El Universo en Expansión:La visión cambiante del cosmos

Rosa Amelia González, CRyA, UNAM

UASLP, 13 de noviembre de 2009

¿Qué es la Cosmología?

El estudio del universo: su estructura, origen, evolución y destino

Nuestra visión del universo

Nuestro modelo cosmológico

Muchas culturas han creado modelos del universo

La cosmología a través de los tiempos…

Siglo II: Claudio Ptolomeo (Física de Aristóteles)

Modelo: Cosmología geocéntrica Idea central: La Tierra y el cosmos se rigen por leyes distintas

Ha habido 3 revoluciones científicas en la cosmología:

Siglo XVI: Nicolás Copérnico (Física de Newton) Modelo: Cosmología heliocéntrica

Idea central: física universal, las leyes son las mismas en todas partes

Siglo XX: Edwin Hubble (Física de Einstein)Modelo: Cosmología de la Gran Explosión (Big Bang) Idea central: el universo cambia, evoluciona

Nuestra visión del cosmos – los modelos científicos

…“el movimiento natural de la Tierra …es hacia el centro del universo; es por esta razón que actualmente está en el centro.”

Aristóteles, Acerca del cielo

Cosmología geocéntrica: Claudio Ptolomeo, 100-170 DC

Predicción: Posiciones futuras de los planetas

Observación: Movimientos retrógrados de los planetas

Refinamiento: epiciclos

¡Éxito! Durante 1500 años

Prueba del modelo geocéntrico

Predicción: Sólo unas fases de Venus serían visibles

Observación: Todas las fases de Venus son visibles ¡Crisis!

Prueba del modelo geocéntrico

Cosmología heliocéntrica: Nicolás Copérnico 1473-1543

“En reposo, sin embargo, en el centro de todo está el Sol.”

Nicolás Copérnico, de Revolutionibus (Sobre las revoluciones de las esferas celestes)

Predicción: Posiciones futuras de los planetas

Observación: No mejor que el modelo ptolomeico

Refinamiento: órbitas elípticas (Johannes Kepler 1571-1630)

Prueba del modelo heliocéntrico

Predicción: Las posiciones de las estrellas deberían cambiar (paralaje) al girar la Tierra alrededor del Sol.

Observación: Las posiciones no cambian.

¿Crisis? No, pero fue necesario esperar hasta 1838 (Friedrich Bessel)

Prueba del modelo heliocéntrico

Predicción: El Sol está en el centro del cosmos

Observación: El Sol no es el centro del universo (1918)

Prueba del modelo heliocéntrico

¡Crisis!

Observación: Nuestra Galaxia no es todo el universo (1923)

Cosmología del Big Bang: Albert Einstein (1879-1955)

“Un ser humano es parte de un todo, que llamamos ‘universo’, una parte limitada en el tiempo y en el

espacio.”

Predicción: El universo se está expandiendo

Observación: Las galaxias se alejan unas de otras (1929)

Prueba del modelo del Big Bang

Evidencia de un universo en expansión

El espectro del gas de hidrógeno es como una huella digital única de dicho elemento

Lámpara de hidrógeno

Evidencia de un universo en expansión

Nebulosa de Orión

Si vemos un patrón como el observado en el laboratorio, sabemos que hay hidrógeno

Evidencia de un universo en expansión

Vemos el mismo patrón de líneas en el espectro de una galaxia, pero desplazado

hacia el rojo

Galaxia UGC 12915

Evidencia de un universo en expansión

Mientras más lejana es la galaxia, el desplazamiento del espectro es mayor

Galaxia UGC 12508

Evidencia de un universo en expansión

Galaxia KUG 1750

Mientras más grande es el desplazamiento al rojo del espectro, más rápidamente se aleja de nosotros la galaxia

Evidencia de un universo en expansión

El espectro se desplaza hacia el rojo porque el espacio se expande

Galaxia KUG 1217

Evidencia de un universo en expansión

El desplazamiento al rojo es evidencia de que el universo se expande

Galaxia IRAS F09159

Relación d-v para nebulosas extragalácticas

Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13

v = H0d/s

/s

Edwin Hubble

1889-1953

¿Cómo se alejan las galaxias?

Animación Modelo Big-Bang

Origen comprimido

Predicción: Si el universo fue más denso y caliente en el pasado, deberíamos poder ver evidencia del calor del universo joven

Observación: Calor residual del universo joven (Penzias & Wilson, 1965)

Prueba del modelo del Big Bang

Predicción: Un universo en expansión, originalmente denso y caliente, debería estar constituido principalmente por hidrógeno y helio

La masa del Sol: 74.5% H, 24% He

Observación: La masa del universo es ~75% hidrógeno, ~25% helio

Prueba del modelo del Big Bang

Cecilia Payne

Predicción: Un universo en expansión evoluciona con el tiempo. Si observamos el universo joven, debe verse distinto del actual.

Observación: Muchas galaxias distantes son menos evolucionadas, física y químicamente (ver en el espacio es ver hacia el pasado).

Prueba del modelo del Big Bang

Las galaxias hoy

Observation: 90% de la materia es de una clase desconocida: materia oscura

Refinamiento: Pero su gravedad funciona igual que la de la materia “normal”, y su presencia es necesaria para explicar el aspecto del universo.

El modelo del Big Bang

Vera Rubin

Observación: La expansión se está acelerando.

Refinamiento: Existe una cantidad de energía extra, de origen desconocido, de la que nos acabamos de percatar.Sin embargo, el concepto de energía oscura es una parte integral de la teoría de la gravitacion de Einstein (la relatividad general).

El modelo del Big Bang

Evidencia de la energia oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 1

Una estrella moribunda se transforma en una enana blanca.

Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 2

La enana blanca le arranca gas a su compañera estelar…

Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 3

…y lo utiliza para convertirse en una bomba de hidrógeno. ¡Pum!

Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 4

La explosión es tan brillante como todas las otras estrellas de la galaxia juntas

Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 5

…y puede verse a través del universo.

Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13

Diagrama de Hubble para SNs tipo Ia

Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13

hasta z ≈ 0.2hasta z ≈ 1

Desviaciones en el Diagrama de Hubble

Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13

30% MO, 70% EO

30% MO

100% MO

Aceleración, EODesaceleración, MO

Energía oscura73%

Materia oscura23%

“Materia normal”4%

Conclusiones

• El modelo del Big Bang describe lo que entendemos actualmente del origen y la evolución del universo

• Nuevos descubrimientos, como la materia oscura y la expansión acelerada (energía oscura) nos conducen a refinar el modelo. Todavía no hay una crisis.• La ciencia es un proceso continuo que nos fuerza a probar nuestros modelos a través de la predicción yla observación. Mientras más pruebas pasan, más confianza podemos tener en ellos.

El futuro de la cosmología: más allá de Einstein

• ¿Qué produjo el Big Bang?

• ¿Qué es la energía oscura?

• ¿Cómo era el universo en los primeros segundos?

Créditos

Colliding galaxies: NASA & the Hubble Heritage Team (STScI)

Phases of Venus: Albert Van Helden

Star field: NASA/GSFC

Andromeda: Palomar Observatory, P. Challis, CfA

HGC 87: Gemini Observatory/GMOS-S

Galaxy cluster: Jean-Charles Cuillandre (CFHT), Hawaiian Starlight, CFHT

Orion nebula: MicroObservatory, SAO

Galaxy data: courtesy Emilio Falco, CfA

Comic microwave background: NASA/WMAP

Sun: SOHO/NASA/ESA

Cecilia Payne: President and Fellows of Harvard College

Early galaxies: NASA, Richard Griffiths/JHU, Medium Deep Survey Team

Edge-on galaxy: Bruce Hugo and Leslie Gaul, AdamBlock (KPNO Visitor Program), NOAO, AURA, NSF

Ring nebula: H. Bond et al., Hubble Heritage Team (STScI / AURA), NASA

White dwarf accretion: STScI, NASA

Supernova Remnant: NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair

Galaxy and supernova data: High-Z Supernova Search Team, HST, NASA

Composition of the universe: SAO

Spacecraft and Einstein probes: NASA

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¡Gracias!

Additional Credits

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This presentation was initially developed for the “Modeling the Universe” educator workshop by the Universe Education Forum and our NASA mission partners.

For additional information and activities related to the themes of this presentation, please visit the “Modeling the Universe” web site:

http://www.universeforum.org/mtu/

This collaboration is part of the education and public outreach program from NASA’s Science Mission Directorate.