El Big Bang
Pablo J. Marrero Soto
Departamento de Física
Recinto Universitario de Mayagüez
Sumario
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Breve historia de la historia
La Relatividad General
Big Bang vs Steady State
Evidencia
Modelos Cosmológicos I (antes de 1997)
Problemas con el Big Bang
Inflación
Falta Materia, ¿dónde está?
La expansión del Universo, ¿es acelerada?
Evidencia se acumula
Datos de WMAP
Modelos Cosmológicos II (después de 1997)
Hubble y el HUDF
Historia de la Historia
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Modelo Geocéntrico
Modelo Heliocéntrico
Universo Estático
Se descubre que el Universo se expande
(Hubble 1929)
Modelos Dinámicos sobre la evolución del
Universo
¿Cómo podemos formular teorías
sobre el Universo?
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Relatividad General de Einstein (Gravedad)
Termodinámica (física estadística)
Física de Partículas Elementales
Física Nuclear
Mecánica Cuántica
Principio Cosmológico
Universo Estático
Antes del descubrimiento de Hubble, se
pensaba que el universo era estático. Las
galaxias no se movían.
Modelo de Einstein: Constante Cosmológica
Se descubre que el Universo se Expande
¿Somos el Centro del Universo?
¡NO!
Modelos Cosmológicos
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Steady State (Creación Continua)
Materia se crea en el espacio entre las galaxias y de esta
manera las galaxias se alejan unas de las otras.
El nuevo material formará nuevas galaxias.
Densidad constante
Modelo requiere que se cree materia a razón de un
átomo de hidrógeno por cada kilómetro cúbico por año
Modelos Cosmológicos
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Big Bang
El universo inicialmente estaba en un estado denso y
caliente
El Universo comenzó a expandirse
Hoy día se encuentra en un estado de baja densidad y
frío
Modelo requiere la “creación” instantánea del universo
entero.
Evidencia a favor del Big Bang
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Recesión de las galaxias
Abundancia de elementos livianos
(nucleosíntesis en los primeros 3 min)
75% Hidrógeno
~24% Helio
~1% Litio y otros
Radiación Cósmica de Fondo
La Radiación Cósmica de Fondo
Predicción (1948-50 ):
Gamow, Alpher, Herman
Detectada en 1965:
Arno Penzias y Robert Wilson
Bell Labs
Detectaron un exceso de ruido en las antenas de radio
proveniente de todas direcciones.
CMB
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Emisión en microondas
Temperatura: T=2.725 K (-270.435 °C)
Altamente isotrópica
Uniformidad de la
radiación
Se interpreta como en remanente del
“calor” generado en el Big Bang
Toda explicación
Alterna sobre el
origen de esta
radiación han
sido descartadas
¿Qué vemos desde la Tierra?
COBE
Temperatura promedio= 2.725 K
Mapa sin anisotropía dipolar
Anisotropía dipolar
Regiones en rojo son
0.0002 K más calientes
que las regiones más
frías (azules)
Espectro Termal (Cuerpo Negro)
¡NINGUNA OTRA TEORÍA
PREDICE ESTE ESPECTRO!
Modelos Cosmológicos
El futuro del Universo
depende de su densidad
de masa-energía y de la
presión
Densidad fraccional del
Universo
Ω0
Componentes:
Radiación
Materia Bariónica
Materia Oscura
Energía Oscura
“Tell us
Frankie”
Futuro del Universo
¿ Ocurrió el Big Bang?
Sí
Concepciones Erróneas
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El Big Bang NO ocurre en un punto en el
espacio. NO ES UNA EXPLOSIÓN
La región dentro de nuestro horizonte presente
tenía un volumen minúsculo justo luego del Big
Bang. Pero:
Si el universo es abierto o plano (infinito)
ahora, entonces nació infinito.
Si es cerrado ahora, entonces nació con cero
volumen.
Concepciones Erróneas
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Por definición, el universo incluye todo el
espacio-tiempo como lo conocemos. Está
fuera de la teoría del Big Bang el postular
hacia qué se expande el universo.
Está fuera de la Modelo del Big Bang el
postular qué causó el Big Bang.
Teorías pre-Big Bang
“Problemas” con el Big Bang
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Universo plano
Horizonte
Monopolos magnéticos
Solución: Inflación
Inflación
El Universo en sus etapas tempranas pasa
por un periodo de expansión rápida
(exponencial) en donde regiones de escala
subatómicas se expanden a escalas
macroscópicas.
Tinf`~10-34 s
dh(ti)~10-28 m
dh(tf )~1016 m
100,000 veces la
Distancia de la Tierra al Sol
Falta Materia: ¿dónde está?
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Una década atrás se pensó que el
Universo estaba compuesto de materia
bariónica (protones, neutrones,…)
Mediciones han encontrado que este tipo
de materia representa un 4% de lo que
compone al Universo.
¿Qué es el resto?
Materia Oscura
Curvas de velocidad de
rotación de las galaxias
Movimiento de grupos de
galaxias
Formación de superestructuras
Lentes gravitacionales
Existe materia que no
vemos, no emite luz,
pero vemos sus efectos
sobre objetos que si
emiten luz
Materia Oscura
Candidatos
MACHOS
WIMPS
(MAssive Compact Halo Objects)
(Weakly Interacting Massive Particles)
Partículas exóticas
(materia no-bariónica)
Este tipo de materia
constituye el 23% de la
materia del Universo
¿Expansión Acelerada?
A partir de 1997, comenzó a descubrirse posible
evidencia de que nuestro universo se encuentra
en una fase de aceleración.
The Supernova Cosmology Project
The High-Z Supernova Search
WMAP (Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe)
Satélite destinado a
Medir la anisotropía
De la radiación
Cósmica de Fondo
WMAP vs COBE
WMAP vs COBE
COBE
WMAP
Analogía
Fluctuaciones en Temperatura
Estructura
Resultados de WMAP
Universo Plano
 Ω=1.02±0.02
 T=13.7±0.2 billones de años
 4% materia, 23% materia oscura
73% Energía oscura
 Evidencia a favor de la Inflación

Energía Oscura
Forma de energía, o posiblemente una propiedad
inherente del vacío, que está caracterizada por
tener una presión negativa. Esta es la única
forma de energía que puede causar aceleración
en la taza de expansión del universo.
¿De qué está constituida?
NO SABEMOS AL MOMENTO
Posibles Modelos
Constante Cosmológica
 Quintessence
 M-Theory Superstrings
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Modelo Estándar
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Universo Plano Inflado
4% materia
23% materia oscura
73% energía oscura
Desconocemos la identidad de 96% de lo que
Está compuesto el Universo
El Futuro…
Hubble Ultra Deep Field
•Primeras galaxias en
emerger de la “Edad
Oscura”
•Galaxias entre 400 y
800 millones de años
después del Big Bang
•Contiene 10,000
galaxias
Mosaico
¿Qué estamos viendo?
Satélites y lo que observan
Preguntas Abiertas
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¿Qué es la energía oscura?
¿De qué está constituida la materia
oscura?
¿Qué inició la expansión original?
(Condiciones Iniciales)
¿Es el Universo plano e infinito o es
posible que sea finito?
¿Qué provocó la inflación?
Es un buen momento para estudiar
cosmología
¿Preguntas?
CRÉDITOS:
http://map.gsfc.nasa.gov
http://hubblesite.org
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