El Primer Segundo del Universo (y los siguiente 13.700.000.000 de años!) Daniel G. Figueroa CERN, Theory Division
Cosmología = Tratado/Estudio del Cosmos/Orden (Wikipedia) Cosmología = Estudio del Universo como un TODO (Evolución, Contenido, "Nacimiento", "Muerte", ) Método científico: Observar + Medir Deducir Leyes Leyes Predecir nuevos fenómenos ( OJO!: No podemos manipular el Universo, sólo observarlo! )
El UNiVERSO Un espacio' CONTENEDOR de MATERIA (átomos, galaxias, + objetos' más exóticos)
El UNiVERSO Un espacio' CONTENEDOR de MATERIA (átomos, galaxias, + objetos' más exóticos)
El UNiVERSO Un espacio' CONTENEDOR de MATERIA (átomos, galaxias, + objetos' más exóticos)
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia 'Geometría'??? 'Energía'
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia 'Geometría'??? 'Energía' Geometría 'Espacio-Tiempo' dicta Movimiento de la Materia Presencia de Materia (Energía) dicta Geometría del Espacio-Tiempo
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia 'Geometría'??? 'Energía' Geometría 'Espacio-Tiempo' dicta Movimiento de la Materia Presencia de Materia dicta Geometría del Espacio-Tiempo
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia 'Geometría'??? 'Energía' Geometría 'Espacio-Tiempo' dicta Movimiento de la Materia Presencia de Materia dicta Geometría del Espacio-Tiempo
UNiVERSO = Espacio Contenedor de Materia 'Geometría'??? 'Energía' Geometría 'Espacio-Tiempo' dicta Movimiento de la Materia Presencia de Materia dicta Geometría del Espacio-Tiempo
Espacio-Tiempo Materia Teoría de la RELATIVIDAD GENERAL (Einstein,1916) RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
Espacio-Tiempo Materia Teoría de la RELATIVIDAD GENERAL (Einstein,1916) RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
Espacio-Tiempo Materia Teoría de la RELATIVIDAD GENERAL (Einstein,1916) RELATIVIDAD GENERAL = TEORÍA de la GRAVEDAD
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO = Contiene TODA la MATERIA
UNiVERSO a GRAN ESCALA?
UNiVERSO a GRAN ESCALA? Principio Cosmológico: HOMOGÉNEO e ISÓTROPO
UNiVERSO a GRAN ESCALA? Principio Cosmológico: HOMOGÉNEO e ISÓTROPO IGUAL EN TODAS PARTES!!!
UNiVERSO a GRAN ESCALA? Principio Cosmológico: HOMOGÉNEO e ISÓTROPO IGUAL EN TODAS PARTES!!! IGUAL EN TODAS DIRECCIONES!!!
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo (Millenium Simulation)
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo ENERGÍA-MATERIA RELATIVIDAD GENERAL GEOMETRÍA ESPACIO-TIEMPO
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo ENERGÍA-MATERIA RELATIVIDAD GENERAL GEOMETRÍA ESPACIO-TIEMPO Principio Cosmológico HOMOGÉNEO & ISÓTROPO
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo ENERGÍA-MATERIA RELATIVIDAD GENERAL GEOMETRÍA ESPACIO-TIEMPO Principio Cosmológico HOMOGÉNEO & ISÓTROPO RELATIVIDAD GENERAL 1) Geometría: Plana/Cerrada/Abierta 2) Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo ENERGÍA-MATERIA RELATIVIDAD GENERAL GEOMETRÍA ESPACIO-TIEMPO Principio Cosmológico HOMOGÉNEO & ISÓTROPO RELATIVIDAD GENERAL 1) Geometría: Plana/Cerrada/Abierta 2) Dinámica: Universo en EXPANSIÓN Base de la Teoría del BIG BANG!!!
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo TEORÍA DEL BIG BANG: { Geometría: Cerrada/Negativa/Plana Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo TEORÍA DEL BIG BANG: { Geometría: Cerrada/Negativa/Plana Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo TEORÍA DEL BIG BANG: { Geometría: Cerrada/Negativa/Plana Dinámica: Universo en EXPANSIÓN
UNiVERSO HOMOGÉNEO e isótropo TEORÍA DEL BIG BANG: { Geometría: Cerrada/Negativa/Plana Dinámica: Universo en EXPANSIÓN BIG BANG? t = 0?
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
Universo RESUMEN Homogéneo & Isótropo Universo en Expansión (Geom: Plana, Cerrada, Abierta) Etapas Cósmicas: Formación Galaxias, Formación de Átomos, Formación de Núcleos atómicos, Creación de todas las partículas elementales
Etapas Cósmicas: Formación Galaxias (500 Millones años) GAS DE PARTÍCULAS (homogéneo & isótropo) Atracción Gravitatoria 'GRUMOS
Etapas Cósmicas: Formación Galaxias (500 Millones años) GAS DE PARTÍCULAS (homogéneo & isótropo) Atracción Gravitatoria 'GRUMOS GALAXIAS!!!
Etapas Cósmicas: Formación Galaxias (500 Millones años) GAS DE PARTÍCULAS (homogéneo & isótropo) [no completamente!!] = (1 ± ) O(10 5 ) Atracción Gravitatoria 'GRUMOS GALAXIAS!!!
Etapas Cósmicas: Formación Galaxias (500 Millones años) GAS DE PARTÍCULAS (homogéneo & isótropo) [no completamente!!] = (1 ± ) O(10 5 ) Atracción Gravitatoria Atracción Gravitatoria 'GRUMOS GALAXIAS!!! ( 1)
ESTRUCTURA a GRAN ESCALA del UNIVERSO (Videos) MILLENNIUM Simulations AREPO Simulations
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO Tamaño MAYOR, Temperatura MENOR HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) Tamaño MENOR, Temperatura MAYOR PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Pasado, más caliente Protones, Electrones, Fotones Interaccionan electromagnéticamente El Universo se va enfriando Fotones no tienen suficiente energía para romper átomos, Entonces electrones se unen a núcleos atómicos: Átomos!!! Átomos creados!!! Luz (radiación electromagnética) libre!!! Después, más frío
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Photons red-shifted and dispersed by gravity wells! Formación átomos: Propagación libre de la luz!! (Recombinación)
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Dónde está esa luz? En Todas partes! HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) Emisión Radiación de Fondo Cósmico!! FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Dónde está esa luz? En Todas partes! Fondo Cósmico de Microondas T (2) Cosmic Microwave Background (CMB) T (1) c t
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Dónde está esa luz? En Todas partes! Satélite PLANCK Fondo Cósmico de Microondas Prueba definitiva de la teoría del Big Bang! (casi-)isótropo Pero. Hay Pequeñas Inhomogeneidades'!!! (variaciones de 1/100.000)
Etapas Cósmicas: Formación átomos (300.000-400.000 años) Propiedades del Fondo Cósmico de Microondas Propiedades de las Anisotropías entonces. Geometría del Universo!!! El UNIVERSO TIENE GEOMETRÍA PLANA'!!!
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO Tamaño MAYOR, Temperatura MENOR HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) (Y emisión del CMB!!!) FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) Tamaño MENOR, Temperatura MAYOR PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
Etapas Cósmicas: Formación núcleos atómicos (3 mins) Pasado, más caliente (1 segundo) Después, más frío (3 minutos) Protones, Neutrones Interaccionan fuertemente El Universo se va enfriando protones y neutrones no tienen suficiente energía Entonces se unen formando nucleos atómicos: Física Nuclear! Núcleos Atómicos creados!!!
Etapas Cósmicas: Formación núcleos atómicos (3 mins) FÍSICA NUCLEAR (medida en el laboratorio) Permite predecir la cantidad de H, 4 He, D, 3 He, 7 Li,... Otra prueba definitiva de la teoría del Big Bang!!
HISTORIA CÓSMICA DEL UNiVERSO Tamaño MAYOR, Temperatura MENOR HOY [Galaxias, Cúmulos, ] (13.700 Millones de Años) PRIMERAS GALAXIAS (500 Millones de Años) FORMACIÓN ÁTOMOS (300.000-400.000 Años) (Y emisión del CMB!!!) FORMACIÓN NÚCLEOS ATÓMICOS (3 minutos!!!) Tamaño MENOR, Temperatura MAYOR PRIMER SEGUNDO DEL UNIVERSO!!!
$ 000$yr >$400. CMB$ $Photons$(light)$decouple$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ and$propagate$freely$$ Cósmicas: Etapas El Primer Segundo del Universo!!! 00$yr$ ~$400.0 Notación : 10 n RECOMBINATION$ Protons$and$electrons$ seg = 0.00...001 seg $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ combine$to$form$atoms$ $ 000$yr ~$300. NUCLEOSYNTHESIS$ Light$Nucleii$form,$aLer$ electron^positron$annihila6on$ and$neutrino$decoupling$$ $ $3$min $ c e s $ 1 $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ QUARK$CONFINEMENT$ Quarks$bind$into$Hadrons$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ (protons$&$neutrons)$ EW$UNIFICATION$ ElectroMagne6sm$&$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ weak$interac6ons$unify$ c$ 10^4 $se c ^ 1 0 $se 10 BARYOGENESIS$?$ $ MaVer$remains,$$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ An6^MaVer$disappears$ GRAND$UNIFICATION$?$ ^ 3 5 $sec$? >$10 All$forces$unified$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ into$a$single$one$?$ c$?$ REHEATING$ ^ 3 5 $se 10 All$maVer$in$the$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ Universe$is$created$ ^ 3 6 $sec$ >$10 INFLATION$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ Exponen6al$Expansion$$ of$the$universe$ c ^ 3 6 $se 0 ^43$ $1 10 $ $??$ CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$
$ 000$yr >$400. CMB$ $Photons$(light)$decouple$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ and$propagate$freely$$ Cósmicas: Etapas 00$yr$ ~$400.0 El Primer Segundo del Universo!!! RECOMBINATION$ 10 Protons$and$electrons$ seg Aceleradores de Partículas (LHC): Llegan hasta 10$($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ combine$to$form$atoms$ $ 000$yr. 0 0 3 $ ~ NUCLEOSYNTHESIS$ Light$Nucleii$form,$aLer$ electron^positron$annihila6on$ and$neutrino$decoupling$$ $ $3$min $ c e s $ 1 $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ QUARK$CONFINEMENT$ Quarks$bind$into$Hadrons$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ (protons$&$neutrons)$ EW$UNIFICATION$ ElectroMagne6sm$&$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ weak$interac6ons$unify$ c$ 10^4 $se c ^ 1 0 $se 10 BARYOGENESIS$?$ $ MaVer$remains,$$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ An6^MaVer$disappears$ GRAND$UNIFICATION$?$ ^ 3 5 $sec$? >$10 All$forces$unified$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ into$a$single$one$?$ c$?$ REHEATING$ ^ 3 5 $se 10 All$maVer$in$the$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ Universe$is$created$ ^ 3 6 $sec$ >$10 INFLATION$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ Exponen6al$Expansion$$ of$the$universe$ c ^ 3 6 $se 0 ^43$ $1 10 $ $??$ CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$
Tod ay$!!!$ DARK$ENERGY$ $($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ $$The$expansion$of$the$ Universe$accelerates$ 9$ $ $>$$8$x$10 $yr Etapas Cósmicas: GALAXY$$ EVOLUTION$ +$CLUSTER$ FORMATION! 010 $yr$ 9 10 $ $1 GALAXY$FORMATION$$$ +$REIONIZATION$ 109 $ yr$ El Primer Segundo del Universo!!! $ $DARK$AGES$ 00$yr$ >$400.0 Aceleradores de Partículas (LHC @ CERN): Llegan hasta 10 ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ CMB$ $Photons$(light)$decouple$ and$propagate$freely$$ 00$yr$ ~$400.0 10 s RECOMBINATION$ Protons$and$electrons$ $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ combine$to$form$atoms$ 00$yr$ ~$300.0 NUCLEOSYNTHESIS$ Light$Nucleii$form,$aLer$ electron^positron$annihila6on$ $($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ and$neutrino$decoupling$$ $3$m 1$sec$ in$ QUARK$CONFINEMENT$ Quarks$bind$into$Hadrons$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ (protons$&$neutrons)$ EW$UNIFICATION$ ^4 $sec$ 10 ElectroMagne6sm$&$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ weak$interac6ons$unify$ BARYOGENESIS$?$ c$ ^10 $se 10 MaVer$remains,$$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ An6^MaVer$disappears$ GRAND$UNIFICATION$?$ ^35 $sec$? >$10 ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ All$forces$unified$ into$a$single$one$?$ c$?$ ^35 $se 10 All$maVer$in$the$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$)$ Universe$is$created$ ^36 $sec$ >$10 Exponen6al$Expansion$$ ($$$$$$$$$$$$$$$$$$)$ of$the$universe$ ^36 $se $ REHEATING$ INFLATION$ 0 ^43$ $1 10 * Física de Partículas (Laboratorio): Extrapolamos al Universo Primitivo c$??$ * Al principio del Universo hubo (posiblemente) un CopyleL:$Daniel$G.$Figueroa,$June$2014$ período de INFLACIÓN: EXPANSIÓN ACELERADA [después se creó toda la materia!!!] * Pueden pensar en otra radiación emitida en el primer segundo? ONDAS GRAVITACIONALES (luz gravitatoria) * El Primer segundo del Universo determina su evolución posterior!
RESUMEN El Universo se ha expandido durante 13.700 millones de años! (Sabemos eso porque hemos medido la materia del Universo) Varias Etapas han sido cruciales en la evolución del Universo El primer segundo es crucial para entender la posterior evolución Pero todavía NO ENTENDEMOS ese Primer Segundo!!
QUÉ NO HE CONTADO? MUCHAS COSAS!!!
QUÉ NO HE CONTADO? ENERGÍA OSCURA! (Expansión Acelerada) MATERIA OSCURA!
QUÉ NO HE CONTADO? Proporción de componentes en el Universo
QUÉ NO HE CONTADO? INFLACIÓN CÓSMICA!!! Necesaria para la Consistencia de la teoría del Big Bang!!! 1 cm 28 10 cm
Misterios por resolver Qué compone la materia oscura? Qué es la energía oscura? Tiene sentido hablar del 'antes' del Big Bang? Es infinito el Universo? Cómo desapareció la anti-materia? Cómo nació el Universo? Ocurrió realmente la Inflación?...
Para saber más (libros) Los tres primeros minutos (S. Weinberg) Teoría del Big Bang Agujeros negros y tiempo curvo (K. Thorne) Gravedad El encanto de la Fisica (S. L. Glashow) Física de Partículas El Universo Elegante (B. Green) Teoría de Cuerdas El Universo Inflacionario (A. Guth) Paradigma Inflacionario daniel.figueroa@cern.ch
Qué NO es la Cosmología? Astrología o Religión: No son ciencias. Se basan en premisas no verificables, e incluso falsas. Psicología, Biología, Química, Astrofísica...: Son ciencias. Sin embargo su objectivo es otro: El ser humano Propiedades de la materia Sistemas vivos Astros individuales La ciencia se organiza en ramas. La cosmología es un tronco central.