Presentación sobre Cosmología en la asignatura Geometría y Relatividad
1. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Geometría y Relatividad
José Antonio Pastor González
Última clase en Geometría y Relatividad
Lunes 15 de Abril de 2013
Introducción a la Cosmología
2. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Contenidos
1 Primeros hechos
2 Modelos de Robertson-Walker
3 Modelos de Friedmann
4 Último
3. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Contenidos
1 Primeros hechos
2 Modelos de Robertson-Walker
3 Modelos de Friedmann
4 Último
4. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Objetivo: modelar el Universo
Para ello:
Utilizaremos la relatividad general
Grandes simplificaciones: una galaxia será una partícula
en este modelo (trabajaremos a escala muy grande)
Así, cada galaxia estará representada por una línea en el
espacio-tiempo (es una partícula material)
Finalmente, trataremos el Universo como un fluido
(galaxias=moléculas)
5. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Objetivo: modelar el Universo
Para ello:
Utilizaremos la relatividad general
Grandes simplificaciones: una galaxia será una partícula
en este modelo (trabajaremos a escala muy grande)
Así, cada galaxia estará representada por una línea en el
espacio-tiempo (es una partícula material)
Finalmente, trataremos el Universo como un fluido
(galaxias=moléculas)
6. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Objetivo: modelar el Universo
Para ello:
Utilizaremos la relatividad general
Grandes simplificaciones: una galaxia será una partícula
en este modelo (trabajaremos a escala muy grande)
Así, cada galaxia estará representada por una línea en el
espacio-tiempo (es una partícula material)
Finalmente, trataremos el Universo como un fluido
(galaxias=moléculas)
7. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Objetivo: modelar el Universo
Para ello:
Utilizaremos la relatividad general
Grandes simplificaciones: una galaxia será una partícula
en este modelo (trabajaremos a escala muy grande)
Así, cada galaxia estará representada por una línea en el
espacio-tiempo (es una partícula material)
Finalmente, trataremos el Universo como un fluido
(galaxias=moléculas)
8. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Estrellas
Estrellas: principales fuentes de luz visible (fusión nuclear)
Típica estrella: el sol (masa de 2 × 1030 kilos)
Estrellas más próximas: pocos años luz de distancia (1
parsec = 3,261 años/luz)
No nos valen como objetos básicos para hacer cosmología
9. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Estrellas
Estrellas: principales fuentes de luz visible (fusión nuclear)
Típica estrella: el sol (masa de 2 × 1030 kilos)
Estrellas más próximas: pocos años luz de distancia (1
parsec = 3,261 años/luz)
No nos valen como objetos básicos para hacer cosmología
10. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Estrellas
Estrellas: principales fuentes de luz visible (fusión nuclear)
Típica estrella: el sol (masa de 2 × 1030 kilos)
Estrellas más próximas: pocos años luz de distancia (1
parsec = 3,261 años/luz)
No nos valen como objetos básicos para hacer cosmología
11. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Estrellas
Estrellas: principales fuentes de luz visible (fusión nuclear)
Típica estrella: el sol (masa de 2 × 1030 kilos)
Estrellas más próximas: pocos años luz de distancia (1
parsec = 3,261 años/luz)
No nos valen como objetos básicos para hacer cosmología
12. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
13. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
14. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
15. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
16. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
17. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Galaxias
Agrupaciones de muchas estrellas por gravedad (vía
láctea = 1011 estrellas, masa total de 1012 soles)
Diámetros enormes (radio vía láctea = 12,5 Kpcs)
No tenemos una imagen de la vía láctea (estamos en ella)
pero sí de otras galaxias vecinas
Objetos muy nuevos en el panorama astronómico
Objetos más visibles, impactantes y bonitos. En
cosmología no atendemos a su forma, estructura o
propiedades. Nos interesan como puntos.
¿Cuántas vemos? Unas 1011 más o menos
18. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
El grupo local
Nuestra galaxia está dentro de lo que se conoce como el
grupo local
La galaxia más próxima: la nube grande de Magallanes
(50 kpc del sol)
La galaxia más próxima con el mismo tamaño: Andrómeda
(770 kpc del sol)
Tamaño medio de un cúmulo: unos pocos Mpc cúbicos (1
Mpc = 3, 08 × 1022 metros)
19. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
El grupo local
Nuestra galaxia está dentro de lo que se conoce como el
grupo local
La galaxia más próxima: la nube grande de Magallanes
(50 kpc del sol)
La galaxia más próxima con el mismo tamaño: Andrómeda
(770 kpc del sol)
Tamaño medio de un cúmulo: unos pocos Mpc cúbicos (1
Mpc = 3, 08 × 1022 metros)
20. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
El grupo local
Nuestra galaxia está dentro de lo que se conoce como el
grupo local
La galaxia más próxima: la nube grande de Magallanes
(50 kpc del sol)
La galaxia más próxima con el mismo tamaño: Andrómeda
(770 kpc del sol)
Tamaño medio de un cúmulo: unos pocos Mpc cúbicos (1
Mpc = 3, 08 × 1022 metros)
21. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
El grupo local
Nuestra galaxia está dentro de lo que se conoce como el
grupo local
La galaxia más próxima: la nube grande de Magallanes
(50 kpc del sol)
La galaxia más próxima con el mismo tamaño: Andrómeda
(770 kpc del sol)
Tamaño medio de un cúmulo: unos pocos Mpc cúbicos (1
Mpc = 3, 08 × 1022 metros)
22. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Cúmulos y supercúmulos
A la escala de centenares de Mpc, las galaxias y los
grupos locales se acumulan en enormes agrupaciones,
p.ej. el cúmulo Coma (10.000 galaxias, 100 Mpc distante
del sol)
Visibles sobre todo en ondas de alta energía (rayos X)
Son los objetos más grandes que resultan de la atracción
gravitacional
23. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Cúmulos y supercúmulos
A la escala de centenares de Mpc, las galaxias y los
grupos locales se acumulan en enormes agrupaciones,
p.ej. el cúmulo Coma (10.000 galaxias, 100 Mpc distante
del sol)
Visibles sobre todo en ondas de alta energía (rayos X)
Son los objetos más grandes que resultan de la atracción
gravitacional
24. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Cúmulos y supercúmulos
A la escala de centenares de Mpc, las galaxias y los
grupos locales se acumulan en enormes agrupaciones,
p.ej. el cúmulo Coma (10.000 galaxias, 100 Mpc distante
del sol)
Visibles sobre todo en ondas de alta energía (rayos X)
Son los objetos más grandes que resultan de la atracción
gravitacional
25. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Además de materia... radiación
Además de las galaxias, el Universo también contiene
partículas de masa cero (radiación): fotones, quizás
algunos neutrinos, ondas gravitacionales...
Esta radiación no está confinada, sino que viaja libremente
por el espacio
La radiación detectada con mayor densidad de energía es
la radiación de fondo (no confundir con radiaciones que
localmente son intensas)
26. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Además de materia... radiación
Además de las galaxias, el Universo también contiene
partículas de masa cero (radiación): fotones, quizás
algunos neutrinos, ondas gravitacionales...
Esta radiación no está confinada, sino que viaja libremente
por el espacio
La radiación detectada con mayor densidad de energía es
la radiación de fondo (no confundir con radiaciones que
localmente son intensas)
27. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Pero mejor... poco a poco
Además de materia... radiación
Además de las galaxias, el Universo también contiene
partículas de masa cero (radiación): fotones, quizás
algunos neutrinos, ondas gravitacionales...
Esta radiación no está confinada, sino que viaja libremente
por el espacio
La radiación detectada con mayor densidad de energía es
la radiación de fondo (no confundir con radiaciones que
localmente son intensas)
28. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Cómo vemos el Universo
Distintas longitudes de onda
Luz visible: estrellas, primeras galaxias vecinas...
Microondas: quizás la más importante longitud de onda
para hacer cosmología (radiación de fondo)
Ondas de radio: galaxias distantes
Infrarrojo: objetos jóvenes y/o nubes de polvo que no
emiten luz visible (radiación térmica)
Rayos X: nubes de gas intergalácticas, remanentes de la
formación de las galaxias, temperaturas de millones de
grados Kelvin, captan la radiación de las galaxias vecinas)
29. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Cómo vemos el Universo
Distintas longitudes de onda
Luz visible: estrellas, primeras galaxias vecinas...
Microondas: quizás la más importante longitud de onda
para hacer cosmología (radiación de fondo)
Ondas de radio: galaxias distantes
Infrarrojo: objetos jóvenes y/o nubes de polvo que no
emiten luz visible (radiación térmica)
Rayos X: nubes de gas intergalácticas, remanentes de la
formación de las galaxias, temperaturas de millones de
grados Kelvin, captan la radiación de las galaxias vecinas)
30. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Cómo vemos el Universo
Distintas longitudes de onda
Luz visible: estrellas, primeras galaxias vecinas...
Microondas: quizás la más importante longitud de onda
para hacer cosmología (radiación de fondo)
Ondas de radio: galaxias distantes
Infrarrojo: objetos jóvenes y/o nubes de polvo que no
emiten luz visible (radiación térmica)
Rayos X: nubes de gas intergalácticas, remanentes de la
formación de las galaxias, temperaturas de millones de
grados Kelvin, captan la radiación de las galaxias vecinas)
31. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Cómo vemos el Universo
Distintas longitudes de onda
Luz visible: estrellas, primeras galaxias vecinas...
Microondas: quizás la más importante longitud de onda
para hacer cosmología (radiación de fondo)
Ondas de radio: galaxias distantes
Infrarrojo: objetos jóvenes y/o nubes de polvo que no
emiten luz visible (radiación térmica)
Rayos X: nubes de gas intergalácticas, remanentes de la
formación de las galaxias, temperaturas de millones de
grados Kelvin, captan la radiación de las galaxias vecinas)
32. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Cómo vemos el Universo
Distintas longitudes de onda
Luz visible: estrellas, primeras galaxias vecinas...
Microondas: quizás la más importante longitud de onda
para hacer cosmología (radiación de fondo)
Ondas de radio: galaxias distantes
Infrarrojo: objetos jóvenes y/o nubes de polvo que no
emiten luz visible (radiación térmica)
Rayos X: nubes de gas intergalácticas, remanentes de la
formación de las galaxias, temperaturas de millones de
grados Kelvin, captan la radiación de las galaxias vecinas)
33. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Principio cosmológico
Hipótesis imprescindible
El universo, a gran escala, parece ser el mismo en
cualquier dirección del espacio hacia la que miremos
(isotropía)
No creemos ocupar un lugar preferente en el mismo
(homogeneidad)
La forma en la que el universo esté curvado (en su parte
espacial) deberá ser la misma en todos los puntos
(curvatura espacial constante)
No hay homogeneidad temporal ni tampoco isotropía
temporal (futuro y pasado)
34. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Principio cosmológico
Hipótesis imprescindible
El universo, a gran escala, parece ser el mismo en
cualquier dirección del espacio hacia la que miremos
(isotropía)
No creemos ocupar un lugar preferente en el mismo
(homogeneidad)
La forma en la que el universo esté curvado (en su parte
espacial) deberá ser la misma en todos los puntos
(curvatura espacial constante)
No hay homogeneidad temporal ni tampoco isotropía
temporal (futuro y pasado)
35. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Principio cosmológico
Hipótesis imprescindible
El universo, a gran escala, parece ser el mismo en
cualquier dirección del espacio hacia la que miremos
(isotropía)
No creemos ocupar un lugar preferente en el mismo
(homogeneidad)
La forma en la que el universo esté curvado (en su parte
espacial) deberá ser la misma en todos los puntos
(curvatura espacial constante)
No hay homogeneidad temporal ni tampoco isotropía
temporal (futuro y pasado)
36. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Principio cosmológico
Hipótesis imprescindible
El universo, a gran escala, parece ser el mismo en
cualquier dirección del espacio hacia la que miremos
(isotropía)
No creemos ocupar un lugar preferente en el mismo
(homogeneidad)
La forma en la que el universo esté curvado (en su parte
espacial) deberá ser la misma en todos los puntos
(curvatura espacial constante)
No hay homogeneidad temporal ni tampoco isotropía
temporal (futuro y pasado)
37. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Expansión del universo
Hecho clave
Todo tiende a alejarse en el Universo (Slipher 1912,
Hubble años 20)
Cuanto más lejos está (cefeidas, supernova tipo Ia), más
rápido se aleja (corrimiento hacia el rojo)
Ley de Hubble
v = H0 r
Primera idea del Big Bang
38. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Expansión del universo
Hecho clave
Todo tiende a alejarse en el Universo (Slipher 1912,
Hubble años 20)
Cuanto más lejos está (cefeidas, supernova tipo Ia), más
rápido se aleja (corrimiento hacia el rojo)
Ley de Hubble
v = H0 r
Primera idea del Big Bang
39. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Expansión del universo
Hecho clave
Todo tiende a alejarse en el Universo (Slipher 1912,
Hubble años 20)
Cuanto más lejos está (cefeidas, supernova tipo Ia), más
rápido se aleja (corrimiento hacia el rojo)
Ley de Hubble
v = H0 r
Primera idea del Big Bang
40. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Expansión del universo
Hecho clave
Todo tiende a alejarse en el Universo (Slipher 1912,
Hubble años 20)
Cuanto más lejos está (cefeidas, supernova tipo Ia), más
rápido se aleja (corrimiento hacia el rojo)
Ley de Hubble
v = H0 r
Primera idea del Big Bang
41. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Expansión del Universo
Ley de Hubble
42. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La radiación de fondo
Evidencia importantísima
Pese a la observación de la expansión, hubo un largo
debate (varias décadas) acerca de si el Universo provenía
de una explosión (Big Bang) o siempre había sido el
mismo (steady state)
Evidencia crucial: en 1965 Penzias y Wilson la encuentran
de casualidad (aunque se postula teóricamente 20 años
antes, Dicke, Gamow, Novikov)
Radiación de un cuerpo negro con temperatura
2, 725 ± 0,001 o K. El pico de la radiación (la mayor
intensidad) se encuentra en la banda de las microondas
Primeras observaciones: homogeneidad. Refinamientos:
dan anisotropías (COBE’1990) (WMAP’2006)
Lo que observamos es el momento a partir del cual el
Universo se hace transparente (last scattering surface)
43. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La radiación de fondo
Evidencia importantísima
Pese a la observación de la expansión, hubo un largo
debate (varias décadas) acerca de si el Universo provenía
de una explosión (Big Bang) o siempre había sido el
mismo (steady state)
Evidencia crucial: en 1965 Penzias y Wilson la encuentran
de casualidad (aunque se postula teóricamente 20 años
antes, Dicke, Gamow, Novikov)
Radiación de un cuerpo negro con temperatura
2, 725 ± 0,001 o K. El pico de la radiación (la mayor
intensidad) se encuentra en la banda de las microondas
Primeras observaciones: homogeneidad. Refinamientos:
dan anisotropías (COBE’1990) (WMAP’2006)
Lo que observamos es el momento a partir del cual el
Universo se hace transparente (last scattering surface)
44. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La radiación de fondo
Evidencia importantísima
Pese a la observación de la expansión, hubo un largo
debate (varias décadas) acerca de si el Universo provenía
de una explosión (Big Bang) o siempre había sido el
mismo (steady state)
Evidencia crucial: en 1965 Penzias y Wilson la encuentran
de casualidad (aunque se postula teóricamente 20 años
antes, Dicke, Gamow, Novikov)
Radiación de un cuerpo negro con temperatura
2, 725 ± 0,001 o K. El pico de la radiación (la mayor
intensidad) se encuentra en la banda de las microondas
Primeras observaciones: homogeneidad. Refinamientos:
dan anisotropías (COBE’1990) (WMAP’2006)
Lo que observamos es el momento a partir del cual el
Universo se hace transparente (last scattering surface)
45. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La radiación de fondo
Evidencia importantísima
Pese a la observación de la expansión, hubo un largo
debate (varias décadas) acerca de si el Universo provenía
de una explosión (Big Bang) o siempre había sido el
mismo (steady state)
Evidencia crucial: en 1965 Penzias y Wilson la encuentran
de casualidad (aunque se postula teóricamente 20 años
antes, Dicke, Gamow, Novikov)
Radiación de un cuerpo negro con temperatura
2, 725 ± 0,001 o K. El pico de la radiación (la mayor
intensidad) se encuentra en la banda de las microondas
Primeras observaciones: homogeneidad. Refinamientos:
dan anisotropías (COBE’1990) (WMAP’2006)
Lo que observamos es el momento a partir del cual el
Universo se hace transparente (last scattering surface)
46. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La radiación de fondo
Evidencia importantísima
Pese a la observación de la expansión, hubo un largo
debate (varias décadas) acerca de si el Universo provenía
de una explosión (Big Bang) o siempre había sido el
mismo (steady state)
Evidencia crucial: en 1965 Penzias y Wilson la encuentran
de casualidad (aunque se postula teóricamente 20 años
antes, Dicke, Gamow, Novikov)
Radiación de un cuerpo negro con temperatura
2, 725 ± 0,001 o K. El pico de la radiación (la mayor
intensidad) se encuentra en la banda de las microondas
Primeras observaciones: homogeneidad. Refinamientos:
dan anisotropías (COBE’1990) (WMAP’2006)
Lo que observamos es el momento a partir del cual el
Universo se hace transparente (last scattering surface)
47. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Radiación o materia?
Cuestión de densidades
Se estima que la densidad a día de hoy de materia
habitual es ρmar (t0 ) ≡ 10−31 g/cm3 (un protón por metro
cúbico)
En cuanto a la radiación, su densidad se estima en
ρrad (t0 ) ≡ 10−34 g/cm3
La materia domina 1000 veces más que la radiación
(visión convencional)
48. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Radiación o materia?
Cuestión de densidades
Se estima que la densidad a día de hoy de materia
habitual es ρmar (t0 ) ≡ 10−31 g/cm3 (un protón por metro
cúbico)
En cuanto a la radiación, su densidad se estima en
ρrad (t0 ) ≡ 10−34 g/cm3
La materia domina 1000 veces más que la radiación
(visión convencional)
49. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Radiación o materia?
Cuestión de densidades
Se estima que la densidad a día de hoy de materia
habitual es ρmar (t0 ) ≡ 10−31 g/cm3 (un protón por metro
cúbico)
En cuanto a la radiación, su densidad se estima en
ρrad (t0 ) ≡ 10−34 g/cm3
La materia domina 1000 veces más que la radiación
(visión convencional)
50. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
¿Sabemos algo?
51. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
No sabemos nada
Cuestiones oscuras
Mediciones en la velocidad de rotación de las galaxias
espirales dan estimaciones de que éstas están rodeadas
de un halo de materia (oscura) de unas 10 veces su
materia convencional. A esto hay que sumar materia
exótica como la que contienen los agujeros negros y
partículas sin detectar (22 por ciento del total)
Mediciones recientes en relación a la velocidad de
recesión de las galaxias no explican su aceleración con la
energía presente. Se postula la existencia de una energía
de vacío (energía oscura) para cuadrar las cuentas (74 por
ciento)
52. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
No sabemos nada
Cuestiones oscuras
Mediciones en la velocidad de rotación de las galaxias
espirales dan estimaciones de que éstas están rodeadas
de un halo de materia (oscura) de unas 10 veces su
materia convencional. A esto hay que sumar materia
exótica como la que contienen los agujeros negros y
partículas sin detectar (22 por ciento del total)
Mediciones recientes en relación a la velocidad de
recesión de las galaxias no explican su aceleración con la
energía presente. Se postula la existencia de una energía
de vacío (energía oscura) para cuadrar las cuentas (74 por
ciento)
53. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Contenidos
1 Primeros hechos
2 Modelos de Robertson-Walker
3 Modelos de Friedmann
4 Último
54. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Hipótesis de trabajo
no estamos en una localización especial del Universo a
nivel espacial(homogeneidad espacial1 )
en cualquier dirección del espacio, el universo parece ser
el mismo (isotropía espacial2 )
corolario: la parte espacial del universo debe ser un
modelo 3D de curvatura constante
1
Está claro que no ocurre así con la variable tiempo
2
Tampoco las direcciones temporales son isótropas: futuro y pasado
55. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Hipótesis de trabajo
no estamos en una localización especial del Universo a
nivel espacial(homogeneidad espacial1 )
en cualquier dirección del espacio, el universo parece ser
el mismo (isotropía espacial2 )
corolario: la parte espacial del universo debe ser un
modelo 3D de curvatura constante
1
Está claro que no ocurre así con la variable tiempo
2
Tampoco las direcciones temporales son isótropas: futuro y pasado
56. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Hipótesis de trabajo
no estamos en una localización especial del Universo a
nivel espacial(homogeneidad espacial1 )
en cualquier dirección del espacio, el universo parece ser
el mismo (isotropía espacial2 )
corolario: la parte espacial del universo debe ser un
modelo 3D de curvatura constante
1
Está claro que no ocurre así con la variable tiempo
2
Tampoco las direcciones temporales son isótropas: futuro y pasado
57. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Métrica de Robertson-Walker
dr 2
−dt 2 + R(t)2 + r 2 (dφ2 + sen2 φdθ2 )
1 − kr 2
t → (t, r0 , φ0 , θ0 ) es una partícula en reposo (una galaxia)
en este sistema de referencia (sistema de reposo
cósmico). Además esta curva es una geodésica con dicha
métrica (la galaxia sólo está afectada por la gravedad y su
inercia)
t es el tiempo propio de la galaxia (tiempo cósmico,
splitted manifold). Por homogeneidad discurre por igual en
cada punto así que (salvo traslaciones en t) es el mismo
para todas las galaxias
58. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Métrica de Robertson-Walker
dr 2
−dt 2 + R(t)2 + r 2 (dφ2 + sen2 φdθ2 )
1 − kr 2
t → (t, r0 , φ0 , θ0 ) es una partícula en reposo (una galaxia)
en este sistema de referencia (sistema de reposo
cósmico). Además esta curva es una geodésica con dicha
métrica (la galaxia sólo está afectada por la gravedad y su
inercia)
t es el tiempo propio de la galaxia (tiempo cósmico,
splitted manifold). Por homogeneidad discurre por igual en
cada punto así que (salvo traslaciones en t) es el mismo
para todas las galaxias
59. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Métrica de Robertson-Walker
dr 2
−dt 2 + R(t)2 + r 2 (dφ2 + sen2 φdθ2 )
1 − kr 2
R(t) es el factor de escala del universo. Sólo depende del
tiempo cósmico y nos dice cuánto se alejan (o acercan)
las galaxias conforme el tiempo cambia
k es el signo de la curvatura de la parte espacial 3D y
toma los valores k = 0, 1, −1 (geometría euclídea,
esférica, hiperbólica). La curvatura (seccional) de la parte
espacial toma el valor
k
R(t)2
60. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Métrica de Robertson-Walker
dr 2
−dt 2 + R(t)2 + r 2 (dφ2 + sen2 φdθ2 )
1 − kr 2
R(t) es el factor de escala del universo. Sólo depende del
tiempo cósmico y nos dice cuánto se alejan (o acercan)
las galaxias conforme el tiempo cambia
k es el signo de la curvatura de la parte espacial 3D y
toma los valores k = 0, 1, −1 (geometría euclídea,
esférica, hiperbólica). La curvatura (seccional) de la parte
espacial toma el valor
k
R(t)2
61. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Para k=1 una imagen sería...
62. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
El factor de escala...
... nos informa sobre la evolución del universo
63. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Contenidos
1 Primeros hechos
2 Modelos de Robertson-Walker
3 Modelos de Friedmann
4 Último
64. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ecuación de campo general
Los modelos de Robertson-Walker sólo usan la relatividad a
nivel cualitativo. Vamos a ver qué dice la ecuación de campo
de Einstein sobre estos modelos. La escribimos pues:
Ricij = 8π(Tij − 1/2Tgij )
donde T es un tensor (0, 2) (16 componentes, 10 libres) que
codifica la distribución de materia-energía en el espacio-tiempo
(tensor tensión-energía)
65. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Más simplificaciones
al considerar las galaxias como partículas cuya única
interacción (unas con respecto a otras) es la gravitatoria
se obtiene lo que en hidrodinámica se conoce como un
fluido perfecto (viscosidad cero)
los parámetros que caracterizan un fluido perfecto son su
densidad ρ y su presión p
más aún, el hecho de que la radiación no domine en el
universo (en comparación con la gravedad) nos permite
asumir que p ≡ 0
finalmente, la homogeneidad espacial nos permite decir
que la densidad sólo es t-dependiente, luego ρ ≡ ρ(t)
66. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Más simplificaciones
al considerar las galaxias como partículas cuya única
interacción (unas con respecto a otras) es la gravitatoria
se obtiene lo que en hidrodinámica se conoce como un
fluido perfecto (viscosidad cero)
los parámetros que caracterizan un fluido perfecto son su
densidad ρ y su presión p
más aún, el hecho de que la radiación no domine en el
universo (en comparación con la gravedad) nos permite
asumir que p ≡ 0
finalmente, la homogeneidad espacial nos permite decir
que la densidad sólo es t-dependiente, luego ρ ≡ ρ(t)
67. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Más simplificaciones
al considerar las galaxias como partículas cuya única
interacción (unas con respecto a otras) es la gravitatoria
se obtiene lo que en hidrodinámica se conoce como un
fluido perfecto (viscosidad cero)
los parámetros que caracterizan un fluido perfecto son su
densidad ρ y su presión p
más aún, el hecho de que la radiación no domine en el
universo (en comparación con la gravedad) nos permite
asumir que p ≡ 0
finalmente, la homogeneidad espacial nos permite decir
que la densidad sólo es t-dependiente, luego ρ ≡ ρ(t)
68. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Más simplificaciones
al considerar las galaxias como partículas cuya única
interacción (unas con respecto a otras) es la gravitatoria
se obtiene lo que en hidrodinámica se conoce como un
fluido perfecto (viscosidad cero)
los parámetros que caracterizan un fluido perfecto son su
densidad ρ y su presión p
más aún, el hecho de que la radiación no domine en el
universo (en comparación con la gravedad) nos permite
asumir que p ≡ 0
finalmente, la homogeneidad espacial nos permite decir
que la densidad sólo es t-dependiente, luego ρ ≡ ρ(t)
69. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de campo nos dice...
Ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Ley de conservación:
R (t)
ρ (t) + 3ρ(t) =0
R(t)
La función R(t) es positiva y además
R (t) < 0
70. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de campo nos dice...
Ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Ley de conservación:
R (t)
ρ (t) + 3ρ(t) =0
R(t)
La función R(t) es positiva y además
R (t) < 0
71. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de campo nos dice...
Ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Ley de conservación:
R (t)
ρ (t) + 3ρ(t) =0
R(t)
La función R(t) es positiva y además
R (t) < 0
72. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de conservación
Observemos que
(ρ(t)R(t)3 ) = 0
es equivalente a la ley de conservación... por lo que
4π
λ0 = ρ(t)R(t)3
3
para una constante λ0 que se identifica con la masa del
universo
73. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de conservación
Observemos que
(ρ(t)R(t)3 ) = 0
es equivalente a la ley de conservación... por lo que
4π
λ0 = ρ(t)R(t)3
3
para una constante λ0 que se identifica con la masa del
universo
74. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de Friedmann
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
k =0
2
R(t)3/2 = 2λ0 t
3
k =1
R(t) = λ0 (1 − cos(v ))
para v un parámetro que depende de t
k = −1
R(t) = λ0 (cosh(v ) − 1)
75. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de Friedmann
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
k =0
2
R(t)3/2 = 2λ0 t
3
k =1
R(t) = λ0 (1 − cos(v ))
para v un parámetro que depende de t
k = −1
R(t) = λ0 (cosh(v ) − 1)
76. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
La ecuación de Friedmann
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
k =0
2
R(t)3/2 = 2λ0 t
3
k =1
R(t) = λ0 (1 − cos(v ))
para v un parámetro que depende de t
k = −1
R(t) = λ0 (cosh(v ) − 1)
77. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Las gráficas
78. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de Hubble
79. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de Hubble
Está implícita en los modelos de Friedmann:
dadas dos galaxias A = (t0 , 0, π/2, θ0 ) y
B = (t0 , r0 , π/2, θ0 ) se calcula que están a distancia r0 R(t)
la velocidad de recesión es entonces r0 R (t)
se define entonces
R (t)
H(t) =
R(t)
la constante de Hubble (que depende del tiempo cósmico,
pero que es constante en términos espaciales, mejor
parámetro que constante)
80. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de Hubble
Está implícita en los modelos de Friedmann:
dadas dos galaxias A = (t0 , 0, π/2, θ0 ) y
B = (t0 , r0 , π/2, θ0 ) se calcula que están a distancia r0 R(t)
la velocidad de recesión es entonces r0 R (t)
se define entonces
R (t)
H(t) =
R(t)
la constante de Hubble (que depende del tiempo cósmico,
pero que es constante en términos espaciales, mejor
parámetro que constante)
81. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Ley de Hubble
Está implícita en los modelos de Friedmann:
dadas dos galaxias A = (t0 , 0, π/2, θ0 ) y
B = (t0 , r0 , π/2, θ0 ) se calcula que están a distancia r0 R(t)
la velocidad de recesión es entonces r0 R (t)
se define entonces
R (t)
H(t) =
R(t)
la constante de Hubble (que depende del tiempo cósmico,
pero que es constante en términos espaciales, mejor
parámetro que constante)
82. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Parámetro de Hubble a día de hoy es
H0 = 72 ± 8 km s−1 Mpc−1
Una galaxia que se aleja a v = 7200 km/s resulta estar a
v /H0 = 100Mpc
El hecho de que no tengamos el parámetro por completo
determinado nos hace vivir en un mapa sin escala
(conocemos las distancias relativas, pero no las absolutas)
83. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Parámetro de Hubble a día de hoy es
H0 = 72 ± 8 km s−1 Mpc−1
Una galaxia que se aleja a v = 7200 km/s resulta estar a
v /H0 = 100Mpc
El hecho de que no tengamos el parámetro por completo
determinado nos hace vivir en un mapa sin escala
(conocemos las distancias relativas, pero no las absolutas)
84. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Parámetro de Hubble a día de hoy es
H0 = 72 ± 8 km s−1 Mpc−1
Una galaxia que se aleja a v = 7200 km/s resulta estar a
v /H0 = 100Mpc
El hecho de que no tengamos el parámetro por completo
determinado nos hace vivir en un mapa sin escala
(conocemos las distancias relativas, pero no las absolutas)
85. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Conocer con precisión H0 así como una estimación de la
densidad actual del universo nos permitirían despejar k en
la ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Este es uno de los desafíos actuales de la cosmología:
saber nuestra densidad en relación con la densidad crítica
En este desafío se incluyen otras tareas hercúleas de la
física que tienen que ver con el aspecto micro más que
con el macro (energía oscura, materia oscura, etc.)
86. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Conocer con precisión H0 así como una estimación de la
densidad actual del universo nos permitirían despejar k en
la ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Este es uno de los desafíos actuales de la cosmología:
saber nuestra densidad en relación con la densidad crítica
En este desafío se incluyen otras tareas hercúleas de la
física que tienen que ver con el aspecto micro más que
con el macro (energía oscura, materia oscura, etc.)
87. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Parámetros observacionales
Conocer con precisión H0 así como una estimación de la
densidad actual del universo nos permitirían despejar k en
la ecuación de Friedmann:
8π
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2
3
Este es uno de los desafíos actuales de la cosmología:
saber nuestra densidad en relación con la densidad crítica
En este desafío se incluyen otras tareas hercúleas de la
física que tienen que ver con el aspecto micro más que
con el macro (energía oscura, materia oscura, etc.)
88. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Contenidos
1 Primeros hechos
2 Modelos de Robertson-Walker
3 Modelos de Friedmann
4 Último
89. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Aspectos finales
Naturaleza de la materia y la energía (4-22-74)
(normal-materia oscura-energía oscura)
Constante cosmológica Λ
8π ΛR(t)2
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2 +
3 3
Topología del Universo ¿es no trivial?
90. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Aspectos finales
Naturaleza de la materia y la energía (4-22-74)
(normal-materia oscura-energía oscura)
Constante cosmológica Λ
8π ΛR(t)2
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2 +
3 3
Topología del Universo ¿es no trivial?
91. Primeros hechos Modelos de Robertson-Walker Modelos de Friedmann Último
Aspectos finales
Naturaleza de la materia y la energía (4-22-74)
(normal-materia oscura-energía oscura)
Constante cosmológica Λ
8π ΛR(t)2
R (t)2 + k = ρ(t)R(t)2 +
3 3
Topología del Universo ¿es no trivial?