Tema: Cosmología Física. 1ra Parte - UNAN

Tema: Cosmología Física. 1ra Parte
MSc Javier Pichardo Ramírez
Observatorio Astronómico UNANUNAN-Managua
La Cosmología, como ciencia, es un producto del siglo
XX, y sin duda uno de los temas científicos más
fascinantes de nuestro tiempo. Esta rama de la Astrofísica,
nace de la fusión de resultados de Astronomía
Observacional (particularmente del estudio de galaxias),
con los pilares de la Física Contemporánea: La
Relatividad General y la Mecánica Cuántica.
Astronomía Observacional a gran Escala: Ley de
Hubble.
Teoría de la Relatividad General.
EL Big Bang.
Radiación Cósmica de Fondo.
Nucleosintesis
Principio Cosmológico de Einstein: hipótesis
esencial para la comprensión del Universo
A gran escala, el Universo es
homogéneo e isotrópico.
Gran escala: distancias del orden 100 Mpc
Principio Cosmológico de Einstein: hipótesis
esencial para la comprensión del Universo
Hay evidencia (distribución de galaxias, radiación de
fondo, etc.) que el Universo sí es isotrópico. La
homogeneidad no ha sido demostrada categóricamente,
pero ya pueden excluirse modelos isotrópicos con
cascarones esféricos muy inhomogéneos.
En la Teoría de la Relatividad General, la métrica para un
espacio homogéneo e isotrópico es la de FriedmanRobinson-Walker. La solución a las ecuaciones de campo
para tal métrica lleva a la ecuación de Friedmann, que
relaciona la expansión del universo con su contenido de
materia y energía.
Ecuaciones de campo de Einstein
de la Relatividad General
Geometría
Constante Cosmológica
Materia-energía
Ecuaciones de campo de Einstein
de la Relatividad General
Geometría
Constante Cosmológica
Materia-energía
Einstein presentó sus ecuaciones de campo originalmente sin constante
cosmológica. Como no encontraba soluciones cosmológicas estables, introdujo la
constante. Poco después Hubble descubrió que el Universo estaba en expansión.
Einstein quitó la constante y dijo que éste había sido el mayor error de su vida.
Hace unos cuantos años se encontró que la constante cosmológica es diferente de
cero aunque muy pequeña.
Métrica, curvatura y geodésicas
Ejemplos sencillos del tensor métrico
ds2 = R2 [ dθ2 + sin2θdφ2 ] (coordenadas esféricas)
ds2 = dρ2 + R2 sin2(ρ/R) dφ2 (coordenada polares ρ=Rθ;φ)
ds2 = dx2/[1-x2/R2] + x2 dφ2 (x=Rsinθ;φ)
Métrica de Schwarzschild y de Robertson-Walker
Karl Schwarzschild
Lobachevski
Gauss
Riemann
Curvatura del espacio
Esta figura muestra los tres tipos de espacios curvos posibles en
2D para un Universo sin centro: espacios con curvatura negativa
(k=-1), planos (k=0), y con curvatura positiva (k=+1).
El círculo dibujado sobre la esfera A (b) tiene una circunferencia más
corta que la de (a), mientras que un circulo dibujado en una silla de
montar tiene una circunferencia más larga que (a), a pesar que todas
tienen el mismo radio
El espacio le dice a la masa
como moverse . La masa le
dice al espacio como curvarse
Cuidado ¡¡
La curvatura no es debida a la gravedad
es la propia gravedad. Los objetos se mueven
en el espacio-tiempo por los caminos más
cortos o los de mínima resistencia.
Modelo del Universo Einstein-DeSitter
Tomando como cero la
constante
cosmológica , se obtiene
El Modelo Einstein-De Sitter se formula haciendo k = 0
Alexander Friedmann
1888-1925
Encuentra soluciones exactas la
Ecuaciones de Einstein, en ellas
percibe que el Universo en expansión.
Slipher, Vesto Melvin
(1875-1969)
Lowell Observatory, Flagstaff, Arizona
Primero en medir la velocidad
de las galaxias (la primera fue
andrómeda en 1912). Tomando
espectros de hasta 80 horas de
exposición, descubrió que las
galaxias se alejan de nosotros.
Esta fue la primera evidencia
de la Expansión del Universo.
Edwin Hubble (1889-1953)
Primero estudió y por un breve tiempo
practicó la carrera de Leyes. Pero luego
decidió dedicarse a la Astronomía.
Sus enormes contribuciones a la
cosmología incluyen:
Las galaxias son Universos Islas
Clasificación morfológica de las
galaxias
El Universo se expande y obedece la
Ley de Hubble V=H D
Estudios acerca de la homogeneidad
e isotropía del Universo.
Sus principales resultados están en su libro:
The Realm of the Nebulae, Edwin Hubble
Desplazamiento al rojo
Galaxia muy lejana
Galaxia lejana
Galaxia relativamente
cercana (unos 50 Mpc)
Estrella próxima
La ley de Hubble: V = Ho D
Velocidad
(Km/s)
.
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. .
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.
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.
La constante de Hubble (H0) es la
pendiente de esta línea. En forma
simplificada, la edad del Universo
es 1/H0
Distancia (Mpc)
U n d e rs ta n d in g H u b b le ’s L a w
R e c a ll W h a t
H u b b le ’s L a w I s !
v = H0 d
G a la x y v e lo c ity
( m e a s u re v ia re d s h if t)
H u b b le c o n s ta n t
G a la x y
d is ta n c e
H o w e v e r, in a d d itio n
to d is ta n c e , th e
re d s h ift a ls o te lls y o u
a b o u t th e s iz e o f th e
U n iv e rs e a t th e tim e
th e lig h t w a s e m itte d .
Por muchos años existió un serio debate acerca del valor de la
constate de Hubble, pero este ya ha sido resuelto a favor del
valor de 72 km/s/Mpc a principio de los 90´s, gracias a los
trabajos con las SN Ia y con el Telescopio Hubble, entre otros.
Expansión del Universo
El Universo se inicia con la gran explosión
Georges Lemaître (1894-1966)
sacerdote católico belga.
Propuso que el Universo empezó con la
explosión de un “átomo primitivo”...
Pocos se dieron cuenta de las implicaciones que tendría el articulo
publicado por Lemaitre en 1927 en Annales de la Societe scientifique
de Bruxelles. Ese mismo año habló con Einstein en Brussels. Einstein
le dijo “Tus cálculos son correctos, pero tu comprensión de la física
es abominable.”
George Lemaitre (1894-1966)
Sacerdote Jesuita, belga
En 1927 demostró que las ecuaciones de Einstein, implican
que el Universo está en expansión, lo cual fue demostrado
observacionalmente por Hubble en 1929. En 1932 presento
una conferencia a la que asistieron Einstein y Hubble.
Después de la charla, Einstein comentó:
Es la más bella y satisfactoria explicación de la creación
que he escuchado.
Lemaitre es el padre de la teoría del Big Bang. Por cierto,
nombre acuñado en un programa de radio de la BBC de
Londres por su archienemigo científico Fred Hoyle.
Tuvo la fortuna de enterarse del descubrimiento de la
Radiación de Fondo, antes de morir el 20 de Junio de 1966.
Visita de Einstein a Mt. Wilson en 1931
George E.
Hale
Humason, Hubble, St. John, Michelson,
Einstein, Cambell, Adams
Lick, Mt. W.
Encuentro histórico entre cosmólogos teóricos y observacionales
Muchas Gracias