LOS SECRETOS DE LA NOCHE

1. LOS SECRETOS DE LA NOCHE Introducción a la COSMOLOGÍA

2. LA NOCHE DE LOS TIEMPOS ¿Por qué es negra la noche? ¡¡Trivialidad muy poco trivial!!  Para el Universo en la Edad Media  era obvio...  1543: Copérnico  Heliocentrismo ...y todo cambia  Digges y Bruno  Universo infinito lleno de estrellas y planetas.  Universo infinito con estrellas aceptado a fines del XVIII  Newton  1687: Principia y las tres leyes: Galileo + Keppler Gran éxito científico y predictivo (Halley).  Problema  Paradoja de Bentley sobre el centro de masas: ¡El Universo debería colapsar!  Solución de Newton  Universo infinito sin centro de masas.

3. LA PARADOJA DE OLBERS Miremos donde miremos, encontraremos una estrella.  Keppler fue el primero en darse cuenta.  Halley lo estudio desde la mecánica de Newton.  La luz de las estrellas se debilita con R2.  El número de estrellas crece con R2.  De dos casquetes distintos nos llega la misma cantidad de luz  Como existen infinitos casquetes ¡LUZ INFINITA!

4. LA SOLUCIÓN a) Comunidad científica: Universo no debe ser infinito. estructura finita aplanada en rotación: LA GALAXIA b) Edgard Allan Poe cree que puede ser infinito. En su ensayo “Eureka” postula: 1º: La velocidad de la luz debe ser finita 2º: El universo tuvo un inicio en el tiempo  La luz de las estrellas más lejanas aún no nos ha llegado. No puede ser infinito en espacio y tiempo

5. EPPUR SI MUOVE ! Cefeida: estrella variable cuyo periodo y luminosidad están relacionados. Sirven para medir distancias •  En aquella época se cree que todo el universo es la Galaxia • (solución “a” de la paradoja) y se cree que las nebulosas • espirales son nubes de gas dentro de la Galaxia. • Edwin P. Hubble descubre una variable cefeida en la nebulosa espiral de Andrómeda.  Halla que se encuentra a ¡800.000 años luz! (hoy corregido a 2.200.000)  ¡Fuera de nuestra galaxia! Se vio que las nebulosas espirales ¡SON GALAXIAS! Explicación “a” fallida

6. EL EFECTO DOPPLER  No quedaba más remedio que decantarse por la segundaalternativa: Universo infinito con inicio en el tiempo. problemas de estabilidad gravitatoria • Espectros: huellas dactilares de la materia. • Hubble identifica galaxias y halla la distancia a ellas. • Estudia los espectros de las galaxias. Observa un corrimiento Doppler de las frecuencias Las galaxias se mueven respecto a nosotros  Si se alejan, corrimiento hacia el rojo.  Si se acercan, corrimiento hacia el azul  Solo se observa corrimiento hacia el ROJO Efecto Doppler

7. LA LEY DE HUBBLE Más aún: cuanto más lejos, mayor corrimiento hacia el rojo: v = H d H : la constante de Hubble es una de las magnitudes más importantes en Cosmología H ~ 70 km/s por Mpc

8. EL SECRETO DE LA EXPANSIÓN  Veo que todas las galaxias se alejan de mí  Pero ¡lo mismo ven las demás galaxias!  ¡Es el espacio, en su conjunto, el que se está expandiendo! Las galaxias son arrastradas por la expansión.  Película al revés ¡Inicio del Universo! ¡Poe tenía razón! El Big Bang (Lemaitre, Gamov)

9. LA FORMA DEL UNIVERSO  La gravitación define la forma del Universo.  La geometría de los cuerpos se caracteriza por su métrica.  Métrica (de medir) nos dice cómo medir distancias. Métrica euclídea (plana): bidimensional ds2=dx2+dy2 tridimensional ds2=dx2+dy2+dz2 Métrica esférica: ds2= r2d2+r2cos2d2

10. æ ö 1 2 GM ( ) ( ) ç ÷ = + q + q f - - 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ds dr r d r sen d 1 c dt è ø æ ö 2 2 GM c r ç ÷ - 1 è ø 2 c r 2 R ( t ) = + + - 2 2 2 2 2 2 ds ( dx dy dz ) c dt 2 æ ö 2 kr + ç ÷ 1 è ø 4 LA CURVATURA DEL ESPACIO-TIEMPO  La Relatividad muestra que el Universo tiene 4 dimensiones: 3 espaciales (x,y,z) y 1 temporal (ct) ds2 = dx2 + dy2 + dz2 - c2dt2 Euclides  Minkowski  Pero la materia deforma el espacio: Estrella: Métrica de Schwarzschild (cond. simetría esférica): ¿Y el Universo en su conjunto? Métrica de Robertson - Walker (cond. Universo isótropo y homogéneo): FLRW Lemaitre, Friedmann.

11. 2 R ( t ) = + + - 2 2 2 2 2 2 ds ( dx dy dz ) c dt 2 æ ö 2 kr + ç ÷ 1 è ø 4 TIPOS DE UNIVERSO  Friedmann: existe una familia de soluciones, según k y R(t) Uniforme pero con curvatura espacial Métrica dinámica: R( t ) !!! Curvatura temporal también! (Einstein: R(t) = cte) Diferente comportamiento para los círculos y para las líneas paralelas. k = -1, 0, 1

12. DEDUCIENDO LA LEY DE HUBBLE  Para medir distancias, trabajamos con la parte temporal de la métrica. Distancia entre dos galaxias:

13. IMPONIENDO CONDICIONES 1) Densidad de materia mayor que cero: r > 0 2) Presión prácticamente nula P = 0 3) R(t) crece, o sea, R’(t) > 0 Con esto se restringe la posible forma de R(t) ¡Distintos futuros posibles! Caso frontera: rc ~ 6 átomos m3 k = 0 (Universo plano)

14. ¿CUÁNTO HACE?  Los tres casos son funciones cóncavas. Es fácil estimar la edad del Universo. La pendiente de la recta azúl será:  Pero vimos que (estimación al alza) Para el mejor valor medido: H = 70 km/s/Mpc te = 14.300.000.000 años

15. LA CREACIÓN t inicial = 10- 43 s Tiempo de Plank. Temperatura: 1032 K El Universo es una minúscula burbujita de vacío millones de veces más pequeño que un átomo. Espacio increíblemente curvado: Regreso al punto de partida tras recorrer 10-20 cm. Es la etapa del Falso Vacío ¿Qué había antes? ¿había antes? Física de Partículas y Teoría Cuántica de Campos

16. CUADERNO DE VIAJE: LA NATURALEZA DEL MUNDO  TODO compuesto por partículas. Nosotros  Moléculas  Átomos Mapa I de la Realidad  En el S. XIX se conocen 62 elementos. 1871 Mendeleiev los ordena: ¡Observa regularidades! Aparecen huecos Predicción de nuevos elementos

17. Mapa II de la Realidad LA NATURALEZA DEL MUNDO II (Ga, Sc, Ge) ¡Se encuentran los elementos predichos! Validez del modelo de Mendeleiev Nacimiento de la Tabla Periódica ¿Pero por qué funciona?  1896 Se descubre la radiactividad  1897 Thomson descubre el electrón Sospecha: el átomo ¿indivisible?  1911 Rutherford ve cómo rebota la radiación alfa en el oro Átomo: electrones más minúsculo núcleo (luego modificado con los neutrones)

18. Mapa III de la Realidad Campos partículas 2 caras de la misma moneda Mapa IV de la Realidad LA NATURALEZA DEL MUNDO III Materia Partículas ¿Y la luz? ¡También partículas! Pero más aún: ¡También los campos de fuerzas son partículas! Existe también un órden en las partículas elementales: Bosones (fuerzas) Fermiones (materia) Los fermiones intercambian bosones

19. ROMPIENDO SIMETRÍAS  ¿Cómo pasamos de un mini universo vacío a todo esto? Rotura de simetría en el Universo primitivo.  Rotura de simetría: mecanismo espontáneo en cambios de fase. Como consecuencia, aumenta la complejidad del sistema. Otro ejemplo: cristalización al disminuir la temperatura.

20. Mapa V de la Realidad ¡HIGGS, HIGGS, HURRA! En el tiempo de Plank: Universo vacío de simetría perfecta. Las cuatro fuerzas fundamentales eran una misma. Los fermiones también eran una misma cosa. Existen los campos pero su valor es cero: VACIO Campo típico de partículas: Peter Higgs postula la existencia de otro campo más (bosónico). Campo de Higgs: Si la E es muy baja, problemas para mantenerse en el 0.

21. ¡EXPANSIÓN! t inicial = 10- 43 s Tiempo de Plank. Temperatura: 1032 K Por algún motivo, el mini universo se expansiona.  Disminuye T. t = 10- 37 s. Temperatura ha bajado a: 1027 K El valor 0 (vacío) del campo de Higgs se vuelve inestable. ¡De repente aparecen infinidad de bosones de Higgs! ¡¡NO CABEN EN EL UNIVERSO!!

22. LOS BOSONES DE HIGGS SE HACEN SITIO

23. ¡INFLACIÓN!  Por cada bosón de Higgs que se materializa, hay detrás más haciendo cola. El Universo está saturado de bosones de Higgs. La concentración de bosones es máxima Alan Guth, padre de la Inflación !! Predicción de la Inflación: ¡Universo plano! Despejando: y recordemos que: ¡Crecimiento exponencial! (1030 veces en 10-32 s) Final de la fase inflacionaria: se acaban los Higgs. Comienza la Fase de Recalentamiento.

24. UNA FUERZA, VARIAS FUERZAS ...Pero el campo de Higgs no se teorizó para explicar el Big Bang.  Inicialmente para explicar la masa de los bosones débiles.  Posteriormente para explicar que existan 4 fuerzas fundamentales. Los bosones de Higgs descomponen la fuerza unificada en cuatro. Pruebas: La interacción electromagnética y la débil son la misma (Weinberg y Salam, 1968)  rotura simetría electrodébil

25. ROTURA DE SIMETRÍA ELECTRODÉBIL  Higgs propone el bosón de Higgs para explicar la masa de los bosones W+ W- y Z0 de la interacción débil.  Weinwerg y Salam descubren que también sirve para unificarla con la electromagnética: ¡Este modelo predijo exactamente la masa de los bosones!

26. ENTROPÍA Y ESTRUCTURA  Inicialmente el Universo en equilibrio térmico  Luego el Universo se hace cada vez más complejo. ¿Cómo es posible? ¿Y el Segundo Pio. de la Termondinámica? La expansión dio cuerda al Universo. “El Big Bang, el último almuerzo gratuito”

27. Mapa VI de la Realidad EL UNIVERSO NEGATIVO  Dirac incluye la Relatividad en las ecuaciones de la Mecánica Cuántica.  Obtiene un nuevo sistema de ecuaciones. TIENE DOS SOLUCIONES. Una corresponde con las partículas conocidas. La otra con “su inverso” (???) Predice la existencia de ANTIPARTÍCULAS Analogía: Soluciones de la ecuación x2 = 1 De igual forma, ambas soluciones ¡se anulan!

28. EL ZOO DE LA MATERIA  Protones y neutrones (y aparecieron más) NO son un fondo de la materia. Modelo “a la” Mendeleiev: están compuestos de fermiones llamados quarks (1963, Gell-Mann, Zweig -ases-). Protón: uud (carga 1) Neutrón: udd (carga 0) Mesones (2) y hadrones (3) Interacción Fuerte. Partículas puntuales Quarks

29. Mapa VII de la Realidad EL ZOO DE LA MATERIA II  ¿Y qué pasaba con los electrones? SÍ son un fondo. Pero hay más: Leptones. Neutrinos SOLO interacción débil: 5 años luz de plomo para parar la mitad. SNO: Neutrinos: 0.02 eV < mn Smn < 8.4 eV Leptones

30. Mapa VIII de la Realidad; El Universo temprano LEPTOQUARKS  A las altas energías del Universo primitivo, la Interacción Fuerte era más débil. Los quarks eran libres, como leptones. De hecho eran lo mismo: Leptoquarks. Predicción: los WIMP

31. EL UNIVERSO POSTINFLACIONARIO: MATERIA t = 10- 15 s. Fase de Recalentamiento. Toda la energía de los campos de Higgs se ha convertido en una sopa de partículas. Se producen muchas reacciones simultáneas: a) Transmutaciones de leptoquarks b) Partículas y antipartículas se encuentran y desintegran c) Las partículas colisionan violentamente y se generan nuevos pares partícula-antipartícula. ¿Pero, por qué existe materia? Leyes no del todo simétricas (kaones neutros)

32. t = 10-5 s. Fin de la fase desintegración materia-antimateria Temperatura: 1013 k  ~ 1 GeV  Fase de confinamiento desaparecen los quarks libres. Formación de protones y neutrones: YLEM

33. EL MODELO ESTANDAR DEL BIG BANG  Big Bang original: Lemaitre, 1927.  Modelo estandar del Big Bang: George Gamow, R. Alpher y R. Herman. 1948  Permitió hacer del Big Bang un modelo científico.  Apenas modificado desde que fue propuesto.  Comenzaba donde termina la fase de Confinamiento en t = 10-5 s. Temperatura: 1013 k Universo lleno de YLEM Modelos de FLRW para calcular tiempos, temperaturas y densidades.  Siguiente instante: t = 10-4 s. Temperatura: 1012 k. Densidad: 1015 veces la del agua ~ núcleo. Sólo parejas e+ - e-

34. EL BAILE DE LOS NUCLEONES t = 0.01 s. Temperatura: 1011 k. Densidad: 4·109 veces la del agua Energía ambiente ~ 10 MeV.  Reacciones de transmutación entre nucleones. por ello hay 50% p, 50% n. t = 0.1 s. Temperatura: 3·1010 k. Densidad: 3·106 veces la del agua Energía ambiente ~ 1.3 MeV. Menor que la diferencia de masas p-n (mp = 938.3 MeV, mn = 939.6 MeV) Asimetría en las reacciones

35. LAS COSAS SE ENFRÍAN t = 0.2 s. Proporción p-n: 62% p, 38% n. Energía ambiente < 0.5 MeV Con esta baja energía, la interacción débil deja de ser eficaz.  Desacoplo de los neutrinos y de los WIMP.  Hoy forman un fondo a 2 k. Indetectables. t = 1 s. Temperatura: 1010 k (~700 veces la del núcleo solar). Densidad: 380.000 veces la del agua. Proporción p-n: 76% p, 24% n. Energía ambiente muy baja para creación eficiente de pares e+ - e- Se desintegran más deprisa que se forman. t = 14 s. Temperatura: 3·109 k (~200 veces la del núcleo solar). T lo bastante suave para permitir primeras reacciones de fusión. Proporción p-n: 83% p, 17% n.

36. FUSIÓN  Fusión nuclear: depende de  Fuerzas de atracción entre nucleones (I. Fuerte)  Fuerzas de repulsión entre protones (I. EM) Esta combinacion produce diferentes estabilidades nucleares. Fisión Fusión

37. LA MUERTE DEL NEUTRÓN  El neutrón no es una partícula estable. Vida media ~ 15 min. ¿¿Nos vamos a desintegrar?? t = 3 min. Tiempos comparables con la edad del neutrón.  La desintegración de los neutrones acrecienta la diferencia.  Proporción p-n: 87% p, 13% n.  Temperatura: 109 k, 70 veces la del Sol: todo el Universo es el interior de una estrella. Comienza la fusión nuclear de forma eficiente. Fase de Nucleosíntesis Primigenia

38. LA NUCLEOSÍNTESIS PRIMIGENIA  Idea original de Gamow: todos los elementos se formaron en el Big Bang.  Resultados: principal producto de la nucleosíntesis, el He4. Cálculos de Alpher:

39. LA NUCLEOSÍNTESIS PRIMIGENIA II ¡Hidrógeno y Helio son más del 99% de los elementos formados! Pese a este “fracaso”, un gran éxito: Predicción correcta de la relación H-He (75%-25%): Paper   

40. ¿DE DÓNDE VIENE EL RESTO? Explica el 99%. Pero no explica cómo se forma lo demás.  Fred Hoyle, el gran Enemigo del Big Bang.  Idea el modelo del Estado Estacionario. Genesis espontánea del H.  Este enfrentamiento fue el centro del debate científico de los 50 y 60.  Pero, para justificar su modelo, ¡dio con la clave del asunto! LOS ELEMENTOS SE FORMAN POR FUSIÓN NUCLEAR EN EL INTERIOR DE LAS ESTRELLAS Éxito: explica la aparición de los demás elementos. Fracaso: no explica la elevada cantidad de He en el Universo

41. EL ÚLTIMO DESACOPLO t = 30 min. Temperatura: 3·108 k. Densidad: ¡una décima parte la del agua! El Universo es (sigue siendo) opaco. t = 60 min. T tan baja que la nucleosíntesis primigenia se detiene. t = 300.000 años. Temperatura: 6000 k, como la superficie del Sol. Lo bastante baja para que los núcleos comiencen las primeras capturas de electrones libres. Pero se descomponen en seguida. t = 800.000 años. Temperatura: 4000 k. En ese instante, la energía está repartida a partes iguales entre materia y radiación. Los átomos pueden ser estables. REcombinación. Desacoplo de la radiación EM. El Universo se vuelve transparente

42. SONIDO DE FONDO ¿A dónde fueron los fotones? 1948, Alpher y Herman: Predicción de un fondo de fotones a ~5 k (microondas) Fotones en principio en equilibrio térmico  CUERPO NEGRO Su existencia o inexistencia inclinaría la balanza hacia Hoyle o hacia Gamow.

43. SONIDO DE FONDO II 1964, Penzias y Wilson detectan un ruido en la antena, de unos 3 k, que no pueden eliminar (ni con rasqueta). Van a la U. de Princeton a consultar. Pero... Dicke y Peebles, de la Universidad de Princeton Penzias y Wilson en el Cuerno de Holmden Desconociendo el trabajo de Gamow en los 40, llegan independientemente a las mismas conclusiones: Debería existir rad. de cuerpo negro < 10k intentan buscarlo

44. SONIDO DE FONDO III “...se nos han adelantado”  Penzias y Wilson habían detectado la radiación residual del Big Bang.  Dicke y Peebles tenían la explicación teórica.  Publican juntos sus resultados en Astrophysical Journal.  Gamow entra en cólera.  Espectro de cuerpo negro PERFECTO a ~2.75 k  Isótropo, homogéneo y uniforme.  ¡Y sale por la tele! Datos experimentales del fondo cósmico de microondas.

45. EL BIG BANG, UNA REALIDAD Los tres pilares del Big Bang:  Expansión del Universo, detectada por Hubble.  Predicción exacta de las abundancias de H y He  Predicción exacta de la radiación cósmica de fondo.  ...y si encima fuera plano... El premio Nobel premió el modelo del Big Bang:  Gamow y su equipo en los 40 fueron los primeros que estudiaron el Big Bang desde un prisma científico e hicieron predicciones que fueron confirmadas.  El equipo de Dicke, dos décadas después, llegó a las mismas conclusiones de forma independiente, se las creyeron e hicieron un intento para medir la radiación de fondo que predecían.  Penzias y Wilson, tratando de eliminar el ruido de su antena, descubrieron una señal de fondo que no conseguían explicar. Los ganadores del Premio Nobel en 1978 fueron ...

46. EN EL FONDO  El fondo cósmico de microondas proporciona gran cantidad de información:  Universo primigenio efectivamente en eq. térmico  Universo a gran escala muy uniforme e isótropo  La expansión también es uniforme  El Universo no gira El COBE  Sin embargo la uniformidad no es absoluta: Existían minúsculas anisotropías (fluctuaciones)  Semillas galácticas. ¿Han dejado su huella?  El Cosmica Background Explorer fue lanzado en 1989 para responder esta pregunta. 2 años de integración de datos (SNR)

47. RESULTADOS DEL COBE ¡¡ Variación de T máxima de sólo 0.01 % !!

48. 180º L UN UNIVERSO SONORO  En el mapa de COBE aparecen contribuciones multipolares: L=0, L=1, L=2 L=3 ... L=25 Polos separados Doppler L = 25 es la resolución angular del COBE (7.2º)  Antes del desacoplo (densidad: 107 átomos/litro), Universo opaco Sonido, método más eficaz de transmisión de información. (como hoy día en el Sol) Había una nota preponderando en la música de la Creación. ¿Ha dejado su huella?

49. LA FORMA DEL UNIVERSO Esa nota creó un pico sónico  Una fluctuación predominante.  densidad  velocidad del sonido  edad  horizonte sónico Para  entre 0.25 y 4  Lpico = 400 y 100 (resp.)  distancias angulares = 0.45º y 1.8º No observables por COBE Balloon Observations Of Milimetric Extragalactic Radiation and Geomagnetics Res. angular ~ 0.16º Estudiado 1% del cielo BOOMERANG (diciembre 1998)

50. RESULTADOS DEL BOOMERANG Publicados en abril del 2000 ¡¡PLANO!!  Lpico = 200 Pero: