El Universo en Expansión: La visión cambiante del cosmos Rosa Amelia González, CRyA, UNAM UASLP, 13 de noviembre de 2009.

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1 El Universo en Expansión: La visión cambiante del cosmos Rosa Amelia González, CRyA, UNAM UASLP, 13 de noviembre de 2009

2 ¿Qué es la Cosmología? El estudio del universo: su estructura, origen, evolución y destino Nuestra visión del universo Nuestro modelo cosmológico

3 Muchas culturas han creado modelos del universo La cosmología a través de los tiempos…

4 Siglo II: Claudio Ptolomeo (Física de Aristóteles) Modelo: Cosmología geocéntrica Idea central: La Tierra y el cosmos se rigen por leyes distintas Ha habido 3 revoluciones científicas en la cosmología: Siglo XVI: Nicolás Copérnico (Física de Newton) Modelo: Cosmología heliocéntrica Idea central: física universal, las leyes son las mismas en todas partes Siglo XX: Edwin Hubble (Física de Einstein) Modelo: Cosmología de la Gran Explosión (Big Bang) Idea central: el universo cambia, evoluciona Nuestra visión del cosmos – los modelos científicos

5 …“el movimiento natural de la Tierra …es hacia el centro del universo; es por esta razón que actualmente está en el centro.” Aristóteles, Acerca del cielo Cosmología geocéntrica: Claudio Ptolomeo, 100-170 DC

6 Predicción: Posiciones futuras de los planetas Observación: Movimientos retrógrados de los planetas Refinamiento: epiciclos ¡Éxito! Durante 1500 años Prueba del modelo geocéntrico

7 Predicción: Sólo unas fases de Venus serían visibles Observación: Todas las fases de Venus son visibles ¡Crisis! Prueba del modelo geocéntrico

8 Cosmología heliocéntrica: Nicolás Copérnico 1473-1543 “En reposo, sin embargo, en el centro de todo está el Sol.” Nicolás Copérnico, de Revolutionibus (Sobre las revoluciones de las esferas celestes)

9 Predicción: Posiciones futuras de los planetas Observación: No mejor que el modelo ptolomeico Refinamiento: órbitas elípticas (Johannes Kepler 1571-1630) Prueba del modelo heliocéntrico

10 Predicción: Las posiciones de las estrellas deberían cambiar (paralaje) al girar la Tierra alrededor del Sol. Observación: Las posiciones no cambian. ¿Crisis? No, pero fue necesario esperar hasta 1838 (Friedrich Bessel) Prueba del modelo heliocéntrico

11 Predicción: El Sol está en el centro del cosmos Observación: El Sol no es el centro del universo (1918) Prueba del modelo heliocéntrico ¡Crisis! Observación: Nuestra Galaxia no es todo el universo (1923)

12 Cosmología del Big Bang: Albert Einstein (1879-1955) “Un ser humano es parte de un todo, que llamamos ‘universo’, una parte limitada en el tiempo y en el espacio.”

13 Predicción: El universo se está expandiendo Observación: Las galaxias se alejan unas de otras (1929) Prueba del modelo del Big Bang

14 Evidencia de un universo en expansión El espectro del gas de hidrógeno es como una huella digital única de dicho elemento Lámpara de hidrógeno

15 Evidencia de un universo en expansión Nebulosa de Orión Si vemos un patrón como el observado en el laboratorio, sabemos que hay hidrógeno

16 Evidencia de un universo en expansión Vemos el mismo patrón de líneas en el espectro de una galaxia, pero desplazado hacia el rojo Galaxia UGC 12915

17 Evidencia de un universo en expansión Mientras más lejana es la galaxia, el desplazamiento del espectro es mayor Galaxia UGC 12508

18 Evidencia de un universo en expansión Galaxia KUG 1750 Mientras más grande es el desplazamiento al rojo del espectro, más rápidamente se aleja de nosotros la galaxia

19 Evidencia de un universo en expansión El espectro se desplaza hacia el rojo porque el espacio se expande Galaxia KUG 1217

20 Evidencia de un universo en expansión El desplazamiento al rojo es evidencia de que el universo se expande Galaxia IRAS F09159

21 Relación d-v para nebulosas extragalácticas Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13 ©2004 by National Academy of Sciences v = H 0 d /s Edwin Hubble 1889-1953

22 ¿C ó mo se alejan las galaxias? Animación Modelo Big-BangModelo Big-Bang

23 Origen comprimido

24 Predicción: Si el universo fue más denso y caliente en el pasado, deberíamos poder ver evidencia del calor del universo joven Observación: Calor residual del universo joven ( Penzias & Wilson, 1965 ) Prueba del modelo del Big Bang

25 Predicción: Un universo en expansión, originalmente denso y caliente, debería estar constituido principalmente por hidrógeno y helio La masa del Sol: 74.5% H, 24% He Observación: La masa del universo es ~75% hidrógeno, ~25% helio Prueba del modelo del Big Bang Cecilia Payne

26 Predicción: Un universo en expansión evoluciona con el tiempo. Si observamos el universo joven, debe verse distinto del actual. Observación: Muchas galaxias distantes son menos evolucionadas, física y químicamente (ver en el espacio es ver hacia el pasado). Prueba del modelo del Big Bang

27 Las galaxias hoy

28 Observation: 90% de la materia es de una clase desconocida: materia oscura Refinamiento: Pero su gravedad funciona igual que la de la materia “normal”, y su presencia es necesaria para explicar el aspecto del universo. El modelo del Big Bang Vera Rubin

29 Observación: La expansión se está acelerando. Refinamiento: Existe una cantidad de energía extra, de origen desconocido, de la que nos acabamos de percatar. Sin embargo, el concepto de energía oscura es una parte integral de la teoría de la gravitacion de Einstein (la relatividad general). El modelo del Big Bang

30 Evidencia de la energia oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 1 Una estrella moribunda se transforma en una enana blanca.

31 Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 2 La enana blanca le arranca gas a su compañera estelar…

32 Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 3 …y lo utiliza para convertirse en una bomba de hidrógeno. ¡Pum!

33 Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 4 La explosión es tan brillante como todas las otras estrellas de la galaxia juntas

34 Evidencia de la energía oscura – supernovas como indicadores de distancia - paso 5 …y puede verse a través del universo.

35 Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13 Diagrama de Hubble para SNs tipo Ia Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8- 13 hasta z ≈ 0.2 hasta z ≈ 1

36 Desviaciones en el Diagrama de Hubble Kirshner R. P. PNAS 2004;101:8-13 30% MO, 70% EO 30% MO 100% MO Aceleración, EODesaceleración, MO

37 Energía oscura 73% Materia oscura 23% “Materia normal” 4%

38 Conclusiones El modelo del Big Bang describe lo que entendemos actualmente del origen y la evolución del universo Nuevos descubrimientos, como la materia oscura y la expansión acelerada (energía oscura) nos conducen a refinar el modelo. Todavía no hay una crisis. La ciencia es un proceso continuo que nos fuerza a probar nuestros modelos a través de la predicción yla observación. Mientras más pruebas pasan, más confianza podemos tener en ellos.

39 El futuro de la cosmología: más allá de Einstein ¿Qué produjo el Big Bang? ¿Qué es la energía oscura? ¿Cómo era el universo en los primeros segundos?

40 Créditos Colliding galaxies: NASA & the Hubble Heritage Team (STScI) Phases of Venus: Albert Van Helden Star field: NASA/GSFC Andromeda: Palomar Observatory, P. Challis, CfA HGC 87: Gemini Observatory/GMOS-S Galaxy cluster: Jean-Charles Cuillandre (CFHT), Hawaiian Starlight, CFHT Orion nebula: MicroObservatory, SAO Galaxy data: courtesy Emilio Falco, CfA Comic microwave background: NASA/WMAP Sun: SOHO/NASA/ESA Cecilia Payne: President and Fellows of Harvard College Early galaxies: NASA, Richard Griffiths/JHU, Medium Deep Survey Team Edge-on galaxy: Bruce Hugo and Leslie Gaul, Adam Block (KPNO Visitor Program), NOAO, AURA, NSF Ring nebula: H. Bond et al., Hubble Heritage Team (STScI / AURA), NASA White dwarf accretion: STScI, NASA Supernova Remnant: NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair Galaxy and supernova data: High-Z Supernova Search Team, HST, NASA Composition of the universe: SAO Spacecraft and Einstein probes: NASA ALBERT EINSTEIN and related rights ™/© of The Hebrew University of Jerusalem, used under license. Represented by the Roger Richman Agency, Inc., www.albert-einstein.net Please contact einstein2005@cfa.harvard.edu for more information about non-credited historical images.

41 ¡Gracias!

42 Additional Credits URL or program name here http://www.universeforum.org/einstein/ This presentation was initially developed for the “Modeling the Universe” educator workshop by the Universe Education Forum and our NASA mission partners. For additional information and activities related to the themes of this presentation, please visit the “Modeling the Universe” web site: http://www.universeforum.org/mtu/ This collaboration is part of the education and public outreach program from NASA’s Science Mission Directorate.