La Gran Explosión (Big Bang) - El Universo se creó en la gran

La Gran Explosión (Big Bang)
- El Universo se creó en la gran explosión inicial llamada Big Bang.
- El espacio y el tiempo se crearon en el Big Bang.
- El Big Bang ocurrió en t=0, ahora es t=13000000000 yr.
- Cómo saber qué pasó entonces?
Qué es el Universo? Es todo, materia, energía, espacio-tiempo.
Dónde Ocurrió el Big Bang? Aquí, allá, en todos lados.
Antes del Big Bang? Nada. E.g. Qué pensabas antes de existir?
Big Crunch?
Otros Universos? Podrían existir, pero cómo saberlo?
BHs como túneles entre Universos (worm holes)?
Era de la Radiación
- Refs:
•“Los primeros tres minutos” de S. Weinberg.
•“El Big Bang” de J. Silk.
- La T en la explosión fue infinita, pero después
el Universo se enfrió rapidamente.
- El Universo era pequeñísimo, tamaño 10-40m en t=10-40 sec.
- En t= 0.00000000000000000000000000000000001s (10-34) sec ocurrió la inflación, donde el Universo creció
exponencialmente de tamaño unos 40 órdenes de magnitud, hasta tener 1m.
- Lo único que había en esos primeros momentos era radiación.
- El Universo entonces era totalmente opaco.
Era de la Materia
- Para z = 1000, unos 380000 años después del Big Bang, el Universo se enfrió a T = 3000K, y se hizo definitivamente
transparente a la radiación (última superficie de dispersión = mapas de la radiación de fondo de microondas).
- Las primeras partículas aparecieron, los fotones no tienen suficiente energía para ionizar los átomos, y el universo
fue dominado por la materia.
- Los aceleradores de partículas modernos simulan las condiciones de esa época del Universo, cuando el Universo
era una sopa de radiación y partículas elementales, antes que se22 formaran las estrellas.
- El Universo siguió expandiéndose más lentamente hasta el tamaño actual de >10 m.
Expansión del Universo
Paradoja de Olbers
Cómo se ve el Universo si es infinito?
El cielo nocturno es oscuro.
Por qué es así, si cualquier línea de visual choca con una estrella de una galaxia tarde o temprano?
Olbers: el cielo debería ser tan brillante como la superficie de una estrella.
Solución: no vemos todo el Universo, vemos sólo una región finita.
Horizonte
- Limitaciones del espacio-tiempo.
- Hay dos maneras de perder una cita: en espacio y en tiempo.
- Horizonte de eventos: no podemos ver más allá.
- La luz tiene una velocidad finita.
- La región visible se incrementa con el tiempo.
- Las 3 SN A, B y C explotan al mismo tiempo, pero en distintos
lugares. Primero vemos A, luego B, y luego C. B y C estaban más
allá de nuestro horizonte cuando vimos a A.
- Principio de causalidad.
Edad del Universo
Supongamos que todas las galaxias estaban juntas en el Big Bang,
y supongamos que sus velocidades se mantuvieron constantes.
Cuánto tiempo le llevó a una galaxia llegar a su distancia actual D?
Como la velocidad V es constante: T = D/V
Además, por la ley de Hubble, V = HoD
1/Ho=1/70 s Mpc/km = XXX s
Reemplazando: T = D/HoD = 1/Ho
La edad del Universo es independiente de la distancia.
1/Ho = 13000000000 años (13Gyr)
La edad de los cúmulos globulares pobres en metales se aproxima a esa cifra.
Notar que si Ho tiene un error de un factor 2, la edad de los objetos en el universo es incierta por un factor 2.
Evolución de las Estructuras
Láminas y filamentos formados de galaxias alrededor de grandes espacios vacíos. Aspecto esponjoso similar al
cerebro humano.
El Principio Cosmológico El Universo es homogéneo e isotrópico.
- Homogéneo significa que no hay ningún lugar privilegiado, si estuviéramos en otro lugar, el Universo se vería
igual.
- Isotrópico significa que no hay ninguna dirección privilegiada, hacia cualquier dirección que veamos, el Universo
se vería igual.
- Ojo: el Universo local no es ni homogéneo ni isotrópico porque existen estructuras: galaxias, grupos, cúmulos,
vacios y supercúmulos.
- No obstante, las estructuras más grandes tienen unos 200Mpc, más allá el Universo cumple con el principio
cosmológico.
- Consecuencias:
•El Universo no tiene borde.
•El Universo no tiene centro (principio de mediocridad).
El Universo Relativista
- La relatividad general de Einstein predijo el Big Bang.
- Cuánto más lejos observamos, más se acercan las velocidades de los objetos a la velocidad de la luz.
- Redshifts cosmológicos.
- Los quásares y las galaxias más distantes.
Actividad y Manchas en el Sol
Redshift
V/c
Distancia (Mpc)
Tiempo (Myr)
0
0.01
0.05
0.1
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
3.0
5.0
10
0
0.01
0.05
0.1
0.18
0.39
0.6
0.72
0.8
0.88
0.95
0.98
0
40
193
372
697
1468
2343
2940
3381
4000
4733
5587
0
129
613
1158
2080
3961
5619
6493
7019
7606
8101
8454
Evolución del Universo
- Densidad crítica
- Donde
es la densidad que se necesitaría para cerrar el Universo.
- Hoy tenemos
- Observacionalmente
- Densidad Crítica = 14 átomos de H por metro cúbico.
Evolución del Universo
- Dos futuros
- Destino del Universo está determinado por la densidad promedio de materia.
Cerrado (ligado)
Justo Cerrado
Abierto (desligado)
- Consecuencia interesante: Si
entonces la energía cinética es igual a la energía potencial, la energía total
es cero. El Universo nace de la nada, y no habría nada que hacer para generar un Universo.
Geometría del Espacio
Curvatura positiva:
- la densidad del Universo es mayor que la densidad crítica.
- se aplica la geometría esférica,
- las líneas paralelas eventualmente convergen,
- la suma de los ángulos de un triángulo es mayor que 180 grados.
- volumen finito.
Curvatura cero:
- la densidad del Universo es igual a la densidad crítica.
- se aplica la geometría plana,
- las líneas paralelas nunca se juntan,
- la suma de los ángulos de un triángulo es igual a 180 grados.
- volumen infinito
Curvatura negativa:
- la densidad del Universo es menor que la densidad crítica.
- se aplica la geometría hiperbólica,
- las líneas paralelas eventualmente divergen,
- la suma de los ángulos de un triángulo es menor que 180 grados.
- volumen infinito.
Geometría del Espacio
Comportamiento de dos haces de luz
paralelos en distintos universos.
Espacio Esférico
Espacio Plano
Espacio Hiperbólico
Geometría del Espacio
Aunque en escalas pequeñas parece plana, la Tierra es esférica.
Evidencia del Big Bang
- Expansión del Universo
- Radiación de fondo
- Nucleosíntesis primordial
1. Expansión del Universo
- Desde el Big Bang el Universo se está expandiendo.
- Ley de Hubble: las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad proporcional a su distancia
- Redshift cosmológico:
- Para alto redshift se tiene que usar el corrimiento hacia el rojo relativista:
2. Radiación de Fondo de Microondas
- La Gran Explosión produjo radiación. Como el Universo se expande, esa radiación está altamente corrida hacia
el rojo.
- Esa es la radiación de fondo de microondas (CMB), es isotrópica. El Universo se enfrió hasta hoy que T = 2.7
K.
- La radiación del CMB que llena el Universo fué observada por Penzias y Wilson en 1963
Prueba del Big Bang y Premio Nobel.
Las observaciones nuevas de Boomerang y WMAP indican que el Universo es abierto.
Dipolo del CMB
La T del CMB es un poquito más caliente hacia constelación de Leo.
Esto se debe que el movimiento general de la Tierra es hacia Leo con V = 400 km/s.
La MW se mueve hacia la constelación de Centauro con V = 600 km/s
Hay que sustraer esos movimientos y la emisión de la MW para medir la radiación de fondo del Big Bang.
3. Nucleosíntesis Primordial
Producción de elementos en el Big Bang.
Unos 300000 años espués del Big Bang, cuando el Universo se expandió y enfrió, las partículas elementales
(protones y neutrones) chocan para formar núcleos de H, He, y Li.
El resto de los elementos nace mucho más tarde en las estrellas.
El Futuro Lejano
10000000000 años
el Sol se muere
20000000000 años
la galaxia se fusiona con Andrómeda
10000000000000 años
las estrellas enanas se enfrían
100000000000000
no se forman mas estrellas convencionalmente
1000000000000000 años
los planetas se dispersan
10000000000000000 años
estrellas se forman por colisiones de enanas marrones
10000000000000000000 años
el Sol se evapora de la galaxia
10000000000000000000000000000000000 años
agujeros negros de tamaño galáctico: la era de agujeros negros
1000000000000000000000000000000000000000000 años
decae la materia (protones, neutrones)
10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 años
se evaporan agujeros negros de masas estelares
>10**100 años: la era de la oscuridad