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Modelo cosmologico
Darıo Nunez
Instituto de Ciencias Nucleares, UNAMDivulGAE
3 de noviembre del 2016
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 1 / 29
Observaciones
Las observaciones cosmologicas se refieren a aquellas que involucran alUniverso como un todo. Son tres observaciones fundamentales:
La radiacion cosmica de fondo
Son observaciones genericas para todo el Universo, no en regionesespecıficas.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 2 / 29
Observaciones
Las observaciones cosmologicas se refieren a aquellas que involucran alUniverso como un todo. Son tres observaciones fundamentales:
La radiacion cosmica de fondo
El corrimiento al rojo de las galaxias
Son observaciones genericas para todo el Universo, no en regionesespecıficas.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 2 / 29
Observaciones
Las observaciones cosmologicas se refieren a aquellas que involucran alUniverso como un todo. Son tres observaciones fundamentales:
La radiacion cosmica de fondo
El corrimiento al rojo de las galaxias
La abundancia relativa de Helio a Hidrogeno
Son observaciones genericas para todo el Universo, no en regionesespecıficas.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 2 / 29
Observaciones, RCF
La radiacion cosmica de fondo. Fue descubierta, accidentalmente, en 1965por Arno Penzias y Robert Wilson, trabajando en los Laboratorios Bell. Eshomogenea e isotropica en todo el Universo, con caracterısticas deradiacion de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 oK y su frecuenciade 160,2 GHz, microondas, i. e. a una longitud de onda de 1,9 mm.
Leyenda : Antena de deteccion y radiacion de cuerpo negro
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Observaciones, z
En 1929, Edwin Hubble en el observatorio de Monte Palomar, utilizando elespectro en las observaciones de galaxias, determino que, salvo las delgrupo local, todas las galaxias presentaban un corrimiento al rojo, es decir,se alejan de nosotros
Leyenda : Galaxia NGC 1300
Mas aun, mostro que conforme mas lejos se encuentran, mas rapido sealejan de nosotros, es la ley de Hubble.
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Observaciones, He:H
Finalmente, con la interferometrıa, se determina la composicion de lasestrellas y galaxias observadas
Leyenda : Se determina la composicion de los objetos
Resultando en que los objetos observados estan compuestosprincipalemente por Hidrogeno, seguido de Helio, siendo la abundanciarelativa de Helio a Hidrogeno de 1 a 4.
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Observaciones
Estas son las observaciones cosmologicas, que se refieren al Universo en suconjunto y no dependen de una teorıa especıfica, son observacionesdirectas.
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Modelo
Entonces, se determina un modelo teorico que explique a dichasobservaciones, que sus resultados sean consistentes con las observaciones ynos ofrezca un modelo teorico con el que se puedan hacer inferencias, queeventualmente puedan ser cotejadas con nuevas observaciones.
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Relatividad General
La Teorıa de la Relatividad General, con las ecuaciones de Einstein(incluyo a la constante cosmologica, Λ),
Rµν −
1
2gµν R + Λ gµν = 8π
G
c4Tµν ,
nos ofrece un modelo teorico, cuyas consecuencias son falseables: se puedemostrar su veracidad o falsedad.
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Sus predicciones han sido corroboradas con gran precision a la escala delSistema Solar
ds2 = −
(
1−2M G
c2 r
)
c2 dt2 +dr2
1− 2M Gc2 r
+ r2 d Ω2,
describiendo a la precesion del perihelio en la orbita de Mercurio, ası comoa la deflexion de la luz al pasar cerca del Sol, efecto conocido como lentegravitatorias, el fenomeno de relatividad general per excellence)A la escala cosmologica nos ofrece un modelo consistente con las tresobservaciones mencionadas
ds2 = −c2 dt2 + a2(t)
(
dr2
1− k r2+ r2 d Ω2
)
,
que es el modelo cosmologico de Lemaıtre-Friedmann-Robertson-Walker.La relatividad general funciona bien y describe de un modo consistente ladinamica de los cuerpos en un gran rango de escalas.
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Observaciones mas finas
En los ultimos 20 anos se han acumulado muchas observaciones. Lesmencionare cinco grupos. Por varias razones, la Radiacion Cosmica deFondo no podıa ser perfectamente homogenea, debıa tenerinhomogeneidades, que se encuentran en 1992 con COBE (G. Smoot,Nobel 2006), son muy chicas, ∆T
T= 10−5.
Leyenda : COBE y Smoot
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Observaciones mas finas
Inhomogeneidades en la temperatura de la Radiacion Cosmica de Fondo ysu descripcion armonica
Leyenda : CMBR perturbations
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Observaciones mas finas
Estructura del Universo. SLOAN, vean su pagina, http://www.sdss.org ,es interesante y con excelentes fotos de galaxias y daros observacionales demas de 230 millones de cuerpos celestes.
Leyenda : Estructura del Universo a gran escala
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Observaciones mas finas
Perfiles en las velocidades de rotacion, curvas de rotacion, en galaxias y encumulos galacticos. Al observar los cuerpos individuales de las galaxias ydeterminar su espectro, se mide su corrimiento al rojo o al azul y ası sedetermina la velocidad con la que dicho cuerpo esta girando
Leyenda : Perfil de velocidades
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Observaciones mas finas
Lentes gravitatorios en galaxias y cumulos galacticos
Leyenda : Lente gravitatorio
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Observaciones mas finas
Supernovas tipo Ia, SNIa, faros cosmicos. Estallan igual, por lo que puedodeterminar la distancia a la que se encuentran. Al observar muchas adistintos tiempos, determino como varıa la distancia promedio, es decir, laexpansion del Universo.
Leyenda : Supernova
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Observaciones mas finas
Inhomogeneidades a la Radiacion Cosmica de fondo
Estructura del Universo a grandes escalas
Perfiles de velocidades de rotacion en galaxias y cumulos galacticos
Lentes gravitatorios en galaxias y cumulos galacticos
Supernovas Ia
En todas estas observaciones, las predicciones no corresponden al medir lamateria que deberıa explicarlas. Pero, ya vimos que la teorıa de larelatividad general funciona muy bien a escalas del Sistema Solar y a muygrandes escalas. Este es el dilema y donde viene la creencia. Siconsideramos que son validas en todas las escalas intermedias, ¡debe habermas materia y energıa de lo que estamos viendo! Se podrıa pensar que no,que no son validas y que hay que encontrar nuevas teorıas.
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Modelo ΛCDM
Si me mantengo con las ecuaciones, que es mi opinon personal, entoncesestas observaciones las interpreto como evidencias de la presencia denuevas componentes en el Universo, la constante cosmologica, con suextrana historia, que es a lo que se le llama energıa obscura y una nuevamateria que rodea a las galaxias, que no tiene emision electromagnetica,no interacua con la materia barionica, nosotros, pero que afecta ladinamica por medio de la gravitacion, sı curva al espacio-tiempo, se lellama, materia obscura.Con estas consideraciones, la teorıa de la relatividad general describeconsistentemente a todas las observaciones. Hay quien los llama parches,yo las llamo predicciones y, el entenderlas es una de las investigacionesmas apasionantes de la fısica actual.
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Modelo ΛCDM
Se utiliza teorıa de pertubaciones, perturbando la solucion de FRW(es correcta a orden cero) tanto a la geometrıa
g00(~x , t) = −1− 2Ψ(~x , t), gij(~x , t) = a2δij (1 + 2Φ(~x , t)), .
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 18 / 29
Modelo ΛCDM
Se utiliza teorıa de pertubaciones, perturbando la solucion de FRW(es correcta a orden cero) tanto a la geometrıa
g00(~x , t) = −1− 2Ψ(~x , t), gij(~x , t) = a2δij (1 + 2Φ(~x , t)), .
como a las funciones de cada una de las componentes de materia dela “sopa cosmica”
ρ → ρ0 + δ ρ(~x , t), ~v → ~v0 + δ ~v(~x , t), .
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 18 / 29
Modelo ΛCDM
Se obtiene un sistema de ecuaciones para las perturbaciones, incluyendolas pertubaciones de la radiacion electromagnetica, Θ, cuyos armonicosesfericos son los que relacionamos con la grafica presentada. Verprogramas como CMBfast
Leyenda : Sistema de ecuaciones perturbadasDarıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 19 / 29
Teorıa de la radiacion cosmica de fondo
Se logran excelentes ajustes con las observaciones, al incluir a la constantecosmologica, energıa obscura, y una fraccion grande de materia obscura
Leyenda : Composicion del Universo
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Modelo ΛCDM
A partir de las perturbaciones a la radiacion cosmica de fondo, seinfiere la magnitud de las semillas de materia en esta epoca, 300,000anos despues del Big Bang. Esas semillas no forman potencialesgravitacionales suficientemente profundos para generar la estructuraque vemos actualmente.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 21 / 29
Modelo ΛCDM
A partir de las perturbaciones a la radiacion cosmica de fondo, seinfiere la magnitud de las semillas de materia en esta epoca, 300,000anos despues del Big Bang. Esas semillas no forman potencialesgravitacionales suficientemente profundos para generar la estructuraque vemos actualmente.
Se necesita una materia, que no se acople con la radiacion y que hagamas profundos los pozos de potencial. La materia obscura.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 21 / 29
Modelo ΛCDM
A partir de las perturbaciones a la radiacion cosmica de fondo, seinfiere la magnitud de las semillas de materia en esta epoca, 300,000anos despues del Big Bang. Esas semillas no forman potencialesgravitacionales suficientemente profundos para generar la estructuraque vemos actualmente.
Se necesita una materia, que no se acople con la radiacion y que hagamas profundos los pozos de potencial. La materia obscura.
Leyenda : Formacion de estructura
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 21 / 29
Modelo ΛCDM
Respecto a los perfiles en las velocidades de rotacion, a partir de larelacion Luminosidad-Masa, infiero la distribucion de materia y, conKepler, T 2
∝ a3 (o su equivalente relativista), determino la velocidad quedeberıan tener los cuerpos girando a esa distancia. De este modo,comparo la curva teorica con la obtenida experimentalmente
Leyenda : Perfil de velocidades
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 22 / 29
Mundo raro
Se considera entonces que las galaxias estan rodeadas por un halo demateria obscura y se logra describir tanto los perfiles de rotacion como losefectos de lentes, quedando 10 veces mas materia obscura que nosotros,los barionicos
Leyenda : Halo Galactico
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 23 / 29
Mundo raro
La constante cosmologica, energıa obscura, tiene un efectogravitacionalmente repulsivo, aleja, por lo que explica la aceleraciondel Universo mostrada por las observaciones de Supernovas.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 24 / 29
Mundo raro
La constante cosmologica, energıa obscura, tiene un efectogravitacionalmente repulsivo, aleja, por lo que explica la aceleraciondel Universo mostrada por las observaciones de Supernovas.
Vemos que, como les mencione, la relatividad general predice lapresencia de estas componentes obscuras y describe consistentementelos fenomenos observados, junto al hecho de su descripcion tanexacta a pequenas y grandes escalas.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 24 / 29
Mundo raro
La constante cosmologica, energıa obscura, tiene un efectogravitacionalmente repulsivo, aleja, por lo que explica la aceleraciondel Universo mostrada por las observaciones de Supernovas.
Vemos que, como les mencione, la relatividad general predice lapresencia de estas componentes obscuras y describe consistentementelos fenomenos observados, junto al hecho de su descripcion tanexacta a pequenas y grandes escalas.
Hay propuestas alternativas que no quieren introducir a lascomponentes obscuras. Bienvenidas, pero todas se enfocan en uno uotro tipo de las observaciones, no hay ninguna que, de un modoconsistente y, manteniendo los exitos que ya tiene la relatividadgeneral, describa todos los fenomenos observados.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 24 / 29
Mundo raro
La constante cosmologica, energıa obscura, tiene un efectogravitacionalmente repulsivo, aleja, por lo que explica la aceleraciondel Universo mostrada por las observaciones de Supernovas.
Vemos que, como les mencione, la relatividad general predice lapresencia de estas componentes obscuras y describe consistentementelos fenomenos observados, junto al hecho de su descripcion tanexacta a pequenas y grandes escalas.
Hay propuestas alternativas que no quieren introducir a lascomponentes obscuras. Bienvenidas, pero todas se enfocan en uno uotro tipo de las observaciones, no hay ninguna que, de un modoconsistente y, manteniendo los exitos que ya tiene la relatividadgeneral, describa todos los fenomenos observados.
Pero, sı, en el fondo, el punto de vista en el que uno trabaje, es unadecision de creencia.
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 24 / 29
Mundo raro
Sı queda, como ya lo decıa J. A. Jimenez, un mundo raro
Leyenda : Composicion del Universo
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 25 / 29
Obscuro, Le Verrier
Esto de invocar a lo que no se ve, tiene una historia de claro-obscuros. LeVerrier, al creer en las ecuaciones de Newton, descubre a Neptuno. Dehecho, la misma noche en la que aviso, el observatorio de Berlın lo vio el23 de septiembre de 1846.
Leyenda : Urbain Le Verrier, el hombre que descubrio un planeta con la punta desu pluma
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Obscuro, Le Verrier
Por otro lado, Vulcano no existe (¡al menos, donde se predijo!)
Leyenda : Sr. Spock
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 27 / 29
Obscuro, Le Verrier
Pauli, en 1930, predice, a partir de la teorıa, la existencia del neutrino
Leyenda : Primera deteccion del neutrino, 1956
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 28 / 29
A seguir
El entender y tratar de detectar de un modo que no deje dudas a lamateria obscura, entender su naturaleza, ası como a la energıaobscura, ya sea como constante cosmologica u otro campo, son unode los mas grandes retos que hemos tomado muchos cientıficos devarias disciplinas: Relativistas, numericos, astrofısicos, fısicos departıculas. ¿Cual es la naturaleza de la materia obscura? ¿Que esesta constante comologica? ¿Que nuevos efectos tienen?
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 29 / 29
A seguir
El entender y tratar de detectar de un modo que no deje dudas a lamateria obscura, entender su naturaleza, ası como a la energıaobscura, ya sea como constante cosmologica u otro campo, son unode los mas grandes retos que hemos tomado muchos cientıficos devarias disciplinas: Relativistas, numericos, astrofısicos, fısicos departıculas. ¿Cual es la naturaleza de la materia obscura? ¿Que esesta constante comologica? ¿Que nuevos efectos tienen?
Se requiere de mucho trabajo ¡e imaginacion!
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 29 / 29
A seguir
El entender y tratar de detectar de un modo que no deje dudas a lamateria obscura, entender su naturaleza, ası como a la energıaobscura, ya sea como constante cosmologica u otro campo, son unode los mas grandes retos que hemos tomado muchos cientıficos devarias disciplinas: Relativistas, numericos, astrofısicos, fısicos departıculas. ¿Cual es la naturaleza de la materia obscura? ¿Que esesta constante comologica? ¿Que nuevos efectos tienen?
Se requiere de mucho trabajo ¡e imaginacion!
Gracias
Darıo Nunez (Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM DivulGAE)Modelo cosmologico 3 de noviembre del 2016 29 / 29
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