Cátedra Mutis
Astronomía para todos
Retos modernos de una ciencia milenaria
Cosmología
Juan Manuel Tejeiro Sarmiento
Profesor Titular
Observatorio Astronómico Nacional
Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Colombia
COSMOLOGIA MODERNA
Rafael 1510
Platón
Y
Aristóteles
Galileo
La naturaleza está escrita en lenguaje
matemático
GALILEO
LA LEY DE LA INERCIA
En el “vacío” dos cuerpos, independiente de su
naturaleza, que parten del mismo punto, con
velocidad cero caen al mismo tiempo, llegando
al piso con la misma velocidad y pasan al
mismo tiempo por todas las velocidades
intermedias.
Aceleración constante
1609 Invención del telescopio
Carta de Jacques Badovere desde Holanda
El 7 de enero de 1610 descubre 4 lunas de Júpiter:
Calixto, Europa, Ganímedes, Io y las fases de Venus
Publica en Florencia el Sidereus Nuncius
Sir Isaac Newton
4 de enero 1643-31 de marzo 1727
Ley de caida de los
cuerpos de Galileo
y leyes de Kepler
Estrellas fijas
Universo estacionario
¿Cómo es posible?
La óptica
Empédocles y Euclides escribieron
tratados sobre la luz. Propagación
rectilínea, reflexión y refracción
René Descartes: Luz ondas de
presión, en el eter
Newton: Anillos de luz. Teoría de
partículas que siguen las leyes de
la mecánica.
Huygens, Young, Fresnell (1818)
La luz como fenómeno ondulatorio
Medio de
propagación
ETER
LUMÍNICO
Maxwell: La luz son ondas electromagnéticas
Se propagan en el vacío a velocidad
C=300.000km/s
•Luz
•Ondas transversales
•Éter
•Medio de propagación
•Eter = espacio absoluto
•C = 300.000 km/s respecto al eter
•Experimentos para medir la velocidad de la
tierra respecto al eter
1905 Einstein
el ETER desaparece
1905
Sobre la electrodinámica de los
cuerpos en movimiento
•Postulados
•Principio de
relatividad
•La velocidad de la luz
en el vacío es
independiente de la
fuente y el observador
Relatividad del espacio y el tiempo
Equivalencia Masa-Energía
Einstein 1911
•E=mc2
•Equivalencia entre masa
inercial y masa
gravitacional
•Un campo gravitacional
desvía la luz
•a=2Gm/roc2
Ley de gravitación universal
Incompatible con
los postulados de la teoría especial de la relatividad
Einstein 1915: Teoría General de la Relatividad
•Principio de equivalencia
•Los cuerpos en caída libre
siguen líneas “rectas”
Geodésicas
•La materia determina la
geometría del espaciotiempo
•Corrimiento del perihelio
•Mercurio:
•Df=43.03”/siglo
•Desviación de la luz por el sol:
•Da=1.75”
•Eddington 1919: eclipse total de sol
Einstein 1916
Cosmología
Einstein busca resolver el problema planteado por Newton:
¿Porqué el universo es estático (estrellas fijas)?
Principio cosmológico:
El universo es isotrópico
y homogéneo
G=T(materia-energía)
No encuentra solución
estática
Einstein
G+Constante=T(materia)
Constante Cosmológica
Permitía una solución estática
Robertson y Walker
La solución estática de
Einstein no es
matemáticamente aceptable
Las soluciones estables de
las ecuaciones de Einstein,
con o sin constante
cosmológica son dinámicas
El gran debate
Herschel universos isla de Kant vs. Shapley: Una sola galaxia
En 1924 Hubble le escribe a
Shapley sobre una variable Cefeida
en Andrómeda
El universo está conformado por
galaxias
Vesto Slipher en el
observatorio de Percival
Lowell estudia las nebulosas
espirales y encuentra un
persistente corrimiento al rojo
de sus espectros, pero no
encuentra explicación
Georges Lamaitre en 1927 relación
de corrimiento al rojo en un universo
en expasión. Se hablaba del átomo
primordial y el gran ruido.
Fred Hoyle contradictor de esta
teoría la llama “Big Bang”
1929
Efecto Doppler
Ley de Hubble
V = Ho D
Universo dinámico,
como lo establecían las
ecuaciones de Einstein
Constante cosmológica
el mayor error
El modelo estándar de la cosmología
Gamow 1948: Necleosíntesis,
predice la radiación cósmica de fondo
Penzias y Willson 1964: RCF
¿Cómo surgió la estructura
en gran escala del universo?
La expandíón del universo la determina
la densidad de materia  !
Densidad crítica=c
 c
 c
 c
Problema
La edad del universo 13,6 My
Formación de estructura
Radiación de fondo
Inflación
Implican
Densidad del universo=1
Pero densidad observada<0.1
Modelo estándar de de la cosmología antes de 1980
Problemas:
¿Porqué el universo es homogéneo?
¿Porqué el universo es plano? (densidad de materia = densidad crítica)
¿Porqué no se observan monopolos magnéticos?
Allan Guth 1980: Universo inflacionario
Densidad del universo = densidad crítica
La inflación explica la generación de
estructura en un universo homogéneo
La inflación predice las fluctuaciones de la
radiación cósmica de fondo
Densidad del universo observada
=
0.05 veces la densidad crítica
???????????
Necesidad de
la materia
OSCURA
Materia oscura
Materia fría?
Agujeros negros?
Materia exótica?
Imagen en
infrarojo
Historia de la materia oscura
Jeans Jeans y Jacobus Kapteyn 1922: Reportaron masa (estrellas negras) en
el disco de la Vía Láctea
Fritz Zwicky 1933: postula DUNKLE MATERIE para mantener la estabilidad de
los Cúmulos galacticos (COMA velocidad radial de dispersión de 1000km/s)
En la década de los 70
Materia oscura
Densidad de materia=
0.23
Lentes gravitacionales
Dinámica galáctica
ENERGÍA OSCURA
Historia
Einstein 1915 introduce la constante cosmológica  para
obtener un universo estático
Einstein en carta a Besso le comenta
“Puesto que el universo es único, no hay diferencia esencial
entre considerar como una constante la cual es peculiar a
una ley de la naturaleza, o considerarla como una constante
de integración”
Einstein 1930 desaparece la constante cosmológica: el
universo se expande
Tolman considera modelos con  >0 y <0
Zeldovich en 1966 interpreta como la
densidad de energía del vacío
adquiere significado físico en el mundo
cuántico pero su medida es gravitacional
= densidad de energía (oscura)
En 1992 las lentes gravitacionales determinan un valor no nulo
para 
Entra en la cosmología, pero su importancia se manifiesta con los
trabajos de Riess et. al. 1998 y Perlmutter et. al. 1999
La IAU en Kyoto 1997
Densidad de materia ordinaria = 4 - 5%
Densidad de materia oscura = 23 - 25%
Densidad de energía oscura (= el resto = 70 - 73%
Bases observacionales: Estructura en gran escala
Formación de galaxias, Edades del universo y galaxias
Nucleosíntesis
Sin embargo la astronomía observacional asumía hasta 1998
Riess et. Al. 1998 y Perlmutter et. al. analizando las supernovas del tipo Ia para
altos corrimientos al rojo, determinaron que la expansión del universo se ha
estado acelerando en los últimos 5.000 millones de años
entra definitivamente en la
astronomía observacional
como la clave para explicar la
expansión acelerada del
universo.
Modelo estándar de la cosmología después de 1980
En t=0 Big Bang
En t=10 -35 Segundos Inflación
t=3 minutos nucleosíntesis
Universo en expansión desacelerada
¿ Energía y materia oscura ?
Quintaesencia
Constante cosmológica variable en el tiempo
Universos membrana, Cuerdas, materia exótica
Galileo
Hubble
Chandra R-X
James-Webb 2013
Herschel
Magic de R-Gama
Planck
Telescópio lunar
Spitzer
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Cátedra Manuel Ancizar Albert Einstein creador de universos