Lectura Obligatoria: Barbara Ryden (Epílogo)
Lectura Sugerida:

Capítulo 12: Resumen y Comentarios finales

I. Hitos importantes en la evolución del Universo

El modelo cosmologico estandar del "Big Bang caliente" sostiene que el Universo esta en expansion a partir de un estado denso y caliente. En su evolucion podemos distinguir distintas etapas por medio de las cuales el Universo evoluciona desde la simpleza hacia la complejidad.



Las primeras etapas son bastante especulativas:



Era	Tiempo	Factor de escala (a)	Redshift	Temperatura (K)	Energía (eV)
Big Bang	0	0	∞	∞	∞
Era de Planck/ TOE	<5×10-44 s	---	---	>1032	>1028
GUT	10-43-10-36 s	---	---	1028-1032	2×1024-2×1028

• Era de Planck: fluctuaciones cuanticas y una sola fuerza universal cuantica gravitatoria (Theory of Everything)
• Era GUT: gravedad + fuerza GUT (teoria)

Comienzan a aparecer evidencias experimentales en las siguientes etapas:

Era o Evento	Tiempo	Factor de escala (a)	Redshift	Temperatura (K)	Energía (eV)
Inflación	10-36-10-34 s	---	---	---	---
Era electrodebil	10-36-10-12 s	---	---	1015-1029	1011-1025
Era de particulas	10-12-10-3 s	---	---	1012-1015	108-1011
desacoplamiento de neutrinos	1 s	2×10-10	4×109	9×109	2×106
nucleosíntesis	200 s	3×10-9	3×108	8×108	2×105
igualdad materia-radiación	47.000 yrs	2.8×10-4	3570	9730	2.2
recombinación	240.000 yrs	7×10-4	1370	3740	0.9
desacoplamiento de fotones	350.000 yrs	9×10-4	1100	3000	0.7
formacion de Via Lactea y primeras estrellas	800.000 yrs	1.5×10-3	640	1700	0.2
formacion del sistema solar	9.3 Gyr	---	---	---	---
igualdad materia-Λ	9.8 Gyr	0.75	0.33	3.6	8×10-4
primeras bacterias en la Tierra	10.3 Gyr	---	---	---	---
Homo Sapiens	13.799,8 Gyr	---	---	---	---
ahora	13.8 Gyr	1	0	2.725	6×10-4

• Era inflacionaria: expansion exponencial atribuida a fin de la era GUT. Aparicion de particulas y antiparticulas fundamentales (teoria + evidencias experimentales: alta isotropia del CMB, geometria plana, fluctuaciones cuanticas)

Hubo un comienzo? Las etapas anteriores a la inflacion son altamente especulativas, al punto que no es posible afirmar en bases a evidencia observacional que haya habido una singularidad (a=0, t=0) anterior desde donde partio la expansion. Dado que la inflacion es una expansion exponencial y que borra todo vestigio de lo anterior (curvatura, estructura), es posible que el Universo haya existido por siempre y que la inflacion sea la genesis de nuestra burbuja (el universo observable al que tenemos acceso).

Las etapas posteriores cuentan con bases teoricas y solidas evidencias:

• Era electrodebil: gravedad + fuerza nuclear fuerte + fuerza electrodebil
• Era de particulas: gravedad + fuerza nuclear fuerte + fuerza nuclear debil + EM (fotones, quarks -> bariones, electrones, neutrinos, ¿WIMPS?)
• Desacoplamiento de neutrinos: razon proton/neutron queda congelada
• Nucleosintesis Primordial: protones y neutrones producen H (75%), He (25%), trazas de D y Li
• Recombinacion, desacoplamiento de fotones y bariones, ultimo scattering (Fondo de Radiacion Cosmico)
• Formacion de estructuras (galaxias, cumulos, estrellas)


Hemos logrado reconstruir la biografia del Universo.

II. Reflexiones finales

La cosmología es un campo muy activo que evoluciona rápidamente gracias a los desarrollos tecnologicos y a la vertiginosa aventura de las ideas. Por tanto es y seguira siendo un modelo en permanente construccion y, muy posiblemente, nuestro paradigma actual sea reemplazado por nuevas visiones del Universo.

En este curso hemos abordado el modelo cosmologico estandar del Big Bang caliente desarrollado durante el siglo XX, en el cual el Universo comenzó en un estado denso y caliente y se ha ido enfríando debido a la expansión. Hay cuatro observaciones claves que sustentan que el Universo comenzo en un Big Bang:

• La expansión del Universo descubierta por Hubble en 1929
• El fondo de radiación cósmico descubierto por Penzias y Wilson en 1965
• La abundancia de elementos primordiales (H, D, He, Li)
• La formacion de galaxias y grandes estructuras

  Las observaciones actuales - realizadas con técnicas muy independientes unas de otras - arrojan una gran concordancia. El Universo es geométricamente plano y se expande aceleradamante debido a una energía oscura que comprende el 70% de toda la energía del Universo. Del 30% restante un 26% esta constituído por materia no bariónica y un 4% del Universo está en forma de bariones (protones y neutrones). Este modelo concordante es un éxito. Sin embargo, el modelo descansa en tres sustancias fisicas que no entendemos!

  

  Aún quedan muchas preguntas por responder:

  • Que es la energía oscura? Tests cosmologicos más precisos nos ayudarán a contestar esta pregunta. De acuerdo a las mejores observaciones hechas en la actualidad, la energía oscura es la constante cosmológica introducida por Einstein (w=-1), cuya densidad de energía es constante.
    

    Recientes restricciones a los parámetros cosmológicos en base a 3 experimentos: supernovas tipo Ia (SNLS3), fluctuaciones de temperatura en el CMB (WMAP7), Barion Acoustic Oscilations (BAO), recientemente publicado por Sullivan et al 2011 (ApJ 737, 102).

    Modelos de energía oscura (Frieman, Turner & Huterer 2008, Annual Review Astronomy and Astrophysic, 46, 385):

    • Constante cosmológica (a la izquierda en la ecuación de Einstein):
      

      Se trata de una propiedad del espacio. Es simple pero no hay física que de una explicación.

    • Energía del vacío (a la derecha en la ecuación de Einstein):
      

      Es matemáticamente equivalente a la constante cosmológica. No varía en el espacio y el tiempo. El problema es que la mecánica cuántica predice una energía del vacío 120 órdenes de magnitud mayor que el valor observado.

    • Campos escalares

      Varía en el tiempo (campo dinámico). Se podría medir con más observaciones. Hasta ahora los experimentos no retringen suficientemente la derivada de w, en que P=wε (Sullivan et al 2011, ApJ 737, 102).

      

    • Gravedad modificada

      La aceleración del Universo podría ser la manifestactón de nueva física gravitatoria. Teorías de mayores dimensiones (teoría de cuerdas)?

  • Que es la materia no bariónica? El 26% de la energía del Universo es materia no bariónica cuyo origen se atribuye a partículas masivas elementales pero que aún no han sido descubiertas en los laboratorios.

  • Cual es el origen de la inflación? Tuvo realmente lugar un período inflacionario en el Universo temprano?

  • Que factores determinaron las condiciones iniciales del Universo? (que puso el "bang" en el "big bang"?)

  • Porqué el Universo es como es? Hay una infinidad de parámetros posibles para la evolución del Universo pero el nuestro es aquel que tuvo justo los parámetros para que se desarrollara la vida. Si el Universo hubiese tenido condiciones iniciales levemente distintas no se habrían dado las condiciones para que se desarrollara la vida. El principio antrópico dice que el Universo tiene que tener esas condiciones porque de lo contrario no habrían cosmólogos preguntándose sobre el origen del Universo. No debemos por lo tanto esperar encontrar nada incompatible con nuestra existencia.

    • ¿Magia? El principio antrópico fuerte va más allá y sostiene que el Universo debe tener las condiciones iniciales exactas para que la vida se desarrolle. Los que apoyan este principio sostienen que de todos los Universos posibles el nuestro es extraordinariamente improbable, por lo cual no puede ser una simple casualidad y que está ajustado en sus condiciones iniciales para favorecer la emergencia de la vida.

      ¿Fisica? La teoria de cuerdas es una teoria que sugiere que la Naturaleza formaria un sinnumero de universos paralelos (multiversos) cada uno con sus propias leyes fisicas. En esta infinitud de universos posibles, es probable y natural que uno de ellos tenga justo las constantes y leyes fisicas compatibles con nuestra existencia.

    
    
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