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El Universo observableSao Carlos, 20/05/2013
Hector Vucetich
Observatorio Astronomico
Universidad Nacional de La Plata
El Universo observable– p. 1/43
Introducción
Desde tiempos muy antiguos, el hombre hadeseado comprender el Universo que nos rodea.Muchos modelos de Universo fueron propuestosbasándose sobre Hipótesis de Simetría aunquecon poco respaldo observacional.
El Universo observable– p. 2/43
Una Tierra Plana
El Universo observable– p. 3/43
Universo Geocéntrico
El Universo observable– p. 4/43
Universo Heliocéntrico
El Universo observable– p. 5/43
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrolladosu propio modelo de Universo.
El Universo observable– p. 6/43
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrolladosu propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis desimetría
El Universo observable– p. 6/43
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrolladosu propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis desimetría
• pero también sobre una rica baseobservacional
El Universo observable– p. 6/43
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrolladosu propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis desimetría
• pero también sobre una rica baseobservacional
• y se llama. . .
El Universo observable– p. 6/43
El Big Bang
El Universo observable– p. 7/43
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son lasmismas en todo el Universo.
El Universo observable– p. 8/43
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son lasmismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo eisotrópico.
El Universo observable– p. 8/43
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son lasmismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo eisotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expandecomo un todo.
El Universo observable– p. 8/43
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son lasmismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo eisotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expandecomo un todo.
• El fondo de radiación: El Universo está bañado por poruna radiación de fondo de 3 K.
El Universo observable– p. 8/43
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son lasmismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo eisotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expandecomo un todo.
• El fondo de radiación: El Universo está bañado por poruna radiación de fondo de 3 K.
• Inflación: El Universo pasó por un periodo muy brevede expansión exponencial.
El Universo observable– p. 8/43
Las leyes
• I: La geometría(Principios Galileano, Cosmológico yExpansión de Hubble)
ds2 = c2dt2 − a2(t)ds2
E
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Las leyes
• I: La geometría(Principios Galileano, Cosmológico yExpansión de Hubble)
ds2 = c2dt2 − a2(t)ds2
E
• II: La evolución(Principio Galileano y Relatividad General)
a2
a2+
k
a2=
8πG
2c2ǫ(p, T )
El Universo observable– p. 9/43
Las leyes
• III: La ecuación de estado(Principio Galileano, Fondo Cósmico deRadiación y Modelo Estándard)
El Universo observable– p. 10/43
Las leyes
• III: La ecuación de estado(Principio Galileano, Fondo Cósmico deRadiación y Modelo Estándard)
• Existe equilibrio termodinámico p.c.t. t
El Universo observable– p. 10/43
Las leyes
• III: La ecuación de estado(Principio Galileano, Fondo Cósmico deRadiación y Modelo Estándard)
• Existe equilibrio termodinámico p.c.t. t
• El contenido del Universo está formado por lamateria estándard, más la materia oscura,más la energía oscura
El Universo observable– p. 10/43
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por laspartículas del Modelo Estándar de lasInteracciones Fundamentales.
El Universo observable– p. 11/43
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por laspartículas del Modelo Estándar de lasInteracciones Fundamentales.
• Materia oscura: Interactúa sólo (?) con lagravitación. Constitución desconocida.
El Universo observable– p. 11/43
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por laspartículas del Modelo Estándar de lasInteracciones Fundamentales.
• Materia oscura: Interactúa sólo (?) con lagravitación. Constitución desconocida.
• Materia demoníaca: (Energía oscura)Produce antigravedad (?); viola el 2 principiode la termodinámica.
El Universo observable– p. 11/43
Distancias
El Universo observable– p. 12/43
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de losprocesos más complejos en cosmología.
El Universo observable– p. 13/43
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de losprocesos más complejos en cosmología.
• Tradicionalmente, está afectado por enormeserrores sistemáticos.
El Universo observable– p. 13/43
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de losprocesos más complejos en cosmología.
• Tradicionalmente, está afectado por enormeserrores sistemáticos.
• Actualmente, se hace en tres etapas:paralajes, estrellas variables y supernovas.
El Universo observable– p. 13/43
Paralaje
Las distancias a las estrellas cercanas se midencon la paralaje π.
**
*
*
*
V
I
π
D *
La unidad de distancia el el parsec = (paralajede 1′′).
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Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hacemidiendo la variación angular de la imagende una estrella durante un año.
El Universo observable– p. 15/43
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hacemidiendo la variación angular de la imagende una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse unerror de 0,1′′.
El Universo observable– p. 15/43
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hacemidiendo la variación angular de la imagende una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse unerror de 0,1′′.
• El satélite Hipparcos logró medidas con error∼ 0,001′′
El Universo observable– p. 15/43
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hacemidiendo la variación angular de la imagende una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse unerror de 0,1′′.
• El satélite Hipparcos logró medidas con error∼ 0,001′′
• El satélite Gaia podrá medir (en principio)paralajes del orden de π ∼ 10−5.
El Universo observable– p. 15/43
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varíaperiódicamente.
El Universo observable– p. 16/43
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varíaperiódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por laforma de su curva de luz.
El Universo observable– p. 16/43
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varíaperiódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por laforma de su curva de luz.
• Su calibración se hace con estrellas de lamisma clase en la Galaxia.
El Universo observable– p. 16/43
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varíaperiódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por laforma de su curva de luz.
• Su calibración se hace con estrellas de lamisma clase en la Galaxia.
• La calibración es aun muy difícil.
El Universo observable– p. 16/43
Cefeidas
Curva de luz de Delta de Cefeo
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RelaciónP − L
El brillo de las cefeidas depende de su periodo.
-8
-7
-6
-5
-4
MW
(VI)
1.61.41.21.00.80.6
log P
WVI(2.45)
B07a = -5.85 ± 0.03b = -3.37 ± 0.12
B06 fit F01
1.61.41.21.00.80.6
log P
WVI(2.53)
B07a = -5.93 ± 0.03b = -3.43 ± 0.11
B06 fit S04
El Universo observable– p. 18/43
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyobrillo puede ser mayor que el de toda unaGalaxia.
El Universo observable– p. 19/43
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyobrillo puede ser mayor que el de toda unaGalaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.
El Universo observable– p. 19/43
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyobrillo puede ser mayor que el de toda unaGalaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.• Su brillo, casi constante, puede corregirse a
un brillo patrón.
El Universo observable– p. 19/43
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyobrillo puede ser mayor que el de toda unaGalaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.• Su brillo, casi constante, puede corregirse a
un brillo patrón.• Pueden calibrarse con supernovas en
galaxias cercanas.
El Universo observable– p. 19/43
Escala de distancias
El Universo observable– p. 20/43
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dospasos.
El Universo observable– p. 21/43
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dospasos.
• Medición de la constante de Hubble(Galaxias cercanas).
El Universo observable– p. 21/43
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dospasos.
• Medición de la constante de Hubble(Galaxias cercanas).
• Medición de la aceleración del Universo(Galaxias lejanas).
El Universo observable– p. 21/43
Medición deH0
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Medición de la aceleración
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El Fondo Cósmico de Radiación
El Universo observable– p. 24/43
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene elespectro de un cuerpo negro con unatemperatura de T0 = (2,72548 ± 0,00057) K.
El Universo observable– p. 25/43
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene elespectro de un cuerpo negro con unatemperatura de T0 = (2,72548 ± 0,00057) K.
• Hay una fluctuación dipolar, que correspondeal movimento del Sistema Solar a través delFRC con una amplitud de ∼ 10−3T0.
El Universo observable– p. 25/43
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene elespectro de un cuerpo negro con unatemperatura de T0 = (2,72548 ± 0,00057) K.
• Hay una fluctuación dipolar, que correspondeal movimento del Sistema Solar a través delFRC con una amplitud de ∼ 10−3T0.
• Hay fluctuaciones menores, con una amplitudde ∼ 10−5T0.
El Universo observable– p. 25/43
Un cuerpo negro perfecto
0
50
100
150
200
250
300
350
400
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Inte
nsity [M
Jy/s
r]
Frequency [1/cm]
Cosmic Microwave Background Spectrum from COBE
COBE Data
Black Body Spectrum
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El cielo en microondas
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El cielo en alta resolución
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Un espectro limitado
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Un espectro más moderno
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Interpretación
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Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasmaoriginaron ondas sonoras en el fluidoformado por materia bariónica y radiación.
El Universo observable– p. 32/43
Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasmaoriginaron ondas sonoras en el fluidoformado por materia bariónica y radiación.
• La materia oscura, atraída por la gravedad,se comprimió y ayudó a generar oscilaciones.
El Universo observable– p. 32/43
Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasmaoriginaron ondas sonoras en el fluidoformado por materia bariónica y radiación.
• La materia oscura, atraída por la gravedad,se comprimió y ayudó a generar oscilaciones.
• Las ondas se propagaron con velocidadvariable y frecuencia variables.
El Universo observable– p. 32/43
Ondas en el plasma original
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Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universodisminuyó, los electrones se combinaron conlos protones y el Universo se hizotransparente.
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Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universodisminuyó, los electrones se combinaron conlos protones y el Universo se hizotransparente.
• La radiación escapó y dejó de hacer presiónsobre la materia bariónica.
El Universo observable– p. 34/43
Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universodisminuyó, los electrones se combinaron conlos protones y el Universo se hizotransparente.
• La radiación escapó y dejó de hacer presiónsobre la materia bariónica.
• La radiación se propagó libremente hastallegar a los satélites que la detectaron.
El Universo observable– p. 34/43
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieroncuando la presión de radiación desapareció.
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Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieroncuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fuearrastrada por la expansión del Universo.
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Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieroncuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fuearrastrada por la expansión del Universo.
• El radio de esas esferas se llama el horizontesónico.
El Universo observable– p. 35/43
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieroncuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fuearrastrada por la expansión del Universo.
• El radio de esas esferas se llama el horizontesónico.
• Su valor puede calcularse a partir de losdatos del FCR.
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La señal de los bariones
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Conclusiones
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Resultados (Planck)
Parámetro N V ± σ
Edad del Universo (Ga) t0 13,717 ± 0,048
Constante de Hubble (km/s/Mpc) H0 67,3 ± 1,4
Densidad de Bariones ΩB 0,04868±0,00093
Densidad de Materia Oscura ΩM 0,266 ± 0,015
Densidad de “Energía Oscura” ΩΛ 0,685 ± 0,018
“Densidad de Curvatura” ΩK −0,0004± 0,0033
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La materia del Universo (WMAP)
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Nuestro conocimiento delUniverso
• Los datos obtenidos de las escalas dedistancias y principalmente del FondoCósmico de Radiación resumen nuestroconocimento actual de Universo.
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Nuestro conocimiento delUniverso
• Los datos obtenidos de las escalas dedistancias y principalmente del FondoCósmico de Radiación resumen nuestroconocimento actual de Universo.
• “We find no strong evidence to favour anyextension to the base LCDM cosmology,either from the CMB temperature powerspectrum alone, or in combination with thePlanck lensing power spectrum and otherastrophysical data sets.” Planck
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Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en lafísica del modelo cosmológico estándar:
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Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en lafísica del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,
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Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en lafísica del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,• La energía oscura y
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Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en lafísica del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,• La energía oscura y• El inflatón.
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¿Conocemos el Universo?
• Ninguno de esos tres personajes ha sidoestudiado en el laboratorio.
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¿Conocemos el Universo?
• Ninguno de esos tres personajes ha sidoestudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenosastrofísicos.
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¿Conocemos el Universo?
• Ninguno de esos tres personajes ha sidoestudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenosastrofísicos.
• Algunos “candidatos” tienen problemas deconsistencia. (Por ejemplo, energía del vacío)
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¿Conocemos el Universo?
• Ninguno de esos tres personajes ha sidoestudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenosastrofísicos.
• Algunos “candidatos” tienen problemas deconsistencia. (Por ejemplo, energía del vacío)
• Y tampoco sabemos tratar la gravitacióncuántica. . .
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Final
Como toda ciencia que florece, la cosmologíaresuelve problemas viejos mientras planteanuevos.
Lo admirable no es que el Universo seatan grande sino que el hombre haya sidocapaz de medirlo.
ANATOLE FRANCEEl jardín de Epicuro
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