La Cosmología del siglo XX

1. La Cosmología del siglo XX “Omnia qui magni dispexit lumina mundi,qui stellarum ortus comperit atque obitus,flammeus ut rapidi solis nitor obscuretur,ut cedant certis sidera temporibus,........” (Carmina Catulli, 66, 1-4) José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

2. La Cosmología actual... • Intenta comprendercómo es el mundo material que nos rodea a gran escala, el Universo, su origen, su evolución y su futuro, siguiendo las pautas del método científico. • Utiliza las fuentes de la Astronomía del espacio profundo y las interpretaciones teóricas de diferentes ramas de la Física. • Es una disciplina estrictamente observacional: se ven (o se deducen) las cosas, pero no se tocan. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

3. Resumen: • I – Desde dónde observamos el Universo. • II – Qué observamos del Universo. • III – Qué sabemos hoy del Universo. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

4. I – Desde dónde observamos: • La Tierra, tercer planeta de la estrella llamada Sol. • El Sol, una estrella anodina perdida en la Galaxia de la Vía Láctea. • La Vía Láctea, una Galaxia espiral, con 200.000 millones de estrellas, dentro del Grupo Local de Galaxias. • El GLG, una “pequeña” estructura dentro del Supercúmulo Local de Galaxias. • El SCLG de Virgo, un “pequeño” supercúmulo en el universo conocido, en el que convivimos con... 100.000 millones de Galaxias y 2.000 trillones de estrellas (2.000 millones de millones de millones) José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

5. I - Nuestro lugar en el Universo: • La Vía Láctea, una Galaxia espiral (como la del Remolino) con 200.000 millones de estrellas, una de ellas el Sol. • La Vía Láctea desde el satélite COBE. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

6. I - Un pequeño rincón en la Via Láctea: • El Sol, en el brazo de Orión. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

7. I - ¿Nos alejamos un poco? En una zona de 10 millones de años-luz, vemos nuestro GLG: la Vía Láctea, la Galaxia de Andrómeda y otras pequeñas Galaxias. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

8. I - ¿Y un poco más lejos? En una zona de 200 millones de años-luz, nuestro SCLG de Virgo empieza a ser una simple estructura más. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

9. I - ¿Y más lejos todavía? En una zona de 2.000 millones de años-luz, el SCLG de Virgo, el hogar de nuestra Galaxia, no es más que uno de tantos. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

10. I - ¿Y si nos vamos al final? En una zona de 30.000 mil millones de años-luz, nuestro SCLG de Virgo es apenas un punto perdido en la macroestructura del Universo conocido. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

11. II - Hechos básicos observados: • A)La materia del Universo se distribuye isótropa y homogéneamente a escala grande (Principio Cosmológico). • B)El universo se expande: la distancia entre cualquier par de galaxias lejanas aumenta con el tiempo, tanto más deprisa cuanto más grande es la distancia. • C)La expansión se describe correctamente con la Teoría generalde la relatividad de Einstein. • D)La expansión empezó desde una situación singular de alta temperatura y densidad, el "Big Bang“. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

12. IIA – Principio Cosmológico (1) • “El Universo, visto a gran escala, es homogéneo e isótropo” (Einstein, 1915) • Hubble(1920) observa la distribución de galaxias en el universo y ve que no siguen ninguna pauta. • "El trabajo de Hubble revela que esos objetos (las nebulosas espirales) están distribuidas en el espacio de una forma estadísticamente uniforme, por lo que el esquemático aserto de la teoría de una densidad media uniforme recibe una confirmación experimental". (Einstein, 1933) • Homogéneo: encontramos lo mismo en cualquier volumen de espacio que observemos. • Isótropo: vemos lo mismo en cualquier dirección del espacio que observemos. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

13. IIA – Principio Cosmológico (2) • En cualquier sitio, en cualquier dirección... • ...siempre vemos lo mismo. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

14. V.M. Slipher (1875-1969) estudia el desplazamiento hacia el rojo de las líneas espectrales en las galaxias. E. P. Hubble (1889-1953) interpreta teóricamente los resultados de Slipher, sentando las bases de la cosmología actual. Ley de Hubble (1929) “Las galaxias se separan unas de otras con una velocidad que es proporcional a la distancia que las separa” v = H d H = Cte. de Hubble IIB – El Universo se expande José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

15. IIB – Desplazamiento hacia el rojo • 15.000 km/s • 3.000 km/s • Estrella cercana Las líneas espectrales del Ca se desplazan más hacia el rojo cuanto más deprisa se está alejando la fuente (consecuencia del efecto Doppler) José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

16. IIB – La Ley de Hubble • Si se representa la velocidad de separación de las galaxias frente a la distancia que las separa, la relación que se obtiene es claramente lineal. • v = H d siendo H (cte. De Hubble) la pendiente de esa gráfica. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

17. IIB – La edad del Universo (1)Unidades a considerar • Un año-luz = 9,46 1012 Km (al, Mal) • Un parsec = 3,09 1013 Km (pc, Mpc) • Un Mpc = 3,26 Mal La Luna está a un poco más de un segundo-luz de la Tierra. La Tierra está a 8 minutos-luz del Sol. El Sistema Solar mide 2,4 años-luz (2). La sonda espacial Pioneer 10 (lanzada el 2/3/1972) está a 12 horas-luz de la Tierra. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

18. IIB – La edad del Universo (2)Últimos cálculos (02/03) del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) • H = 71 Km/s/Mpc • La máxima velocidad es la de la luz, c. • v = H d  3 105 = 71 d • d = 4225 Mpc = 13,7 mil millones de años-luz Por tanto, la edad del Universo conocido es aproximadamente de 13.700 millones de años La edad de la Tierra es de 4.500 millones de años La edad de la Vía Láctea es de 9.500 millones de años José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

19. IIC - La aportación de Einstein • Invariancia de c. • Teoría de la Relatividad General. • Modelo de Einstein-de Sitter. • Solución general de las ecuaciones de campo de la TRGE. • Planteamiento del problema de la geometría del Universo. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

20. IIC - Las tres geometrías posibles El valor del parámetro de expansión de las ecuaciones de la TRGE determina el tipo de geometría del Universo: • K<0: geometría hiperbólica, expansivo indefinidamente. • K=0: geometría euclídea, expansión indefinida disminuyendo con el tiempo. • K>0: geometría esférica, la expansión se detendrá y empezará una contracción. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

21. IIC – La materia en el universo • El valor del factor de expansión K depende de la densidad de materia del Universo. • Las observaciones sobre el valor de esta densidad proporcionan siempre valores inferiores a la densidad crítica: el Universo no frenará su expansión, salvo que encontremos algún otro tipo de materia “oscura” que se sume a la que ya conocemos. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

22. IID – Cómo empezó todo • Si hemos calculado la edad del Universo, debemos aceptar que hubo un “t = 0”. • Si vemos la expansión del Universo, con las galaxias separándose, hemos de pensar que alguna vez estuvieron todas “juntas”. • Ese momento “inicial” lo llamamos el Big – Bang , ¡por motivos obvios! A partir de él empieza a existir el tiempo y el espacio y pueden aplicarse las leyes de la física. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

23. IID – Los hombres del Big–Bang (1) • Einstein encuentra con sus ecuaciones de la TRG un Universo cambiante, que no le gusta y que modifica para hacerlo estable. • G. Lemaître en 1927 hace la primera interpretación teórica sobre el estado inicial del Universo. Con la ayuda de Eddington logra convencer a Einstein y al resto de la comunidad científica sobre la posibilidad del Big-Bang. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

24. IID – Los hombres del Big–Bang (2) • G. Gamow en los años cuarenta logra poner de acuerdo la teoría del Big – Bang con la teoría de Hoyle sobre la formación de elementos pesados. • A partir de los cálculos de Gamow, Alpher en 1948 predice que en algún sitio debería encontrarse el “eco” del Big-Bang en forma de una radiación medible. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

25. IID – Los hombres del Big–Bang (3) • A. Penzias y B. Wilson en los laboratorios Bell Telephone en Holmdel, descubren en 1965 la Radiación Cósmica de Fondo, con valores concordantes totalmente con los predichos teóricamente. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

26. IID – La Radiación Cósmica de Fondo (1) • La RCF es una de las más fuertes pruebas a favor del Big-Bang, auténtico residuo fósil de los primeros momentos del Universo. • El satélite COBE (Cosmic Background Explorer) ha calculadola temperatura actual de la RCF en 2,728±0,020ºK. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

27. IID – La Radiación Cósmica de Fondo (2) Temperatura de la Tierra, mes de junio de 1992. Fuente: satélites meteorológicos. Temperatura de la RCF, mes de febrero de 2003. Fuente: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

28. III – Qué sabemos hoy (1) • La constante de Hubble vale 71 Km/s/Mpc, con un error del 5%. • Ello implica que la edad del Universo que podemos conocer sea de 13.700 millones de años. • Las primeras estrellas se formaron 200 millones de años después del Big-Bang, y aún estamos viendo la expansión del Universo. José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.

29. III – Qué sabemos hoy (2) El contenido del Universo es, aproximadamente: • Energía oscura, un 73% • Materia fría oscura, un 23% • Materia común (Átomos), un 4% Ello implica que la geometría del Universo sea casi-plana, expandiéndose para siempre de forma cada vez más lenta, hasta su enfriamiento total (excepto si la energía oscura tiene propiedades gravitatorias que hoy por hoy ignoramos) José Carlos Vilches Peña. Departamento de Ciencias. IES d'ARAN.