Observatorio Astronómico Nacional

Facultad de Ciencias

Universidad Nacional de Colombia

Juan Manuel Tejeiro Sarmiento

Profesor Titular

Cátedra Mutis

Astronomía para todos

Retos modernos de una ciencia milenaria

Cosmología

Rafael 1510COSMOLOGIA MODERNA

Platón

Y

Aristóteles

Galileo

La naturaleza está escrita en lenguaje

matemático

GALILEO LA LEY DE LA INERCIA

En el “vacío” dos cuerpos, independiente de su naturaleza, que parten del mismo punto, con velocidad cero caen al mismo tiempo, llegando al piso con la misma velocidad y pasan al mismo tiempo por todas las velocidades intermedias.

Aceleración constante

1609 Invención del telescopio

Carta de Jacques Badovere desde Holanda

El 7 de enero de 1610 descubre 4 lunas de Júpiter:

Calixto, Europa, Ganímedes, Io y las fases de Venus

Publica en Florencia el Sidereus Nuncius

Sir Isaac Newton 4 de enero 1643-31 de marzo 1727

Ley de caida de los cuerpos de Galileo y leyes de Kepler

Estrellas fijas

Universo estacionario

¿Cómo es posible?

La óptica Empédocles y Euclides escribieron tratados sobre la luz. Propagación rectilínea, reflexión y refracción

René Descartes: Luz ondas de presión, en el eter

Newton: Anillos de luz. Teoría de partículas que siguen las leyes de la mecánica.

Huygens, Young, Fresnell (1818)

La luz como fenómeno ondulatorio

Medio de propagación

ETER LUMÍNICO

Maxwell: La luz son ondas electromagnéticas

Se propagan en el vacío a velocidad

C=300.000km/s

•Luz•Ondas transversales•Éter•Medio de propagación•Eter = espacio absoluto•C = 300.000 km/s respecto al eter•Experimentos para medir la velocidad de la tierra respecto al eter

1905 Einstein

el ETER desaparece

1905Sobre la electrodinámica de los

cuerpos en movimiento•Postulados

•Principio de relatividad

•La velocidad de la luz en el vacío es independiente de la fuente y el observador

Relatividad del espacio y el tiempo

Equivalencia Masa-Energía

Einstein 1911

•E=mc2 •Equivalencia entre masa inercial y masa gravitacional•Un campo gravitacional desvía la luz•a=2Gm/roc2

Ley de gravitación universal

Incompatible con

los postulados de la teoría especial de la relatividad

Einstein 1915: Teoría General de la Relatividad

•Principio de equivalencia•Los cuerpos en caída libre siguen líneas “rectas” Geodésicas•La materia determina la geometría del espacio-tiempo

•Corrimiento del perihelio•Mercurio: •Df=43.03”/siglo•Desviación de la luz por el sol:•Da=1.75”•Eddington 1919: eclipse total de sol

Einstein 1916

Cosmología

Principio cosmológico:

El universo es isotrópico y homogéneo

G=T(materia-energía)

No encuentra solución estática

Einstein busca resolver el problema planteado por Newton:

¿Porqué el universo es estático (estrellas fijas)?

Einstein

G+Constante=T(materia)

Constante Cosmológica

Permitía una solución estática

Robertson y Walker

La solución estática de Einstein no es matemáticamente aceptable

Las soluciones estables de las ecuaciones de Einstein, con o sin constante cosmológica son dinámicas

En 1924 Hubble le escribe a Shapley sobre una variable Cefeida en Andrómeda

El universo está conformado por galaxias

El gran debate

Herschel universos isla de Kant vs. Shapley: Una sola galaxia

Georges Lamaitre en 1927 relación de corrimiento al rojo en un universo en expasión. Se hablaba del átomo primordial y el gran ruido.

Fred Hoyle contradictor de esta teoría la llama “Big Bang”

Vesto Slipher en el observatorio de Percival Lowell estudia las nebulosas espirales y encuentra un persistente corrimiento al rojo de sus espectros, pero no encuentra explicación

1929Efecto DopplerLey de Hubble

V = Ho DUniverso dinámico, como lo establecían las ecuaciones de Einstein

Constante cosmológica el mayor error

El modelo estándar de la cosmología

Gamow 1948: Necleosíntesis,

predice la radiación cósmica de fondo

Penzias y Willson 1964: RCF ¿Cómo surgió la estructuraen gran escala del universo?

La expandíón del universo la determina la densidad de materia !

Densidad crítica=c

c

cc

Problema

La edad del universo 13,6 My

Formación de estructura

Radiación de fondo

Inflación

Implican

Densidad del universo=1

Pero densidad observada<0.1

Modelo estándar de de la cosmología antes de 1980

Problemas:

¿Porqué el universo es homogéneo?

¿Porqué el universo es plano? (densidad de materia = densidad crítica)

¿Porqué no se observan monopolos magnéticos?

Allan Guth 1980: Universo inflacionario

Densidad del universo = densidad crítica

La inflación explica la generación de estructura en un universo homogéneo

La inflación predice las fluctuaciones de la radiación cósmica de fondo

Densidad del universo observada

=

0.05 veces la densidad crítica

???????????

Necesidad de la materiaOSCURA

Imagen eninfrarojo

Materia oscura

Materia fría?

Agujeros negros?

Materia exótica?

Historia de la materia oscura

Jeans Jeans y Jacobus Kapteyn 1922: Reportaron masa (estrellas negras) en el disco de la Vía Láctea

Fritz Zwicky 1933: postula DUNKLE MATERIE para mantener la estabilidad de los Cúmulos galacticos (COMA velocidad radial de dispersión de 1000km/s)

En la década de los 70

Materia oscura

Densidad de materia=

0.23

Lentes gravitacionales

Dinámica galáctica

ENERGÍA OSCURAHistoria

Einstein 1915 introduce la constante cosmológica para obtener un universo estático

Einstein en carta a Besso le comenta

“Puesto que el universo es único, no hay diferencia esencial entre considerar como una constante la cual es peculiar a una ley de la naturaleza, o considerarla como una constante de integración”

Einstein 1930 desaparece la constante cosmológica: el universo se expande

Tolman considera modelos con>0 y

<0

Zeldovich en 1966 interpreta como la densidad de energía del vacío

adquiere significado físico en el mundo cuántico pero su medida es gravitacional

= densidad de energía (oscura)

En 1992 las lentes gravitacionales determinan un valor no nulo para

Entra en la cosmología, pero su importancia se manifiesta con los trabajos de Riess et. al. 1998 y Perlmutter et. al. 1999

La IAU en Kyoto 1997

Densidad de materia ordinaria = 4 - 5%

Densidad de materia oscura = 23 - 25%

Densidad de energía oscura (= el resto = 70 - 73%

Bases observacionales: Estructura en gran escala

Formación de galaxias, Edades del universo y galaxias

Nucleosíntesis

Sin embargo la astronomía observacional asumía hasta 1998

Riess et. Al. 1998 y Perlmutter et. al. analizando las supernovas del tipo Ia para altos corrimientos al rojo, determinaron que la expansión del universo se ha estado acelerando en los últimos 5.000 millones de años

entra definitivamente en la astronomía observacional como la clave para explicar la expansión acelerada del universo.

Modelo estándar de la cosmología después de 1980

En t=0 Big Bang

En t=10 -35 Segundos Inflación

t=3 minutos nucleosíntesis

Universo en expansión desacelerada

¿ Energía y materia oscura ? Quintaesencia

Constante cosmológica variable en el tiempo

Universos membrana, Cuerdas, materia exótica

Hubble Chandra R-X

Galileo

Herschel

James-Webb 2013 Magic de R-Gama Telescópio lunar

Planck

Spitzer