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Luz primordial:
cincuentenario del descubrimiento
de la radiación del fondo cósmico
Alejandro Jenkins
UCR, escuela de físi...
Cosmología
Vincent van Gogh, Noche estrellada (1889)
Teníamos el cielo allá arriba, todo
lleno de estrellas, y solíamos
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Sistema ptolomeico
• En la cosmología de Ptolomeo (c.
100 - c. 170 d.C.) la tierra es el
centro del Universo
• Sol, luna y...
Sistema copernicano
• Nicolás Copérnico propone un sistema
heliocéntrico en 1543
• Matemáticamente elegante, pero deja
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Paradoja de Olbers
• ¿Por qué el cielo nocturno es mucho más
oscuro que el cielo diurno?
• En un Universo infinito y etern...
Bosque (in)finito
http://miriadna.com
Edgar Allan Poe
• En 1848, Poe publica el “poema en prosa” Eureka,
dedicado a Alexander von Humboldt y abocado a
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Eureka (1848)
• “Si la sucesión estrellas fuera infinita, entonces el trasfondo del cielo
tendría una luminosidad uniforme...
Relatividad general
• Einstein plantea la teoría de la
relatividad restringida en 1905, a
partir del estudio de los fenóme...
Big Bang
• Alexander Friedmann, Georges LeMaître, Howard P.
Robertson y Arthur G. Walker encuentran soluciones a las
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Universo en expansión
Simulación numérica con materia oscura fría, Ben Moore, U. of Zurich
Recombinación
• Universo comienza muy caliente y se va enfriando al expandirse
• No hay átomos a más de 3000 K
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Penzias y Wilson
• Gamow, Alpher y Herman habían
predicho el CMB en los 1940s
• En 1964, Robert Dicke estaba
construyendo ...
Método científico
Limpiando el interior de la antena, 1964
En Estocolmo, 1978
Problemas con el Big Bang,
c. 1979
• El modelo cosmológico del Big Bang dejaba varias preguntas sin
responder
• Flatness p...
Inflación cósmica
• Breve período de crecimiento exponencial
del tamaño del Universo, entre 10-36 y 10-32
s después de la ...
Cielo en microondas
D. Castelvecchi, “The Growth of Inflation,” Symmetry, dic. 2004 / ene. 2005
COBE y WMAP (NASA)
• El satélite COBE (1989-1993)
mide por primera vez las
anisotropías en el CMB
• Introduce una nueva er...
Planck (ESA)
Fuente: ESA, grupo científico de la misión Planck, 2012
Historia universal
Fuente: NASA, grupo científico de WMAP
Controversia BICEP2
• La inflación cósmica predice también otro tipo de
perturbaciones primordiales (de carácter “tensoria...
Conclusiones
• El CMB es la luz más antigua y más distante
que que podamos observar
• Sus propiedades nos indican cómo est...
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Luz primordial: Cincuentenario del descubrimiento de la radiación del fondo cósmico

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En 1964, dos radioastrónomos estadounidenses, Arno Penzias y Robert Wilson, descubrieron accidentalmente una tenue radiación electromagnética que emana del cielo en todas las direcciones. Sin que ellos lo supieran entonces, ese fenómeno, conocido ahora como la radiación del fondo cósmico, era una predicción del modelo cosmológico del Big Bang que Friedmann, Lemaître, Robertson, Walker, Gamow y otros habían construido a partir de la teoría general de la relatividad de Einstein. En el medio siglo que ha transcurrido desde entonces, la observación cuidadosa de esa radiación, producida al formarse los primeros átomos de hidrógeno unos 300 000 años después del Big Bang, ha hecho de la cosmología física una ciencia experimental precisa.

Primero repasamos la vieja interrogante (conocida en astronomía como la “paradoja de Olbers”) de por qué el cielo nocturno nos parece oscuro. Curiosamente, la primera persona en sugerir que esto refleja que el universo tuvo un inicio en el tiempo fue el escritor Edgar Allan Poe, en 1848. Comentaremos sobre la relación entre esta observación y la cosmología del Big Bang como la entendemos actualmente, incluyendo la presencia de la radiación del fondo cósmico. Concluiremos con algunas observaciones sobre la reciente controversia en torno a si la huella de ondas gravitacionales primordiales en esa radiación ha sido detectada.

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Luz primordial: Cincuentenario del descubrimiento de la radiación del fondo cósmico

  1. 1. Luz primordial: cincuentenario del descubrimiento de la radiación del fondo cósmico Alejandro Jenkins UCR, escuela de física Asociación Costarricense de Filosofía miércoles 27 de agosto, 2014
  2. 2. Cosmología Vincent van Gogh, Noche estrellada (1889) Teníamos el cielo allá arriba, todo lleno de estrellas, y solíamos echarnos sobre nuestras espaldas para mirarlas, discutiendo sobre si habían sido hechas o si sencillamente habían ocurrido. Yo decía que habría tomado demasiado tiempo hacer tantas. Jim decía que tal vez la luna las había puesto; eso parecía razonable y no lo contradije, porque una vez había visto a una rana poner casi tantos huevos, así que claramente era posible. — Mark Twain, Las aventuras de Huckleberry Finn (1884)
  3. 3. Sistema ptolomeico • En la cosmología de Ptolomeo (c. 100 - c. 170 d.C.) la tierra es el centro del Universo • Sol, luna y cinco planetas giran a su alrededor, según un sistema matemático complejo • Las estrellas están fijas en la esfera celeste más lejana • El Universo físico es concebido como finito y limitado Pedro Apiano, Cosmografía (1524)
  4. 4. Sistema copernicano • Nicolás Copérnico propone un sistema heliocéntrico en 1543 • Matemáticamente elegante, pero deja importantes problemas sin resolver • Johannes Kepler encuentra en 1609 que las órbitas son elípticas, no circulares • Observación de las fases de Venus por Galileo en 1610 refuta el sistema ptolomeico • Ver: O. Gingerich, The Book Nobody Read, (Penguin, 2004) Andreas Cellarius, Armonía macrocósmica (1661)
  5. 5. Paradoja de Olbers • ¿Por qué el cielo nocturno es mucho más oscuro que el cielo diurno? • En un Universo infinito y eterno, todas las trayectorias visuales terminarían en la superficie de alguna estrella • El cielo, visto en cualquier dirección, debiera entonces ser tan brillante como el sol • Interrogante planteada por el copernicano inglés Thomas Digges en el s. XVI • Kepler en el s. XVII lo usa para argumentar que el Universo tiene un límite • Interrogante considerada por Halley y Chéseaux en el s. XVIII, Heinrich Olbers y otros en el s. XIX Wikipedia
  6. 6. Bosque (in)finito http://miriadna.com
  7. 7. Edgar Allan Poe • En 1848, Poe publica el “poema en prosa” Eureka, dedicado a Alexander von Humboldt y abocado a especulaciones cosmológicas • Argumenta que oscuridad del cielo nocturno sugiere a que el Universo tuvo un inicio en el tiempo. • “Poe, además de estar relativamente bien versado en ciencia y matemáticas, parece haber tenido la mente de un matemático.” — A. S. Eddington • “Opto por la tesis platónica de la Musa y no por la de Poe, que razonó, o fingió razonar, que la escritura de un poema es una operación de la inteligencia. No deja de admirarme que los clásicos profesaran una tesis romántica, y un poeta romántico, una tesis clásica.” — J. L. Borges
  8. 8. Eureka (1848) • “Si la sucesión estrellas fuera infinita, entonces el trasfondo del cielo tendría una luminosidad uniforme, como la que muestra la [Vía Láctea], ya que no habría absolutamente ningún punto, en todo ese trasfondo, en que no existiera una estrella. La única manera, por lo tanto, bajo este estado de cosas, en que podríamos comprender los vacíos que nuestros telescopios hallan en incontables direcciones, sería suponiendo que la distancia al trasfondo invisible es tan vasta que ningún rayo de luz ha podido llegar desde él hasta nosotros.” • Mismo argumento sería replanteado, independientemente, por Johann Mädler en 1861 y Lord Kelvin en 1901 • Ver: E. R. Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe, (Harvard U. Press, 1987)
  9. 9. Relatividad general • Einstein plantea la teoría de la relatividad restringida en 1905, a partir del estudio de los fenómenos electromagnéticos • La relatividad restringida es incompatible con la gravedad newtoniana, pero no indica cómo modificarla • La teoría relativista de la gravedad, desarrollada por Einstein (1915) y David Hilbert (1916), es conocida como teoría general de la relatividad energía Curvatura del espacio-tiempo
  10. 10. Big Bang • Alexander Friedmann, Georges LeMaître, Howard P. Robertson y Arthur G. Walker encuentran soluciones a las ecuaciones de Einstein según las cuales el Universo no sería estático y tendría un inicio en el tiempo • Einstein las rechazó hasta 1929, cuando Edwin Hubble publicó evidencia experimental de que las galaxias se están alejando entre sí • Big Bang (“gran explosión”) acuñado en sorna por Fred Hoyle en 1950 • Otro enemigo declarado del Big Bang fue el astrofísico sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de física en 1970
  11. 11. Universo en expansión Simulación numérica con materia oscura fría, Ben Moore, U. of Zurich
  12. 12. Recombinación • Universo comienza muy caliente y se va enfriando al expandirse • No hay átomos a más de 3000 K • Cuando la temperatura cae por debajo de 3000 K, los electrones se combinan con los protones para formar hidrógeno (“recombinación”) • Esto ocurrió unos 300 000 años después del inicio de la expansión • Tras la recombinación, el Universo se vuelve transparente • George Gamow argumenta en 1946 que la cosmología del Big Bang predice una radiación del fondo cósmico: la luz de la recombinación • Hoy esta radiación tiene una temperatura de ~ 3 K y está principalmente el el espectro de microondas • Llamada en inglés cosmic microwave background (CMB)
  13. 13. Penzias y Wilson • Gamow, Alpher y Herman habían predicho el CMB en los 1940s • En 1964, Robert Dicke estaba construyendo un sofisticado experimento para detectarlo • Descubierto accidentalmente por dos radioastrónomos de Bell Labs, Arno Penzias y Robert Wilson • Inicialmente lo tomaron por un ruido de origen desconocido • Evidencia convincente de la realidad del Big Bang Bell Labs
  14. 14. Método científico Limpiando el interior de la antena, 1964 En Estocolmo, 1978
  15. 15. Problemas con el Big Bang, c. 1979 • El modelo cosmológico del Big Bang dejaba varias preguntas sin responder • Flatness problem: ¿Por qué la geometría del Universo es tan plana? • Horizon problem: ¿Por qué la distribución de galaxias es homogénea? • Monopole problem: ¿Por qué no hay una enorme abundancia de monopolos magnéticos? • Estas tres interrogantes son resueltas por la inflación cósmica, desarrollada por Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky
  16. 16. Inflación cósmica • Breve período de crecimiento exponencial del tamaño del Universo, entre 10-36 y 10-32 s después de la singularidad inicial • De un mil millonésimo del tamaño de un protón, a algo como el tamaño de una naranja • Volumen aumenta por un factor al menos de 1078 • Fluctuaciones cuánticas generan perturbaciones primordiales de densidad, que luego sirven de “semillas” para las galaxias y cúmulos de galaxias • Consistente con observación de las anisotropías en el CMB Cuaderno de Alan Guth. Fuente: revista Symmetry
  17. 17. Cielo en microondas D. Castelvecchi, “The Growth of Inflation,” Symmetry, dic. 2004 / ene. 2005
  18. 18. COBE y WMAP (NASA) • El satélite COBE (1989-1993) mide por primera vez las anisotropías en el CMB • Introduce una nueva era de precisión en la cosmología física • Premio Nobel 2006 a John C. Mather y George F. Smoot • Misión WMAP (2001-2012) consigue mejora sustancial en la resolución
  19. 19. Planck (ESA) Fuente: ESA, grupo científico de la misión Planck, 2012
  20. 20. Historia universal Fuente: NASA, grupo científico de WMAP
  21. 21. Controversia BICEP2 • La inflación cósmica predice también otro tipo de perturbaciones primordiales (de carácter “tensorial”) • Equivalen a ondas gravitacionales, producto de las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo • A principios de este año, el experimento BICEP2 dijo haber encontrado evidencia de esas perturbaciones en la polarización del CMB • Se anunció a la prensa con mucho estruendo • Pero rápidamente surgieron dudas respecto a si el análisis experimental podía restar convincentemente la radiación emitida por el polvo intra-galáctico • Ver: Spergel, Flauger y Hill; Mortonson y Seljak (2014) • En los próximos días esperamos un anuncio por parte de la misión Planck Telescopio de BICEP2 (derecha), en la Antártida. Fuente: Wikipedia
  22. 22. Conclusiones • El CMB es la luz más antigua y más distante que que podamos observar • Sus propiedades nos indican cómo estaba conformada y distribuida la materia 300 000 años después del Big Bang, al momento de la “recombinación” • Podemos extrapolar teóricamente hasta una pequeña fracción de segundo después del Big Bang • Medición de anisotropías del CMB ha hecho de la cosmología física una ciencia experimental precisa • Datos apoyan modelo de inflación cósmica • Sigue siendo hoy un tema sumamente activo de investigación y debate Fuente: http://www.astro.ucla.edu/%7Ewright/BBhistory.html

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