La Composicion Material De Universo Popayan

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La Composicion Material De Universo Popayan

  1. 1. La Composición Material de Nuestro Universo Jorge I. Zuluaga, Dr. - Universidad de Antioquia II Jornadas AIDA de Divulgación de la Astronomía, Noviembre 20 de 2008 ¿De qué esta hecho el Universo ?
  2. 2. Contenido <ul><li>Erase una vez... </li></ul><ul><li>Un Universo de Hidrógeno y Helio </li></ul><ul><li>Luz y neutrinos </li></ul><ul><li>¿Y dónde esta la masa?, primera parte </li></ul><ul><li>¿Y dónde esta la masa?, segunda parte </li></ul><ul><li>El Universo plano </li></ul><ul><li>Expansión acelerada </li></ul><ul><li>La composición material del Universo </li></ul>
  3. 3. Érase una vez... <ul><li>¿De qué esta hecho el Universo? </li></ul><ul><li>¿cuál es la respuesta más “sencilla” a esta pregunta? </li></ul><ul><li>¿qué hay detrás de la inmensa diversidad de cosas en el mundo? ... </li></ul><ul><li>La búsqueda de una respuesta “definitiva” a esta pregunta fundamental... </li></ul><ul><li>... ha mantenido ocupado el intelecto humano desde hace milenios </li></ul><ul><li>Hoy la Astrofísica y la Cosmología nos ponen ... </li></ul><ul><li>...“tan lejos, tan cerca” de la solución! </li></ul>
  4. 4. Érase una vez... <ul><li>Las primeras respuestas... </li></ul><ul><li>El Universo hecho de un número pequeño de principios materiales... </li></ul><ul><li>... “raíces”, elementos, fases, humores </li></ul><ul><li>China: madera, tierra, metal, agua y fuego </li></ul><ul><li>India: Tierra, Agua, Fuego, Aire y Éter (Vacío) </li></ul><ul><li>Grecia: </li></ul><ul><ul><li>Empedocles: Tierra (Xenofanes), Aire (Anaximenes), Agua (Tales), Fuego (Herakleitos) </li></ul></ul><ul><ul><li>Aristoteles: + Éter (esféra supralunar) </li></ul></ul>
  5. 5. Érase una vez... <ul><li>Y entonces se hizo la química moderna ... </li></ul><ul><li>Paracelso (1520s) </li></ul><ul><ul><li>Crítica a los 4 elementos </li></ul></ul><ul><li>Robert Boyle (1660s) </li></ul><ul><ul><li>Más de 4 elementos, Química ciencia </li></ul></ul><ul><li>Antoine Lavoisier (1780s) </li></ul><ul><ul><li>Primer compendio de elementos (33) </li></ul></ul><ul><li>John Dalton (1800s) </li></ul><ul><ul><li>Hipótesis atómica </li></ul></ul><ul><li>Dmitri Mendeleev (1870s) </li></ul><ul><ul><li>Tabla periódica (66) </li></ul></ul>
  6. 6. Érase una vez... <ul><li>Primera aproximación (1800s) </li></ul><ul><li>... El Universo esta hecho de lo que esta hecho nuestro planeta: </li></ul><ul><ul><li>Hierro (32.1%), </li></ul></ul><ul><ul><li>Oxígeno (30.1%)* </li></ul></ul><ul><ul><li>Silicio (15.1%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Magnesio (13.9%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Azufre (2.1%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Calcio (1.5%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Aluminio (1.4%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Niquel (1.8%) </li></ul></ul><ul><ul><li>Otros (1.2%) </li></ul></ul>Fe O Si 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  7. 7. Érase una vez... <ul><li>¿Y cómo encajamos nosotros?... </li></ul><ul><li>Organismos vivos: </li></ul><ul><ul><li>Carbono [18%] </li></ul></ul><ul><ul><li>Oxígeno [66%] </li></ul></ul><ul><ul><li>Nitrógeno [3%] </li></ul></ul><ul><ul><li>Hidrógeno [10%] </li></ul></ul><ul><ul><li>Resto [3%] </li></ul></ul>Fe O Si Exc. el Oxígeno estamos hechos principalmente de sustancias que representan menos del 1.2% de nuestro planeta 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  8. 8. Un Universo de Hidrógeno y Helio <ul><li>¿Y los cielos?... </li></ul><ul><li>El advenimiento de la espectroscopia: </li></ul><ul><ul><li>Joseph Fraunhofer (1810s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Descubrimiento de líneas espectrales </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Gustav Kirchoff (1860s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tipos de espectros </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Robert Bunsen (1860s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Líneas espectrales y composición química </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Pierre Jansen (1860s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Descubrimiento del Helio en el Sol! </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Cecilia Payne-Gaposchkin (1925) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Mayor parte del Universo esta hecha de H y He </li></ul></ul></ul>
  9. 9. Un Universo de Hidrógeno y Helio <ul><li>Segunda aproximación (1900s) </li></ul><ul><li>El Universo allá afuera (estrellas, nubes de gas y polvo) esta hecho principalmente de Hidrógeno y Helio... </li></ul><ul><li>... prácticamente todo lo que “vemos” en el Universo esta hecho de estrellas y nubes de gas y polvo </li></ul><ul><li>Hidrógeno (74%) </li></ul><ul><li>Helio (24%) </li></ul><ul><li>Oxígeno (1%) </li></ul><ul><li>Carbono (0.46%) </li></ul><ul><li>Neón (0.13%) </li></ul><ul><li>Hierro (0.11%), Nitrógeno (0.095%), Silicio (0.065%) </li></ul><ul><li>Magnesio (0.058%), Azufre (0.044%) </li></ul>
  10. 10. Un Universo de Hidrógeno y Helio <ul><li>Nuestro mundo no es tan especial... </li></ul>Fe O Si Nuestro planeta esta hecho de Sustancias que representan menos del 2% de nuestro Universo H He 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  11. 11. Un Universo de Hidrógeno y Helio <ul><li>Hidrógeno y el Helio son agregados de algo más fundamental </li></ul><ul><ul><li>G. Johnstone Stoney, J.J. Thompson (1890s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Descubrimiento del electrón </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Ernst Rutherford (1910s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Descubrimiento del núcleo y el protón </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>James Chadwick (1930s) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Descubrimiento del neutrón </li></ul></ul></ul>
  12. 12. Un Universo de Hidrógeno y Helio <ul><li>Tercera aproximación (1930s) </li></ul><ul><li>A pesar de que las cosas están hechas de distintos tipos de elementos (átomos)... </li></ul><ul><li>... Todos los átomos comparten las mismas componentes </li></ul><ul><li>Protones y neutrones (bariones) 99.95% </li></ul><ul><li>Electrones (leptones) 0.05% </li></ul><ul><li>Nuestro Universo esta hecho de... </li></ul><ul><li>MATERIA BARIÓNICA </li></ul><ul><li>Nuestro cuerpo y planeta están hechos de bariones también! </li></ul>B e 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  13. 13. Intermezzo <ul><li>Albert Einstein (1900s): E = m c 2 </li></ul><ul><ul><li>Masa y energía son... </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>... dos aspectos de la misma entidad </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>... dos nombres distintos para la misma cantidad física </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>... son exactamente lo mismo! </li></ul></ul></ul><ul><li>¿Qué es entonces la materia?... </li></ul><ul><li>... muy díficil definición! </li></ul><ul><li>Cambiemos la pregunta: </li></ul><ul><li>... ¿cuál es la composición material de Universo?... </li></ul><ul><li>¿cuáles son las formas de masa-energía que constituyen el Universo? </li></ul>
  14. 14. Luz y neutrinos <ul><li>El Universo esta lleno de luz: fotones (Max Planck, Albert Einstein, 1900s) </li></ul><ul><li>Aniquilación materia-antimateria en Universo primordial... </li></ul><ul><li>... 1 barión por cada 1,000 millones de fotones </li></ul><ul><li>Radiación producida de ese modo... </li></ul><ul><li>... Radiación cósmica de fondo </li></ul><ul><li>Cosmic Background Radiation, CBR </li></ul><ul><li>Los fotones representan las partículas en número más abundantes del Universo </li></ul>
  15. 16. Luz y neutrinos <ul><li>Wolfgang Pauli (1930s) </li></ul><ul><ul><li>Partículas muy livianas y neutras producidas en transformaciones nucleares... </li></ul></ul><ul><ul><li>... neutrinos </li></ul></ul><ul><li>Neutrinos son producidos ABUNDANTEMENTE en procesos interacción débil... </li></ul><ul><li>... transformación de protones y neutrones </li></ul><ul><li>En las estrellas: fusión nuclear... </li></ul><ul><li>... En el Sol 5% energía de la fusión es radiada como neutrinos </li></ul><ul><li>En el Universo primitivo: los neutrinos fueron producidos de forma casí tan abundante como radiación... </li></ul><ul><li>...1 barión por cada 250,000 neutrinos </li></ul>
  16. 17. Luz y neutrinos <ul><li>A la Tierra llegan del Sol 10 6 neutrinos por segundo por cm 2 </li></ul>
  17. 18. Luz y neutrinos <ul><li>Cuarta aproximación (1950s) </li></ul><ul><li>A pesar de ser las componentes más numerosas, fotones y neutrinos no suman más masa que la materia bariónica... </li></ul><ul><li>Materia bariónica 85% </li></ul><ul><li>Neutrinos 14% </li></ul><ul><li>Luz 0.1% </li></ul><ul><li>Electrones 0.05% </li></ul>B Dos formas fantasmales de energía se apropian del 14% de las masa del Universo   e 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  18. 19. ¿Y dónde esta la masa?, parte 1 <ul><li>Hasta este punto: </li></ul><ul><li>El Universo parece ser un amasijo de bariones, neutrinos, fotones y electrones </li></ul><ul><li>Todo empezo a ponerse oscuro a partir de... </li></ul><ul><li>Fritz Zwicky (1930s) </li></ul><ul><ul><li>Mide la masa de cúmulos de galaxias </li></ul></ul><ul><ul><li>2 métodos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Gravitación </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Conteo de galaxias: Luz </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Resultados: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Masa por gravitación >> Masa por luz </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>10 veces masa “invisible” que masa visible </li></ul></ul></ul>
  19. 21. ¿Y dónde esta la masa?, parte 1 <ul><li>Vera Rubin (1960s) </li></ul><ul><ul><li>Estudia curvas de rotación de galaxias </li></ul></ul><ul><ul><li>Descubrimiento: movimiento de estrellas en la periferia es demasiado rápido </li></ul></ul>
  20. 22. ¿Y dónde esta la masa?, parte 1 <ul><li>La explicación “preferida”… </li></ul><ul><li>Materia Oscura </li></ul><ul><ul><li>Existe un “halo” de materia “invisible” que produce la gravedad extra para explicar curvas de rot. </li></ul></ul><ul><ul><li>Materia Oscura: capaz de producir gravitación pero no emite, ni absorbe radiación </li></ul></ul><ul><ul><li>Da cuenta de al menos 70%-90% de masa de todas las galaxias </li></ul></ul>
  21. 24. ¿Y dónde esta la masa?, parte 1 <ul><li>Quinta aproximación (1990s) </li></ul><ul><li>Contando los efectos de Materia Oscura en galaxias y cúmulos... </li></ul><ul><li>Composición del Universo: </li></ul><ul><li>Materia Oscura 85% </li></ul><ul><li>Materia bariónica 15% </li></ul><ul><li>Neutrinos (Materia Oscura) </li></ul><ul><li>Luz 0.02% </li></ul><ul><li>Electrones 0.007% </li></ul>B DM B La materia de la que estamos hechos es menos de 1/6 de la materias del Universo 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  22. 25. ¿Y dónde esta la masa?, parte 2 <ul><li>Pero de existir, ¿ qué es la materia oscura ? </li></ul><ul><li>3 candidatos reconocidos: </li></ul><ul><ul><li>WIMPs (“Debiluchos”) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Materia no bariónica… ¡no átomos!... ¿y entonces? </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Partículas masivas (>1,000 masa protón) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Interactuarían solo fuerza débil (¡por eso no luz!) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>MACHOs (Massive Compact Halo Objects) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Agujeros negros </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Estrellas de neutrones, enanas blancas </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Enanas marrones (estrellas fallidas) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Planetas </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Neutrinos… listo, ¡pero no son suficientes! </li></ul></ul>
  23. 26. ¿Y dónde esta la masa?, parte 2 <ul><li>¿Hay suficientes MACHOs en el Universo?... </li></ul><ul><li>Búsqueda de estos objetos en nuestra Galaxia no han conducido a resultados positivos... </li></ul><ul><li>... En los “mejores” casos se logra explicar <20% de la masa faltante </li></ul><ul><li>Pero lo peor para los MACHOs... </li></ul><ul><li>... Nucleosíntesis primordial (proceso de fabricación de los elementos en el Big-Bang)… </li></ul><ul><li>… limita cantidad de bariones en el Universo </li></ul><ul><ul><li>Según nucleosíntesis bariones deben ser menos del 4% de la masa-energía de todo el Universo </li></ul></ul><ul><ul><li>Pero según las observaciones la materia oscura representa casí el 20% de la masa-energía del U! </li></ul></ul>
  24. 27. ¿Y dónde esta la masa?, parte 2 <ul><li>Con esto nos queda... </li></ul><ul><li>Materia Oscura: </li></ul><ul><ul><li>WIMPs 97% - Materia Oscura Fría (CDM) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Probablemente una partícula exótica (LSP, neutralino) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Masa 100 GeV – 1 TeV </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>En la superficie de la Tierra miles de WIMPs estarían atravesando un cm 2 cada segundo </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Neutrinos 3% - Materia Oscura Caliente (HDM) </li></ul></ul><ul><li>Es decir: la materia oscura es ¡MUY RARA! </li></ul>
  25. 29. Intermezzo <ul><li>Teoría General de la Relatividad : </li></ul><ul><li>... Cantidad de masa energía... </li></ul><ul><li>propiedades geométricas del espacio-tiempo </li></ul>¿Cuánta materia hay en el Universo?: Densidad Crítica  = (densidad componente )/ (densidad crítica) Densidad crítica = 10 -29 g/cm 3
  26. 30. El Universo Plano <ul><li>Contando lo que tenemos hasta este momento: </li></ul><ul><li>La materia del Universo es el 26% de la densidad crítica... </li></ul><ul><li>... Es decir obedeciendo a la predicción de la TRG el Universo tiene una geometría abierta </li></ul><ul><li>¿Podemos corroborar esta conclusión?... </li></ul><ul><li>... Estructuras cosmológicas se verían de distintos tamaños aparentes en distintos tipos de espacio-tiempo </li></ul>Abierto (Se verían pequeños) Cerrado (se verían grandes) Plano Tamaño Crítico
  27. 31. El Universo Plano <ul><li>Observaciones del “fondo cósmico” permiten realizar esta comprobación: </li></ul>EL UNIVERSO ES PLANO!
  28. 32. El Universo Plano <ul><li>Sexta aproximación (1990s-2000s) </li></ul><ul><li>El resultado: </li></ul><ul><ul><li>El Universo es “PLANO” </li></ul></ul><ul><ul><li> = 0.998 ± 0.06 </li></ul></ul><ul><li>Composición material del Universo: </li></ul><ul><li>??? 73.2% </li></ul><ul><li>Materia Oscura: 22.1% </li></ul><ul><li>Materia Bariónica: 4.4% </li></ul><ul><li>Restante: 0.3% </li></ul>DM B ? ¾ partes del Universo están perdidas 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  29. 33. Expansión Acelerada <ul><li>Contenido material no solo afecta la geometría del espacio-tiempo del Universo... </li></ul><ul><li>... También afecta su dinámica! </li></ul><ul><li>Según la TRG: </li></ul><ul><ul><li>La densidad determina el destino de la expansión </li></ul></ul>
  30. 34. Expansión acelerada <ul><li>¿Podemos corroborar este hecho?... </li></ul><ul><li>... Observación de la variación del ritmo de expansión con la distancia </li></ul><ul><li> A distancias pequeñas A muy grandes distancias </li></ul>
  31. 35. Expansión acelerada <ul><li>Lawrence Berkeley Laboratory, 1998... </li></ul><ul><li>...10 años de observaciones de las Supernovas Ia más lejanas del Universo </li></ul>
  32. 36. Expansión acelerada <ul><li>¿Qué esta produciendo la aceleración?... </li></ul><ul><li>El “término” cosmológico (  ) -  CDM Model </li></ul><ul><ul><li>Originalmente introducido por Einstein para resolver problema de Universo estacionario </li></ul></ul><ul><ul><li>¿Cómo se interpreta?... </li></ul></ul><ul><ul><li>... Al cambiar las ecuaciones aparece una nueva “fuerza” gravitacional “repulsiva” (según Einstein: ¡impide colapso del U!) </li></ul></ul><ul><ul><li>“ Uno de mis más grandes errores”, A. Einstein </li></ul></ul><ul><ul><li>¡Pero el Universo esta en expansión y no hay peligro de colapse! </li></ul></ul><ul><ul><li>En este caso sin embargo el efecto repulsivo produciría una aceleración de la expansión como la observada </li></ul></ul><ul><li>Pero ¿Cuál es el origen del “término cosmológico”? </li></ul>
  33. 37. Expansión acelerada <ul><li>¿Es la naturaleza de las leyes? ó ¿proviene de una nueva forma de energía?... </li></ul><ul><li>Una de las más importantes preguntas de la física contemporanea </li></ul><ul><li>A esta forma “exótica” de energía se la denomina ahora... </li></ul><ul><li>Energía Oscura (Michael Turner) </li></ul><ul><li>Su naturaleza exacta se desconoce </li></ul>
  34. 38. Expansión acelerada <ul><li>Suponiendo que es una forma de energía, algunas de sus propiedades son: </li></ul><ul><ul><li>Es el espacio mismo el que provee esta “energía” ... </li></ul></ul><ul><ul><li>Energía del vacío (?) </li></ul></ul><ul><ul><li>Su densidad relativa (   ) y así su efecto crece con la expansión </li></ul></ul><ul><ul><li>Su densidad relativa se hizo mayor a la densidad de materia hace 4 mil millones de años </li></ul></ul><ul><ul><li>Da cuenta del 72% de la energía FALTANTE del Universo! </li></ul></ul><ul><li>Preguntas: </li></ul><ul><ul><li>¿No estaremos ante otro “eter” </li></ul></ul><ul><ul><li>¡Es un momento emocionante en la historia de la física para estar vivo! </li></ul></ul><ul><ul><li>¿Cuándo podremos responder a estas preguntas? </li></ul></ul>
  35. 39. http://www.phdcomics.com .. Ponemos “oscuro” después de su nombre y es mucho más fácil recibir fondos. .. Yo por ejemplo tengo Una “tesis oscura” Los Astrofísicos explican la motivación fundamental para Creer en la existencia de materia/energía oscura … de modo que Cuando no tenemos ni idea acerca de algo …
  36. 40. en síntesis…
  37. 41. ¿De qué esta hecho el Universo? DM B DE 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr 100 200 300 400 500 600 700 800 900 gr
  38. 42. ¿De qué esta hecho el Universo? 200 300 400 500 600 gr 100 DM B gr 200 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % DM B
  39. 43. ¿De qué esta hecho el Universo? 200 300 600 gr 100 B gr B  e 10 20 30 40 50 60 70 80 90 %
  40. 44. ¿De qué esta hecho el Universo? 200 300 600 gr 100 B gr H He 10 20 30 40 50 60 70 80 90 %
  41. 45. ¿De qué esta hecho el Universo? 200 300 600 gr 100 B gr H He En 1000 kg de Universo hay... menos de 1000 kg x 0.26 (materia) x 0.15 (bariones) x 0.01 (vida) = 0.4 kg De materia como nosotros! 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % 10 20 30 40 50 60 70 80 90 % Fe O Si
  42. 46. <ul><li>preguntas?.... </li></ul><ul><li>... porque yo todavía tengo muchas! </li></ul><ul><li>La presentación y el audio se puede encontrar en: </li></ul><ul><li>http://urania.udea.edu.co/facom </li></ul><ul><li>[email_address] </li></ul>

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