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El Big Bang. Pablo J. Marrero Soto Departamento de Física Recinto Universitario de Mayagüez. Sumario. Breve historia de la historia La Relatividad General Big Bang vs Steady State Evidencia Modelos Cosmológicos I (antes de 1997) Problemas con el Big Bang Inflación

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el big bang

El Big Bang

Pablo J. Marrero Soto

Departamento de Física

Recinto Universitario de Mayagüez

sumario
Sumario
  • Breve historia de la historia
  • La Relatividad General
  • Big Bang vs Steady State
  • Evidencia
  • Modelos Cosmológicos I (antes de 1997)
  • Problemas con el Big Bang
  • Inflación
  • Falta Materia, ¿dónde está?
  • La expansión del Universo, ¿es acelerada?
  • Evidencia se acumula
  • Datos de WMAP
  • Modelos Cosmológicos II (después de 1997)
  • Hubble y el HUDF
historia de la historia
Historia de la Historia
  • Modelo Geocéntrico
  • Modelo Heliocéntrico
  • Universo Estático
  • Se descubre que el Universo se expande (Hubble 1929)
  • Modelos Dinámicos sobre la evolución del Universo
c mo podemos formular teor as sobre el universo
¿Cómo podemos formular teorías sobre el Universo?
  • Relatividad General de Einstein (Gravedad)
  • Termodinámica (física estadística)
  • Física de Partículas Elementales
  • Física Nuclear
  • Mecánica Cuántica
  • Principio Cosmológico
universo est tico
Universo Estático

Antes del descubrimiento de Hubble, se

pensaba que el universo era estático. Las

galaxias no se movían.

Modelo de Einstein: Constante Cosmológica

modelos cosmol gicos
Modelos Cosmológicos
  • Steady State (Creación Continua)

Materia se crea en el espacio entre las galaxias y de esta manera las galaxias se alejan unas de las otras.

El nuevo material formará nuevas galaxias.

Densidad constante

Modelo requiere que se cree materia a razón de un átomo de hidrógeno por cada kilómetro cúbico por año

modelos cosmol gicos9
Modelos Cosmológicos
  • Big Bang

El universo inicialmente estaba en un estado denso y caliente

El Universo comenzó a expandirse

Hoy día se encuentra en un estado de baja densidad y frío

Modelo requiere la “creación” instantánea del universo entero.

evidencia a favor del big bang
Evidencia a favor del Big Bang
  • Recesión de las galaxias
  • Abundancia de elementos livianos (nucleosíntesis en los primeros 3 min)

75% Hidrógeno

~24% Helio

~1% Litio y otros

  • Radiación Cósmica de Fondo
la radiaci n c smica de fondo
La Radiación Cósmica de Fondo

Predicción (1948-50 ):

Gamow, Alpher, Herman

Detectada en 1965:

Arno Penzias y Robert Wilson

Bell Labs

Detectaron un exceso de ruido en las antenas de radio

proveniente de todas direcciones.

slide12
CMB
  • Emisión en microondas
  • Temperatura: T=2.725 K (-270.435 °C)
  • Altamente isotrópica

Uniformidad de la

radiación

Toda explicación

Alterna sobre el origen de esta radiación han sido descartadas

Se interpreta como en remanente del “calor” generado en el Big Bang

slide14

COBE

Mapa sin anisotropía dipolar

Temperatura promedio= 2.725 K

Anisotropía dipolar

Regiones en rojo son 0.0002 K más calientes que las regiones más frías (azules)

Espectro Termal (Cuerpo Negro)

¡NINGUNA OTRA TEORÍA PREDICE ESTE ESPECTRO!

slide15

Modelos Cosmológicos

El futuro del Universo depende de su densidad de masa-energía y de la presión

Densidad fraccional del Universo

Ω0

Componentes:

Radiación

Materia Bariónica

Materia Oscura

Energía Oscura

concepciones err neas
Concepciones Erróneas
  • El Big Bang NO ocurre en un punto en el espacio. NO ES UNA EXPLOSIÓN
  • La región dentro de nuestro horizonte presente tenía un volumen minúsculo justo luego del Big Bang. Pero:

Si el universo es abierto o plano (infinito) ahora, entonces nació infinito.

Si escerrado ahora, entonces nació con cero volumen.

concepciones err neas20
Concepciones Erróneas
  • Por definición, el universo incluye todo el espacio-tiempo como lo conocemos. Está fuera de la teoría del Big Bang el postular hacia qué se expande el universo.
  • Está fuera de la Modelo del Big Bang el postular qué causó el Big Bang.

Teorías pre-Big Bang

problemas con el big bang
“Problemas” con el Big Bang
  • Universo plano
  • Horizonte
  • Monopolos magnéticos

Solución: Inflación

inflaci n
Inflación

El Universo en sus etapas tempranas pasa por un periodo de expansión rápida (exponencial) en donde regiones de escala subatómicas se expanden a escalas macroscópicas.

dh(ti)~10-28 m

dh(tf)~1016 m

Tinf`~10-34 s

100,000 veces la

Distancia de la Tierra al Sol

falta materia d nde est
Falta Materia: ¿dónde está?
  • Una década atrás se pensó que el Universo estaba compuesto de materia bariónica (protones, neutrones,…)
  • Mediciones han encontrado que este tipo de materia representa un 4% de lo que compone al Universo.

¿Qué es el resto?

materia oscura
Materia Oscura

Curvas de velocidad de rotación de las galaxias

Movimiento de grupos de galaxias

Formación de superestructuras

Lentes gravitacionales

Existe materia que no vemos, no emite luz, pero vemos sus efectos sobre objetos que si emiten luz

materia oscura25
Materia Oscura

Candidatos

MACHOS (MAssive Compact Halo Objects)

WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles)

Partículas exóticas (materia no-bariónica)

Este tipo de materia constituye el 23% de la materia del Universo

expansi n acelerada
¿Expansión Acelerada?

A partir de 1997, comenzó a descubrirse posible evidencia de que nuestro universo se encuentra en una fase de aceleración.

The Supernova Cosmology Project

The High-Z Supernova Search

wmap wilkinson microwave anisotropy probe
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

Satélite destinado a

Medir la anisotropía

De la radiación

Cósmica de Fondo

wmap vs cobe29
WMAP vs COBE

COBE

WMAP

resultados de wmap
Resultados de WMAP
  • Universo Plano
  • Ω=1.02±0.02
  • T=13.7±0.2 billones de años
  • 4% materia, 23% materia oscura

73% Energía oscura

  • Evidencia a favor de la Inflación
energ a oscura
Energía Oscura

Forma de energía, o posiblemente una propiedad inherente del vacío, que está caracterizada por tener una presión negativa. Esta es la única forma de energía que puede causar aceleración en la taza de expansión del universo.

¿De qué está constituida?

NO SABEMOS AL MOMENTO

posibles modelos
Posibles Modelos
  • Constante Cosmológica
  • Quintessence
  • M-Theory Superstrings
modelo est ndar
Modelo Estándar
  • Universo Plano Inflado
  • 4% materia
  • 23% materia oscura
  • 73% energía oscura

Desconocemos la identidad de 96% de lo que

Está compuesto el Universo

hubble ultra deep field
Hubble Ultra Deep Field
  • Primeras galaxias en emerger de la “Edad Oscura”
  • Galaxias entre 400 y 800 millones de años después del Big Bang
  • Contiene 10,000 galaxias
preguntas abiertas
Preguntas Abiertas
  • ¿Qué es la energía oscura?
  • ¿De qué está constituida la materia oscura?
  • ¿Qué inició la expansión original? (Condiciones Iniciales)
  • ¿Es el Universo plano e infinito o es posible que sea finito?
  • ¿Qué provocó la inflación?
es un buen momento para estudiar cosmolog a
Es un buen momento para estudiar cosmología

¿Preguntas?

CRÉDITOS:

http://map.gsfc.nasa.gov

http://hubblesite.org