El Universo en microondas
Anuncio
El Universo en microondas Enrique Martínez González Instituto de Física de Cantabria CSIC-U. Cantabria CURSO PRÁCTICO DE ASTRONOMÍA: DISTINTAS MIRADAS AL UNIVERSO DESDE CANTABRIA Cursos de verano de la Universidad de Cantabria, IFCA, Santander, 30 de Julio de 2007 INDICE • El rango de microondas • Emisiones astrofísicas en microondas • Radiación del Fondo Cósmico de Microondas (FCM) • Cosmología: perspectiva histórica • Resultados de COBE: Premio Nobel 2006 • Nuevos resultados: WMAP • Otros tests cosmológicos: • Supernovas • Distribución de galaxias • Modelo actual del universo: parámetros cosmológicos • Retos futuros: Misión Planck El rango de las microondas • Se consideran microondas las ondas electromagnéticas en el intervalo de frecuencias 300 MHz-300 GHz, o en longitudes de onda 1m-1 mm. • Algunos autores consideran que el rango es: 1 GHz-30 GHz, 30 cm- 1 cm. • La propia existencia de las ondas electromágneticas fue demonstrada por Heinrich Hertz en 1888 usando aparatos que emitían y detectaban en UHF (0.3-3 GHz). Ejemplos de usos de las microondas: • • • • • • Horno de microondas, frecuencia de ≈ 2.45 GHz El rádar Protocolos inalámbricos LAN, como bluetooth Telefonía móvil El máser (amplificador de microondas por la emisión estimulada de radiación) Microondas Bandas de frecuencia de microondas Designación Rango de frecuencias Banda L 1 a 2 GHz Banda S 2 a 4 GHz Banda C 4 a 8 GHz Banda X 8 a 12 GHz Ku band 12 a 18 GHz BandaK 18 a 26 GHz Ka band 26 a 40 GHz Banda Q 30 a 50 GHz BandaU 40 a 60 GHz Banda V 50 a 75 GHz Banda E 60 a 90 GHz Banda W 75 a 110 GHz Banda F 90 a 140 GHz Banda D 110 a 170 GHz Emisiones astrofísicas en microondas • • El Fondo Cósmico de Microondas Emisión de nuestra galaxia: • • • • • • • Emisión Emisión Emisión Emisión sincrotrón librelibre-libre térmica del polvo “anómala” (posiblemente emisión nono-térmica del polvo) Emisión de radio galaxias, a frecuencias < 100 GHz Emisión de galaxias infrarrojas, a frecuencias > 100 GHz El efecto Sunyaev-Zeldovich en cúmulos de galaxias Perspectiva histórica de la evolución de nuestras ideas sobre la cosmología moderna Radiación de cuerpo negro Max Planck Premio Nobel en 1918 1900 La Relatividad General Albert Einstein 1915 Ecuaciones de Einstein: Marco físico para estudiar el universo. Universo estático Constante cosmológica Premio Nobel en 1921 Solución de Friedmann Alexander Friedmann 1922 Solución de Friedmann de las ecuaciones de Einstein: universo en expansión El redshift cosmológico George Lemaître 1927 Conexión entre el redshift cosmológico y la recesión de las galaxias. Expansión del universo 1929 Ley de Hubble: v=H×d Parámetro de Hubble: H≈70 Km s-1 Mpc-1 Edwin Hubble Formación de los elementos ligeros George Gamow 1948 • Formación del H, He • Existencia del Fondo Cósmico de Microondas NUCLEOSÍNTESIS PRIMORDIAL Origen del Fondo Cósmico de Microondas BIG BANG • Universo totalmente ionizado • Materia y radiación en equilibrio térmico • Universo opaco en expansión T(z) ∼ (1+z) Cuando z ∼1000 (unos 4×105 años) T ~ 3000 K DESACOPLO DESACOPLO Los fotones quedan libres y forman el FCM “La imagen más antigua del Universo” El Universo se vuelve transparente Descubrimiento del Fondo Cósmico Arno Penzias Robert Wilson 1964 Mismo “ruido” en todas las direcciones. Radiómetro de Dicke Grupo de Princeton: Premio Nobel en 1978 Dicke, Peebles, Wilkinson, Roll El Fondo Cósmico de Microondas Radiación electromagnética muy débil que llega a la Tierra desde todas las direcciones • Caracterizada por un espectro de cuerpo negro T≈3K Origen térmico • Isótropa Universo joven y caliente Origen de tipo Cosmológico INVALIDA EL MODELO DEL ESTADO ESTACIONARIO El satélite COBE (1989) ESPECTRO ELECTROMÁGNETICO DEL FCM T = 2.728 ± 0.004 K Anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas T=2.728 K ∆T∼3.353 mK ∆T∼18 µK ∆T −5 ∼ 10 T La huella de las fluctuaciones de densidad en el Universo primitivo Premio Nobel de Física 2006 John Mather (GSFC) George Smoot (UCB) EL FCM Y LA MACROESTRUCTURA DEL UNIVERSO FCM EVOLUCION WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 3. WMAP Mapas de 3 años Banda K, 23 GHz Banda Q, 41 GHz 1 detector 2 detectores Banda W, 94 GHz 1 detector 2 detectores 4 detectores Banda Ka, 33 GHz Banda V, 61 GHz Mapa combinado Evolución en la medida de las anisotropías TESTS COSMOLÓGICOS ACTUALES • • • • • El Fondo Cósmico de Microondas Supernovas Estructura a gran escala Abundancias de cúmulos de galaxias El efecto lente gravitatoria SUPERNOVAS Aceleración versus deceleración Sloan Digital Sky Survey EFECTO LENTE GRAVITATORIA 4 IMÁGENES DE UN MISMO CUÁSAR PARÁMETROS COSMOLÓGICOS – • • Universo uniforme H0: razón de expansión Ω: parámetro de densidad = ΩR + ΩB + ΩDM + ΩΛ Reparto de energía PROBLEMAS PENDIENTES • • • • • Naturaleza de la materia oscura Origen de la energía de vacío ¿Por qué las densidades de energía de bariones, materia oscura fría y energía de vacío son tan parecidas en el presente? ¿Existe un fondo de ondas gravitatorias? Falta una teoría de partículas que de cuenta de los procesos físicos en el universo temprano La misión Planck • Misión de tipo medio del programa científico de la ESA • Su objetivo es medir la intensidad de la radiación cósmica en todo el cielo con una alta resolución y sensibilidad • Fecha prevista de lanzamiento: 30 de Julio de 2008 • Carga útil: 2 instrumentos y telescopio • Un consorcio internacional es responsable de cada instrumento: – Instrumento de Baja Frecuencia (LFI) – Instrumento de Alta Frecuencia (HFI) • La participación española se centra principalmente en el LFI INTEGRACIÓN Y CALIBRACIÓN Características de los instrumentos de Planck Bandas frecuenciales de Planck Objetivos en las especificaciones del instrumento HFI Sistema de criogenia Espejos y plano focal Planck y Herschel en el Ariane 5 Punto Lagrangiano L2 Objetivos científicos de la misión Panck • • • • • • • • • Medir las anisotropías en la temperatura y polarización del FCM Determinar los parámetros cosmológicos con errores de ≈ 1%: ΩΛ, Ωm, Ωb, H, τ, ns, A Confirmar el modelo concordante Determinar los parámetros de inflación Poner límites al fondo de ondas gravitatorias Determinar las propiedades físicas de la población de cúmulos hasta z>1 Determinar las propiedades físicas de la población de radio galaxias y galaxias infrarrojas a flujos >100 mJ Carazterizar el medio interestelar de la Galaxia y su campo magnético en base a la emisión sincrotrón, libre-libre y térmica (y no-térmica) del polvo. Estudiar el sistema Solar. Operaciones desde tierra y procesado de datos Organización científica de la colaboración Planck • • • • • • Liderada por el Equipo Científico de la misión Planck Consorcios del HFI, LFI y telescopio Colaboración Planck ≈ 700 científicos+ingenieros ≈ 150 Científicos de Planck (2 años de dedicación a tiempo completo). Organizada en torno a 2 Centros de Procesado de Datos, 2 equipos “core” y 4 grupos científicos de trabajo. Los Centros de Procesado de Datos son los responsables de producir los productos finales de la misión: • • • • • • Mapas frecuenciales Mapas de componentes Catálogo de cúmulos de galaxias Catálogo de galaxias Los equipos “core” se encargan de dar el apoyo científico y ténico necesarios a los DPCs para producir los productos de la misión. Los 4 grupos de trabajo, no-Gaussianidad, cúmulos y anisotropías secundarias, fuentes extragalácticas y la Galaxia y el sistema Solar, se encargan de la explotación científica más allá de los productos de la misión y determinación de parámetros cosmológicos. Satélite PLANCK. Mapas simulados Intensidad del efecto Sunyaev-Zeldovich Cl0016+16 Óptico Sunyaev-Zeldovich, Rayos X Evolución de la densidad del número de cúmulos Número de cúmulos que se espera detectar con Planck a 3σ a redshifts > z Crecimiento de la estructura a gran escala z=0 ΛCDM OCDM z=1 z=3 EFECTO LENTE GRAVITATORIA Efecto lente gravitatoria en el cúmulo Abell 2218 Efecto lente sobre el FCM Resumen • • • • • La misión Planck obtendrá un mapa de todo el cielo del Fondo Cósmico de Microondas (FCM) con una resolución y sensibilidad sin precedentes. Los 2 instrumentos de que consta la misión, el de Alta (HFI) y Baja (LFI) frecuencia, representan el estado del arte tanto en la tecnología de radiómetros como de bolómetros. Con los datos de temperatura y polarización del FCM se espera conocer mejor nuestro universo: los parámetros cosmológicos se determinarán con una precisión del 1 % y se conocerá mejor la física de la inflación. Posibilidad de descubrimiento de nuevos fenómenos físicos: sobre energía oscura, materia oscura, defectos topológicos, o algo totalmente nuevo que ni lo imaginamos… Todo esto y mucho más después de Julio de 2008.
