EL UNIVERSO OSCURO

1
Desvelando el Universo
Del microcosmos al macrocosmos
2
UNIVERSIDAD PARA LOS MAYORES
Desvelando el Universo (del microcosmos al
macrocosmos)
Tema 4 Gravitación y Cosmología
Antonio López Maroto Departamento de Física
Teórica I
(22 de marzo de 2012)
3
Tema 0 Introducción Tema 1 La visión del mundo
previa al siglo XX Tema 2 Relatividad
Especial Tema 3 Física Cuántica Tema 4
Gravitación y Cosmología Tema 5 Física atómica y
nuclear Tema 6 Física de partículas Actividad
Complementaria El mundo de las partículas y los
aceleradores Tema 7 Historia de la Astronomía y
Astronomía básica Tema 8 Los instrumentos del
astrónomo Tema 9 El trabajo del astrónomo
profesional Tema 10 El Sistema Solar Actividad
Complementaria Visita al Observatorio UCM Tema
11 Las estrellas Tema 12 El medio interestelar
y la Vía Láctea Tema 13 Las galaxias Tema 14
Cosmología observacional
PROGRAMA Curso 2012
4
Las limitaciones de la Física Clásica
FÍSICA CLÁSICA
 
Relatividad Especial
Velocidades pequeñas v ltlt c
 
Tamaños grandes
Física Cuántica
 
Relatividad General
Campos gravitatorios débiles
5
La caída de los cuerpos
Todos los cuerpos caen con la misma aceleración
independientemente de su masa y composición
 
6
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Teoría de Relatividad General (1915)
7
Gmn 8pG Tmn Geometría
Materia-Energía
RELATIVIDAD GENERAL (1915)
8
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Los cuerpos seguirían las trayectorias que
minimizan la distancia (geodésicas)
Ejemplo Madrid-Tokyo
9
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Eclipse de sol (1919) se observó la deflexión
de la luz por el sol de acuerdo con la RG
A. Eddington
10
La gravitación como geometría del espacio-tiempo
Avance del perihelio de Mercurio 43 de arco
de acuerdo con RG
11
Velocidad de escape y agujeros negros
12
Velocidad de escape y agujeros negros
K. Schwarzschild
Si R lt RS entonces Vescape gt c La luz no podría
escapar del campo gravitatorio Agujero negro
13
Agujeros negros
14
El agujero negro del centro de la galaxia
15
Radiación de Hawking
S. Hawking
Los agujeros negros se evaporan por efectos
cuánticos. Tiempo de evaporación 1063 años (MS)
16
Ondas gravitatorias
17
COSMOLOGÍA
Es tan probable que los datos en Cosmología sean
erróneos que propongo ignorarlos. Sir Hermann
Bondi (1952 ?)
con el torrente de nuevas observaciones, que se
ha hecho posible gracias a los enormes avances
tecnológicos, se habla ya de la Edad de Oro de la
Cosmología. M.S. Turner (National Science
Foundation, 2000)
Hay más cosas en el cielo y la tierra, Horacio,
de las que sueña tu filosofía W. Shakespeare,
Hamlet I-V
18
Qué hay en el cielo?
19
1 UA
10 kpc
1 Mpc
HUBBLE SPACE
TELESCOPE Abell 1689
1 parsec (pc) 3.26 años luz 2.06 105 UA
20
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
21
M87 Y EL CÚMULO DE VIRGO

• VISIBLE RAYOS X

22
EL GRUPO NGC2300

• VISIBLE RAYOS X

23
EL CÚMULO COMA

• VISIBLE RAYOS X

24
CURVAS DE ROTACIÓN
25
CURVAS DE ROTACIÓN DE GALAXIAS ESPIRALES
26
CUÁNTA MATERIA OSCURA HAY?
GALAXIAS
CÚMULOS
GRUPOS
SOL
R
27
El Universo a gran escala las observaciones
28
El universo hasta 1.5 Mpc el Grupo Local
29
El universo hasta 30 Mpc el supercúmulo de Virgo
30
Supercúmulos, filamentos y vacíos hasta 150 Mpc
31
El universo hasta 4300 Mpc el alcance de las
supernovas
32
EL UNIVERSO SE EXPANDE... Cefeidas variables
(1915-1929)
Vesto Slipher
H0-1 1.4 1010 años
Edwin Hubble
33
...ACELERADAMENTE (1998) Supernovas tipo Ia

Acelerado Decelerado-acelerado Decelerado
34
CUÁNTOS ÁTOMOS HAY EN EL UNIVERSO?
D, 3He, 4He, 7Li
Edad del Universo 1 min
Temperatura 1010 K nB / ng 10-10
h10
Densidad de bariones 1/4
nucleón/m3
rB 410-31 gcm-3
35
LA RADIACIÓN DEL FONDO CÓSMICO DE MICROONDAS ES...


T 2.725 K
36
...ANISÓTROPA 1/105



A. Penzias, R. Wilson Premio Nobel de Física 1978
J. Mather, G. Smoot Premio Nobel de Física 2006
?? Premio Nobel de Física 20??
37
El Universo a gran escala el modelo teórico
38
Gmn 8pG Tmn Geometría
Materia-Energía
RELATIVIDAD GENERAL (1915)
39
LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO

• Densidad crítica
• r gt r0 r lt r0
  r r0
• Curvatura
• espacial Positiva Negativa
  Plano

r0 10-29 gcm-3
rB ltlt r0 (rB 0.044 r0)
rB 410-31 gcm-3
40
LA GEOMETRÍA DEL UNIVERSO

La mayor parte del Universo no es materia
ordinaria
Tamaño del horizonte
Plano
r r0
Curvatura negativa
r gtgt rB
WMAP 2003
41
LA DINÁMICA DEL UNIVERSO

Ritmo de expansión µ r1/2
Aceleración µ - (r 3p)
pero para la materia y la radiación r gt 0 p gt
0
42
LA DINÁMICA DEL UNIVERSO

Aceleración µ - (r 3p) gt 0
La mayor parte del Universo no es materia
ordinaria
p lt 0 Energía oscura
es energía oscura
43
LA COMPOSICIÓN DEL UNIVERSO
Elementos pesados 0.03
Neutrinos lt1.5
Estrellas 0.6
H y He gaseoso 4
Materia oscura 23
Energía oscura 73
44
LA EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO
45
Problemas abiertos de la Física Fundamental

• a) Durante el siglo XX la Física Fundamental
  sufrió una profunda revolución debida a la
  aparición de la Teoría de la Relatividad
• y la Mecánica Cuántica
• Dicha revolución ha permitido unos avances
  extraordinarios en nuestra comprensión de la
  estructura de la materia y de la evolución del
  Universo en su conjunto.
• Sin embargo no disponemos de una teoría Cuántica
  de la Gravitación. Desconocemos la naturaleza de
  la materia y la energía oscuras.
• Quedan por tanto muchos problemas por resolver en
  el ámbito de la Mecánica Cuántica y la
  Cosmología, así como nuevos ámbitos de aplicación
  como la Nanotecnología, etc