podemos encontrar similitudes entre la frontera de una SMBH y la FRONTERA de un Universo Primordial, es un interesante estudio por delante. No porque sean exactamente lo mismo, sino porque los Agujeros Negros pueden ser una copia del ADN del Universo.

HAY DOS OPCIONES ELEGANTES A ESTE ENIGMA. Si la frontera es de ENERGÍA se moverá con velocidad tangencial a velocidades lumínicas.  Si es de MATERIA (un estado que no conocemos o es plasma de quark) no será su velocidad tangencial lumínica, pero en cualquier caso la FRONTERA del Universo Primordial va a emitir radiación por la interacción de la materia. Si la frontera es lumínica va a emitir radiación con cualquier interacción de partícula que se le ACERQUE.

La radiación puede que no sea importante ya que depende de la viscosidad de la frontera y la fuerza de arrastre. El plasma funciona como un fluido y sabemos que a mayores temperaturas la viscosidad es menor.

Algunos autores pueden expresar mucho mejor que yo el comportamiento de superfluidez que tenemos que tener en cuenta en una NS. Se considera que el líquido de neutrones presente en la corteza interior es un superfluido, tal y como la mezcla de neutrones y protones en el núcleo exterior de la NS forma un superfluido (de neutrones) y un superconductor (de protones). [20]

A esto sumamos que la interacción más importante con la frontera no va a venir de la radiación que se genere (ya que emitiría todo tipo de radiaciones y estas están medidas de forma aproximada). Lo importante es el arrastre por gravedad que va a producir sobre el sistema por un tiempo determinado y la temperatura del sistema.

 

La presión y temperatura del sistema también tienen un rol a determinar. Y esto es un capitulo aparte, si hay una posibilidad de que el tamaño de las galaxias sea realmente diferente puede estar en la velocidad de enfriamiento y en la distancia del centro de presión del sistema.

 

Respecto a la radiación hay posiblemente una manera de medirla. Si la frontera tiene mayor velocidad que la materia en su interior entonces va a emitir más radiación que los procesos naturales que ya conocemos, porque la interacción de la materia va a ser mayor en esa región o lámina de Universo próxima a la frontera. Y esta es solo una de varias hipótesis. Lo importante es extrapolar la emisión de radiación lo más aproximado posible a la cantidad de materia.

 

Hay una posibilidad de medirla. Como sabemos la frontera “si existió” tuvo que retirarse antes de que se enfríe la materia en su interior (proceso adiabático: aumentamos el volumen la presión y la temperatura disminuyen). La única partícula que nos puede dar información de los procesos radiativos, antes del primer pico de Espectro de Potencias Angular, son los neutrinos o Fondo de Neutrinos Cósmico (CvB). Quiero aclarar que esto independiente de la discusión de sus masas [21] y lo que pudo aportar no solo la masa sino también la cantidad generada para la formación de galaxias producto de la frontera. Hay otro punto igual o más importante.

Es importante conocer cuál es la cantidad de neutrinos teórica por encima de la cantidad de materia del universo en ese periodo para poder teorizar la masa radiada por la frontera. O simplemente conocer cual es la cantidad real de materia bariónica interaccionando... Y eso va a ser muy difícil ya que día a día se investigan nuevos modelos de enfriamiento de NS.

Primera observación del desfase que provocan los neutrinos en la Oscilación Acústica Bariónica.  El descubrimiento que se hizo posible Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) [22].

Por supuesto lo que a mí me interesa son las medidas exactas. Ya que el cálculo según Planck 2015 es de Neff = 3.046 sin descartar radiación adicional. La significancia sigue siendo baja o digamos el valor de probabilidad no es concluyente [23].

Por delante tenemos la posibilidad de mejorar este cálculo. Menciono los experimentos de neutrinos de próxima generación como DUNE and Hyper-K [24]

Medida teórica de Neff= 3.0440 +/- 0.0002 [25]

La frontera va a tener tiempo suficiente para mantener la temperatura de la materia en su interior hasta alcanzar una velocidad de recesión suficiente para retirarse. Ya que la fuga de la frontera por la velocidad de recesión nos dice que el principio es baja.

Ahora voy a trabajar en un plano. La métrica depende de la constante de Hubble H₀ (de la manera en la que se expande el Universo) y algo que es consecuente, el aumento de volumen genera una disminución de la temperatura.

A)

 

B) 

Por otro lado, CONSIDERO UN UNIVERSO CERRADO QUE POR DEFINICIÓN ES AQUEL QUE INTERCAMBIA ENERGÍA CON EL SISTEMA, PERO NO MATERIA. A diferencia del modelo Big Bang que toma un universo AISLADO (sin intercambio de materia y energía).

Si esto no fuera así, en un Universo Aislado (Teoría del Big Bang) donde se expande permanentemente sin intercambiar energía con el exterior la “supuesta” SINGULARIDAD que originó el Universo debería seguir aportando la energía para la expansión... O alguna otra materia exótica con diferentes propiedades a las conocidas. Por ejemplo, para remplazar una energía de expansión de la frontera (energía oscura y podemos agregar materia oscura) tendríamos que tener una materia que no interacción con la luz y es repulsiva y en el caso de la materia oscura en ocasiones interacciona con la luz y otras no... Y miles de cuestiones controversiales más...

Pero no hay aun pruebas de una Singularidad inicial, ni una comprobación experimental de como un proceso inflacionario tiene un mecanismo generador de materia.

 

[Imagen IV] [26 -Con derechos de autor].

Imagen Artística V.

Un gas a altas presiones no se comporta como un gas incomprensible. Pero la FRONTERA y el MOVIMIENTO ROTACIONAL sobre un plasma (que si se comporta como un fluido incomprensible a altas presiones colaboró para tener una distribución homogénea y no dejó que la materia cohesione (forme núcleos pesados) hasta que la frontera se retiró, enfriando el sistema. Dejando un gas incomprensible detrás.

“Esto pone al modelo que presento como la única alternativa posible hasta el momento que puede explicar el instante previo a un gas incomprensible de protones. Ya que el resto de los modelos de simulación o cosmológicos no pueden explicar cómo llegan a un gas incomprensible de partículas a partir de un plasma o estado condensado de la materia”.

Tengamos en cuenta que la fuerza que dominó el universo desde esta etapa fue la GRAVEDAD entre partículas y más tarde objetos, sobre todo desde que se retiró la frontera. El plasma sometido a fuerzas se desgarra. Hay interacción entre nucleones por el movimiento rotacional del sistema, pero al no ser estática no puede formar núcleos pesados, sumado a la presencia de neutrones que sabemos a altas presiones y temperatura la vida media se extiende el ejemplo claro son las NS. También hay que tener en cuenta el descenso de temperatura depende de la constante de Hubble. Si tenemos una densidad y una temperatura que ronda los 600 000 °K como partida del Universo Temprano en adelante, la frontera retrocedió muy lentamente (tomando en cuenta el radio, la constante de Hubble y la velocidad de recesión), el sistema se enfrió lentamente, y los efectos gravitatorios rotacionales de la frontera fueron cediendo terreno al momento angular de los bulbos galácticos que se fueron formando.

La velocidad de recesión de Hubble depende de la constante y la distancia. La constante la pasamos a segundos y nos da (2.185 x 10^-18 s^-1)  la multiplicamos por el radio extrapolado del volumen conocido actual al que debería tener con la densidad bariónica de una NS que es (9.855 x 10^11 m) nos da una velocidad de fuga de la frontera de (2.153 x 10^-6 m/s) La frontera mantuvo el calor y la presión hasta que alcanzó velocidades superiores según el modelo que explico. 

Métricas [AnexoI]

Vale aclarar que si reformulo la FLRW “sin materia oscura” voy a tener un Universo con más edad (sabemos que falta materia bariónica, pero no sabemos cuánta).

Con una galaxia de 5 KPc de diámetro, podría tener una masa de un objeto en su centro de aproximadamente [2.27 a 8,3] .10^5 kg límite inferior calculado respecto al Sistema Solar (extrapolando linealmente), límite superior calculado respecto Vía Láctea.

Se pueden encontrar estudios más serios que esta simple reflexión sobre el aumento de densidades en relación a la formación de estrellas [27].

 

Una PRUEBA IRREFUTABLE es la rotación no solo de todos los objetos del Universo, sobre todo las galaxias primordiales que no presentan procesos de fusión se encuentran en rotación por el sistema (lo que en este trabajo se atribuye a la frontera del sistema). Traducido significa que hay rotación en todos los objetos del Universo antes que los modelos de Materia Oscura.[28] [29]

Los modelos de formación en semilla de SMBH en AGN tienen fuertes limitaciones para probar objetos de masa del orden de 10⁹ Masas Solares partiendo de Estrellas de población III. Lo que resulta en objetos de menor masa de los que existen en los AGN. [30].

Otra consecuencia para estudiar teniendo en cuenta el periodo del Universo en estudio es la formación de Blazar (aspectos morfológicos) [31].

Edad del Universo Calculadora Online (a esta cuenta le podemos restar ≃380.000 años porque nuestro cero está en la etapa de formación de neutrones) [32].

Sin Materia Oscura, la Edad del Universo nos da mayor a +19 Giga años.

 

Imagen VI

C)

Imagen VII

 

Movimiento por capas y regiones del Universo Temprano. Manifestación de lo que vemos hoy. Significa que la morfología de los objetos en proximidad de la frontera va a ser distintos a los que vemos en el centro.

Por ejemplo, puede afectar el tamaño, no sabemos en qué proporción ya que no sabemos cuál es la viscosidad ni la fuerza gravitatoria que la frontera impele al sistema o el propio movimiento del sistema del que venimos (dejo las especulaciones a los Físicos Teóricos como corrientes de materia y antimateria chocando con corrientes de energía, junto a Universos dividiéndose en burbujas, etc), podemos proyectar la fuerza de gravedad por arrastre, ya que tenemos movimiento tangencial en las galaxias.

 Imagen VIII

Probablemente. La temperatura del sistema no descendió de forma uniforme lo que dio por un periodo de formación de estructuras desde una etapa con comportamiento de fluido. Ahora, ya en la etapa gaseosa o de densidad baja fue más fácil tener un equilibrio térmico o Universo no era muy grande respecto al actual.

 

CONCLUSIONES

ü  Universo previo para otro artículo, yo trato de analizar desde una densidad y temperatura relativas a una NS con Temperatura inicial entre 1 MeV a 37 eV sin antimateria bariónica y densidad próximas a 10^16 kg/m3.

 

ü  Falta materia bariónica que se considera despreciable y por otro lado no podemos confirmar si hubo una frontera y si esta se llevó materia bariónica. Dejando de lado que también puede estar asimilando algún tipo de energía para expandirse.

 

ü  Mi Hipótesis es que el universo nace con un radio y una masa finita. Si hay o no frontera definida y esta tiene momento angular junto al sistema.

 

ü  Todos los objetos del Universo tienen momento angular incluso en diferentes regiones y épocas y este momento angular en sistemas como galaxias son similares.

 

ü  Este trabajo es una continuación del KSM2020 que planteo necesarias dos líneas de investigación. Universo Temprano sin materia oscura y frontera. También la trayectoria del plasma que abandona el disco de acreción y se dirige a la frontera de eventos de un SMBH.

 

ü  El estudio de los SMBH en el centro de las galaxias en espiral, el estudio de los neutrinos primordiales, la presión del Universo Temprano con frontera.

 

ü  A la métrica le falta tensores de fluidez y similares a la métrica que se usa en NS.

 

ü  Necesitamos aventurarnos a simulaciones. Y por supuesto continuamos con ecuaciones y propuestas!!! 

 

 

Referencia:

[1] Azimuthal Charged-Particle Correlations and Possible Local Strong Parity Violation doi: 10.1103/PhysRevLett.103.251601.

[2] Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars doi: 10.1038/s41567-020-0914-9.

[3] Temperatura cota inferior - The first second of the Universe Dominik J. Schwarz Theory Division, CERN, 1211 Geneva 23, Switzerland p20.

[4] Neutrino Emission from Neutron Stars arXiv:astro-ph/0012122v1.

[5] Calculadora online http://www.colby.edu/chemistry/PChem/Hartree.html Temperatura (eV) = 8.625 x 10^(-5) x Temperatura (°K).

[6] The Most Ancient Spiral Galaxy: a 2.6-gyr-old disk with a tranquil velocity field arxiv.org/pdf/1710.11130.pdf o arXiv:1710.11130v1.

[7] The birth of intermediate-mass black holes in primordial galaxies arXiv:2012.09177v1.

[8] A Luminous Quasar at Redshift 7.642 arXiv:2101.03179v1.

[9] The Formation of the First Quasars. I. The Black Hole Seeds, Accretion and Feedback Models arXiv:2012.01458v1.

[10] Chandra x-rays From The Redshift 7.54 Quasar Ulas J1342+0928 arXiv:1803.08105v1.

[11] Late-Time Neutron Diffusion and Nucleosynthesis in a Post--QCD Inhomogeneous Omega b = 1 Universe 1988ApJ...333...14M.

[12] GW190814: Gravitational Waves from the Coalescence of a 23 Solar Mass Black Hole with a 2.6 Solar Mass Compact Object doi.org/10.3847/2041-8213/ab960f.

[13] The physics of neutron stars arxiv.org/abs/1102.5735v3.

[14] Thermal Evolution of Compact Stars arXiv:astro-ph/9603142v2.

[15] https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/nicer.

[16] Physics of the cosmic microwave background anisotropy arXiv:1501.04288v1.

[17]https://skyandtelescope.org/astronomy-news/new-studies-agree-the-universe-is-expanding-faster-than-expected.

[18] The Astrophysical Journal, 178:347-369, 1972 December 1 -Rotating Black Holes: Locally Nonrotating Frames, Energy Extraction, and Scalar Synchrotron Radiation- 1972ApJ...178...347B.

[19] Cosmology and Particle Astrophysics -Lars Bergström, Ariel Goobar- p 61.

[20] Neutrino emission in neutron matter from magnetic moment interactions arXiv:astro-ph/0402315v1.

[21] On the most constraining cosmological neutrino mass bounds. arXiv:2106.15267v1.

[22] First constraint on the neutrino-induced phase shift in the spectrum of baryon acoustic oscillations doi:10.1038/s41567-019-0435-6.    

[23] Planck 2015 results. XIII. Cosmological Parameters arXiv:1502.01589v3.

[24] White Paper on New Opportunities at the Next-Generation Neutrino Experiments / https://www.dunescience.org / http://www.hyper-k.org/en/.

[25] Towards a precision calculation of Neff in the Standard Model II arxiv:2012.02726v3.

[26] https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Observable_universe_logarithmic_illustration.png

[27]. THE KINEMATICS OF IONIZED GAS IN LYMAN-BREAK ANALOGS AT Z = 0.2.

[Anexo I] SageMath 9.2

[28] The ALPINE-ALMA [CII] survey Survey strategy, observations, and sample properties of 118 star-forming galaxies at 4<z<6 arXiv:1910.09517v2.

[29] A cold, massive, rotating disk galaxy 1.5 billion years after the Big Bang https://doi.org/10.1038/s41586-020-2276-y.

[30] Formation of SMBH seeds in Population III star clusters through collisions: the importance of mass loss. arXiv:1912.01737v2.

[31] The first blazar observed at z > 6; A&A 635, L7 (2020) https://doi.org/10.1051/0004-6361/201937395.

[32] http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html

[33] Age of the universe and the energy density of radiation. Antonina Calahorrano, Carlos A. Marín. Editado por/Edited by: Cesar Zambrano, PhD. Recibido/Received: 2015/10/22. Aceptado/Accepted: 2015/11/01. Publicado en línea/Published on Web: 2015/12/30. Impreso/Printed: 2015/12/30. 

https://www.wolframalpha.com

[34] Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters arXiv:1807.06209v3.

[35] .PDF Cosmology and particle physics Lecture notes Timm Wrase Lecture 6 The thermal universe - part II. Radiación de Cuerpo Negro.