Qué pasó antes de la Gran Explosión?

Transcripción

1 Qué pasó antes de la Gran Explosión? GUSTAVO NIZ Universidad de Portsmouth

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3 Plan Por qué hablamos de una explosión? Descripción en RG Inflación Mini curso en cuerdas/teoría M Modelo cíclico Conclusiones

4 Evidencia Observacional Ley de Hubble Freedman et al (2000) Las galaxies se alejan de nosotros siguiendo Velocidad=H*distancia el Universo se expande! Edad del Universo Un pasado caliente y denso

5 Evidencia Observacional Debe de haber un resplandor en el pasado con perfil de cuerpo negro (Gamov; Alpher y Herman) Descubierto por Penzias y Wilson en 1969 Equipo del COBE

6 Evidencia Observacional Muy homogéneo e isotrópico WMAP Fluctuaciones de orden ~ 10-5 alrededor de T = 2.7 K Otras observaciones apoyan la idea de una teoría de gran explosión caliente (abundancia de elementos ligeros, edad de las estrellas, etc.)

7 Evidencia Observacional Historia cósmica del Universo CMB Cuarcs Núcleos NASA/WMAP Formación de estructura Obscuro Aceleración reciente? (Energía obscura)

8 Qué más sabemos del Universo? Curvas de rotacion de galaxias Necesitamos 10 veces más de materia para entender los datos de lentes gravitaciones, si las leyes de gravedad no son modificadas Propuestas de partículas que pueden ser dicha Materia Obscura

9 Qué más sabemos del Universo? Espectro de fluctuaciones de la radiación de fondo La posición del primer pico depende de la curvatura del espacio El Universo es Plano

10 Qué más sabemos del Universo? Pay Cósmico Energía Obscura (~73%) Materia Obscura (~23%) Materia Visible (~4%)

11 Problemas del Modelo estándar Problema del horizonte Por qué fotones de regiones no conectadas causalmente tienen la misma temperatura? Problema de monopolos magnéticos o defectos topológicos Transiciones de fase en el universo temprano desde teorías de gran unificación dan lugar, genéricamente, a estas estructura, pero no las vemos Tamaño del Universo Expansión por 13.7 Giga-años

12 Problemas del Modelo estándar El problema de la: Gran Explosión Revisemos con cuidado...

13 Motivación Teórica Modelo Simple (FRWL) Asumiendo isotropía y homogeneidad funciona muy bien...

14 Motivación Teórica Ecuaciones de Einstein FRWL Ecuaciones de Friedmann Fluido con

15 Motivación Teórica Evolución del factor de escala Radiación Energía obscura Materia t

16 Motivación Teórica Evolución del factor de escala Radiación Energía obscura Materia t

17 Motivación Teórica Qué pasa cuando uno llega a la singularidad inicial? es una consecuencia génerica de RG? O bien, es sólo una solución de medidad cero en el espacio de soluciones de la teoría?

18 La Gran Explosión en RG Teoremas de singularidades Existen datos iniciales (asumiendo ciertas condiciones de energía) que, inevitablemente, llevan a espacios que son geodesicamente incompletos. Penrose, Hawking (60-70's) Argumento Global Qué pasa con la estructura analítica de los campos cerca de la singularidad?

19 La Gran Explosión en RG Belinski, Khalatnikov y Lifshitz (BKL, 60-70's) Asumamos ultralocalidad : Los gradientes espaciales no son más importantes que las derivadades temporales Es sistema se reduce a 1d, pero puede presentar una fuerte dependencia en las condiciones iniciales Gran Explosión Caos (ej. Mixmaster) Misner '69

20 La Gran Explosión en RG Belinskii y Todo depende del contenido de matería: Khalatnikov '73 *campos escalares suelen remover el caos *campos de norma (p-forms) pueden restaurarlo Métrica 4d de Kasner o Bianchi I (ejemplo) Ecs de Einstein: No hay FRWL, una p siempre es negativa Excepto por el universo de Milne

21 La Gran Explosión en RG Billares Cosmológicos Asumamos una métrica más general Estructura del grupo Ecs. de Einstein llevan al Hamiltoniano: Damour et al '03 Near t=0,

22 La Gran Explosión en RG *Campos escalares incrementan la dim. *Campos de norma suman paredes

23 La Gran Explosión en RG Fuera de las paredes: Métrica de Kasner Si hay una infinidad de colisiones antes de llegar a la singularidad (caos) la noción de espacio tiempo desaparece

24 La Gran Explosión en RG *Relatividad General (d<11) *Los 5 límites de bajas energías de la teoría de cuerdas y de teoría M Algebras de Kac Moody (el sistema es formalmente integrable)

25 La Gran Explosión en RG Relatividad General deja de ser válida cerca de la Singularidad inicial Necesitamos una extensión de RG Pero los nuevos modelos/teorías deben de resolver también los problemas cosmológicos y explicar las observaciones (como la CMB) En particular, existen dos modelos que compiten sobre el Universo temprano: Inflación Cíclico

26 Inflación Expansión exponencial del universo En el universo crece por un factor de El mecanismo más sencillo es mediante un campo escalar que rueda lentamente sobre un potencial plano Sólo el espacio crece, sin violar causalidad, pero el horizon de eventos permanece constante

27 Inflación Bonus: Las fluctuaciones cuánticas crecen y son las semillas que dan lugar a la formación de estructura y a las anisotropías de la radiación de fondo t Las pertubaciones son prácticamente invariantes de escala

28 Inflación *Universo plano, homogéneo e isotrópico *Baja densidad de monopolos, y resuelve el problema de horizon *Fluctuaciones cuánticas dejan huella en CMB * Qué produce inflación? * Qué tan natural es inflación? * Condiciones iniciales? y la singularidad de la Gran Explosión?

29 Inflación Gran explosión (ejemplos) *Landscape/eterno (difícil definir probabilidades en espacios Vilenkin, Linde,.. infinitos) *Sin frontera ( el tiempo y espacio empezaron ahí?) Hartle, Hawking, Turok

30 Modelo cíclico Dos sabores: singular y no singular Transición de la Gran Contracción a la Gran Explosión Fase de contracción Fase de expansión t=0

31 Modelo cíclico *Conservativo: no hay necesidad de crear el espacio y el tiempo *Fluctuaciones durante la fase de contracción dejan huella en las anisotropías de la radiación de fondo * Qué produce la transición? Qué pasa con la entropía? *Mecanismos extra para obtener un universo plano, homogéneo e isotrópico, y para resolver el problema de los monopolos *la gran pregunta: como recuperar el después del antes

32 Modelo en Teoría M B A N G La transición de una Gran Contracción a una Gran Explosión se puede modelar usando una colisión de branas

33 Mini curso en cuerdas/teoría M Modos perturbativos (ligeros): Cuerdas abiertas (campos de norma) Cuerdas cerradas (graviton, dilaton) Modos no-perturbativos (pesados): p-branas D-branas: donde terminan las cuerdas 10 dimensiones para cancelar anomalías 6 dimensiones deben de ser pequeñas!

34 Mini curso en cuerdas/teoría M Mundos-Brana Todos los campos estan confinados a la p-brana Sólo la gravedad tiene acceso a las dimensiones extra Un observador en la brana ve una métrica diferente

35 Mini curso en cuerdas/teoría M Se cree que existe una teoría más fundamental en 11 dimensiones, y que da lugar a los 5 diferentes tipos de teorías de cuerdas. TEORÍA M Contiene: Membranas (M2) y 5-branas (M5)

36 Mini curso en cuerdas/teoría M Es la teoría de cuerdas/m la respuesta correcta? -Cura divergencias de interacciones puntuales -Explica el número de dimensiones -Reduce todas las constantes de la naturaleza a un parametro libre, y a las propiedades del espacio compacto -Consistencia matemática, y recupera la física conocida en los límites correctos -Nuevas predicciones -Aplicaciones a matería condensada y partículas elementales -Debe resolver la singularidad de la Gran Explosión

37 Modelo en Teoría M Modelo cíclio/ecpirótico N G 10d B A Branas planas e infinitas 4d 11d 5d La energía obscura limpia las branas antes de cada colisión Khoury, Ovrut, Steinhardt, Turok

38 Modelo en Teoría M Steinhardt, Turok

39 Resolviendo la singularidad Evolución de cuerdas a través de la singularidad (observador en la brana) M2 ts tx t=0 tx ts La teoría es unitaria, hay producción finita de partículas y modos superiores de oscilación resuelven las divergencias de teorías de campo

40 Conclusiones El modelo de la Gran Explosión explica detalladamente la mayor parte de la evolución del universo Sin embargo deja varias preguntas sin contestar, en particular, la naturaleza de la singularidad inicial Existen dos modelos diferentes: inflación Vs cíclico Experimentos/observaciones tendrán la última palabra Diferente espectro de ondas gravitacionales Diferente polarización de la luz en CMB Diferentes desviaciones a Gaussianidad en CMB Existen otras alternativas, pero no son modelos completos del universo temprano, sino mecanismos que generan perturbaciones iniciales o solucionan un sólo problema