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 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 Modelo Geocéntrico Modelo Heliocéntrico Universo Estático Se descubre que el Universo se expande (Hubble 1929) Modelos Dinámicos sobre la evolución del 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 Estático Antes del descubrimiento de Hubble, se pensaba que el universo era estático. Las galaxias no se movían. Modelo de Einstein: Constante Cosmológica

Se descubre que el Universo se Expande

¿Somos el Centro del Universo? ¡NO!

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 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 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 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.

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

¿Qué vemos desde la Tierra?

COBE Mapa sin anisotropía dipolar Temperatura promedio= 2.725 K 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!

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

“Tell us Frankie”

Futuro del Universo

¿ Ocurrió el Big Bang? Sí

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 es cerrado ahora, entonces nació con cero volumen.

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 Universo plano Horizonte Monopolos magnéticos Solución: Inflación

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: ¿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 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 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

¿Expansión Acelerada? The Supernova Cosmology Project 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) Satélite destinado a Medir la anisotropía De la radiación Cósmica de Fondo

WMAP vs COBE

WMAP vs COBE COBE WMAP

Analogía

Fluctuaciones en Temperatura

Estructura

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

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 Constante Cosmológica Quintessence M-Theory Superstrings

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

El Futuro…

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

Mosaico

¿Qué estamos viendo?

Satélites y lo que observan

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 cosmología ¿Preguntas? CRÉDITOS: http://map.gsfc.nasa.gov http://hubblesite.org