(no tan) breve sumario sobre cosmologÍa carlos hernández-monteagudo centro de estudios de física...

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(No tan) breve sumario sobre COSMOLOGÍA

Carlos Hernández-MonteagudoCentro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA)

Universidad de la Experiencia, Teruel, Noviembre de 2012

2Universidad de la Experiencia, Teruel, Noviembre de 2012

• Inicios de la Cosmología: la Relatividad General de Einstein aplicada al universo. Principio Cosmológico.

• Dentro del modelo en expansión: primeras predicciones y grandes hitos observacionales: abundancias de nucleosíntesis y la radiación de Fondo Cósmico

• Los dos primeros grandes problemas de la teoría: la materia oscura y el par homogeneidad – contacto causal.

• El paradigma de Inflación

• El estudio de las anisotropías de la Radiación de Fondo Cósmico de Microondas: pasado, presente y futuro

• El último (!!??) desafío: la energía oscura

Índice








Índice


En 1915, Albert Einstein publica su teoría de la Relatividad General, una generalización de sus ideas de tiempo, espacio y observadores “inerciales” (publicadas en su teoría de la Relatividad Restringida en 1905) en un espacio con campos gravitatorios

Nacimiento de la Cosmología


Nacimiento de la Cosmología (II)


Nacimiento de la Cosmología (III)

La teoría hace predicciones que tardan unos años en ser confirmadas, como la curvatura del espacio tiempo debido a cuerpos masivos, la precesión del perihelio de Mercurio, las lentes gravitatorias, el desplazamiento al rojo (redshift) gravitatorio, etc…


Nacimiento de la Cosmología (IV)

La teoría hace predicciones que tardan unos años en ser confirmadas, como la curvatura del espacio tiempo debido a cuerpos masivos, la precesión del perihelio de Mercurio, las lentes gravitatorias, el desplazamiento al rojo (redshift) gravitatorio, etc…


Nacimiento de la Cosmología (V)

No obstante, cuando esa teoría se aplicaba a todo el universo, Einstein obtuvo que éste era inestable, pues la densidad de materia y su campo gravitatorio asociado tendía a contraer al universo. Esto chocaba frontalmente con su idea (heredada quizás de Newton) por la cual el Universo debía ser eterno e inmutable.

Por ello añadió una constante cosmológica en las ecuaciones de su teoría que introdujera una fuerza repulsiva que equilibrara la atracción graviatoria

Parte geométrica Parte energética (masa + radiación)


Sin embargo, en la segunda mitad de la década de 1920, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que las entonces llamadas nebulosas se alejaban más deprisa cuando más lejos estaban…

E.Hubble

Velocidad

Distancia


¿Cómo lo hizo? ¿Cómo pudo medir la velocidad y la distancia de esas nebulosas?

Usando el desplazamiento al rojo (redshift - z) y un tipo de estrellas llamadas variables cefeidas.

E.Hubble

Desplazamiento al rojo:


E.Hubble

Las variable cefeidas se caracterizan por tener un brillo variable cuyo período depende de su luminosidad: midiendo el período, es posible conocer su luminosidad, y midiendo la energía que nos llega, es posible saber la distancia, pues sabemos cómo la energía que nos llega de una fuente decae con la distancia:

Energía recibida ~ Luminosidad/Distancia2

Energía Recibida

Luminosid

ad

Período (días)

Tiempo (días)


E.Hubble

Desplazamiento al rojo (II):


E.Hubble

Hubble sugirió así que el universo se encontraba en expansión.

Combinando medidas de distancias y desplazamientos al rojo (z) …

Distancia

Velocidad


Einstein entonces recordó que en 1922 había examinado el trabajo de un físico soviético, Alexander Friedmann, quien entonces había propuesto una solución a sus ecuaciones por las cuales el universo se expandía:

Einstein dijo entonces que el haber introducido su constante cosmológica había sido el mayor error de su vida, ¡pues se le había escapado la expansión universal que su propia teoría predecía!

A. Friedmann

Factor de expansiónParte espacial de la métrica


La materia en el universo frena la expansión del universo por medio de la atracción gravitatoria …


Esta teoría asume que ningún punto en el universo es privilegiado con respecto al otro: cualquier observador es equivalente a cualquier otro.


Esta teoría asume que ningún punto en el universo es privilegiado con respecto al otro: cualquier observador es equivalente a cualquier otro.

PRINCIPIO COSMOLÓGICO DE HOMOGENEIDAD E ISOTROPÍA








Índice


PRINCIPIO COSMOLÓGICO

A un tiempo dado, todo observador en el universo es equivalente a cualquier otro. Esto es, el universo es homogéneo e isótropo.

Catálogo de galaxias de Sloan


INGREDIENTES

?? de protones?? de neutrinos?? de electrones?? de fotones (radiación)?? Añadimos materia oscura???

INGREDIENTES250 gr de lentejas1 l de caldo de verduras1 cebolla grande1 puerro2 tomates maduros4 cucharadas de tomate triturado2 hojas de laurelPimienta negra molidaMorcilla y chorizo (de León!!) ;-PAceite de olivaSal


Si sabemos cómo interaccionan los ingredientes (protones, neutrones, electrones, luz, etc), podremos dar marcha atrás a nuestras ecuaciones (o a nuestra “receta”) y estudiar cómo fue el universo (nuestra sopa de lentejas) en el pasado, cuando el universo era más pequeño y más denso …


Si sabemos cómo interaccionan los ingredientes (protones, neutrones, electrones, luz, etc), podremos dar marcha atrás a nuestras ecuaciones (o a nuestra “receta”) y estudiar cómo fue el universo (nuestra sopa de lentejas) en el pasado, cuando el universo era más pequeño y más denso …

Hacemos, sobre el papel, una máquina del tiempo de nuestro universo…


Predicciones sobre un modelo de universo en expansión (II)

Sabiendo los componentes fundamentales del Universo (radiación, protones, neutrones, electrones, neutrinos, etc) es posible escribir y resolver las ecuaciones que describen su evolución en el tiempo...

Eso lo hicieron Gamow y Alpher en 1948, y predijeron:

• cómo, en un universo joven y denso, se formaron los primeros núcleos de Helio, Deuterio, Litio, y en qué abundancia (NUCLEOSÍNTESIS PRIMORDIAL),• cómo la radiación (fotones) estaba acoplada al medio ionizado (dada su alta densidad)


Estos cálculos fueron coetáneos (y similares) al cálculo de nucleosíntesis dentro de las estrellas


De Ned Wright, UCLA

NUCLEOSÍNTESIS PRIMORDIAL

Gamow Alpher

Densidad de materia normal (total)

Abun

danc

ia re

lativ

a de

otr

os n

úcle

os c

on re

spec

to H

idró

geno

Predicciones teóricas


Una componente de radiación térmica (con un espectro dado de CUERPO NEGRO), eco del Big Bang fue predicha por Gamow y Alpher, y por otra gente de forma posterior. Esa radiación, además, debiera ser isótropa (esto es, no debiera de depender de la dirección de observación), en consecuencia del principio cosmológico.


Dicha radiación fue curiosamente encontrada accidentalmente en 1964 por dos operarios de una antena de radio de los laboratorios Bell, ¡y que se llevaron el premio Nobel!Esta radiación resultó ser absolutamente isótropa: DABA IGUAL LA DIRECCIÓN DE APUNTADO, ¡LA SEÑAL RECIBIDA ERA LA MISMA!

Así se identificó de forma inequívoca la Radiación de Fondo Cósmico de Microondas

Penzias y Wilson (1964)








Índice


Dos grandes problemas del modelo:

la MATERIA OSCURA,

y la observada homogeneidad del universo en zonas que NUNCA han estado en contacto causal


El problema de la MATERIA OSCURA

Fritz Zwicky fue el primero en darse cuenta en los años 30 que la cantidad de masa visible que él encontraba en sus observaciones de objectos astrofísicos (como galaxias, y grupos y cúmulos de galaxias) no era suficiente para explicar el comportamiento dinámico de esas estructuras: necesitaba más masa.


Masa que se “ve” ≠ Masa que se “deduce”

Masa que se “ve” < Masa que se “deduce”


El efecto de lente gravitatoria, claramente visible aquí y predicho por Einstein, exige más masa de la que se obtiene al sumar las galaxias visibles


Al medir las curvas de rotación de las estrellas en las galaxias espirales, se obtiene un comportamiento que es incompatible si toda la masa de la galaxia fuera solamente la visible. ¡Se requiere una componente de materia “invisible” u oscura!

Esto se esperaba teóricamente ..

Esta era la curva de rotación medida …


El caso más emblemático es el del BULLET CLUSTER (o el cúmulo “bala”), que consiste en dos grandes cúmulos de galaxias que acaban de chocar, y donde la distribución de gas (según es trazada por la emisión en rayos X del gas ionizado) no corresponde con la distribución en masa inferida por el efecto de lente gravitatoria medida en galaxias que están detrás del cúmulo:

¡¡A día de hoy la materia oscura no se ha “encontrado”!!


Otro problemilla más:

Homogeneidad contacto causal entre regiones distantes del universo

O dicho de otra manera …

¿Cómo es posible que dos regiones del universo que nunca han estado en contacto causal se parezcan

tanto?


El universo visible desde la Tierra R= c . tuniv, con tuniv la edad del Universo! [horizonte causal]

distancia

Ningún efecto físico se propaga más rápido que la velocidad de la luz

Por tanto, tened presente que, a priori, cada observador sólo es sensible a una esfera de radio R= c . tuniv, con tuniv la edad del Universo!

[Dicho radio se llama horizonte causal]


Pero cuando miramos lejos, miramos regiones cuando eran más jóvenes

distancia





… cuyos horizontes causales son (o eran) más pequeños!

distancia





¿Cómo pueden parecerse esas regiones tanto si nunca han estado en contacto causal?

Si la Física es la misma en todo lugar, ¡necesitamos muy parecidas condiciones iniciales para que las regiones se parezcan tanto!

¿Está enfrentado el principio cosmológico con la causalidad?


Necesitamos poner todo el universo en contacto causal en un momento inicial …

¿Cómo pueden parecerse esas regiones tanto si nunca han estado en contacto causal?

Si la Física es la misma en todo lugar, ¡necesitamos muy parecidas condiciones iniciales para que las regiones se parezcan tanto!

¿Está enfrentado el principio cosmológico con la causalidad?


Solución propuesta:

una época inflacionaria, en la que la expansión del universo es más rápida que la velocidad de la luz y que separa de contacto causal a regiones vecinas

Radi

o de

l Uni

vers

o

Edad del Universo


Fase de Inflación








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Las fluctuaciones angulares (o anisotropías) de la Radiación de Fondo Cósmico de Microondas (Cosmic

Microwave Background [CMB])

• El Universo parece “homogéneo” en escalas grandes, pero tiene “grumos” .. (galaxias, cúmulos de galaxias, etc)

• La pregunta es: ¿existen también estos grumos en la radiación de Fondo Cósmico de Microondas?


¿Qué pasa si las lentejas se apelotonan en torno a los puerros? ¿Hay menos o más caldo allí donde se encuentra el laurel? ¿Afecta la morcilla al sabor de la patata?

¿Qué ocurre si la materia está ionizada, los electrones libres interaccionan con la luz? ¿Y si existen zonas con sobre-densidad de materia? ¿Qué ocurre si el universo se expande y enfría lo suficiente como para que los electrones se combinen con protones para formar hidrógeno neutro?


Si las anisotropías en la densidad de materia, radiación y/o energía son pequeñas, entonces es más fácil resolver las ecuaciones que describen su evolución (se linearizan, como si fuera un desarrollo de Taylor a primer orden…)

Esto permite predecir las propiedades estadísticas de las fluctuaciones angulares/anisotropías de la intensidad de la radiación de Fondo (CMB): los pioneros fueron, en la URSS, Zel’dovich y Sunyaev en la década de los 60:

Zel’dovich Sunyaev

Nº

de m

anch

as (c

alie

n o

fría

stes

)

1/ Tamaño angular mancha


Nº

de m

anch

as (c

alie

n o

fría

stes

)


RESULTADO: La radiación del Fondo Cósmico oscila con los electrones en zonas sobredensas donde sienten la atracción de los pozos de potencial y la repulsión de la presión de radiación del Fondo Cósmico, hasta que los electrones se juntan con los protones para formar Hidrógeno, momento a partir del cual la radiación del Fondo Cósmico se propaga libremente por el espacio.

De W.Hu

RadiaciónMateria

Tamaño de los pozos de potencial


En el año 1992, el satélite de la NASA COBE detecta por primera vez la fluctuaciones de intensidad (o temperatura) del CMB, y mide también su espectro de cuerpo negro con exquisita precisión

Resolución angular de ~ 8 grados en el cielo, el diámetro de la luna es ~ 0.5 grados


Esta imagen se corresponde con el universo cuando tenía una edad de sólo 380.000 años … De forma equivalente:

Se habla así del Universo embrionario …

Embrión humano de 7 horasHumano de 30 + y unos cuantos años…


Después de 1992, nuevos experimentos fueron proporcionando nuevos mapas, cada vez de mayor calidad …

Experimento Tenerie (1994)

Experimento Boomerang (2000)


Y desde el año 2003 hasta 2010, el satélite de la NASA WMAP ha producido mapas de alta calidad en todo cielo:


COBE (1992)


Pero para medir el CMB, ¡hay que sustraer la emisión galáctica de la Vía Láctea! Para ello, se usa el hecho de que el CMB tiene una dependencia característica con la frecuencia, diferente a los contaminantes galácticos:

WMAP, 23 GHz



WMAP, 33 GHz



WMAP, 41 GHz



WMAP, 61 GHz



WMAP, 94 GHz



CMB “limpio”


La medida de las fluctuaciones de intensidad/temperatura del CMB permite contrastar datos con observaciones.

Al final de los años 90, ésta era la situación de la comparación teoría – datos:

1998

Nº

de m

anch

as (c

alie

ntes

o fr

ías)

Nº

de m

anch

as (c

alie

ntes

o fr

ías)




En los años 1999 – 2001, se empieza a ver el primer pico “acústico”:

Nº

de m

anch

as (c

alie

ntes

o fr

ías)



La comparación con la teoría se hace de forma muy precisa, permitiendo medir cantidades de nuestro universo como su edad, contenido en materia “normal” (bariónica), materia oscura, etc

19992010

Nº

de m

anch

as (c

alie

ntes

o fr

ías)

Nº

de m

anch

as (c

alie

ntes

o fr

ías)

1/ Tamaño angular mancha1/ Tamaño angular mancha


Y ahora mismo el satélite europeo PLANCK (de la Agencia Espacial Europea [ESA]) está tomando datos todavía con mucha más precisión …

Universidad de la Experiencia, Teruel, Noviembre de 2012 63

PLANCK, with many more frequency channels and better angular resolution, should:

Improve CMB measurements to smaller angular scales Remove more efficiently the contaminants (mostly due to the Milky Way or point sources) Characterize secondary effects much more accurately Map the E mode of the polarization to much better precision and smaller angular scales Set constraints on the amount of B-mode polarization Establish stronger constraints on primordial non-Gaussianity Provide much more complete tSZ source catalog Etc ...

All this should translate into better precision in the cosmological parameters...

WMAP VERSUS PLANCK

5 different channels at 22, 33, 44, 63, 94 GHz Maximum angular resolution of ~0.23 degrees Max. sensitivity of ~5 muK per square degree (94 GHz)

10 different channels at 30, 44, 70, 100, 143, 217, 353, 545 and 857 GHz Maximum angular resolution of ~0.075 degrees Max. sensitivity of ~0.25 muK per square degree (143 GHz)


Planck escaneando el cielo …








Índice


Inventorio Energético del Universo


Y por último, ¡una sorpresa!•Existe un tipo de SuperNovas (SNIa) que emiten una cantidad de energía que se conoce bien, y que depende del tiempo que tardan en decaer (son cuasi candelas estándar)

•Midiendo cómo decae la curva de luz (cuántos días tardan) es posible averiguar cuánta energía ha emitido la supernova

•Comparando con la energía que nos llega,y juntando esos datos con los del CMB vemos evidencia de que la expansión del universo se está acelerando – al agente causante de esta repulsión se le llama ENERGÍA OSCURA

• ¡Esta componente de Energía Oscura domina actualmente la dinámica del Universo!

Inventorio Energético del Universo

Combinando datos de Supernovas con CMB, encontramos que :


Una posible (y probable) explicación ¡es la constante de Einstein!

… aunque también puede ser una manifestación de que la Relatividad General se rompe a escalas cosmológicas …


¿Y cómo averiguar más sobre la energía oscura?

Pues haciendo un cartografiado profundo de galaxias y estructura en el máximo volumen posible, y estudiar cómo la estructura crece gravitacionalmente en diferentes épocas cosmológicas ….

Existen varios proyectos en marcha…


BIGBOSS – EE.UU.

EUCLID (Agencia Espacial Europea)


¡Y Teruel!Observatorio Astrofísico de Javalambre (OAJ)


Pico del Buitre, 2000m

Región más oscura de Europa septentrional, la calidad del cielo es comparable (si no mejor) que cualquier otro observatorio en el mundo (La Palma, Chile o Hawaii)

¡¡Echad un ojo a :

http://cefca.es

!!

http://cefca.es/


We astronomers are nomads,Merchants, circus people,

All the earth our tent

We are industrious.We breed enthusiasms,

Honour our responsability to awe.

But the universe has moved a long way off.Sometimes, I confess,

Starlight seems too sharp,

And like the moonI bend my face to the ground,

To the small patch where each foot falls

Before it falls,And I forget to ask questions,

And only count things.

Rebecca Elson, "A responsability to awe" -- Oxford Poets, Carcanet Press (2001)

Y ahora sí, para terminar …

(no tan) breve sumario sobre cosmologÍa carlos hernández-monteagudo centro de estudios de física...

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