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) . . . . . . . . . . . . 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