El Universo observable - IFSC

El Universo observable– p. 1/4
El Universo observable
Sao Carlos, 20/05/2013
Héctor Vucetich
Observatorio Astronómico
Universidad Nacional de La Plata

El Universo observable– p. 2/4
Introducción
Desde tiempos muy antiguos, el hombre ha
deseado comprender el Universo que nos rodea.
Muchos modelos de Universo fueron propuestos
basándose sobre Hipótesis de Simetría aunque
con poco respaldo observacional.

Una Tierra Plana
El Universo observable– p. 3/4

Universo Geocéntrico
El Universo observable– p. 4/4

Universo Heliocéntrico
El Universo observable– p. 5/4

El Universo observable– p. 6/4
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrollado
su propio modelo de Universo.

El Universo observable– p. 6/4
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrollado
su propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis de
simetría

El Universo observable– p. 6/4
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrollado
su propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis de
simetría
• pero también sobre una rica base
observacional

El Universo observable– p. 6/4
Nuestro modelo de Universo
• Nuestra civilización científica ha desarrollado
su propio modelo de Universo.
• Está basado también sobre hipótesis de
simetría
• pero también sobre una rica base
observacional
• y se llama. . .

El Big Bang
El Universo observable– p. 7/4

El Universo observable– p. 8/4
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son las
mismas en todo el Universo.

El Universo observable– p. 8/4
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son las
mismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo e
isotrópico.

El Universo observable– p. 8/4
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son las
mismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo e
isotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expande
como un todo.

El Universo observable– p. 8/4
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son las
mismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo e
isotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expande
como un todo.
• El fondo de radiación: El Universo está bañado por por
una radiación de fondo de 3 K.

El Universo observable– p. 8/4
Los Principios
• El principio galileano: Las leyes de la física son las
mismas en todo el Universo.
• El principio cosmológico: El Universo es homogéneo e
isotrópico.
• La expansión de Hubble: El Universo se expande
como un todo.
• El fondo de radiación: El Universo está bañado por por
una radiación de fondo de 3 K.
• Inflación: El Universo pasó por un periodo muy breve
de expansión exponencial.

El Universo observable– p. 9/4
Las leyes
• I: La geometría
(Principios Galileano, Cosmológico y
Expansión de Hubble)
ds 2 = c 2 dt 2 − a 2 (t)ds 2 E

Las leyes
• I: La geometría
(Principios Galileano, Cosmológico y
Expansión de Hubble)
ds 2 = c 2 dt 2 − a 2 (t)ds 2 E
• II: La evolución
(Principio Galileano y Relatividad General)
ȧ 2
a 2 + k a 2 = 8πG
2c 2 ǫ(p, T) El Universo observable– p. 9/4

El Universo observable– p. 10/4
Las leyes
• III: La ecuación de estado
(Principio Galileano, Fondo Cósmico de
Radiación y Modelo Estándard)

El Universo observable– p. 10/4
Las leyes
• III: La ecuación de estado
(Principio Galileano, Fondo Cósmico de
Radiación y Modelo Estándard)
• Existe equilibrio termodinámico p.c.t. t

El Universo observable– p. 10/4
Las leyes
• III: La ecuación de estado
(Principio Galileano, Fondo Cósmico de
Radiación y Modelo Estándard)
• Existe equilibrio termodinámico p.c.t. t
• El contenido del Universo está formado por la
materia estándard, más la materia oscura,
más la energía oscura

El Universo observable– p. 11/4
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por las
partículas del Modelo Estándar de las
Interacciones Fundamentales.

El Universo observable– p. 11/4
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por las
partículas del Modelo Estándar de las
Interacciones Fundamentales.
• Materia oscura: Interactúa sólo () con la
gravitación. Constitución desconocida.

El Universo observable– p. 11/4
Ecuación de estado
• Materia hadrónica: Formada por las
partículas del Modelo Estándar de las
Interacciones Fundamentales.
• Materia oscura: Interactúa sólo () con la
gravitación. Constitución desconocida.
• Materia demoníaca: (Energía oscura)
Produce antigravedad (); viola el 2 ◦ principio
de la termodinámica.

Distancias
El Universo observable– p. 12/4

El Universo observable– p. 13/4
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de los
procesos más complejos en cosmología.

El Universo observable– p. 13/4
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de los
procesos más complejos en cosmología.
• Tradicionalmente, está afectado por enormes
errores sistemáticos.

El Universo observable– p. 13/4
Escala de distancias
• La medición de distancias es uno de los
procesos más complejos en cosmología.
• Tradicionalmente, está afectado por enormes
errores sistemáticos.
• Actualmente, se hace en tres etapas:
paralajes, estrellas variables y supernovas.

El Universo observable– p. 14/4
Paralaje
Las distancias a las estrellas cercanas se miden
con la paralaje π.
V
*
π
*
*
D *
*
*
I
La unidad de distancia el el parsec = (paralaje
de 1 ′′ ).

El Universo observable– p. 15/4
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hace
midiendo la variación angular de la imagen
de una estrella durante un año.

El Universo observable– p. 15/4
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hace
midiendo la variación angular de la imagen
de una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse un
error de 0,1 ′′ .

Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hace
midiendo la variación angular de la imagen
de una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse un
error de 0,1 ′′ .
• El satélite Hipparcos logró medidas con error
∼ 0,001 ′′ El Universo observable– p. 15/4

El Universo observable– p. 15/4
Medición de paralajes
• La medición de una paralaje estelar se hace
midiendo la variación angular de la imagen
de una estrella durante un año.
• Con telescopios en tierra puede lograrse un
error de 0,1 ′′ .
• El satélite Hipparcos logró medidas con error
∼ 0,001 ′′
• El satélite Gaia podrá medir (en principio)
paralajes del orden de π ∼ 10 −5 .

El Universo observable– p. 16/4
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varía
periódicamente.

El Universo observable– p. 16/4
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varía
periódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por la
forma de su curva de luz.

El Universo observable– p. 16/4
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varía
periódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por la
forma de su curva de luz.
• Su calibración se hace con estrellas de la
misma clase en la Galaxia.

El Universo observable– p. 16/4
Estrellas variables
• Estrellas muy luminosas, cuyo brillo varía
periódicamente.
• Pueden detectarse a gran distancia por la
forma de su curva de luz.
• Su calibración se hace con estrellas de la
misma clase en la Galaxia.
• La calibración es aun muy difícil.

El Universo observable– p. 17/4
Cefeidas
Curva de luz de Delta de Cefeo

VI (2.45) W
B07
VI (2.53) W
B07
El Universo observable– p. 18/4
Relación P − L
El brillo de las cefeidas depende de su periodo.
-8
-7
M W(VI)
-6
-5
= -5.93 ± 0.03
a
= -3.43 ± 0.11
b
= -5.85 ± 0.03
a
= -3.37 ± 0.12
b
fit B06
S04
fit B06
F01
-4
0.6 0.8
1.0
1.4 1.2
0.8 0.6 1.6
1.0
1.4 1.2 1.6
log P
log P

El Universo observable– p. 19/4
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyo
brillo puede ser mayor que el de toda una
Galaxia.

El Universo observable– p. 19/4
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyo
brillo puede ser mayor que el de toda una
Galaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.

El Universo observable– p. 19/4
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyo
brillo puede ser mayor que el de toda una
Galaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.
• Su brillo, casi constante, puede corregirse a
un brillo patrón.

El Universo observable– p. 19/4
Supernovas Ia
• Son gigantescas explosiones estelares, cuyo
brillo puede ser mayor que el de toda una
Galaxia.
• Visible desde distancias cosmológicas.
• Su brillo, casi constante, puede corregirse a
un brillo patrón.
• Pueden calibrarse con supernovas en
galaxias cercanas.

Escala de distancias
El Universo observable– p. 20/4

El Universo observable– p. 21/4
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dos
pasos.

El Universo observable– p. 21/4
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dos
pasos.
• Medición de la constante de Hubble
(Galaxias cercanas).

El Universo observable– p. 21/4
Dos pasos
• La escala de distancias se establece en dos
pasos.
• Medición de la constante de Hubble
(Galaxias cercanas).
• Medición de la aceleración del Universo
(Galaxias lejanas).

Medición de H 0
El Universo observable– p. 22/4

Medición de la aceleración
El Universo observable– p. 23/4

El Fondo Cósmico de Radiación
El Universo observable– p. 24/4

El Universo observable– p. 25/4
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene el
espectro de un cuerpo negro con una
temperatura de T 0 = (2,72548 ± 0,00057) K.

El Universo observable– p. 25/4
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene el
espectro de un cuerpo negro con una
temperatura de T 0 = (2,72548 ± 0,00057) K.
• Hay una fluctuación dipolar, que corresponde
al movimento del Sistema Solar a través del
FRC con una amplitud de ∼ 10 −3 T 0 .

El Universo observable– p. 25/4
Propiedades
• El fondo cósmico de radiación tiene el
espectro de un cuerpo negro con una
temperatura de T 0 = (2,72548 ± 0,00057) K.
• Hay una fluctuación dipolar, que corresponde
al movimento del Sistema Solar a través del
FRC con una amplitud de ∼ 10 −3 T 0 .
• Hay fluctuaciones menores, con una amplitud
de ∼ 10 −5 T 0 .

El Universo observable– p. 26/4
Un cuerpo negro perfecto
400
350
Cosmic Microwave Background Spectrum from COBE
COBE Data
Black Body Spectrum
300
Intensity [MJy/sr]
250
200
150
100
50
0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Frequency [1/cm]

El cielo en microondas
El Universo observable– p. 27/4

El cielo en alta resolución
El Universo observable– p. 28/4

Un espectro limitado
El Universo observable– p. 29/4

Un espectro más moderno
El Universo observable– p. 30/4

Interpretación
El Universo observable– p. 31/4

El Universo observable– p. 32/4
Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasma
originaron ondas sonoras en el fluido
formado por materia bariónica y radiación.

El Universo observable– p. 32/4
Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasma
originaron ondas sonoras en el fluido
formado por materia bariónica y radiación.
• La materia oscura, atraída por la gravedad,
se comprimió y ayudó a generar oscilaciones.

El Universo observable– p. 32/4
Origen
• Las fluctuaciones iniciales en el plasma
originaron ondas sonoras en el fluido
formado por materia bariónica y radiación.
• La materia oscura, atraída por la gravedad,
se comprimió y ayudó a generar oscilaciones.
• Las ondas se propagaron con velocidad
variable y frecuencia variables.

Ondas en el plasma original
El Universo observable– p. 33/4

El Universo observable– p. 34/4
Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universo
disminuyó, los electrones se combinaron con
los protones y el Universo se hizo
transparente.

El Universo observable– p. 34/4
Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universo
disminuyó, los electrones se combinaron con
los protones y el Universo se hizo
transparente.
• La radiación escapó y dejó de hacer presión
sobre la materia bariónica.

El Universo observable– p. 34/4
Origen (2)
• Cuando la temperatura del Universo
disminuyó, los electrones se combinaron con
los protones y el Universo se hizo
transparente.
• La radiación escapó y dejó de hacer presión
sobre la materia bariónica.
• La radiación se propagó libremente hasta
llegar a los satélites que la detectaron.

El Universo observable– p. 35/4
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieron
cuando la presión de radiación desapareció.

El Universo observable– p. 35/4
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieron
cuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fue
arrastrada por la expansión del Universo.

El Universo observable– p. 35/4
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieron
cuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fue
arrastrada por la expansión del Universo.
• El radio de esas esferas se llama el horizonte
sónico.

El Universo observable– p. 35/4
Origen (3)
• Las ondas de materia bariónica se detuvieron
cuando la presión de radiación desapareció.
• La materia formó superficies esféricas y fue
arrastrada por la expansión del Universo.
• El radio de esas esferas se llama el horizonte
sónico.
• Su valor puede calcularse a partir de los
datos del FCR.

La señal de los bariones
El Universo observable– p. 36/4

Conclusiones
El Universo observable– p. 37/4

El Universo observable– p. 38/4
Resultados (Planck)
Parámetro N V ± σ
Edad del Universo (Ga) t 0 13,717 ± 0,048
Constante de Hubble (km/s/Mpc) H 0 67,3 ± 1,4
Densidad de Bariones Ω B 0,04868 ±0,00093
Densidad de Materia Oscura Ω M 0,266 ± 0,015
Densidad de “Energía Oscura” Ω Λ 0,685 ± 0,018
“Densidad de Curvatura” Ω K −0,0004± 0,0033

La materia del Universo (WMAP)
El Universo observable– p. 39/4

El Universo observable– p. 40/4
Nuestro conocimiento del
Universo
• Los datos obtenidos de las escalas de
distancias y principalmente del Fondo
Cósmico de Radiación resumen nuestro
conocimento actual de Universo.

El Universo observable– p. 40/4
Nuestro conocimiento del
Universo
• Los datos obtenidos de las escalas de
distancias y principalmente del Fondo
Cósmico de Radiación resumen nuestro
conocimento actual de Universo.
• “We find no strong evidence to favour any
extension to the base LCDM cosmology,
either from the CMB temperature power
spectrum alone, or in combination with the
Planck lensing power spectrum and other
astrophysical data sets.” Planck

El Universo observable– p. 41/4
Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en la
física del modelo cosmológico estándar:

El Universo observable– p. 41/4
Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en la
física del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,

El Universo observable– p. 41/4
Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en la
física del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,
• La energía oscura y

El Universo observable– p. 41/4
Tres sapos grandes
• Hay, sin embargo, varios problemas en la
física del modelo cosmológico estándar:
• La materia oscura,
• La energía oscura y
• El inflatón.

El Universo observable– p. 42/4
¿Conocemos el Universo
• Ninguno de esos tres personajes ha sido
estudiado en el laboratorio.

El Universo observable– p. 42/4
¿Conocemos el Universo
• Ninguno de esos tres personajes ha sido
estudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenos
astrofísicos.

El Universo observable– p. 42/4
¿Conocemos el Universo
• Ninguno de esos tres personajes ha sido
estudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenos
astrofísicos.
• Algunos “candidatos” tienen problemas de
consistencia. (Por ejemplo, energía del vacío)

El Universo observable– p. 42/4
¿Conocemos el Universo
• Ninguno de esos tres personajes ha sido
estudiado en el laboratorio.
• Tampoco han sido detectados en fenómenos
astrofísicos.
• Algunos “candidatos” tienen problemas de
consistencia. (Por ejemplo, energía del vacío)
• Y tampoco sabemos tratar la gravitación
cuántica. . .

El Universo observable– p. 43/4
Final
Como toda ciencia que florece, la cosmología
resuelve problemas viejos mientras plantea
nuevos.
Lo admirable no es que el Universo sea
tan grande sino que el hombre haya sido
capaz de medirlo.
ANATOLE FRANCE
El jardín de Epicuro