Luz primordial:cincuentenario del descubrimiento

de la radiación del fondo cósmico

Alejandro Jenkins

UCR, escuela de física

Asociación Costarricense de Filosofía

miércoles 27 de agosto, 2014

Cosmología

Vincent van Gogh, Noche estrellada (1889)

Teníamos el cielo allá arriba, todo

lleno de estrellas, y solíamos

echarnos sobre nuestras espaldas

para mirarlas, discutiendo sobre si

habían sido hechas o si

sencillamente habían ocurrido. Yo

decía que habría tomado

demasiado tiempo hacer tantas.

Jim decía que tal vez la luna las

había puesto; eso parecía

razonable y no lo contradije,

porque una vez había visto a una

rana poner casi tantos huevos, así

que claramente era posible.

— Mark Twain, Las aventuras de

Huckleberry Finn (1884)

Sistema ptolomeico

• En la cosmología de Ptolomeo (c.

100 - c. 170 d.C.) la tierra es el

centro del Universo

• Sol, luna y cinco planetas giran a

su alrededor, según un sistema

matemático complejo

• Las estrellas están fijas en la

esfera celeste más lejana

• El Universo físico es concebido

como finito y limitado

Pedro Apiano, Cosmografía (1524)

Sistema copernicano

• Nicolás Copérnico propone un sistema

heliocéntrico en 1543

• Matemáticamente elegante, pero deja

importantes problemas sin resolver

• Johannes Kepler encuentra en 1609

que las órbitas son elípticas, no

circulares

• Observación de las fases de Venus

por Galileo en 1610 refuta el sistema

ptolomeico

• Ver: O. Gingerich, The Book Nobody

Read, (Penguin, 2004) Andreas Cellarius, Armonía macrocósmica (1661)

Paradoja de Olbers• ¿Por qué el cielo nocturno es mucho más

oscuro que el cielo diurno?

• En un Universo infinito y eterno, todas las

trayectorias visuales terminarían en la

superficie de alguna estrella

• El cielo, visto en cualquier dirección, debiera

entonces ser tan brillante como el sol

• Interrogante planteada por el copernicano

inglés Thomas Digges en el s. XVI

• Kepler en el s. XVII lo usa para argumentar

que el Universo tiene un límite

• Interrogante considerada por Halley y

Chéseaux en el s. XVIII, Heinrich Olbers y

otros en el s. XIXWikipedia

Bosque (in)finito

http://miriadna.com

Edgar Allan Poe

• En 1848, Poe publica el “poema en prosa” Eureka,

dedicado a Alexander von Humboldt y abocado a

especulaciones cosmológicas

• Argumenta que oscuridad del cielo nocturno sugiere

a que el Universo tuvo un inicio en el tiempo.

• “Poe, además de estar relativamente bien versado

en ciencia y matemáticas, parece haber tenido la

mente de un matemático.” — A. S. Eddington

• “Opto por la tesis platónica de la Musa y no por la

de Poe, que razonó, o fingió razonar, que la

escritura de un poema es una operación de la

inteligencia. No deja de admirarme que los clásicos

profesaran una tesis romántica, y un poeta

romántico, una tesis clásica.” — J. L. Borges

Eureka (1848)

• “Si la sucesión estrellas fuera infinita, entonces el trasfondo del cielo

tendría una luminosidad uniforme, como la que muestra la [Vía

Láctea], ya que no habría absolutamente ningún punto, en todo ese

trasfondo, en que no existiera una estrella. La única manera, por lo

tanto, bajo este estado de cosas, en que podríamos comprender los

vacíos que nuestros telescopios hallan en incontables direcciones,

sería suponiendo que la distancia al trasfondo invisible es tan vasta

que ningún rayo de luz ha podido llegar desde él hasta nosotros.”

• Mismo argumento sería replanteado, independientemente, por

Johann Mädler en 1861 y Lord Kelvin en 1901

• Ver: E. R. Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe,

(Harvard U. Press, 1987)

Relatividad general• Einstein plantea la teoría de la

relatividad restringida en 1905, a

partir del estudio de los fenómenos

electromagnéticos

• La relatividad restringida es

incompatible con la gravedad

newtoniana, pero no indica cómo

modificarla

• La teoría relativista de la gravedad,

desarrollada por Einstein (1915) y

David Hilbert (1916), es conocida

como teoría general de la

relatividad

energíaCurvatura del

espacio-tiempo

Big Bang• Alexander Friedmann, Georges LeMaître, Howard P.

Robertson y Arthur G. Walker encuentran soluciones a las

ecuaciones de Einstein según las cuales el Universo no sería

estático y tendría un inicio en el tiempo

• Einstein las rechazó hasta 1929, cuando Edwin Hubble publicó

evidencia experimental de que las galaxias se están alejando

entre sí

• Big Bang (“gran explosión”) acuñado en sorna por Fred Hoyle en

1950

• Otro enemigo declarado del Big Bang fue el astrofísico sueco

Hannes Alfvén, premio Nobel de física en 1970

Universo en expansión

Simulación numérica con materia oscura fría, Ben Moore, U. of Zurich

Recombinación• Universo comienza muy caliente y se va enfriando al expandirse

• No hay átomos a más de 3000 K

• Cuando la temperatura cae por debajo de 3000 K, los electrones se

combinan con los protones para formar hidrógeno (“recombinación”)

• Esto ocurrió unos 300 000 años después del inicio de la expansión

• Tras la recombinación, el Universo se vuelve transparente

• George Gamow argumenta en 1946 que la cosmología del Big Bang

predice una radiación del fondo cósmico: la luz de la recombinación

• Hoy esta radiación tiene una temperatura de ~ 3 K y está principalmente el

el espectro de microondas

• Llamada en inglés cosmic microwave background (CMB)

Penzias y Wilson• Gamow, Alpher y Herman habían

predicho el CMB en los 1940s

• En 1964, Robert Dicke estaba

construyendo un sofisticado

experimento para detectarlo

• Descubierto accidentalmente por

dos radioastrónomos de Bell Labs,

Arno Penzias y Robert Wilson

• Inicialmente lo tomaron por un ruido

de origen desconocido

• Evidencia convincente de la

realidad del Big Bang

Bell Labs

Método científico

Limpiando el interior de la antena, 1964

En Estocolmo, 1978

Problemas con el Big Bang,

c. 1979• El modelo cosmológico del Big Bang dejaba varias preguntas sin

responder

• Flatness problem: ¿Por qué la geometría del Universo es tan

plana?

• Horizon problem: ¿Por qué la distribución de galaxias es

homogénea?

• Monopole problem: ¿Por qué no hay una enorme abundancia de

monopolos magnéticos?

• Estas tres interrogantes son resueltas por la inflación cósmica,

desarrollada por Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky

Inflación cósmica• Breve período de crecimiento exponencial

del tamaño del Universo, entre 10-36 y 10-32

s después de la singularidad inicial

• De un mil millonésimo del tamaño de un

protón, a algo como el tamaño de una

naranja

• Volumen aumenta por un factor al menos

de 1078

• Fluctuaciones cuánticas generan

perturbaciones primordiales de

densidad, que luego sirven de “semillas”

para las galaxias y cúmulos de galaxias

• Consistente con observación de las

anisotropías en el CMB

Cuaderno de Alan Guth. Fuente: revista Symmetry

Cielo en microondas

D. Castelvecchi, “The Growth of Inflation,” Symmetry, dic. 2004 / ene. 2005

COBE y WMAP (NASA)

• El satélite COBE (1989-1993)

mide por primera vez las

anisotropías en el CMB

• Introduce una nueva era de

precisión en la cosmología

física

• Premio Nobel 2006 a John C.

Mather y George F. Smoot

• Misión WMAP (2001-2012)

consigue mejora sustancial en

la resolución

Planck (ESA)

Fuente: ESA, grupo científico de la misión Planck, 2012

Historia universal

Fuente: NASA, grupo científico de WMAP

Controversia BICEP2• La inflación cósmica predice también otro tipo de

perturbaciones primordiales (de carácter “tensorial”)

• Equivalen a ondas gravitacionales, producto de las

fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo

• A principios de este año, el experimento BICEP2 dijo

haber encontrado evidencia de esas perturbaciones

en la polarización del CMB

• Se anunció a la prensa con mucho estruendo

• Pero rápidamente surgieron dudas respecto a si el

análisis experimental podía restar convincentemente

la radiación emitida por el polvo intra-galáctico

• Ver: Spergel, Flauger y Hill; Mortonson y Seljak

(2014)

• En los próximos días esperamos un anuncio por parte

de la misión PlanckTelescopio de BICEP2 (derecha), en la Antártida.

Fuente: Wikipedia

Conclusiones• El CMB es la luz más antigua y más distante

que que podamos observar

• Sus propiedades nos indican cómo estaba

conformada y distribuida la materia 300 000

años después del Big Bang, al momento de la

“recombinación”

• Podemos extrapolar teóricamente hasta una

pequeña fracción de segundo después del Big

Bang

• Medición de anisotropías del CMB ha hecho de

la cosmología física una ciencia experimental

precisa

• Datos apoyan modelo de inflación cósmica

• Sigue siendo hoy un tema sumamente activo de

investigación y debate

Fuente: http://www.astro.ucla.edu/%7Ewright/BBhistory.html