EL UNIVERSO:n preguntas y m respuestas, con n >> m

Escuela de FísicaUIS diciembre 2013hectorrago@gmail.com

PREGUNTAS [FAQ]

Por qué nosotros?

La ciencia es una empresa con vocación imperialista

Siglo XVII Sistema Solar Técnicas observación Ley de Gravitación

Siglo XIX Electromagnetismo Tecnología Ec. Maxwell

Siglo XX Estructura de la materia Tecnología Cuántica, Relatividad

RadioAstronomía, infrarroja, ccd, Telescopios espaciales, Modelo estándar, capacidad de cómputo y de manejo de datos…

Descripción más creible, más precisa, más extensaDe la realidad física.Conocimiento factible de nuestro universo

OBSERVACIONES TEORIAS

Dónde estaba el universo desarrollando esa historia?

En todas partes, el universo es uniforme espacialmente.

No hay puntos privilegiados, no hay centro ni fronteras

A gran escala el espacio es homogéneo e isótropo

Escala: 108 años-luz ~200.000 cubos homogéneos

4300 ºCuadradosaños-luz

287.000cubos uniformes

Quién controla la expansión? R.- La gravedad

Quién controla la gravedad? R.- Las densidades de materia-energía

Relatividad general

Expansión R(t)

Materia

€

ρ Geometría k

€

˙ R

R

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

2

=8πG

3(ρ rad + ρ mat + ρ x ...) −

k

R2Ecuación fundamental

Por qué se habla de geometría del espacio?

La materia distorsiona el espacio y lo hace no euclideano.

Homogeneidad:

k = 1

k = -1

k = 0

Cómo sabemos que el universo se está expandiendo?

R1.- Porque lo dice la teoría (G. Lemaitre, 1927)

R2.- Porque se observa que las galaxias se alejan de nosotros.

1

€

V = H (t0 )L H0 =˙ R

R

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟0

Ley (observacional de Hubble

€

V = H (t)L H (t) =˙ R

R

Qué es un modelo de universo?

R.- Es una suposición acerca del contenido material del universo, y cómo cambia con R.

La Ecuación Fundamental se integra y se obtiene R(t) en términos de las densidades actuales y de H0

€

R−1(t) = z +1

Con R(t) se calcula la edad del universo…

€

H (t), ˙ ̇ R (t),

€

ρ

Con traducimos de t a z

€

λ ~ R ⇒ λ 0

λ=

R0

R

Para un modelo de universo, cómo calculamos la edad?

R.- Dado R(t) calculamos dR(t)/dt y de allí H(t)

luego despejamos el t0 en el que H vale H0 (valor medido)

Ejemplo: Si sólo hubiera materia usual, y k = 0

€

R(t) = At 2/3

˙ R (t) =2

3t−1/3

€

H (t) =˙ R

R=

2

3t⇒ t0 =

2

3H0

€

H0 = 68Km / seg

Mpsec

Satélite Planck, 2013

€

t0 = 8,8 ×109 años

Y cuál es la edad del universo? R.- Ya va

Cuál es la geometría del espacio a escala cosmológica?

R.- k = 0 el espacio es EUCLIDIANO!!

Cómo sabemos eso?

R.- Por el fondo de radiación de microondas

R.- Por el fondo de radiación de microondas

Cuál es la longitud de onda del modo fundamental?

€

Dh = vs × td

Dh0 ≈ 5 ×107 años

R.- Una distancia privilegiada:

Con qué ángulo vemos esa longitud en el fondo de radiación?

€

α =10

€

Dh

R.-

R.- Por el fondo de radiación de microondas

k = 0

Qué hay en el universo y en qué cantidad?

€

H 2 =8πG

3(ρ rad + ρ mat + ρ x )

1 =(ρ rad + ρ mat + ρ x )

3H08πG

= Ωrad +Ωmat +Ω x

Por la temperatura de la radiación:

€

Ωrad = 5 ×10−5

Por lentes gravitacionales y por los efectos gravitacionales sobre estrellasen galaxias y cúmulos de galaxias, y Temperatura de gases en cúmulos.

€

Ωmat = 0, 30

€

Ωx = 0, 70

Respuesta:

EcuaciónFundamental

Qué es la materia oscura?

R.- Es la materia cuyos efectos gravitacionales mantienen cohesionados a galaxias y cúmulos de galaxias.

Materia faltante, materia oscura, materia invisible?Mercurio y nueva física

Cómo sabemos que la materia oscura no es materia normal?

Porque la abundancia de elementos ligeros es un indicador de la densidad de materia normal

€

ΩBariones = 0,04

Si no es materia normal, qué es la materia oscura?

R.- No sé / nadie sabe. Pero es “fría” CDM

WIMP’s: W(eak) I(nteracting) M(assive P(articles)

M~ 100Mprotón Neutralino, [Supersimetría o de Dimensiones extra]

Axiones

Qué es la energía oscura?

R.- Es el nombre dado al 70% de la masa-energía que no se agrupa gravitacionalmente.

Si su densidad es constante:

€

˙ R

R

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

2

=8πG

3ρ vac ⇒ R(t) ~ eαt

No hay big bang

a

Aceleración !!

De qué está compuesta la energía oscura?

R.- Nadie sabe.

1.- Energía del vacío…pero…

2.- Constante cosmológica

2.- Quintaesencia

€

peo =ωρ eo€

λ → 8πGρ vac pvac = −ρ vac

Cuál es la temperatura del universo?

R.- 2,73 ºK medido usando el espectro de Planck de la radiación

Pero

€

T ∝ R−1 ⇒ T = (z +1)T0

408 fotones/cc

Puede una galaxia tener velocidades mayores que la de la luz?

R.- SI!!

V

L

c

Movimiento peculiar en el espacio, relatividad especial

V

LLH

c

V > cV < c

V = c

MORALEJA: La esfera de Hubble NO es el límite del universo!!

Podremos ver una galaxia que esté fuera de la esfera de Hubble?

Es el universo infinito?

R-. Si k = 0 el universo es infinito: Las secciones t = constante lo son.

El universo observable (en modelos con un big bang) presentanun horizonte cuya distancia es lo que la luz que salió en t = 0 (z = ∞) ha recorrido hasta ahora. .

.

Puede un universo de 13.800 millardos de años ser mas grande que eso en años luz?

R.- Sí. Hay que recordar que D = ct es la distancia en un espacio que no se “estire” En nuestro universo, D(horizonte) ~ 3ct0 ~ 42 mil-millones de años luz

Cuál es el factor de escala de nuestro universo real?

t

a

€

a(t) = Asinh2/3(t / tv )

R.-Integrando la Ecuación Fundamental con Los valores observacionales

Se acelera nuestro universo real?

q

€

t

t0

€

tD

€

q(t) =1

2[1− 3tanh2(t / tv )R.-

z ~ 0,75

€

q(t) = −˙ ̇ a

aH 2

Hay evidencias observacionales de la aceleración de la expansión?

€

q0 = −0,61

A. Riess S. Perlmutter B. Schmidt

€

ρm ~ R−3

Radia

ción d

om

ina

Materia domina Vacío domina

Quién controla la expansión?

R.- Depende de cuándo

Por qué el universo está hecho de materia y no de materia y antimateria ?

R1.- El universo muy temprano era simétrico materia / antimateria,pero una leve asimetría de las leyes etc. etc…

R2.- No sabemos

Cuál será la evolución futura del universo observable?

t

a

€

H (t) → const ⇒ LH → const

Salen galaxias de la esfera de Hubble

Universo se va despoblando !!

Qué había antes del bigbang?

Qué será de la vida de los multiuniversos, mega universos, universos paralelos?

Teoría cuántica de la gravitación?