Universidad Nacional Autónoma de México

 

Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur

 

 

Cosmología

 

 

Integrantes:

Miguel Lucario Alejandra

Sánchez Baylon Mayra

Valero Martínez Ian Ricardo

Zavaleta González Tania Soledad

 

Grupo 409 A

 

Física II

 

Profesor Manuel Agustín García López

 

09 de abril de 2013

 

Antecedentes históricos.

 

Cosmología: Parte de la astronomía que estudia las leyes generales, el origen y la evolución del universo.

 

La historia de la cosmología moderna arranca a principios del siglo XX. Por aquella época se debatía sobre la posibilidad de que nuestra Galaxia, la Vía Láctea, contuviera todas las estrellas presentes en el Universo y que, fuera de ella, tan sólo hubiera un gran vacío cósmico (el Gran Debate). Hacia los años 30, el astrónomo americano Edwin Hubble sentó las bases empíricas de la cosmología actual al descubrir que algunas nebulosas, como Andrómeda, no eran nubes de gas situadas entre las estrellas, sino otros sistemas estelares parecidos a la Vía Láctea, externos a la misma. Al intentar determinar la distancia a esos objetos, que pasaron a llamarse galaxias, Hubble realizó al poco tiempo otro notable descubrimiento: el espectro de la luz procedente de las galaxias estaba tanto más corrido hacia el rojo cuanto menor era su luminosidad aparente (Ley de Hubble). Interpretando dicho corrimiento al rojo como debido al efecto Doppler, eso indicaba que las galaxias se alejaban de la Vía Láctea a una velocidad proporcional a su distancia.

 

 

Para determinar la posible evolución del Universo se requería pues una teoría gravitatoria. Por desgracia la teoría de la Gravitación Universal de Newton era insuficiente, pero pocos años antes Albert Einstein había desarrollado una nueva teoría, la Relatividad General (RG) que sí permitía ese estudio.

 

El primer modelo cosmológico desarrollado por Einstein antes de que Hubble descubriera las galaxias y su movimiento de recesión, suponía que el Universo era estático. Para que esto fuera posible Einstein había tenido que incluir la llamada constante cosmológica en sus ecuaciones de la RG a fin de que hubiera una fuerza repulsiva de origen geométrico capaz de compensar la atracción debida al contenido en masa y energía del Universo. Cuando más tarde quedó claro que el universo no era estático, Einstein se apresuró a borrar la famosa constante cosmológica de todas sus ecuaciones sin sospechar que con el tiempo volvería a ser necesaria.

 

El modelo cosmológico preferido por aquel tiempo era otro, el llamado modelo estacionario propuesto por el astrónomo británico Fred Hoyley colaboradores, según el cual el universo se expandía conforme a la Ley de Hubble pero nada cambiaba debido a que la disminución en la densidad cósmica debida a dicha expansión era compensada por una creación continua de materia. Pero no todos los científicos ignoraban el modelo de Friedman-Lemaître, conocido con el irónico nombre de modelo del Big Bang (la Gran Explosión) debido a Hoyle. Así, el físico nuclear ruso-americano George Gamowlo utilizó, allá por los años 50, para explorar la idea de que los distintos isótopos presentes hoy día en el Universo se hubieran formado en la fase de alta densidad que, según ese modelo, habría tenido lugar en los albores del Universo. Según los cálculos de Gamow y colaboradores, tan sólo los isótopos más ligeros podían haberse formado de esa guisa. De esos cálculos también se desprendía que, de ser ése el origen de los elementos ligeros, hoy día debería existir una radiación cósmica de fondo, reliquia del Universo primitivo, a unos pocos grados Kelvin que llenaría todo el universo por igual. Dificultades técnicas del momento impedían comprobar esa predicción.

 

A principios de los años 60, un grupo de físicos teóricos y astrofísicos de la Universidad de Princeton, viendo que ya era factible detectar la radiación de fondo predicha por Gamow, se pusieron manos a la obra. Pero justo cuando se aprestaban a hacerlo, dos ingenieros de Bell Laboratory, Arno Penzias y Robert Wilson, intentando poner a punto una radioantena con fines de comunicación, dieron por casualidad con ella. Era el año 1965. Este notable descubrimiento dio el espaldarazo definitivo al modelo del Big Bang.

 

 

El Universo muestra propiedades muy parecidas en todas las direcciones. Dado que no hay ninguna razón para que estemos situados justo en su centro, eso indica que el Universo es parecido en todas partes. El modelo del Big Bang se basa en ese supuesto principio cosmológico así como en que el Universo está expandiéndose como muestra la ley empírica de Hubble.

 

El descubrimiento de esta radiación, también conocida como fondo cósmico de microondas debido a que su pico de intensidad se observa en este rango de longitudes de onda, lo que provocó finalmente su aceptación por la comunidad científica frente al modelo competidor del estado estacionario. Esta radiación proviene de la superficie de última dispersión en que, debido al enfriamiento sufrido por la expansión del universo, la radiación ya no tiene suficiente energía para ionizar los átomos de hidrógeno por lo que todos los electrones acaban formando átomos y la materia se vuelva neutra. Si bien su detección tuvo una gran importancia cosmológica, el estudio posterior de las propiedades tanto de su distribución espectral como espacial fueron claves para una confirmación detallada del modelo del Big Bang. Estos resultados junto con otros relacionados con diferentes tests cosmológicos, como la distribución de las galaxias, la edad de los objetos más viejos, o el efecto lente gravitatoria de fuentes lejanas, constituyen algunos de los muchos éxitos del modelo del Big Bang.

Fundamentos físicos que intervienen.

 

La cosmología física se desarrolló como ciencia durante la primera mitad del siglo XX como consecuencia de los acontecimientos y fundamentos físicos más importantes que se encuentran detallados a continuación:

-1916. Albert Einstein formula la teoría general de la relatividad, que será la teoría marco de los modelos matemáticos del universo. Al mismo tiempo formula el primer modelo matemático del universo conocido como universo estático donde introduce la famosa constante cosmológica y la hipótesis conocida como principio cosmológico, que establece que el universo es homogéneo e isótropo a gran escala, lo que significa que tiene la misma apariencia general observado desde cualquier lugar.

- 1917. El astrónomo Willem de Sitter formula un modelo estático de universo vacío de materia con la constante cosmológica donde los objetos astronómicos alejados tenían que presentar corrimientos al rojo en sus líneas espectrales.

- 1921. Tiene lugar el Gran Debate entre los astrónomos Heber Curtis y Harlow Shapley que estableció la naturaleza extra galáctica de las nebulosas espirales cuando se pensaba que la Vía Láctea constituía todo el universo.

- 1924. El físico ruso Alexander Friedman publica la primera solución matemática a las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, que representan a un universo en expansión. En un artículo de 1922 publica la solución para un universo finito y en 1924 la de un universo infinito.

- 1929. Edwin Hubble establece una relación lineal entre la distancia y el corrimiento al rojo de las nebulosas espirales que ya había sido observado por el astrónomo Vesto Slipher en 1909. Esta relación se conocerá como Ley de Hubble.

- 1930. El sacerdote y astrónomo belga Georges Édouard Lemaître esboza su hipótesis del átomo primitivo donde sugería que el universo había nacido de un solo cuanto de energía.

- 1931. Milton Humason, colaborador de Hubble, dio la interpretación de los corrimientos al rojo como efecto Doppler debido a la velocidad de alejamiento de las nebulosas espirales.

- 1933. El astrónomo suizo Fritz Zwicky publicó un estudio de la distribución de las galaxias sugiriendo que estaban permanente ligadas por su mutua atracción gravitacional. Zwicky señaló sin embargo que no bastaba la cantidad de masa realmente observada en la forma de las galaxias para dar cuenta de la intensidad requerida del campo gravitatorio. Se introducía así el problema de la materia oscura

- 1948. Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle proponen el modelo de estado estacionario, donde el universo no solo tiene la misma apariencia a gran escala visto desde cualquier lugar, sino que la tiene vista en cualquier época.

- 1948. George Gamow y Ralph A. Alpher publican un artículo donde estudian las síntesis de los elementos químicos ligeros en el reactor nuclear que fue el universo primitivo, conocida como nucleosíntesis primordial. En el mismo año, el mismo Alpher y Robert Herman mejoran los cálculos y hacen la primera predicción de la existencia de la radiación de fondo de microondas.

- 1965. Arno Penzias y Bob Wilson de los laboratorios Bell Telephone descubren la señal de radio que fue rápidamente interpretada como la radiación de fondo de microondas que supondría una observación crucial que convertiría al modelo del Big Bang (o de la Gran Explosión) en el modelo físico estándar para describir el universo. Durante el resto del siglo XX se produjo la consolidación de este modelo y se reunieron las evidencias observacionales que establecen los siguientes hechos fuera de cualquier duda razonable:

- El universo está en expansión, en el sentido de que la distancia entre cualquier par de galaxias lejanas se está incrementando con el tiempo.

- La dinámica de la expansión está con muy buena aproximación descrita por la teoría general de la relatividad de Einstein.

- El universo se expande a partir de un estado inicial de alta densidad y temperatura donde se formaron los elementos químicos ligeros, estado a veces denominado Big Bang o Gran Explosión.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Usos y aplicaciones tecnológicas.

 

Una herramienta importante para comprenden la formación estructural son las simulaciones, que los cosmólogos utilizan para estudiar las sumas gravitacionales de materia en el Universo, como se agrupan en filamentos, supe cúmulos y vacíos.

Muchas simulaciones contienen sólo materia oscura fría no bariónica, que debería ser suficiente para comprender el Universo en las escalas más grandes, ya que hay mucha más materia oscura en el Universo que materia visible bariónica.

Muchas simulaciones avanzadas están empezando a incluir bariones y estudiar la formación de galaxias individuales. Los cosmólogos estudian estas simulaciones para ver si concuerdan con sus investigaciones y comprenden cualquier desigualdad.

Otras técnicas complementarias permitirán a los cosmólogos medir la distribución de materia en el Universo distante:

- El bosque Lyman-alfa, que permite a los cosmólogos medir la distribución de un átomo de gas hidrógeno neutro en el universo primigenio, midiendo la absorción de luz desde cuásares distantes debido al gas.

- La línea de adsorción de 21 centímetros de átomos de hidrógenos neutros también proporciona una prueba sensible en cosmología.

- Lentes débiles, la distorsión de una imagen distante por lentes gravitacionales debido a la materia oscura.

- South Pole Telescope en la Antártida el propuesto Clover Project y el Atacama Cosmology Telescope en Chile proporcionarán datos adicionales no disponibles en observaciones desde el espacio

Esto ayudará a los cosmólogos a decidir la pregunta de cuándo se formó el primer cuásar.

 

 

 

 

 

Medidas de seguridad.

 

Para empezar, el Big Bang es sólo una teoría entre muchas otras sobre la creación del Universo.

Para llegar a esta explicación, diversos científicos, con sus estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis del modelo del Big Bang.

Las ventajas de la teoría es que así se forma el universo, y las desventajas es que no tendría por qué tener desventajas, fue sólo el comienzo de la creación del Cosmos como lo conocemos hoy en día.

No se ha dado el tiempo para aceptar la teoría en todas su formas ya que choca con otras. Pero aun así se puede decir que es la más aceptada hoy en día.
Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que en el pasado el universo tenía una temperatura más alta y una mayor densidad y, por tanto, que las condiciones del universo actual son diferentes de sus condiciones en el pasado o en el futuro.

A partir de este modelo, George Gamow en 1948 pudo predecir que debería haber evidencia de un Big Bang en un fenómeno más tarde bautizado como radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB).

El CMB fue descubierto en los años 1960 y se utiliza como confirmación de la teoría del Big Bang sobre su más importante alternativa, la teoría del estado estacionario.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bibliografía.

 

 

http://www.atmosfera.unam.mx

 

 

http://www.astroomo.unam.mx

 

 

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx

 

 

http://www.astronomiamoderna.com.ar/2011/principios-cosmologicos/

 

http://www.monografias.com/trabajos94/fundamentos-cosmologia-estandar/fundamentos-cosmologia-estandar.shtml