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Tema: Cosmología Física. 1ra Parte

MSc Javier Pichardo RamírezMSc Javier Pichardo RamírezMSc Javier Pichardo RamírezMSc Javier Pichardo Ramírez

Observatorio Astronómico UNANObservatorio Astronómico UNANObservatorio Astronómico UNANObservatorio Astronómico UNAN----ManaguaManaguaManaguaManagua

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),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.� 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.homogéneo e isotrópico.

Gran escala: distancias del orden 100 Mpc

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.

Principio Cosmológico de Einstein: hipótesis

esencial para la comprensión del Universo

cascarones esféricos muy inhomogéneos.

En la Teoría de la Relatividad General, la métrica para un

espacio homogéneo e isotrópico es la de Friedman-

Robinson-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

GeometríaMateria-energía

Constante Cosmológica

Ecuaciones de campo de Einstein

de la Relatividad General

GeometríaMateria-energía

Constante Cosmológica

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

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

2D para un Universo sin centro: espacios con curvatura negativa (k=-1), planos (k=0), y con curvatura positiva (k=+1).

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 en el espacio-tiempo por los caminos más

cortos o los de mínima resistencia.

Tomando como cero la constante cosmológica , se obtiene

Modelo del Universo Einstein-DeSitter

El Modelo Einstein-De Sitter se formula haciendo k = 0

Alexander Friedmann1888-1925

Encuentra soluciones exactas la

Ecuaciones de Einstein, en ellas

percibe que el Universo en expansión.

Slipher, Vesto Melvin

(1875-1969)

Primero en medir la velocidad

de las galaxias (la primera fue

andrómeda en 1912). Tomando

Lowell Observatory, Flagstaff, Arizona

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 �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

..

....

Velocidad

(Km/s)

La ley de Hubble: V = Ho D

...

..

..Distancia (Mpc)

La constante de Hubble (H0) es la

pendiente de esta línea. En forma

simplificada, la edad del Universo

es 1/H0

U n d e rs ta n d in g H u b b le ’s L a w

v = H 0 dH u b b le c on s ta n t

G a la x y

d is ta n c e

G a la x y ve lo c ity

(m e a su re v ia re d sh if t)

R e c a ll W h a t

H u b b le ’s L a w Is !

H o w e v e r, in a d d itio n

to d is ta n c e , th e to d is ta n c e , th e

re d sh ift a lso te lls yo u

a b o u t th e s ize o f th e

U n iv e rse 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 creaciónEs 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