11. Astrofísica extragaláctica y Cosmología

Estructura a gran escala del Universo

Origen, estructura a gran escala y evolución del Universo en su conjunto

A. Medida de distancias

• Paralaje trigonométrica en estrellas cercanas

• Movimiento de cúmulos abiertos

• Relación período-luminosidad en estrellas variables (Cefeidas)

• Brillo máximo de Supernovas

• Otros: tamaño de regiones HII, brillo intrínseco de las galaxias, etc

m – M = -5 + 5log(r)

La relación de Tully-Fisher

• En 1977, Tully y Fisher establecieron una relación entre la máxima velocidad de rotación de las galaxias (medido en perfiles de HI, en la línea de 21 cm) y su brillo intrínseco.

• Existen múltiples formas de esta relación, dependiendo de cómo se refinan las observaciones en diferentes longitudes de onda.

• En esencia, establecen una relación entre la masa y la luminosidad de las galaxias.

9.95log 3.15( )

10.2 log 2.71( )

11.0 log 3.31( )

B MAX

B MAX

B MAX

M V Sa

M V Sb

M V Sc

= − += − += − +

B. Estructura del Universo

• Grupos pequeños con el Grupo Local, formado por unas 32 galaxias, sólo 3 de las cuales son galaxias espirales de cierto tamaño.

• Cúmulos formados por cientos a miles de galaxias, con masas totales de 1014 a 1015 MΘ y tamaños de unos 20 Maños-luz.

• Supercúmulos: contienen de 20 a 2000 cúmulos de galaxias con un tamaño de 450 Maños-luz y masas de entre 1016 y 1018 MΘ.

• Los supercúmulos se agrupan en formas filamentosas y aplanadas con huecos entre ellas.

• Materia oscura.

El Grupo Local

• Está formado por unas 32 galaxias, de las cuales sólo 3 son espirales de cierto tamaño.

• Todos estos cuerpos están ligados gravitacionalmente.

• La Vía Láctea tiene aproximadamente una docena de galaxias satélites (entre ellas la LMC y la SMC).

• El objeto más distante a simple vista es la galaxia de Andrómeda (M31) que junto a la Galaxia domina el Grupo Local gravitacionalmente.

• La tercera galaxia en tamaño del Grupo Local es M33.

• El número de galaxias elípticas enanas crece continuamente según mejoran las técnicas astronómicas.

Estimación de la masa del Grupo Local

• La Vía Láctea y Andrómeda se aproximan a una velocidad de 119 km/s.

• Dado que conocemos la distancia que nos separa de ella, podemos estimar el tiempo de colisión en 6300 millones de años.

• Podemos utilizar esta información para estimar la masa del Grupo Local.

2 2 1v GM

r a = − ÷

22 32 3 24 2 2

0GM GM

P a vGM r P

π π = ⇒ − + = ÷

124 10H c SOLP t t M M= + ⇒ = ×

• Este valor excede en dos órdenes de magnitud la materia luminosa que vemos.

• Se confirma utilizando satélites de la Vía Láctea (Nubes de Magallanes)

Cúmulos de Galaxias

• La distinción entre “grupo” y “cúmulo” es arbitraria y hace referencia sólo al número de galaxias que lo componen.

• El tamaño, sin embargo, es más o menos constante para todos los cúmulos y por tanto la densidad varía fuertemente con la masa total (o número de miembros).

• En 1958, George Abell presentó un catálogo de 2712 cúmulos de galaxias, basándose en observaciones visuales e identificando las pertenencias más probables y aquellas que quedaban aún por confirmar.

• Actualmente se utilizan emisiones de radio y rayos X para identificarlos.

Teorema del virial aplicado a Cúmulos

• El teorema del virial nos indica que existe una relación entre la energía cinética media y la energía potencial media de un cúmulo de galaxias.

• Observables: radio del cúmulo, dispersión velocidades

• Se puede demostrar: 25 RM

G

σ≈

• En el caso del cúmulo de Coma, la dispersión de velocidades es de casi 1000 km/s, lo que resulta en 3.3 x 1015 MSOL

• Este resultado sobreestima de nuevo tanto la estimación de materia luminosa como la inclusión de materia oscura galáctica.

Estimaciones de la masa de los cúmulos

• De forma similar a cómo se calculaba la distribución de masa de las galaxias, podemos estimar la masa de los cúmulos utilizando la distribución de velocidades y teorema del virial.

• Zwicky fue el primer astrónomo que utilizó este método para determinar la masa del cúmulo de Coma, en los años 30.

• El gas caliente e ionizado produce también grandes emisiones en rayos X por bremsstrahlung térmico.

• Finalmente, la masa de lo cúmulos de galaxias también se puede estimar utilizando los efectos de lente gravitacional, en base a la observación de galaxias más lejanas.

• Los cúmulos poseen masas típicas de 1014-1015 MΘ, con un 70-90% de la masa en forma de materia oscura.

Lentes gravitacionales y Materia Oscura

• Las lentes gravitacionales son un instrumento fundamental para conocer la cantidad de materia oscura que se encuentra contenida en los super cúmulos de galaxias.

• Cuando observamos campos de galaxias podemos ver deformaciones causadas por objetos masivos intermedios.

El bosque Ly – α y la cizalla cósmica

FilamentosMuros

Vacíos

~ 650.000 galaxias

La estructura a gran escala del Universo

Observaciones fundamentales

A. Ley de Hubble

• Relaciona la distancia a las galaxias con la velocidad con que se alejan de nosotros.

• Muestra la expansión del universo.

• Está relacionada con la edad del Universo.

• Se determina a través del efecto Doppler.

λλ∆=z dHv o=

1)1(

1)1(2

2

++−+=

z

z

c

v

Efecto Doppler relativista Ley de Hubble

H0=71±4 kms-1Mpc-1

B. Radiación cósmica de microondas

• Fondo isótropo de radiación con longitud de onda ~ 0.05 – 1cm.

• Corresponde a una temperatura de cuerpo negro a 2.73 K.

• Predicha siguiendo la teoría del Big Bang, detectada 20 años después.

• El Universo se “enfría” T(z) = T0(1+z)

• Presenta anisotropías de una parte entre 105 que nos dan información sobre la evolución y estructura del universo.

Efecto Sunyaev-Zeldovich

• También llamado scattering de Compton inverso.

• Los electrones altamente energéticos de los cúmulos de galaxias proporcionan una energía extra a los débiles fotones del CMB.

• Esto produce una serie de anisotropías del CMB que permiten estudiar en detalle la distribución de materia del Universo.

20

2 e

e

kTT

T m cτ∆ −;

• Las variaciones de temperatura son del orden de diezmilésimas de Kelvin.

• Fue descubierta por los ingenieros Penzias y Wilson cuando trataban de caracterizar el “ruido” electromagnético para mejorar las comunicaciones.

• Nos permite ver la transición entre un universo dominado por la materia y otro dominado por la radiación.

C. Abundancia de elementos ligeros

• Los elementos “metálicos” se sintetizan en las estrellas.

• Se observa una sobreabundancia de ciertos elementos ligeros: D, 4He, 6Li,7Li

• Se concluye que una parte de estos elementos ligeros que tuvo que aparecer en la nucleosíntesis primordial.

• Esto tiene implicaciones sobre la temperatura del Universo en etapas muy tempranas de su evolución: T ~ 10.000 x 106 K

• Sólo estas temperaturas permiten la fusión de protones y neutrones.

15.024.0

10

1012.1

9

5

±=

=

×=

−

−

H

HeH

LiH

D

El Big Bang

• Es la teoría sobre el origen del Universo más aceptada hoy en día.

• El Universo comenzaría como una “gran explosión”.

• Tanto el tiempo como el espacio se originó en ese momento.

• Parte de la energía se transformó en materia.

• Su edad actual sería unos 13.400 Maños.

• Constreñimientos a la edad del universo:

1. Edad de las estrellas más viejas (cúmulos globulares y enanas blancas)

2. Tiempo de decaimento radiactivo de elementos pesados en estrellas viejas, tales como el Uranio y el Thorio (comparables a la edad del Universo).

Evolución desde el Big Bang

Aceleración del Universo: correcciones a la Ley de Hubble

• El esquema sencillo de la Ley de Hubble se volvió más complejo en 1998 con la detección de Supernovas de tipo Ia que indicaban una separación respecto de la linealidad.

• Dicha observación implica una aceleración del Universo.

• Y sin embargo el Universo es aparentemente plano, según la radiación de fondo de microondas.

• Dado que la materia ordinario y oscura no llega a la densidad crítica del Universo se requiere una fuente adicional: la energía oscura.

La Energía Oscura

• La energía oscura puede ser entendida como una “repulsión gravitacional” o una “presión negativa”.

• En ocasiones se interpreta también como “el coste de generar espacio” o una “energía de vacío”.

• En términos de las ecuaciones de la relatividad cosmológica se suele identificar con la constante cosmológica, inicialmente introducida por Einstein.

• Se han propuesto otras explicaciones teóricas en términos de quintaesencia o teoría de branas.

• La futura evolución del universo dependerá de la constancia de su valor.

Modelo actual del universo

~ 70% Energía Oscura ~ 20% Materia Oscura ~ 4% Materia bariónica

• Por densidad de materia es un universo abierto.

• Su geometría es plana.

• Y su expansión está acelerada.

Otros modelos de Universo

• Basados en la Teoría de la Relatividad General de Einstein.

• El radio del Universo evoluciona siguiendo la ecuación de Friedmann.

338

2

22 Λ+−=

Rc

kG

RR

mρπ

Materia contracción Curvatura

Constante cosmológica expansión

• La densidad de materia posee una aportación de la materia ordinaria o bariónica (4% de la densidad crítica) y otra de la materia no bariónica u oscura (23%).

• La densidad de energía (energía oscura) en cambio aporta ~ 70% de la densidad crítica.

• La densidad total del universo es prácticamente igual a la crítica universo plano.