Teoría del Big Bang

Origen y evolución del Universo

Antecedentes: La teoría de la RelatividadAntecedentes: La teoría de la Relatividad1917- Albert Einstein1917- Albert Einstein

• En el Universo no es posible determinar si un objeto esta en reposo absoluto o en movimiento uniforme o si se mueve aceleradamente o está sometido a un campo gravitatorio.

• El tiempo absoluto no existe: la duración de un suceso depende de la velocidad del sistema.

• El tiempo y el espacio constituyen una misma realidad: Espacio- tiempo. La cuarta dimensión es el tiempo.

• La masa y la energía son dos aspectos de una misma realidad física. Una se puede convertir en la otra según la fórmula E=m·c2

• La Luz está formada por fotones (quanta de energía luminosa), con masa despreciable en reposo pero que aumenta con el movimiento y puede ser desviada de su trayectoria por un campo gravitatorio.

Los valedores del Big BangLos valedores del Big Bang

• Albert Einstein: Teoría General de la Relatividad (1917)

• Alexander Friedman y George H Lemaitre: el Universo se expande a partir de un origen puntual, huevo cósmico de Lamaitre (1931)

• George Gamow formula la hipótesis, basándose en las ideas de Lemaitre.

• Edwin Hubble: la velocidad de alejamiento de las galaxias es proporcional a su distancia.

• Arno Penzias y Robert Wilson: radiación cósmica de fondo de microondas (1965)

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La Teoría del Big Bang (Gran Explosión)La Teoría del Big Bang (Gran Explosión)

Origen del Universo a partir de una singularidad primigenia hace 13.700 millones de años.

• Es el origen del espacio-tiempo y de la energía, parte de la cual se transformará en materia según la ecuación de Einstein, E = mc2

• El Universo se ha expandido rápidamente, en una serie de etapas, hasta el Universo visible actual.

• Se apoya en: • Principio Cosmológico: a gran escala el Universo es isótropo y homogéneo.• Ley de Hubble: el corrimiento hacia el rojo de una galaxia (efecto Doppler) es proporcional a la distancia a la que se encuentra esa galaxia.• La radiación cósmica de fondo de microondas, el eco del Big Bang. se corresponde con la esperada para la temperatura media del Universo enfriado por la expansión : 3 Kelvin (- 270 ºC).

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Corrimiento al rojo de las líneas del espectro visible de un supercúmulo de galaxias distantes (abajo), comparado con el del Sol (arriba). La longitud de onda se incrementa hacia el rojo. Imagen

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Mapa de la anisotropía de la temperatura de la Radiación de Fondo de Microondas Cosmic Microwave Background o CMB

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Cronología del Big Bang

• Universo muy primigenio• Tiempo: 0 a 10–32 segundos

• Universo primigenio• Tiempo: 10–36 segundos a 300 000 años en

que se inicia la formación de los átomos.

• Formación de Estructuras• Tiempo 150 millones de años hasta el

presente: 13.700.000.000 de años después de la singularidad (tiempo 0).

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Universo muy primigenioUniverso muy primigenio

• Singularidad primigeniaSingularidad primigenia (Tiempo 0): “Todo” concentrado en un punto: volumen “casi” 0 y temperatura y densidad “casi” infinitas. Las hipótesis sobre el origen de la singularidad son especulativas. Diámetro inicial Universo 10-26 m, temperatura 1032 K (Diámetro calculado para un átomo de hidrógeno 10-10 m)

• Era de PlanckEra de Planck (Tiempo 0 a 10–43 segundos): están unificadas las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria). No existían partículas elementales.

• Era de la Gran UnificaciónEra de la Gran Unificación "Grand Unification Theory". (Tiempo 10–43 s a 10–36 s): El Universo -se expande y enfría- era un caldo de partículas, antipartículas de altísima densidad (toda la masa de un cúmulo de galaxias cabe en el espacio que ocupa un átomo de hidrógeno). Se manifiesta la gravedad separadamente de las otras fuerzas. Más tarde lo hará la fuerza nuclear fuerte

• BariogénesisBariogénesis: Asimetría: por cada 1010 parejas de partícula-antipartícula, hubo 1 partícula “de más” que no tuvo antipartícula con quien aniquilarse y convertirse en radiación de fondo, fue la responsable de que exista la materia tal y como la conocemos en el Universo

Universo primigenioUniverso primigenio

• Era Inflacionaria o era electrodébilEra Inflacionaria o era electrodébil (Tiempo 10–36 s a 10–12): el Universo primitivo, muy inestable, se expande exponencialmente: Inflación. La fuerza nuclear débil y la electromagnética se separan. El Universo parece ser plano, isótropo y homogéneo.

• Era de los QuarksEra de los Quarks (Tiempo 10–12 segundos a 10–6): Las cuatro fuerzas elementales de la naturaleza ya se encuentran en sus formas actuales. La temperatura es tan alta que no permite la unión de los quarks (constituyentes básicos de neutrones y protones).

• Era de los HadronesEra de los Hadrones (10–6 s a 1 s): Universo en expansión. Temperatura bajando. Se forman los hadrones -protones y neutrones- a partir de los quarks.

• Era de los LeptonesEra de los Leptones (1 s - 10 s): Se forman los leptones (electrones y similares).

• Era de los FotonesEra de los Fotones (10 s a 300.000 años): El Universo es tan energético que los fotones interactúan con los protones, electrones y núcleos atómicos.

• NucleosíntesisNucleosíntesis (1 segundos a 3 minutos): Los protones y neutrones forman núcleos de Hidrógeno, Helio y trazas de Litio.

• RecombinaciónRecombinación (300.000 años): el Universo ha seguido expandiéndose y la temperatura ha disminuido: los núcleos atómicos se combinan con los electrones y forman los átomos. Los fotones se ven libres de seguir su camino, el Universo se torna transparente para ellos. Podemos ver el eco de esta Era en el Fondo Cósmico de Microondas.

Formación de EstructurasFormación de Estructuras

• ReionizaciónReionización (150.000.000 a 1.000.000.000 años): mínimas diferencias en la homogeneidad del Universo, provocaron que en ciertas regiones se acumulara más materia debido a la gravedad. El colapso gravitacional “enciende” los primeros quasares que reionizan las nubes de átomos que le rodean.

• Primera generación estelarPrimera generación estelar: La radiación de los quasares y las nubes estelares que empezaron a colapsarse por gravedad, dan lugar a las primeras estrellas. Los elementos atómicos más pesados que el He se generarán en el interior de las estrellas y son “sembrados” en el Universo por las explosiones de supernovas. Nuevas generaciones de estrellas se formarán hasta la actualidad.

• Formación de galaxiasFormación de galaxias: la gravedad provoca que la materia estelar se colapse formando estructuras de mayor tamaño: las galaxias.

• Formación de grupos, cúmulos y supercúmulosFormación de grupos, cúmulos y supercúmulos: La gravedad provoca que las galaxias formen grupos, cúmulos y supercúmulos o que se fusionen debido a la gravedad.

• PresentePresente: 13.700.000.000 de años después de la singularidad.

Futuro del UniversoFuturo del Universo

• La expansión y evolución del Universo dependera de: la densidad de la materia cósmica y de la gravedad (se opone a la expansión).

• Si la densidad de la materia esta por encima de la densidad crítica la gravedad frenara la expansión y el Universo de contraerá hasta el Big CrunchBig Crunch

• Si la densidad de la materia es igual a la densidad crítica el Universo se expandirá eternamente.Universo se expandirá eternamente.

• Si la densidad está por debajo de la densidad crítica el Universo tambien se expandirá eternamente pero la gravedad llegará a hacerse “tan pequeña” que se producirá el “gran desgarramiento” o Big RipBig Rip