Origen y Evolucin del Universo Gonzalo Tancredi Depto

Origen y Evolución del Universo Gonzalo Tancredi Depto. Astronomía - Fac. Ciencias • Hubble Deep Field • Formación de Galaxias • Cosmic Microwave Background Radiation • Modelo de Big Bang Inflacionario

Hubble Deep Field • 10 días consecutivos de observación -150 órbitas (1995) • HDF-N en Osa Mayor (Gran cucharón – Big Dipper) • Campo de 5. 3 arcmin 2 • Magnitud límite V ~ 30

Observando no más lejos pero si más débil

Censo de objetos • ~ 3000 Galaxias en región del visible • 40% de las galaxias son irregulares, peculiares o en fusión • < 40 estrellas de la secuencia principal del disco y del Halo • 150 corrimientos al rojo medidos • 2 supernovas

La escalera de distancias

Tipos de SN

La curva de luz de las SN Superposición de la curva de luz de 22 SN

Estimando distancias con SN Magnitud absoluta presenta poca dispersión. Buena correlación entre magnitud del máximo y log. de velocidad de recesión (v 220).

La relación Tully-Fisher Vincula el ancho de la línea de 21 cm o de H con la magntiud absoluta de una galaxia. El ancho de H se usa para determinar Vrot, que estará relacionada por la Ley de Kepler con la Masa, esta con la Luminosidad y la Mabs.

Ley de Hubble con estimaciones de distancia basadas en SN tipo Ia H 0 = 67 ± 10 km/s/Mpc Ley de Hubble con estimaciones de distancia basadas en relación de Tully-Fisher

Relatividad General La métrica del espacio tiempo R(t) – factor de escala Para un espacio Euclido en coordenadas esféricas Para un espacio curvo Donde Sk( ) = sinh sin para k = 0, = r para k = -1 Hiperbólico para k = 0 Plano para k = 1 Esférico

k =- 1 La curvatura del espacio k=0 k=1

Expansión del Universo d – elemento de distacia a lo largo del rayo de luz R(t) – factor de escala c – vel. luz

Corrimiento al rojo El corrimiento al rojo z lo calculamos como Considerado como una velocidad de recesión Considero luz de long. , frecuencia n y período P. Supongo un par de rayos emitidos en dos máximos consecutivos a t 1 y t 1 + Pem. Los dos rayos serán recibidos a t 0 y t 0 + Prec. Igualando la longitud de los caminos, llegamos a

Record en distancias Galaxia más distante z=6. 56 Lyman en reposo =1216 Å Quasar más distante z=6. 4

Rotación de las Galaxias Velocidad constante a grandes distancias. No se aprecia caída kepleriana por masa central. Halo de materia oscura (NO agujeros negros o estrellas neutronicas SI ? estrellas de baja masa, enanas marrones)

La radiación cósmica de fondo

Anisotropías de la Radiación Cósmica de Fondo Mapa medido por COBE con escala entre 0 y 4 K (luego de quitar “aportes locales”) Se muestran fluctuaciones de 1 parte en 100. 000 (30 m. K)

Comparación de los mapas elaborados cpn COBE y con WMAP Resultados del WMAP • Las primeras estrellas se formaron 200 millones de años luego del Big Bang. • La radiación cósmica de fondo se originó 379, 000 años después del Big Bang. • H 0 = 71 ± 4 km/sec/Mpc

Anisotropías en CMBR = 0. 3 = 1 Buen ajuste de datos observaciones con 1

Formación de estructuras

Distribución de materia a gran escala

La dinámica del Universo

Ecuación de Friedmann para la tasa de expansión H – “constante” de Hubble R - Factor de escala - densidad del Universo G, c - constantes k - constante de curvatura (1, 0, – 1) - Constante cosmológica q - parámetro de desaceleración para la desaceleración

Universo dominado por la materia en el presente p=0 y =0 Universo plano q 0 = 0. 5 k=0 crit - densidad crítica h – “constante” de Hubble normalizda

¿Cuanto vale ?

¿Cuan cerca de la densida crítica?

Dominio de energía y materia mat R-3 ene R-3 R-1= R-4

Densidad de la materia y T

Epóca dominada por la radiación Acoplamiento materia - radiación Recombinación y Desacople materia - radiación

Breve referencia a física de partículas • Átomos constituidos por – nucleones: protones + neutrones – electrones • Nucleones constituidos por 3 quarks – Materia bariónica • 2 quarks – Mesones • Bariones + Mesones = Hadrones • Leptones: e-, muones, tau y neutrinos • Materia + Antimateria = Radiación

El Big Bang

Nucleosíntesis primordial

Predicción de abundancias

Materia Oscura Caliente o Fría • Materia bariónica < 0. 05 (de nucleosíntesis primordial) • Materia no-bariónica ~ 0. 35 (de estructura a gran escala y lentes gravitacionales) Hot Dark Matter (HDM) – Forma estructuras de grande a chico por fragmentación de grandes estructuras Partículas livianas muy energéticas: neutrinos Cold Dark Matter (CDM) – Forma estructuras a partir de agrupaciones pequeñas. Partículas masivas: partículas supersimétricas (WIMPS) y axiones Se favorece el modelo CDM

Ideas básicas de la Inflación • Teoría propuesta por Alan Guth en 1982 • Guth postuló una Epoca Inflacionaria – Expansión muy rápida y exponencial del Universo – Ocurrió en el interval, t=10 -37 -10 -32 s – El Universo se expandió por un factor de 1040 -10100 durante ese tiempo! • Qúe causo la inflación? Fluctuaciones en campos cuánticos…

Inflación

La resolución de los problemas cosmológicos con la Inflación • El problema de la “chatura” The Flatness Problem – Considero una superficie curvada – Ahora la expando por un enorme factor – Luego de la expansión, se verá localmente plana – Por tanto, la inflación predice un Universo que es no distinguible de uno plano

El problema del horizonte Si miramos en direcciones opuestas, en el límite del Universo observable, estas regiones estan separadas a una distancia de 2 veces la edad del Universo. Las observaciones de la CMBR muestran iguales temperaturas, pero ¿cómo pueden estar en equilibrio térmico sino se podían comunicar entre sí? En el momento de la recombinación, el tamaño del horizonte en el cielo era de 1 grado.

• El problema del horizonte – Antes de la inflación (a t 10 -37 s), el horizonte de las partículas tenía un radio de R 10 -29 m – Esta es la región del Universe que esta conectado por causalidad. – Luego de la inflación (a t 10 -32 s), esta región aumentó a 1011 – 1059 m – La expansión “normal” comenzó… El Universo se expandió por otro factor de 1022 entre el final de la inflación y el desacople (t=300, 000 a) – Por tanto, al momento del desacope, la región conectada por causalidad era de al menos 1033 m en extensión! – La inflación predice que todo el Universo observable (y bastante mas allá) se originó de una pequeña región conecteda por causalidad. – Lo que resuelve el problema del horizonte.

La solución al problema del horizonte por la Inflación

Expansión

Expansión acelerada • Constante cosmológica 0 • Densidad energética del vacío • Presión del vacío

Combinando resultados de SN, CMBR y Cumulos de Galaxias

Estado de Cuenta de Universo: CDM (cold dark matter constante cosmológica)

¿Cuál es la edad del Universo • Las estrellas mas viejas • La expansión del Universo El ciclo de vida de las estrellas depende de la masa. Las estrellas menos Si el Universo es plano y compuesto masivas tienen una mayor duración mayoritariamente de materia, la edad la en la secuencia principal. podemos estimar como Todas las estrellas de un cúmulo t = 2/3 H 0 globular nacieron juntas. El punto de salida de la secuencia principal o la Si la densidad de materia es muy baja temperatura de las enanas de t = 1/H 0 enfriamiento de las blancas permiten determina la edad. Se tenían estimaciones de edad de Lo que implica valores entre 12 y 14 mil cúmulos entre 11 y 18 millones de años. ¿Una crisis de edad?

Enanas blancas en M 4

Comparando resultados • Las estrellas mas viejas • La expansión del Universo 12 a 13 millones de años de antigüedad Tomando en cuenta la contribución de la materia y y tomando =1, se estima una edad de 13. 7 miles de millones de años (con un error de 1%).

Las tres grandes etapas del Universo • Dominado por la radiación t < 10. 000 años y temperatura > 30. 000 K. Expansión t 1/2 • Dominado por la materia t > 10. 000 años y temperatura < 30. 000 K Expansión t 2/3 • Dominado por la constante cosmológica Expansión con crecimiento exponencial

Nuevas preguntas a partir de nuevas respuestas • ~5% del Universo constituido por materia “conocida” (bariónica) • ~35 % materia “oscura” (materia no bariónica) • ~60 % por energía “oscura” o energía del vacío Cuanto queda por descubrir ……