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COSMOLOGIACOSMOLOGIA

Temas del Capítulo 10HISTORIALEY DE HUBBLECOSMOLOGÍA MODERNAGEOMETRÍA DEL UNIVERSOEL UNIVERSO PRIMITIVOLA EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO

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Para crear una solución brillante se necesita de ideas nuevas y la mayor parte de ellas parecerán absolutamente estúpidas.

S. Thorpe

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IntroducciónIntroducción• No sólo que hemos descubierto lo que sucedió al

principio.• Hemos dado dimensiones y hemos medido el tiempo

de toda esta historia extraordinaria.• Además, hemos sido capaces de pronosticar nuestro

futuro cósmico.

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HISTORIAHISTORIA• El origen del Universo es uno de

los enigmas más grandes de la humanidad

• Sabemos que en un principio solo había un estado primitivo de elevada densidad y temperatura.

• La relatividad nos indica que debió haber, hace unos 13 mil millones de años un comienzo

• Este inicio se conoce como el Big Bang o el Gran Púm.

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Eudoxo y AristótelesEudoxo y Aristóteles• Eudoxo supuso que los planetas

estaban sujetos a unas esferas con su centro en la Tierra.

• La idea de Eudoxo, era que cada esfera era independiente pero funcionaban como un conjunto.

• Esta hipótesis fue aceptada por Aristóteles, quien ideó un sistema planetario en su libro Sobre los cielos

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AristarcoAristarco• Fue el primero en proponer la

idea de que el Sol no se mueve y que es la Tierra la que gira alrededor del Sol, además alrededor de su eje.

• Esta afirmación le significó la acusación de impío.

• Desarrolló un método para medir las distancias de la Tierra al Sol y a la Luna, que son muy ingeniosas.

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CopérnicoCopérnico• En 1513 Copérnico construyó una

torre de observación a la cual le equipó

• El año siguiente hizo circular entre unos pocos amigos un escrito llamado:

• Comentario sobre las teorías de los movimientos de los objetos celestes a partir de sus disposiciones

• Por primera vez proponía una teoría astronómica en que la Tierra se mueve alrededor del Sol.

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BraheBrahe • Realizó enormes contribuciones al

observar y medir metódicamente a los planetas

• Estudió leyes y filosofía en las universidades de Copenhague y Leipzig.

• Se estableció en el monasterio de Herrisvadd, era un apasionado de la astronomía, durante las noches Brahe se dedicaba a la observación de las estrellas

• Con instrumentos muy sencillos, una esfera y un compás, consiguió detectar graves errores en las tablas astronómicas de la época y se dispuso a corregirlos.

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KeplerKepler• A la muerte de Brahe Kepler asumió

su cargo como matemático imperial y astrónomo

• En 1605 Kepler anunció su primera ley que establece que las órbitas de los planetas alrededor del Sol son elipses y que el Sol es uno de sus focos

• Luego su segunda ley que establece que los planetas viajan más lentamente cuando están mas lejos del Sol. Ambas leyes las publicó en su obra Astronomía Nova en 1609.

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Galileo Galileo • Con el telescopio mejorado empieza a hacer observaciones

de la Luna y encuentra que esta no es plana como se habían imaginado sino que tenía una serie de cráteres.

• Luego empieza a observar las estrellas y a elaborar mapas de estas en el cielo.

• Al observar Júpiter descubre las lunas que giran alrededor de este planeta y que son como un sistema solar pequeño, y que la hipótesis copernicana era sin duda la correcta.

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NewtonNewton• Newton escribió que cuando vio una

manzana caer y al mismo tiempo, miró la Luna razonó que sí la gravedad causa que la manzana caiga, debería también extenderse y alcanzar a la Luna haciéndola caer hacia la Tierra.

• Pero la velocidad de giro de la Luna alrededor de la Tierra hace que la Luna se mantenga en su órbita y que si la Luna gira alrededor de la Tierra,

• Entonces no se mueve en línea recta y por tanto debe existir una fuerza de gravedad actuando sobre ella que la mantiene girando.

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Los Grandes TelescopiosLos Grandes Telescopios• Sir William Hershel descubrió con

su telescopio el planeta Urano, muchas nebulosas y grupos de estrellas, estrellas binarias y describió la forma de la Vía Láctea

• George Hale inventó un aparato que le llamó espectro-helioscopio que era la combinación de un telescopio y un espectroscopio

• Hale fue el iniciador de lo que se llamó la astrofísica y en 1919 persuadió a Edwin P. Hubble para iniciar la exploración del Universo a gran escala.

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La Ley de HubbleLa Ley de Hubble

• Hubble realizó el descubrimiento más dramático del siglo XX que el Universo no es eterno ni invariable, que crece y evoluciona

• Con esto cambió radicalmente la visión del Universo. Hasta 1910 se creía que la Vía Láctea, es decir nuestra galaxia era todo lo que había

• En 1755 Kant sugirió que algunas nebulosas que aparecían en los telescopios debían ser otros universos islas.

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COSMOLOGÍA MODERNACOSMOLOGÍA MODERNA• Es el estudio del Universo a gran escala,

su historia, sus propiedades y su estructura para conocer el origen, la evolución y los posibles escenarios del fin del Universo

• La cosmología trata sobre: el Big Bang, la historia del Universo primitivo, los agujeros negros y de gusanos, los modelos del Universo, la gravedad y el espacio-tiempo, la vida de las estrellas, el sistema planetario y nuestro origen y destino.

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El Big BangEl Big Bang• El Big Bang se produjo hace

aproximadamente trece mil millones años y duró cerca medio millón de años partiendo de una singularidad.

• Había una temperatura de trillones de trillones de grados, que se fue enfriando a medida que el Universo se expandía.

• Se generaban protones y anti-protones, es decir materia y anti-materia, que se aniquilaban liberando energía electromagnética en forma de fotones.

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Fundamentos TeóricosFundamentos Teóricos• El desarrollo de la cosmología

moderna se basa en los siguientes pilares:

• La teoría de la relatividad general • Los modelos cosmológico• La medición de la rapidez de

expansión del Universo• El estudio de los materiales que

constituyen el Universo• El descubrimiento y la comprensión

de los fenómenos nucleares que tienen lugar en el interior de las estrellas.

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La ExpansiónLa Expansión • Slipher fue el primero que midió la

rapidez con que se alejaban las galaxias aprovechando del efecto Doppler

• Humason y Hubble extendieron estas medidas y apareció la llamada ley de Hubble

• Esta permitió establecer las distancias a las lejanas galaxias

• Se dedujo que el universo es homogéneo y se calculó la tasa de expansión, que se llama la constante de Hubble.

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La InflaciónLa Inflación• Es un período de rapidísimo

crecimiento del Universo al principio del primer segundo y en otros momentos

• Va acompañado de una brutal disminución de la temperatura inicial.

• ¿Cómo se puede producir inflación en el vació?

• La explicación es que el vacío tiene energía y que esto produce una rápida inflación.

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La Radiación de FondoLa Radiación de Fondo• Una de las predicciones del Big

Bang es que debe existir una radiación que proviene de los distintos lugares del Universo

• Esta radiación fue predicha en 1948 por George Gamow y fue descubierta por Arno Penzias y Robert Wilson en 1965

• Esta radiación tiene ahora una temperatura de 2.725 grados Kelvin sobre el cero absoluto.

Mappa del cielo che mostra le variazioni di temperatura nella radiazione cosmica di fondo

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Ideas EquivocadasIdeas Equivocadas • El Big Bang no se produjo en un sólo punto

del espacio ni fue una explosión• Fue la aparición de espacio en todos los

puntos del Universo simultáneamente• Si fuera el Universo un globo que se infla, el

interior no es parte del Universo y no existe un centro donde todo comenzó

• El Universo abarca a todo el espacio-tiempo que conocemos

• No hay forma de explicar que fue lo que desató al Big Bang, hay varias especulaciones al respecto, pero ninguna permite hacer predicciones que puedan ser probadas.

2121CosmologíaCosmología

GEOMETRÍA DEL UNIVERSOGEOMETRÍA DEL UNIVERSO• Al observar el Universo vemos que en

todas las direcciones el Universo se expande como si estuviéramos en el centro.

• Esto no es correcto, lo que sucede es que situados en cualquier galaxia, tendríamos la misma sensación.

• Una manera de visualizar esta situación es si inflamos un globo con puntos dibujados en el

• Los puntos del Universo se alejan unos de otros, ya que la superficie del globo crece al inflarse.

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Tipos de Materia• Radiación: esta compuesta de partículas sin masa

o con masa virtual que se mueven a la velocidad de la luz,

• Materia bariónica: es la materia ordinaria, • Materia oscura: es una clase de materia no-

bariónica que interacciona muy poco con la materia ordinaria.

• Energía oscura: esta es un tipo muy extraño de materia o puede ser una propiedad del vació cuántico.

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EL UNIVERSO PRIMITIVOEL UNIVERSO PRIMITIVO

• Un segundo después estaba lleno de un mar de protones, neutrones, electrones, positrones, fotones y neutrinos.

• El Universo se enfriaba, los neutrones se convertían en protones y electrones o se combinaban con protones para producir núcleos de deuterio

• Durante los tres primeros minutos la mayor parte del deuterio se combinó para formar núcleos de helio.

• También se produjeron pequeñas cantidades de litio en un proceso que se llama núcleo-síntesis del Big Bang

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Nacimiento de las EstrellasNacimiento de las Estrellas

• Protón + Protón Deuterio + Positrón + neutrino• Dos protones chocan y forman un núcleo de deuterio, más un positrón

más un neutrino.

• Deuterio + Protón Helio-3 + fotón• El deuterio choca con un protón y se produce helio 3, que es un

isótopo del helio con dos protones y un neutrón, más un fotón de un rayo gamma de mucha energía.

• Helio-3 + Helio-3 Helio-4 + 2 Protones + fotón• Dos núcleos de helio-3 chocan y forman un helio-4 más dos protones

más otro fotón de un rayo gamma.

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Secuencia Principal de las EstrellasSecuencia Principal de las Estrellas

• Una de las afirmaciones más atrevidas de la ciencia es afirmar que se sabe qué sucede en el interior de las estrellas,

• Tenemos un modelo bastante exacto de lo que sucede en el interior de las estrellas

• Durante la secuencia principal de la vida de las estrellas.

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La Muerte del SolLa Muerte del Sol

• Al quemarse el hidrógeno, comienza el colapso de la estrella y esto incrementa las temperaturas

• El Sol es enorme, por tanto la temperatura de la superficie es menor, cambiando de color y convirtiéndose en una gigante roja, que quema el helio

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La Muerte del SolLa Muerte del Sol• La reacción del

helio en el núcleo de la gigante roja es la siguiente:

• Helio-4 + Helio-4 + Helio-4 Carbono-12 + energía

• El Sol se reducir hasta llegar a convertirse en una enana blanca, con su núcleo de carbono Diagrma de Hertzsprung Russell

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SUPERNOVA

La AstrofísicaLa Astrofísica • Eddington demostró que con la física se podía descubrir los

secretos de las estrellas• La gravedad quiere colapsar a la estrella y es compensada

por las explosiones nucleares del centro. • La cantidad de energía de una estrella se puede calcular del

brillo aparente y de la distancia• Solo existían tres destinos posibles para una estrella que se

colapsa bajo la acción gravitatoria• Una proto-estrella se queda como un globo frío, algo

parecido a Saturno. Si es como el Sol, se convierte en una estrella incandescente.

• Si es mucho más grande que el Sol, se convierte en una supernova.

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La Muerte de las SupernovasLa Muerte de las Supernovas

• En estas estrellas la gravedad es tan enorme que la combustión del carbono continúa con el oxígeno, magnesio, silicio y otros elementos pesados

• Al colapsar la estrella explota con una fuerza descomunal como si fuera un pequeño Big Bang

• En este proceso la temperatura de la estrella sube a niveles en que se forman todo el resto de elementos de la tabla periódica.

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Las Estrellas de NeutronesLas Estrellas de Neutrones

• Las estrellas más grandes que el Sol tienen mayores temperaturas por lo que producen elementos más pesados como el oxígeno

• Si una estrella es 1.4 veces mayor que el Sol, los protones se combinan con los electrones y se convierten en neutrones, formando una estrella de neutrones.

• Que es en esencia un núcleo gigante pero increíblemente denso y que deforma enormemente el espacio

• Cada centímetro cúbico de neutrones pesan cerca de mil millones de toneladas.

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Los Agujeros NegrosLos Agujeros Negros

• Si la masa de la estrella es 30 veces la masa del Sol, entonces no se forma una estrella de neutrones o pulsar

• Sino que se forma un agujero negro• La relatividad predice la existencia

de agujeros negros• los agujeros negros pueden

conectar nuestro Universo con otros.

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La Aceleración del UniversoLa Aceleración del Universo• Por medio de las supernovas se pudo

medir la velocidad de expansión del Universo en sus comienzos y ahora,

• Se descubrió que la velocidad actual es muy superior a las del pasado,

• Lo que sugiere algún tipo de fuerza anti-gravedad

• Einstein decidió añadirle un término para que pueda coincidir con un Universo estacionario, que se le conoció como la constante cosmológica.

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Las Grandes IncógnitasLas Grandes Incógnitas

• ¿Por qué existe el Universo? ¿Por qué existe algo en vez de nada?¿De donde salió esa enorme energía térmica del Big Bang?¿Qué o quiénes fueron los generadores del Universo?

• Para responder tenemos que remontarnos a la teoría cuántica, a la relatividad y a las cuerdas,

• El Universo comienza en realidad de la nada ya que la energía total del Universo puede ser cero.

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-La Energía NegativaLa Energía Negativa

• Cuando nuestro Universo comenzó, la energía de la masa que se formó es igual a la energía negativa gravitatoria, ya que la energía total al principio fue cero.

• Esto significa también que en el espacio vacío puede surgir y surge energía de la nada, y que desaparece después.

• Todo comenzó con energía cero, luego cuando actúa el campo gravitatorio, este cede a las partículas energía para que adquieran energía cinética, de modo que el campo gravitatorio se queda con energía negativa.

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¿Qué son los Universos Paralelos?¿Qué son los Universos Paralelos?

• Son regiones del espacio y del tiempo que contiene materia, energía, galaxias, estrellas y planetas, incluso seres vivos.

• En otras palabras es un Universo muy similar al nuestro, incluso puede ser uno que sea exactamente igual al nuestro y contenga los mismos seres humanos que los que hay en la Tierra.

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