charla acerca de la visión actual de la cosmología

1. EL UNIVERSO:
n preguntas y m respuestas, con n >> m
Escuela de Física
UIS diciembre 2013
hectorrago@gmail.com

3. PREGUNTAS [FAQ]
Por qué nosotros?
La ciencia es una empresa con vocación imperialista
Siglo XVII Sistema Solar Técnicas observación Ley de Gravitación
Siglo XIX Electromagnetismo Tecnología Ec. Maxwell
Siglo XX Estructura de la materia Tecnología Cuántica, Relatividad
RadioAstronomía, infrarroja, ccd, Telescopios espaciales, Modelo
estándar, capacidad de cómputo y de manejo de datos…
Descripción más creible, más precisa, más extensa
De la realidad física.
Conocimiento factible de nuestro universo
OBSERVACIONES TEORIAS

4. Dónde estaba el universo desarrollando esa historia?
En todas partes, el universo es uniforme espacialmente.
No hay puntos privilegiados, no hay centro ni fronteras
A gran escala el espacio es homogéneo e isótropo
Escala: 108 años-luz ~200.000 cubos homogéneos
4300 ºCuadrados
€
3×108 años-luz
287.000cubos uniformes
ΔT
T
≈ 10−5

5. Quién controla la expansión?
R.- La gravedad
Quién controla la gravedad?
R.- Las densidades de materia-energía
Relatividad general
Expansión R(t)
Materia
€
ρ Geometría k
˙R
R
"
#
$
%
&
'
2
=
8πG
3
(ρrad + ρmat + ρx ...)−
k
R2
Ecuación
fundamental

6. Por qué se habla de geometría del espacio?
La materia distorsiona el espacio y lo hace no euclideano.
Homogeneidad:
k = 1
k = -1
k = 0

7. Cómo sabemos que el universo se está expandiendo?
R1.- Porque lo dice la teoría (G. Lemaitre, 1927)
R2.- Porque se observa que las galaxias se alejan de nosotros.
1
V = H(t0 )L H0 =
˙R
R
"
#
$
%
&
'
0
Ley (observacional
de Hubble
€
V = H(t)L H(t) =
˙R
R

9. Qué es un modelo de universo?
R.- Es una suposición acerca del contenido material del universo, y
cómo cambia con R.
La Ecuación Fundamental se integra y se obtiene R(t) en términos
de las densidades actuales y de H0
R−1
(t) = z +1
Con R(t) se calcula la edad del universo…
€
H(t), ˙˙R(t),
€
ρ
Con traducimos de t a z
€
λ ~ R ⇒
λ0
λ
=
R0
R

10. Para un modelo de universo,
cómo calculamos la edad?
R.- Dado R(t) calculamos dR(t)/dt y de allí H(t)
luego despejamos el t0 en el que H vale H0 (valor medido)
Ejemplo: Si sólo hubiera materia usual, y k = 0
€
R(t) = At2/3
˙R(t) =
2
3
t−1/3
€
H(t) =
˙R
R
=
2
3t
⇒ t0 =
2
3H0
€
H0 = 68
Km /seg
Mpsec
Satélite Planck, 2013
t0 = 8,8×109
años
Y cuál es la edad del universo?
R.- Ya va

11. Cuál es la geometría del espacio a escala cosmológica?
R.- k = 0 el espacio es EUCLIDIANO!!
Cómo sabemos eso?
R.- Por el fondo de radiación de microondas

12. R.- Por el fondo de radiación de microondas

13. Cuál es la longitud de onda del modo fundamental?
€
Dh = vs ×td
Dh0 ≈ 5×107
años
R.- Una distancia privilegiada:
Con qué ángulo vemos esa longitud en el fondo de radiación?
€
α =10Dh
R.-

14. R.- Por el fondo de radiación de microondas
k = 0

15. Qué hay en el universo y en qué cantidad?
€
H 2
=
8πG
3
(ρrad + ρmat + ρx )
1=
(ρrad + ρmat + ρx )
3H0
8πG
= Ωrad +Ωmat +Ωx
Por la temperatura de la radiación:
€
Ωrad = 5×10−5
Por lentes gravitacionales y por los
efectos gravitacionales sobre estrellas
en galaxias y cúmulos de galaxias, y
Temperatura de gases en cúmulos.
€
Ωmat = 0,30
Ωx = 0,70
Respuesta:
Ecuación
Fundamental

16. Qué es la materia oscura?
R.- Es la materia cuyos efectos gravitacionales mantienen cohesionados
a galaxias y cúmulos de galaxias.
Materia faltante, materia oscura, materia invisible?
Mercurio y nueva física

17. Cómo sabemos que la materia oscura
no es materia normal?
Porque la abundancia de elementos ligeros es un indicador
de la densidad de materia normal
ΩBariones = 0,04

18. Si no es materia normal, qué es la materia oscura?
R.- No sé / nadie sabe. Pero es “fría” CDM
WIMP’s: W(eak) I(nteracting) M(assive P(articles)
M~ 100Mprotón Neutralino, [Supersimetría o de Dimensiones extra]
Axiones

19. Qué es la energía oscura?
R.- Es el nombre dado al 70% de la masa-energía que no se agrupa
gravitacionalmente.
Si su densidad es constante:
€
˙R
R
"
#
$
%
&
'
2
=
8πG
3
ρvac ⇒ R(t) ~ eαt
No hay big bang
a
Aceleración !!

20. De qué está compuesta la energía oscura?
R.- Nadie sabe.
1.- Energía del vacío…pero…
2.- Constante cosmológica
2.- Quintaesencia
€
peo =ωρeo
€
λ → 8πGρvac pvac = −ρvac

21. Cuál es la temperatura del universo?
R.- 2,73 ºK medido usando el espectro de Planck de la radiación
Pero
€
T ∝ R−1
⇒ T = (z +1)T0
408 fotones/cc

22. Puede una galaxia tener velocidades
mayores que la de la luz?
R.- SI!!
V
L
c
Movimiento
peculiar
en
el
espacio,
relatividad
especial
V
L
LH
c

23. V > cV < c
V = c

24. MORALEJA: La esfera de Hubble NO es el límite del universo!!
Podremos ver una galaxia que esté fuera
de la esfera de Hubble?

25. Es el universo infinito?
R-. Si k = 0 el universo es infinito: Las secciones t = constante lo son.
El universo observable (en modelos con un big bang) presentan
un horizonte cuya distancia es lo que la luz que salió en t = 0 (z = ∞) ha
recorrido hasta ahora. .
.

26. Puede un universo de 13.800 millardos de años
ser mas grande que eso en años luz?
R.- Sí. Hay que recordar que D = ct es la distancia en un espacio que
no se “estire” En nuestro universo, D(horizonte) ~ 3ct0 ~ 42 mil-
millones de años luz

27. Cuál es el factor de escala de
nuestro universo real?
t
a
€
a(t) = Asinh2/3
(t /tv )
R.- Integrando la Ecuación Fundamental con
Los valores observacionales

28. Se acelera nuestro universo real?
q
€
t
t0
€
tD
€
q(t) =
1
2
[1− 3tanh2
(t /tv )R.-
z ~ 0,75
€
q(t) = −
˙˙a
aH 2

29. Hay evidencias observacionales de la aceleración
de la expansión?
q0 = −0,61

30. A. Riess S. Perlmutter B. Schmidt

31. €
ρm ~ R−3
Radiacióndomina
Materia
domina
Vacío
domina
Quién controla la expansión?
R.- Depende de cuándo

32. Por qué el universo está hecho de materia y no de
materia y antimateria ?
R1.- El universo muy temprano era simétrico materia / antimateria,
pero una leve asimetría de las leyes etc. etc…
R2.- No sabemos

33. Cuál será la evolución futura
del universo observable?
t
a
€
H(t) → const ⇒ LH → const
Salen galaxias de la esfera de Hubble
Universo se va despoblando !!

35. Qué había antes del bigbang?
Qué será de la vida de los multiuniversos,
mega universos, universos paralelos?
Teoría cuántica de la gravitación?