MODERNAJAVIER DE LUCAS

TEORAS DEL ORIGEN DEL UNIVERSOModelos de Cosmologas antiguas

Einstein (1917): Teora de relatividad general, un modelo de Universo modific sus ecuaciones con una constante cosmolgica para evitar la expansin

Lemaitre (1931): Universo empez en una gran explosin del supertomo

George Gamov, Ralph Alpher, Robert Herman (1948): proponen un modelo ms elaborado en la misma lnea base del modelo estndar de hoy da

Fred Hoyle (1948): Teora del Estado estacionario

Varios: Modelo Estndar del Big Bang: modelo actual

Varios: Modelos basados en Cosmologa Cuntica. Hawking: Tiempo complejo-Ausencia de lmites

Hoy da se acepta al Big Bang [BB] con Inflacin [Inf] y l-Materia Oscura Fra [l-MOF]

(la letra griega l"Lambda" se usa para designar a la Energa Oscura)

MODELO ESTANDARcomo el mejor modelo existente que describe los datos astronmicos observados hasta ahora [BB] [Inf] [l-MOF]

LA RELATIVIDAD GENERALEn 1914, Einstein publica esta teora que generaliza a marcos de referencia que pueden estar acelerados.

Esta teora es muy importante en Astronoma, puesto que permite entender la evolucin misma del Universo

LA RELATIVIDAD GENERAL Es la teora relativista de la gravitacin

Dos caractersticas fundamentales

1.- Espacio-tiempo est afectado por la materia: la masa lo puede curvar

2.- La materia se mueve a lo largo de lneas en el espacio-tiempo curvado

La materia le dice al espacio cmo curvarse, el espacio le dice a la materia cmo moverse

El Universo despus de Einstein

Espectro de referencia. La lmpara est montada en el telescopioESPECTROS

vSe acerca al observadorvEn reposo c.r.a observadorSe aleja del observadorSe observa un corrimiento al Azul: blueshiftSe observa un corrimiento al rojo: redshiftCambia , dependiendo de la direccin del movimiento de la fuenteEFECTO DOPPLER

Alexander Friedmann 1888-1925

Encuentra soluciones de la Ecuaciones de Einstein, en las que se percibe un Universo en expansin.The stationary type of Universe comprises only two cases which were considered by Einstein and de Sitter. The variable type of Universe represents a great variety of cases; there can be cases of this type when the world's radius of curvature ... is constantly increasing in time; cases are also possible when the radius of curvature changes periodically ... Friedmann (19 de Junio de 1922)

The results concerning the non-stationary world, contained in [Friedmann's] work, appear to me suspicious. In reality it turns out that the solution given in it does not satisfy the field equations Respuesta de Einstein (18 de septiembre de 1922)

Friedmann (1922-1924) determin las diferentes soluciones para la dinmica del Universo en la Relatividad general.Dependen de la densidad del Universo con respecto a la densidad crtica = crit

Universo Einstein-de-Sitter < crit > crit

SOLUCIONES DE FRIEDMANN

La ecuacin de FriedmannEsfera de masa M, radio RS, expandindose o contrayndose

donde RS = a(t) rS y rS es el radio de la esfera ahora

George Lemaitre (1894-1966)Sacerdote jesuita, belga.

En 1927 demostr que las ecuaciones de Einstein implican que el Universo est en expansin, lo cual fue demostrado por Hubble en 1929. En 1932 present una conferencia a la que asistieron Einstein y Hubble. A su trmino, Einstein coment:

Es sta la ms bella y satisfactoria explicacin de la creacin que haya odo nunca

Es conocido como el padre de la teora del Big Bang, nombre acuado por Fred Hoyle.

Muere el 20 de Junio de 1966, poco despus del Descubrimiento de la Radiacin de Fondo.

Uno de los principales precursores de la Teora del Big Bang. Propuso que el Universo comenz en un estado de muy alta densidad y temperatura (una Gran Bola de Fuego) que despus se enfri. Hizo trabajos en una gran diversidad de temas cientficos: explic cmo pueden unirse 2 partculas de cargas positivas para formar ncleos ms pesados (factor de penetracin de Gamow); abundancia primordial, el decaimiento ; biofsica, etc. George Gamow

Visita de Einstein a Monte Wilson en 1931Humason, Hubble, St. John, Michelson, Einstein, Campbell, Adams George E.Hale

Vesto Melvin Slipher(1875-1969)Fue el primero en medir la velocidad de las galaxias (la primera fue M31 en 1912)

Tomando espectros de hasta 80 horas de exposicin, descubri que las galaxias se alejan de nosotros.

Esta fue la primera evidencia de la Expansin del Universo. Lowell Observatory, Flagstaff, Arizona

Edwin Hubble (1889-1953) Las Galaxias son Universos IslaEl Universo se expande y obedece la Ley de Hubble V=H DEstudios acerca de la homogeneidad e isotropa del Universo.Sus principales resultados estn en su libro: The Realm of the Nebulae, Edwin Hubble

LEY DE HUBBLE V = Ho D

LEY DE HUBBLE (1929)Relacin entre la velocidad de recensin con respecto a nosotros y ladistancia

Expansin del universo

LEY DE HUBBLE Universo est en expansinEn el pasado era ms pequeoTiene que haber tenido un comienzo Big BangEstamos nosotros en un un sitio privilegiado? No. Es igual para todos los sitios

Velocidad proporcional a distancia para todas las galaxias

Constante de Hubble

Valores de la constante de Hubble a travs del tiempo

Hubble (1926): 500 km s-1 Mpc-1Sandage (1956): 75 km s-1 Mpc-1Desde entonces: 50-100 km s-1 Mpc-1Valor desde 2003: 65-75 km s-1 Mpc-1

VALOR DE H

Actual Ho= 71 km/sec/Mpc (con un margen de error del 5%). Edad del Universo: 13.700 millones de aos

Segn la teora que explica mejor los datos, el Universo se expandir por siempre.

Historia del Universopoca de recombinacin: Recombinacin de electrones y protones, desacoplamiento de fotones, formacin de estructuras pregalcticas Ncleosntesis primordialUniverso dominado por materia

EL UNIVERSO EN UN AO1 Enero 0h00: Big Bang1 En. 2h30m: poca de recombinacinAbril: Se forma la Va LcteaJunio: Se forma el Sol y la TierraDiciembre: Oxgeno en nuestra atmsfera19 Dic.: Peces21 Dic.: Plantas, insectos, anfibios25 Dic.: Dinosaurios30 Dic.: Mamferos31 Dic. 23 horas: Aparece el hombre

DEMOSTRANDO ELBIG BANG Ley de Hubble Expansin del Universo

Radiacin de fondo de microondas

Abundancia de He (y algunos otros elementos ligeros)

DETECCIN DE LA RADIACIN DE FONDODescubierta en 1965 por casualidad por Wilson y Penzias, que trabajaban para la misma compaa de telfono que Jansky

Enorme apoyo para el modelo del Big Bang

El descubrimiento de la Radiacin de Fondo en el Universo acab con el Modelo del Estado EstacionarioMODELO DEL ESTADO ESTACIONARIOHermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle.

Teora que sostiene que el Universo ha sido y siempre sercomo es hoy. Supone que el Universo es uniforme, infinito y que no est en expansin. Requiere de creacin continua de materia

Que es la radiacin de fondo?Superficie de ltima interaccin entre materia y radiacin

Radiacin milimtrica del fondoFotones que se liberaron en la poca de recombinacinTenan entonces 3000KHan perdido su energa debido a la expansin, hasta los 2,725 K actuales

Radiacin de fondo vista por COBE (1992) y WMAP (2003)Espectro curva planckiana perfecta

Temperatura 2.7 K, como esperado

Muy homogneo:Fluctuaciones de 1 parte en 106

Futura misin europea: Planck (2007)

Fluctuaciones en la Temperatura

El Universo tiene 13,7 mil millones de aos con un margen de error de aproximadamente 1%.

Las primeras estrellas se formaron 200 millones despus del Big Bang.

La luz de WMAP (Radiacin de Fondo Csmico) inicia su viaje 380000 aos despus del Big Bang.

Contenido del Universo:

4% tomos, 23% Materia Oscura Fra, 73% energa Oscura.

Los datos imponen restricciones acerca de la energa Oscura. Parece ser ms una constante cosmolgica" que un campo de energa con presin negativa, denominada "quintaessencia". Pero an no se descarta esta ltima.

Los neutrinos no juegan un papel relevante en la evolucin de la estructura en el Universo. Estos hubieran prevenido el colapso temprano del gas en el Universo, retrasando la aparicin de las primeras estrellas, lo que estara en conflicto con los datos de WMAP.

Observaciones de COBEExplorador del Fondo Csmico

TCMB = To(1+z).

La Teora de Big Bang predice que la temperatura defondo csmico es una funcin lineal del redshift z, de acuerdo con la siguiente expresin La siguiente grfica muestra que dicha prediccin concuerda con las observaciones.

NUCLEOSNTESIS PRIMORDIALObservaciones:

Gas consta de 75% de H y 25% de He. Tanto He no se puede formar en estrellas (la cantidad predicha debido a formacin estelar es 0.25%)Se observa D y Li, elementos que no se pueden producir en estrellas, sino ms bien se destruyen

1964: Hoyle & Taylor calcularon que el 25% de He se puede producir en poca caliente despus del Big Bang.Tambin se produce D (2H), 3He y Li

La Teora del Big Bang predice lo correcto

NUCLEOSNTESIS PRIMORDIALNucleosntesis tiene lugar algunos minutos despus del Big Bang cuando la temperatura est entre 1032 K y 109 K.

Los elementos He, D y Li se forman cuando chocan protones y neutrones cantidad que se forma depende de la abundancia de p y n (= bariones)

Con una abundancia de bariones correspondiente a unos % de la densidad crtica (vase despus) se puede explicar la abundancia de He, D y Li

D se destruye en colisiones con materia su abundancia da un limite a la masa barionica (p, n) en el Universo

Nucleosntesis primordial da resultados consistentes para los tres elementos a la vez Necesidad de materia oscura no-barionica

Abundancia de elementos ms pesados que el H con respecto a la abundancia del hidrgeno, en funcin de la densidad barinica

(expresado en trmino de la densidad crtica)

EVOLUCION DEL UNIVERSO

The First Few Moments

COMO ES EL UNIVERSO EN QUE VIVIMOS? Principio Cosmolgico:El Universo es homogneo e istropo.a escalas grandesY puede ser plano, abierto o cerrado

PLANOCERRADOABIERTO

EL UNIVERSO SE EXPANDEACELERADAMENTE

COMPOSICION DEL UNIVERSO

COMPOSICION DEL UNIVERSO

LovachevskiGaussRiemmanEinstein

La Densidad est relacionado con la geometra en el modelo estndar ms simple (constante cosmolgica = 0):Plano = crit

Curvatura positiva > crit Curvatura negativa < crit

LA MASADEFORMA EL ESPACIO

ATAJOS ESPACIALES?

Hoy da se acepta al Big Bang [BB] con Inflacin [Inf] y l-Materia Oscura Fra [l-MOF]

(la letra griega l"Lambda" se usa para designar a la Energa Oscura)

MODELO ESTANDARcomo el mejor modelo existente que describe los datos astronmicos observados hasta ahora

Es importante recalcar que el Big Bang no es como una explosin, sino que, a partir de una "singularidad", el entramado del propio espacio es el que se expande. Con el Big Bang comienza el espacio y el tiempo, y la teora ha sido comprobada lo suficiente como para que, en la actualidad, la gran mayora de la comunidad cientfica la apoye.

Recordemos el descubrimiento de Penzias y Wilson de la radiacin csmica de fondo de microondas, el "eco" del Big Bang, y ms recientemente los trabajos de George Smoot basados en los datos suministrados por el satlite COBE, los hallazgos del WMAP y otros

BIG BANG

Y antes? Es lgico hacerse esta pregunta? Dentro del Modelo Estndar, el Big Bang ocurre en el tiempo t = 0, "antes" no tiene sentido.

En cualquier caso, nuestra manera de entender el tiempo nos lleva, inevitablemente, a hacernos esta pregunta. La respuesta involucra, necesariamente, a la Mecnica Cuntica y a la Relatividad General.

A la primera, porque cuando el Universo era muy joven pas por una poca en la cual su tamao era comparable al de un tomo, y por tanto se rega por las leyes de la Mecnica Cuntica; a la segunda, porque las propiedades del espacio-tiempo se rigen por la Relatividad General.

BIG BANG

LA SINGULARIDAD

Sentado cientficamente el hecho del comienzo del Universo a partir de una singularidad, esto es, a partir de un punto de mxima densidad y mnimo volumen, el entramado del tiempo y el espacio sufre una "inflacin", es decir, un aumento vertiginoso de dimensiones en intervalos infinitsimos, para continuar luego un proceso expansivo que apareja una disminucin de la temperatura inicial.

La singularidad del Big Bang fue demostrada a principios de los aos setenta por Stephen Hawking y Roger Penrose; en Matemticas, se entiende por singularidad un punto en el cual la funcin definida diverge hacia valores infinitos; en Fsica, una singularidad es una regin del espacio-tiempo en la cual la curvatura es tan grande que las leyes relativistas no operan, ocupando su lugar las mecanico-cunticas.

BIG BANG

El BB original [modelo de Fridman-Lamaitre-Roberston-Walker, FLRW] fue confirmado en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson, con el descubrimiento de la RADIACIN COSMOLGICA DE FONDO [RCF], con lo cual ganaron el Premio Nobel en 1978.

Este modelo cosmolgico fue construdo, en 1931, por el fsico, matemtico, astrnomo, cosmlogo y sacerdote belga Georges douard Lamatre (1894-1966), basndose en los trabajos tericos de Einstein [quin haba propuesto anteriormenteun modelo cosmolgico esttico, no evolutivo, del Universo, de acuerdo con las creencias cientficas heredadas de su poca] y del fsico ruso Alexander Friedman [quin descubri que el modelo esttico propuesto por Einstein era inestable y por lo tanto tal modelo debera ser del tipo "expansionista", y debera describir a un Universo evolutivo en expansin], y fue posteriormente desarrollada por los fsicos Ralph Asher Alpher, George Gamow y Hans Bethe [el grupo "alfa-beta-gamma"], la cual publicaron en 1948. MODELO ESTANDARBIG BANG

Para resolver muchos problemas del BB original (1981: Alan Guth, Andrei Linde, y otros) se asume, aunque no se explica, que durante la evolucin del Universo, el mismo pas a travs de un perodo de expansin super-luminal (ms rpido que la velocidad de la luz), en el cual el factor de escala era exponencial, a(t) ~ [f(t)] ; durante tal perodo, el Universo obtuvo una geometra plana y tambin se originaron las fluctuaciones de densidad de materia (desviaciones de la homogeneidad e isotropa) necesarias para crear las estructuras observadas hoy dia, a partir del colapso gravitacional de las regiones donde la materia estaba ms concentrada.

Los datos astronmicos recopilados por experimentos observacionales con satlites [1992: COBE = Cosmic Background Explorer] globos y otros aparatos, como BOOMERANG-1998 (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), DASI-2001 (Degree Angular Scale Interferometer), WPAP(2003) y otros, representan un apoyo muy fuerte a favor de la existencia de tal perodo. Sin embargo, parece ser que tales evidencias aun no son concluyentes y se espera obtenerlas con la ayuda de la alta resolucin del satlite europeo PLANCK (2007), el cual medir la polarizacin de la RCF causada por las ondas gravitacionales que, supuestamente, quedaron remanentes de dicho perodo:INFLACION

Si la extrapolacin hacia el pasado es correcta, hace mucho tiempo atrs todas las galaxias estaban muy cerca una de la otra. Podemos ir aun ms atrs, hasta el tiempo en que a(t) = 0 : el modelo entonces predice que para este tiempo, definido como "t = 0, el origen", no exista distancia alguna entre un "punto" y otro en el Universo. TODO EL UNIVERSO SE ENCONTRABA EN UN ESTADO DE INFINITA DENSIDAD Y TEMPERATURA, estado al cual se le llama SINGULARIDAD INICIAL [S-I] Como es bien sabido, una singularidad es un infinito matemtico

Desde el xito de este modelo, en 1965, hasta la fecha, se han hecho muchas investigaciones tericas para encontrar una solucin que elimine a la S-I del modelo, y se ha llegado a la conclusin de que NO ES POSIBLE eliminarla dentro del marco clsico de la Relatividad General: se deben introducir correcciones (cunticas y/o no-lineales y/o alguna idea nueva, etc) a las ecuaciones del modelo para evitar que el Universo colapse cuando t tiende a 0.

Sin embargo, an no ha sido posible eliminar a la S-I; lo nico que se ha logrado es que algunas magnitudes, que describen ciertas propiedades del Universo, adquieran valores "estacionarios" cerca de la S-I, y no tiendan a infinito... la S-I an persiste.

En otros modelos ms complicados se logra eliminar a la S-I describiendo al evento "origen del Universo" como un fenmeno de transicin por Efecto Tnel (efecto estudiado en Fsica Cuntica) : el Universo se describe como una fluctuacin cuntica de un estado de vaco de un "algo" indeterminado [1948: Alexander Vilenkin]. Este tipo de ideas se estudian dentro del marco de los denominados modelos de COSMOLOGA CUNTICA . La evolucin de este fludo perfecto se da dentro de un espacio-tiempo en expansin y de ste fludo surge todo lo observado hoy da en el Universo. COSMOLOGIACUANTICA

Siempre se ha entendido el concepto de "nada" como la ausencia de todo, de espacio, tiempo, materia y energa. En Mecnica Cuntica, el concepto de nada es sustitudo por el de "vaco cuntico", la ausencia de todo excepto de fluctuaciones. Al ser intemporal, "siempre ha estado ah". Cuando el vaco cuntico se perturba, da lugar a materia ms antimateria, a la generacin de "algo" y exactamente la misma cantidad de "antialgo", para que de esta forma se mantenga la propiedad esencial del vaco de no contener nada material. El vaco debe contener el espacio-tiempo, en su forma ms primigenia (singularidad), y tambin un antiespacio-tiempo; pero segn la Cosmologa Cuntica, la naturaleza del espacio- tiempo es tal que su nmesis coincide consigo misma.

Esto implica la "aparicin" de singularidades originarias de Big Bangs, y por tanto, de Universos, en un nmero ilimitado e indeterminado de ocasiones, lo que nos lleva a la idea de la existencia actual de mltiples Universos, cuyas diferencias estriban, principalmente, en sus geometras. Todos son posibles, aunque son ms probables los que cumplen las leyes de la Relatividad General.

Siguiendo el Principio Antrpico, nuestro Universo es como es porque aqu estamos nosotros para preguntarnos por qu es precisamente as. Es un Universo capaz de evolucionar hasta la aparicin de la inteligencia, regido por unas leyes muy estrictas que permiten este singular evento. El hombre inteligente se pregunta por sus orgenes y trata, a lo largo de la Historia, de entender su existencia, para lo que construye, con tesn admirable, y a travs de modelos, el edificio de la Ciencia.

LA NADA YEL VACIO CUANTICO

COSMOLOGIA CUANTICA

LA AUSENCIA DE LIMITES

Centrndonos en nuestro Universo, y siguiendo la Teora de la Ausencia de Lmites, de Stephen Hawking y Jim Hartle, estamos en un Universo oscilante, esto es, en un Universo sujeto a una sucesin interminable de expansiones y contracciones, pero con una notable, muy notable, particularidad. Siempre se asocia el Big Bang con el tiempo igual a cero, y el Big Crunch con el tiempo final, que es el modelo clsico de Friedmann delUniverso oscilante para una masa total capaz de frenar la expansin por la gravedad.

Segn el modelo de Hawking, una vez producido el primer Big Bang correspondiente a la fluctuacin cuntica que origin nuestro Universo, se produce la inflacin y posterior expansin del espacio en un "tiempo complejo".

El tiempo que nosotros manejamos es slo una de las dos componentes del tiempo complejo, la componente real, existiendo otra componente, la componente imaginaria. En el Big Bang, la componente real es cero, pero no lo es la componente imaginaria. A lo largo de la expansin, crece paulatinamente la componente real, mientras la imaginaria disminuye. El Universo en expansin llega a un radio crtico, a partir del cual cesa la expansin y comienza el colapso; el tiempo real comienza a disminuir hasta llegar a cero (Big Crunch), pero el tiempo imaginario ha ido aumentando, por lo que el tiempo complejo nunca se hace cero. Esto involucra la desaparicin de las "singularidades", y por lo tanto, un Universo finito pero ilimitado, sin bordes ni fronteras, autocontenido.

Podramos visualizarlo en un smil como la esfera terrestre desde una perspectiva bidimensional, desplazndonos por su superficie desde el polo norte, que sera el Big Bang (ya no es una singularidad!), alcanzando un tamao mximo en el ecuador, comprimindose despus hasta alcanzar el polo sur, que sera el Big Crunch (tampoco es una singularidad), y a su vez una nueva expansin hasta volver al ecuador, donde vuelve a alcanzar su mximo tamao, y nueva compresin hasta el polo norte (Big Crunch e inmediato Big Bang), en una infinita serie de ciclos

Parmetros cosmolgicos Determinados con observaciones de:Constante de Hubble en funcin de distanciaFondo de microondas csmicos (WMAP)Resultados:Densidad critica (geometra plana)Materia: 30%Bariones: 3%Bariones visibles 0.3%Materia oscura 27%Energa oscura: 70%Futuro del Universo: expansin exponencial Edad del Universo: 13,7 mil millones de aos

CONCLUSION

FIN

Da ejemplo de una sbana con una manzanaDecir que mucho tiempo haba disputa sobre si el universo fue creado en big bang o si era estatico.Tambien Einstein crea en universo estticoEl nombre Big Bang viene como nombre despectivo de un representante famoso (y militante) del grupo del universo estatico, Fred HoyleThe predicted abundance of elements heavier than hydrogen, as a function of the density of baryons in the universe (expressed in terms of the fraction of critical density in baryons, Omega_B and the Hubble constant, h).