El Primer Segundo del Universo - Indico

El Primer Segundo
del Universo
(y los siguiente 13.700.000.000 de años!)
Daniel G. Figueroa
CERN, Theory Division
Cosmología = ‘Tratado/Estudio‘ del ‘Cosmos/Orden’
(Wikipedia)
Cosmología = Estudio del Universo como un TODO
(Evolución, Contenido,
"Nacimiento", "Muerte",…)
Método científico:
Observar + Medir
Deducir Leyes
Leyes
Predecir nuevos fenómenos
( OJO!: No podemos manipular el Universo, sólo observarlo! )
El UNiVERSO
Un ‘espacio'
CONTENEDOR …
… de MATERIA
(átomos, galaxias, …
+ ‘objetos' más exóticos)
El UNiVERSO
Un ‘espacio'
CONTENEDOR …
… de MATERIA
(átomos, galaxias, …
+ ‘objetos' más exóticos)
El UNiVERSO
Un ‘espacio'
CONTENEDOR …
… de MATERIA
(átomos, galaxias, …
+ ‘objetos' más exóticos)
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia
'Geometría'
???
'Energía'
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia
'Geometría'
???
Geometría 'Espacio-Tiempo'
dicta Movimiento de la Materia
Presencia de Materia (Energía)
dicta Geometría del Espacio-Tiempo
'Energía'
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia
'Geometría'
Geometría 'Espacio-Tiempo'
dicta Movimiento de la Materia
Presencia de Materia
dicta Geometría del Espacio-Tiempo
???
'Energía'
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia
'Geometría'
Geometría 'Espacio-Tiempo'
dicta Movimiento de la Materia
Presencia de Materia
dicta Geometría del Espacio-Tiempo
???
'Energía'
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia
'Geometría'
Geometría 'Espacio-Tiempo'
dicta Movimiento de la Materia
Presencia de Materia
dicta Geometría del Espacio-Tiempo
???
'Energía'
Espacio-Tiempo
Materia
Teoría de la RELATIVIDAD
GENERAL (Einstein,1916)
RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
Espacio-Tiempo
Materia
Teoría de la RELATIVIDAD
GENERAL (Einstein,1916)
RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
Espacio-Tiempo
Materia
Teoría de la RELATIVIDAD
GENERAL (Einstein,1916)
RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
¿ UNiVERSO a GRAN ESCALA ?
¿ UNiVERSO a GRAN ESCALA ?
Principio Cosmológico:
HOMOGÉNEO e ISÓTROPO
¿ UNiVERSO a GRAN ESCALA ?
Principio Cosmológico:
HOMOGÉNEO e ISÓTROPO
IGUAL EN TODAS PARTES !!!
¿ UNiVERSO a GRAN ESCALA ?
Principio Cosmológico:
HOMOGÉNEO e ISÓTROPO
IGUAL EN TODAS PARTES !!!
IGUAL EN TODAS DIRECCIONES !!!
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
(Millenium Simulation)
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
ENERGÍA-MATERIA
GEOMETRÍA
ESPACIO-TIEMPO
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
ENERGÍA-MATERIA
Principio
Cosmológico
HOMOGÉNEO
& ISÓTROPO
GEOMETRÍA
ESPACIO-TIEMPO
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
ENERGÍA-MATERIA
GEOMETRÍA
ESPACIO-TIEMPO
Principio
Cosmológico
HOMOGÉNEO
& ISÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
1) Geometría: Plana/Cerrada/Abierta
2) Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
ENERGÍA-MATERIA
GEOMETRÍA
ESPACIO-TIEMPO
Principio
Cosmológico
HOMOGÉNEO
& ISÓTROPO
RELATIVIDAD
GENERAL
1) Geometría: Plana/Cerrada/Abierta
2) Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
eoría
T
a
l
de
!!!
G
N
Base
A
IG B
B
l
e
d
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
TEORÍA DEL BIG BANG:
{
Geometría: Cerrada/Negativa/Plana
Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
TEORÍA DEL BIG BANG:
{
Geometría: Cerrada/Negativa/Plana
Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
TEORÍA DEL BIG BANG:
{
Geometría: Cerrada/Negativa/Plana
Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e iSÓTROPO
TEORÍA DEL BIG BANG:
BIG
{
?
G
N
BA
¿t=0?
Geometría: Cerrada/Negativa/Plana
Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
FORMACIÓN ÁTOMOS
(300.000-400.000 Años)
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
RESUMEN
Universo
Homogéneo
& Isótropo
Universo en
Expansión
(Geom: Plana,
Cerrada, Abierta)
Etapas Cósmicas:
Formación Galaxias, Formación de
Átomos, Formación de Núcleos
atómicos, Creación de todas las
partículas elementales
Etapas Cósmicas:
GAS DE PARTÍCULAS
(homogéneo & isótropo)
Formación Galaxias (500 Millones años)
Atracción
Gravitatoria
'GRUMOS‘
Etapas Cósmicas:
GAS DE PARTÍCULAS
(homogéneo & isótropo)
Formación Galaxias (500 Millones años)
Atracción
Gravitatoria
'GRUMOS‘
!
!
!
S
A
I
X
A
L
A
G
Etapas Cósmicas:
GAS DE PARTÍCULAS
(homogéneo & isótropo)
[no completamente !!]
⇢ = ⇢¯(1 ± ⇢)
⇢ ⇠ O(10
5
)
Formación Galaxias (500 Millones años)
Atracción
Gravitatoria
'GRUMOS‘
!
!
!
S
A
I
X
A
L
A
G
Etapas Cósmicas:
GAS DE PARTÍCULAS
(homogéneo & isótropo)
Formación Galaxias (500 Millones años)
Atracción
Gravitatoria
[no completamente !!]
⇢ = ⇢¯(1 ± ⇢)
⇢ ⇠ O(10
5
)
oria
t
a
it
v
a
r
G
n
ió
c
c
Atra
'GRUMOS‘
!
!
!
S
A
I
X
A
L
A
G
( ⇢
1)
ESTRUCTURA a GRAN ESCALA
del UNIVERSO (Videos)
MILLENNIUM Simulations
AREPO Simulations
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
FORMACIÓN ÁTOMOS
(300.000-400.000 Años)
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
Tamaño MAYOR,
Temperatura MENOR
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
FORMACIÓN ÁTOMOS
(300.000-400.000 Años)
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
Tamaño MENOR,
Temperatura MAYOR
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas:
Formación átomos (300.000-400.000 años)
Pasado,
más caliente
Después,
más frío
Protones,
Electrones,
Fotones
Interaccionan
electromagnéticamente
El Universo se va enfriando…
… Fotones no tienen suficiente
energía para romper átomos,
Entonces electrones se unen
a núcleos atómicos: Átomos!!!
Átomos
creados !!!
Luz (radiación
electromagnética)
libre !!!
Cosmic Microwave Background
Formación
átomos
(300.000-400.000
años)
Etapas
Cósmicas:
Initial time: hot soup of baryons, electrons & photons
t
t0 ⇠ 3 · 105 yr
stable atoms start to form.
The Universe becomes transparent!
Photons
red-shifted
and
dispersed
by
gravity
wells!
Formación átomos: Propagación libre de la luz !!
(Recombinación)
gravity related to matter content
Etapas Cósmicas:
Formación átomos (300.000-400.000 años)
¿ Dónde está esa luz? En Todas partes!
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
ión
c
a
i
!!
ad
R
o
c
i
n
ó
sm
ó
FORMACIÓN ÁTOMOS Emisi
C
do
(300.000-400.000 Años) de Fon
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas:
Formación átomos (300.000-400.000 años)
¿ Dónde está esa luz? En Todas partes!
Fondo Cósmico
de Microondas
T (2)
T (1)
c t
Cosmic Microwave
Background (CMB)
Etapas Cósmicas:
Formación átomos (300.000-400.000 años)
¿ Dónde está esa luz? En Todas partes!
Satélite
PLANCK
Fondo Cósmico
de Microondas
e
d
a
v
iti
n
g!
fi
n
e
a
d
B
ba
ig
e
B
u
l
r
e
P
ía d
r
o
e
la t
(casi-)ISÓTROPO
Pero ….
Hay Pequeñas ‘Inhomogeneidades' !!!
(variaciones de 1/100.000)
Etapas Cósmicas:
Formación átomos (300.000-400.000 años)
Propiedades del Fondo Cósmico de Microondas
Propiedades de las Anisotropías
entonces …. Geometría del Universo !!!
El UNIVERSO TIENE GEOMETRÍA ‘PLANA' !!!
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
Tamaño MAYOR,
Temperatura MENOR
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
FORMACIÓN ÁTOMOS
(300.000-400.000 Años)
(Y emisión del CMB !!!)
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
Tamaño MENOR,
Temperatura MAYOR
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas:
Formación núcleos atómicos (3 mins)
Pasado,
más caliente
(1 segundo)
Protones,
Neutrones
Interaccionan
fuertemente
Después, más frío
(3 minutos)
El Universo se va enfriando…
… protones y neutrones no tienen
suficiente energía
Entonces se unen formando nucleos
atómicos: Física Nuclear !
Núcleos
Atómicos
creados !!!
Etapas Cósmicas:
Formación núcleos atómicos (3 mins)
FÍSICA NUCLEAR
(medida en el laboratorio)
Permite predecir la cantidad de
H, 4He, D, 3He, 7Li, ...
va
i
t
i
n
efi
g !!
d
n
a
a
eb
gB
i
u
r
B
p
l
Otra eoría de
t
a
l
e
d
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
Tamaño MAYOR,
Temperatura MENOR
HOY [Galaxias, Cúmulos, …]
(13.700 Millones de Años)
PRIMERAS GALAXIAS
(500 Millones de Años)
FORMACIÓN ÁTOMOS
(300.000-400.000 Años)
(Y emisión del CMB !!!)
FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS
(3 minutos !!!)
Tamaño MENOR,
Temperatura MAYOR
PRIMER SEGUNDO
DEL UNIVERSO!!!
$
000$yr
>$400.
CMB$
$Photons$(light)$decouple$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
and$propagate$freely$$ Cósmicas:
Etapas
El Primer Segundo del Universo !!!
00$yr$
~$400.0
Notación :
10
n
RECOMBINATION$
Protons$and$electrons$
seg = 0.00....001 seg $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
combine$to$form$Atoms$
$
000$yr
~$300.
NUCLEOSYNTHESIS$
Light$Nucleii$form,$aLer$
electron^positron$annihila6on$
and$neutrino$decoupling$$
$
$3$min
–
$
c
e
s
$
1
$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
QUARK$CONFINEMENT$
Quarks$bind$into$Hadrons$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
(protons$&$neutrons)$
EW$UNIFICATION$
ElectroMagne6sm$&$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
weak$interac6ons$unify$
c$
10^4 $se
c
^ 1 0 $se
10
BARYOGENESIS$?$
$
MaVer$remains,$$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
An6^MaVer$disappears$
GRAND$UNIFICATION$?$
^ 3 5 $sec$?
>$10
All$forces$unified$
($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
into$a$single$one$?$
c$?$
REHEATING$
^ 3 5 $se
10
All$maVer$in$the$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
Universe$is$created$
^ 3 6 $sec$
>$10
INFLATION$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
Exponen6al$Expansion$$
of$the$Universe$
c
^ 3 6 $se
0
^43$ –$1
10
$
$
??$
CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$
$
000$yr
>$400.
CMB$
$Photons$(light)$decouple$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
and$propagate$freely$$ Cósmicas:
Etapas
00$yr$
~$400.0
El Primer Segundo del Universo !!!
RECOMBINATION$
10
Protons$and$electrons$
seg
Aceleradores de Partículas (LHC): Llegan hasta 10$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
combine$to$form$Atoms$
$
000$yr
.
0
0
3
$
~
NUCLEOSYNTHESIS$
Light$Nucleii$form,$aLer$
electron^positron$annihila6on$
and$neutrino$decoupling$$
$
$3$min
–
$
c
e
s
$
1
$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
QUARK$CONFINEMENT$
Quarks$bind$into$Hadrons$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
(protons$&$neutrons)$
EW$UNIFICATION$
ElectroMagne6sm$&$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
weak$interac6ons$unify$
c$
10^4 $se
c
^ 1 0 $se
10
BARYOGENESIS$?$
$
MaVer$remains,$$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
An6^MaVer$disappears$
GRAND$UNIFICATION$?$
^ 3 5 $sec$?
>$10
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($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
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c$?$
REHEATING$
^ 3 5 $se
10
All$maVer$in$the$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
Universe$is$created$
^ 3 6 $sec$
>$10
INFLATION$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
Exponen6al$Expansion$$
of$the$Universe$
c
^ 3 6 $se
0
^43$ –$1
10
$
$
??$
CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$
Tod
ay$!
!!$
DARK$ENERGY$
$($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
$$The$expansion$of$the$
Universe$accelerates$
9$
$
$>$$8$x$10 $yr
Etapas Cósmicas:
GALAXY$$
EVOLUTION$
+$CLUSTER$
FORMATION!
010 $yr$
9
10 $–$1
GALAXY$FORMATION$$$
+$REIONIZATION$
109 $ yr$
El Primer Segundo del Universo !!!
$
$DARK$AGES$
00$yr$
>$400.0
Aceleradores de Partículas (LHC @ CERN): Llegan hasta 10
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
CMB$
$Photons$(light)$decouple$
and$propagate$freely$$
00$yr$
~$400.0
10
s
RECOMBINATION$
Protons$and$electrons$
$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
combine$to$form$Atoms$
00$yr$
~$300.0
NUCLEOSYNTHESIS$
Light$Nucleii$form,$aLer$
electron^positron$annihila6on$
$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
and$neutrino$decoupling$$
$3$m
1$sec$–
in$
QUARK$CONFINEMENT$
Quarks$bind$into$Hadrons$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
(protons$&$neutrons)$
EW$UNIFICATION$
^4 $sec$
10
ElectroMagne6sm$&$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
weak$interac6ons$unify$
BARYOGENESIS$?$
c$
^10 $se
10
MaVer$remains,$$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
An6^MaVer$disappears$
GRAND$UNIFICATION$?$
^35 $sec$?
>$10
($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
All$forces$unified$
into$a$single$one$?$
c$?$
^35 $se
10
All$maVer$in$the$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$)$
Universe$is$created$
^36 $sec$
>$10
Exponen6al$Expansion$$
($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$
of$the$Universe$
^36 $se
$
REHEATING$
INFLATION$
0
^43$ –$1
10
* Física de Partículas (Laboratorio):
Extrapolamos al Universo Primitivo
c$
??$
* Al principio del Universo hubo (posiblemente) un
CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$
período de INFLACIÓN: EXPANSIÓN ACELERADA
[después se creó toda la materia!!!]
* ¿ Pueden pensar en otra radiación emitida en el primer segundo ?
ONDAS GRAVITACIONALES (luz gravitatoria)
* El Primer segundo del Universo determina su evolución posterior!
RESUMEN
El Universo se ha expandido durante 13.700 millones de años !
(Sabemos eso porque hemos ¨medido¨ la materia del Universo)
Varias Etapas han sido cruciales en la evolución del Universo
El primer segundo es crucial para entender la posterior evolución
Pero todavía NO ENTENDEMOS ese Primer Segundo !!
¿ QUÉ NO HE CONTADO ?
MUCHAS COSAS !!!
¿ QUÉ NO HE CONTADO ?
ENERGÍA OSCURA !
(Expansión Acelerada)
MATERIA OSCURA !
¿ QUÉ NO HE CONTADO ?
Proporción de componentes en el Universo
¿ QUÉ NO HE CONTADO ?
INFLACIÓN CÓSMICA !!!
Necesaria para la Consistencia
de la teoría del Big Bang !!!
1 cm
28
10 cm
Misterios por resolver
¿Qué compone la materia oscura?
¿Qué es la energía oscura?
¿Tiene sentido hablar del 'antes' del Big Bang?
¿Es infinito el Universo?
¿Cómo desapareció la anti-materia?
¿Cómo nació el Universo?
¿Ocurrió realmente la Inflación?
...
Para saber más (libros)
• Los tres primeros minutos (S. Weinberg) Teoría del Big Bang
• Agujeros negros y tiempo curvo (K. Thorne) Gravedad
• El encanto de la Fisica (S. L. Glashow) Física de Partículas
• El Universo Elegante (B. Green) Teoría de Cuerdas
• El Universo Inflacionario (A. Guth) Paradigma Inflacionario
[email protected]
¿ Qué NO es la Cosmología?
Astrología o Religión:
No son ciencias. Se basan en premisas no
verificables, e incluso falsas.
Psicología, Biología, Química, Astrofísica...:
Son ciencias. Sin embargo su objectivo es otro:
Propiedades de la materia
El ser humano
Sistemas vivos
Astros individuales
La ciencia se organiza en ramas.
La cosmología es un tronco central.