Lectura Obligatoria: Barbara Ryden (Capítulos 1 y 2)
Lectura Sugerida: Dodelson (Capítulo 1)
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Significado etimológico: del griego "kosmos" (mundo, harmonía) y "logos" (tratado)
- 1. De qué está hecho el Universo?
- 2. Es espacialmente finito o infinito?
- 3. Tuvo un comienzo o ha existido por siempre?
- 4. Existirá por siempre o habrá un final?
II. Hechos Observacionales Relevantes - 1. El Principio Cosmológico
El Principio Cosmológico establece que nuestra posición en el Universo no tiene nada de especial, y que no hay ninguna posición especial. Se denomina también el Principio Copernicano en honor a Nicolás Copérnico (1473-1543) quien sacó a la Tierra del centro del Universo y propuso el modelo heliocéntrico en 1543. El Principio Cosmológico requiere que, a grandes escalas, se cumplan dos condiciones: homogeneidad e isotropía.
- Universo homogéneo: a grandes escalas el Universo es uniforme, i.e., el mismo en todas partes.
Distribución de galaxias obtenida por el 2dF Redshift Survey - Universo isotrópico: a grandes escalas el Universo es igual en todas direcciones,
i.e., no hay direcciones privilegiadas.
Mapa del Universo por WMAP en 23-94 GHz demuestra la isotropía del Universo temprano.
Distribución de galaxias en 4300 grados cuadrados (APM Galaxy Survey) demuestra la isotropía del Universo actual.Notar que la homogeneidad no implica isotropía y que la isotropía no implica homogeneidad.
Una consecuencia importante del Principio Cosmológico es que no hay centro en el Universo.
- Universo homogéneo: a grandes escalas el Universo es uniforme, i.e., el mismo en todas partes.
- 2. La ley de Hubble
- Las galaxias muestran un espectro corrido al rojo según observaciones de Vesto Slipher (1875-1969;
ver biografía)
entre 1912-1925.
Se define el parametro redshift
El origen del redshift se debe la expansión del espacio (y de las ondas de luz) entre el momento de emisión y el instante de recepción, y no se debe interpretar como debido al movimiento de las galaxias en un espacio absoluto (efecto Doppler).
Corrimiento al rojo - Edwin Hubble (1889-1953;
ver biografía)
logra resolver 24 Galaxias cercanas en estrellas individuales y medir
distancias usando el método o de las estrellas Cefeidas (1929)
Estrella Cefeida - El redshift es proporcional a la distancia (Hubble 1929)!!!
- H0 es la famosa constante de Hubble (unidades de km s-1 Mpc-1
y dimensiones de T-1) cuya medición original arrojó el valor de 500. El rango aceptado
actualmente es entre 60-80. El valor más usado es 70 pero aún hay controversia.
Ley de Hubble - Aparentemente la ley de Hubble parece violar el principio cosmológico
y sugerir que nosotros estamos en un sitio especial al centro de la expansión.
Sin embargo, lo que vemos desde nuestra galaxia es exactamente lo mismo que
vería un observador en cualquier otro lugar del Universo. Para ver que
la ley de Hubble satisface el Principio Cosmológico, consideremos dos galaxias A y B:
De acuerdo a la ley de Hubble:
La velocidad de expansión de B con respecto a A es:
O sea,
Por lo tanto, un observador en A ve la expansión con la misma ley de Hubble que un observador en nuestra galaxia → la ley de Hubble satisface el Principio Cosmológico
-
La ley de Hubble es la única que satisface el Principio Cosmológico. Para ver esto
consideremos el triángulo en cuyos vértices hay tres galaxias:
Una expansión homogénea e isotrópica requiere que la forma del triángulo se preserve a medida que las galaxias se alejan entre sí. Para mantener la forma se requiere una expansión del tipo:
en que la función a(t) sólo dependa del tiempo, independiente de la posición y de la dirección. La velocidad de la galaxia 2 respecto a la galaxia 1 es:
Esto prueba que la ley de Hubble es la única que satisface el Principio Cosmológico. Es la ley más democrática del Universo porque asegura que no hay observadores privilegiados.
- La expansión implica que el Universo no ha existido por siempre sino que en algún momento en el pasado
toda el Universo observable estuvio concentrado en un pequeño volumen --> BIG BANG. Asumiendo que la expansión
ha sido uniforme el tiempo transcurrido desde que dos galaxias estuvieron juntas es 1/H0.
Esta cantidad se denomina el tiempo de Hubble (~14 Gyrs).
- La distancia c/H0 se llama distancia de Hubble. En un
Universo con expansión uniforme esta es la distancia máxima que un fotón ha podido
recorrer desde el Big Bang. Desde el punto de vista del observador, este es un
horizonte ya que los fotones emitidos por objetos más lejanos aún no han tenido
tiempo para llegar al observador. Se llama horizonte porque el observador no puede
ver más lejos de esta distancia. Para H0=70 la distancia de Hubble es de 4300 Mpc.
- La interacción gravitacional de las galaxias introduce movimientos c/r al
flujo de Hubble los que reciben el nombre de "velocidades peculiares" y que alcanzan valores
típicos de 300 km s-1. La ley de Hubble no es válida a distancias (redshifts) pequeñas.
- H0 es la famosa constante de Hubble (unidades de km s-1 Mpc-1
y dimensiones de T-1) cuya medición original arrojó el valor de 500. El rango aceptado
actualmente es entre 60-80. El valor más usado es 70 pero aún hay controversia.
- Las galaxias muestran un espectro corrido al rojo según observaciones de Vesto Slipher (1875-1969;
ver biografía)
entre 1912-1925.
Se define el parametro redshift
- 3. El Fondo de Radiación Cósmico (CMB)
- Usando una antena de microondas los ingenieros Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron por casualidad en 1965 un fondo isotrópico de radiación. En 1992 el satélite COBE reveló que el CMB tiene un espectro de cuerpo negro con T=2.73 K , n=4x108 m-3, λpeak= 1 mm, < E > ∼ 3kT ∼ 6.34×10-4 eV.
- El CMB es muy isotrópico con ΔT/T ~ 10-5
- Fuerte evidencia en favor del Big Bang caliente: El CMB es radiación fósil de la época cuando el Universo tenia T~3000 K y los electrones y protones se combinaron para formar átomos neutros. En ese momento el Universo se hizo transparente.
- Desde la época de combinación el CMB ha mantenido su espectro de cuerpo negro pero la temperatura
es ×1000 menor, lo cual es consecuencia directa de la expansión. En un Universo en expansión T~a-1
por lo cual el CMB corresponde a una imagen del Universo cuando el factor de escala era ×1000
menor al actual.
- 4. Partículas
- Bariones: Protones (938.3 MeV), Neutrones (939.6 MeV) --> 71% H, 28% He, 1% C, 0.3% O, + ...
- Electrones (0.5 MeV)
- Neutrinos: posiblemente com masa ≠0 (medido a partir de oscilaciones, i.e, mutaciones de νs en otros tipos de νs) ~ 10-3 - 10-5 eV.
- Fotones
- Materia oscura
- Bariónica: Enanas Blancas, Estrellas de neutrones, Agujeros Negros, Enanas Cafés
- No bariónica: Neutrinos, partículas hipotéticas (WIMPS)
- Bariónica: Enanas Blancas, Estrellas de neutrones, Agujeros Negros, Enanas Cafés
- Energía oscura: Energía del vacío, Constante Cosmológica, Quintesencia
mhamuy@das.uchile.cl
Significado común: estudio del Universo en su conjunto, en el que se incluyen teorías sobre su origen, su evolución, su estructura a gran escala y su futuro....