Origen y Evolución del Universo Gonzalo Tancredi Depto. Astronomía - Fac. Ciencias

1. Origen y Evolución del UniversoGonzalo TancrediDepto. Astronomía - Fac. Ciencias • Hubble Deep Field • Formación de Galaxias • Cosmic Microwave Background Radiation • Modelo de Big Bang Inflacionario

2. Hubble Deep Field • 10 días consecutivos de observación -150 órbitas (1995) • HDF-N en Osa Mayor (Gran cucharón – Big Dipper) • Campo de 5.3 arcmin2 • Magnitud límite V ~ 30

3. Observando no más lejos pero si más débil

5. Censo de objetos • ~ 3000 Galaxias en región del visible • 40% de las galaxias son irregulares, peculiares o en fusión • < 40 estrellas de la secuencia principal del disco y del Halo • 150 corrimientos al rojo medidos • 2 supernovas

6. La escalera de distancias

7. Tipos de SN

8. La curva de luz de las SN Superposición de la curva de luz de 22 SN

9. Estimando distancias con SN Magnitud absoluta presenta poca dispersión. Buena correlación entre magnitud del máximo y log. de velocidad de recesión (v220).

10. La relación Tully-Fisher Vincula el ancho de la línea de 21cm o de Ha con la magntiud absoluta de una galaxia. El ancho de Ha se usa para determinar Vrot, que estará relacionada por la Ley de Kepler con la Masa, esta con la Luminosidad y la Mabs.

11. Ley de Hubble Ley de Hubble con estimaciones de distancia basadas en SN tipo Ia H0 = 67 ± 10 km/s/Mpc Ley de Hubble con estimaciones de distancia basadas en relación de Tully-Fisher

12. Relatividad General La métrica del espacio tiempo R(t) – factor de escala Para un espacio Euclido en coordenadas esféricas Para un espacio curvo Donde Sk() = sinh  para k = -1 Hiperbólico  para k = 0 Plano sin  para k = 1 Esférico para k = 0,  = r

13. k =- 1 La curvatura del espacio k = 0 k = 1

14. Expansión del Universo d – elemento de distacia a lo largo del rayo de luz R(t) – factor de escala c – vel. luz

15. Corrimiento al rojo El corrimiento al rojo z lo calculamos como Considerado como una velocidad de recesión Considero luz de long. l, frecuencia n y período P. Supongo un par de rayos emitidos en dos máximos consecutivos a t1 y t1 + Pem. Los dos rayos serán recibidos a t0 y t0 + Prec. Igualando la longitud de los caminos, llegamos a

16. Quasar más distante z=6.4 Record en distancias Galaxia más distante z=6.56 Lyman  en reposo =1216 Å

17. Rotación de las Galaxias Velocidad constante a grandes distancias. No se aprecia caída kepleriana por masa central. Halo de materia oscura (NO agujeros negros o estrellas neutronicas SI ? estrellas de baja masa, enanas marrones)

18. La radiación cósmica de fondo

20. Anisotropías de la Radiación Cósmica de Fondo Mapa medido por COBE con escala entre 0 y 4K (luego de quitar “aportes locales”) Se muestran fluctuaciones de 1 parte en 100.000 (30 mK)

21. Comparación de los mapas elaborados cpn COBE y con WMAP • Resultados del WMAP • Las primeras estrellas se formaron 200 millones de años luego del Big Bang. • La radiación cósmica de fondo se originó 379,000 años después del Big Bang. • H0 = 71 ± 4 km/sec/Mpc

22. Anisotropías en CMBR  = 0.3  = 1 Buen ajuste de datos observaciones con   1

23. Formación de estructuras

24. Distribución de materia a gran escala

27. La dinámica del Universo

28. Ecuación de Friedmann para la tasa de expansión • H – “constante” de Hubble • R - Factor de escala • - densidad del Universo G, c - constantes k - constante de curvatura (1,0,–1) • - Constante cosmológica q - parámetro de desaceleración para la desaceleración

29. Universo dominado por la materia en el presente p = 0 y  = 0 Universo plano q0 = 0.5 k = 0 crit -densidad crítica h – “constante” de Hubble normalizda

30. ¿Cuanto vale ?

32. ¿Cuan cerca de la densida crítica?

33. Dominio de energía y materia mat R-3 ene R-3 R-1= R-4

34. Densidad de la materia y T

35. Epóca dominada por la radiación Acoplamiento materia - radiación Recombinación y Desacople materia - radiación

37. Breve referencia a física de partículas • Átomos constituidos por • nucleones: protones + neutrones • electrones • Nucleones constituidos por 3 quarks – Materia bariónica • 2 quarks – Mesones • Bariones + Mesones = Hadrones • Leptones: e-, muones, tau y neutrinos • Materia + Antimateria = Radiación

38. El Big Bang

39. Nucleosíntesis primordial

40. Predicción de abundancias

41. Materia Oscura Caliente o Fría • Materia bariónica < 0.05 (de nucleosíntesis primordial) • Materia no-bariónica ~ 0.35 (de estructura a gran escala y lentes gravitacionales) Hot Dark Matter (HDM) – Forma estructuras de grande a chico por fragmentación de grandes estructuras Partículas livianas muy energéticas: neutrinos Cold Dark Matter (CDM) – Forma estructuras a partir de agrupaciones pequeñas. Partículas masivas: partículas supersimétricas (WIMPS) y axiones Se favorece el modelo CDM

42. Ideas básicas de la Inflación • Teoría propuesta por Alan Guth en 1982 • Guth postuló una Epoca Inflacionaria • Expansión muy rápida y exponencial del Universo • Ocurrió en el interval, t=10-37-10-32s • El Universo se expandió por un factor de 1040-10100 durante ese tiempo! • Qúe causo la inflación? Fluctuaciones en campos cuánticos…

43. Inflación

44. La resolución de los problemas cosmológicos con la Inflación • El problema de la “chatura” The Flatness Problem • Considero una superficie curvada • Ahora la expando por un enorme factor • Luego de la expansión, se verá localmente plana • Por tanto, la inflación predice un Universo que es no distinguible de uno plano

45. El problema del horizonte Si miramos en direcciones opuestas, en el límite del Universo observable, estas regiones estan separadas a una distancia de 2 veces la edad del Universo. Las observaciones de la CMBR muestran iguales temperaturas, pero ¿cómo pueden estar en equilibrio térmico sino se podían comunicar entre sí? En el momento de la recombinación, el tamaño del horizonte en el cielo era de 1 grado.

46. El problema del horizonte • Antes de la inflación (a t10-37s), el horizonte de las partículas tenía un radio de R10-29m • Esta es la región del Universe que esta conectado por causalidad. • Luego de la inflación (a t10-32s), esta región aumentó a 1011 – 1059 m • La expansión “normal” comenzó… El Universo se expandió por otro factor de 1022 entre el final de la inflación y el desacople (t=300,000 a) • Por tanto, al momento del desacope, la región conectada por causalidad era de al menos 1033 m en extensión! • La inflación predice que todo el Universo observable (y bastante mas allá) se originó de una pequeña región conecteda por causalidad. • Lo que resuelve el problema del horizonte.

47. La solución al problema del horizonte por la Inflación

48. Expansión

50. Expansión acelerada • Constante cosmológica  0 • Densidad energética del vacío • Presión del vacío