La Composicion Material De Universo Popayan

La Composición Material deLa Composición Material de Nuestro UniversoNuestro Universo

Jorge I. Zuluaga, Dr. - Universidad de Antioquia

II Jornadas AIDA de Divulgación de la Astronomía, Noviembre 20 de 2008

¿De qué esta ¿De qué esta hecho el hecho el

UniversoUniverso??

II Jornadas AIDA de Divulgación de la Astronomía – Noviembre de 2008

2¿De qué esta hecho el Universo? – Jorge Zuluaga - 2008

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ContenidoContenido

Erase una vez...

Un Universo de Hidrógeno y Helio

Luz y neutrinos

¿Y dónde esta la masa?, primera parte

¿Y dónde esta la masa?, segunda parte

El Universo plano

Expansión acelerada

La composición material del Universo



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Érase una vez...Érase una vez...¿De qué esta hecho el Universo?

¿cuál es la respuesta más “sencilla” a esta pregunta?

¿qué hay detrás de la inmensa diversidad de cosas en el mundo?

... La búsqueda de una respuesta “definitiva” a

esta pregunta fundamental...... ha mantenido ocupado el intelecto humano

desde hace milenios Hoy la Astrofísica y la Cosmología nos ponen...

...“tan lejos, tan cerca” de la solución!



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Érase una vez...Érase una vez... Las primeras respuestas... El Universo hecho de un número pequeño de

principios materiales...... “raíces”, elementos, fases, humores

China: madera, tierra, metal, agua y fuego India: Tierra, Agua, Fuego, Aire y Éter (Vacío) Grecia:

Empedocles: Tierra (Xenofanes), Aire (Anaximenes), Agua (Tales), Fuego (Herakleitos)

Aristoteles: + Éter (esféra supralunar)



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Érase una vez...Érase una vez...Y entonces se hizo la química moderna... Paracelso (1520s)

Crítica a los 4 elementos

Robert Boyle (1660s) Más de 4 elementos, Química ciencia

Antoine Lavoisier (1780s) Primer compendio de elementos (33)

John Dalton (1800s) Hipótesis atómica

Dmitri Mendeleev (1870s) Tabla periódica (66)



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Érase una vez...Érase una vez...Primera aproximación (1800s)

... El Universo esta hecho de lo que esta hecho nuestro planeta: Hierro (32.1%), Oxígeno (30.1%)* Silicio (15.1%) Magnesio (13.9%) Azufre (2.1%) Calcio (1.5%) Aluminio (1.4%) Niquel (1.8%) Otros (1.2%) 100100

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Érase una vez...Érase una vez...

¿Y cómo encajamos nosotros?...

Organismos vivos:

Carbono [18%] Oxígeno [66%] Nitrógeno [3%] Hidrógeno [10%] Resto [3%]

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SiSiExc. el Oxígeno estamos hechos

principalmente de sustancias que representan menos del 1.2%

de nuestro planeta

Exc. el Oxígeno estamos hechos principalmente de sustancias

que representan menos del 1.2%de nuestro planeta



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Un Universo de Hidrógeno y HelioUn Universo de Hidrógeno y Helio¿Y los cielos?... El advenimiento de la espectroscopia:

Joseph Fraunhofer (1810s) Descubrimiento de líneas espectrales

Gustav Kirchoff (1860s) Tipos de espectros

Robert Bunsen (1860s) Líneas espectrales y composición química

Pierre Jansen (1860s) Descubrimiento del Helio en el Sol!

Cecilia Payne-Gaposchkin (1925) Mayor parte del Universo esta hecha de

H y He



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Un Universo de Hidrógeno y HelioUn Universo de Hidrógeno y Helio

Segunda aproximación (1900s) El Universo allá afuera (estrellas, nubes de gas y polvo)

esta hecho principalmente de Hidrógeno y Helio...

... prácticamente todo lo que “vemos” en el Universo esta hecho de estrellas y nubes de gas y polvo

Hidrógeno (74%) Helio (24%) Oxígeno (1%) Carbono (0.46%) Neón (0.13%) Hierro (0.11%), Nitrógeno (0.095%), Silicio (0.065%) Magnesio (0.058%), Azufre (0.044%)



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Nuestro planeta esta hecho de Sustancias que representan

menos del 2%de nuestro Universo

Nuestro planeta esta hecho de Sustancias que representan

menos del 2%de nuestro Universo

Nuestro mundo no es tan especial...

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Hidrógeno y el Helio son agregados de algo más fundamental G. Johnstone Stoney, J.J. Thompson (1890s)

Descubrimiento del electrón

Ernst Rutherford (1910s) Descubrimiento del núcleo y el protón

James Chadwick (1930s) Descubrimiento del neutrón



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Tercera aproximación (1930s) A pesar de que las cosas están hechas de distintos

tipos de elementos (átomos)...... Todos los átomos comparten

las mismas componentes

Protones y neutrones (bariones) 99.95% Electrones (leptones) 0.05%

Nuestro Universo esta hecho de...MATERIA BARIÓNICA

Nuestro cuerpo y planeta están hechos de bariones también! 100100

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IntermezzoIntermezzo Albert Einstein (1900s): E = m c2

Masa y energía son...... dos aspectos de la misma entidad

... dos nombres distintos para la misma cantidad física... son exactamente lo mismo!

¿Qué es entonces la materia?...... muy díficil definición!

Cambiemos la pregunta:... ¿cuál es la composición material de

Universo?...¿cuáles son las formas de masa-energía que

constituyen el Universo?



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Luz y neutrinosLuz y neutrinos El Universo esta lleno de luz: fotones (Max Planck,

Albert Einstein, 1900s)

Aniquilación materia-antimateria en Universo primordial...

... 1 barión por cada 1,000 millones de fotones

Radiación producida de ese modo...... Radiación cósmica de fondo

Cosmic Background Radiation, CBR

Los fotones representan las partículas en número más abundantes del Universo



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Luz y neutrinosLuz y neutrinos Wolfgang Pauli (1930s)

Partículas muy livianas y neutras producidas en transformaciones nucleares...

... neutrinos Neutrinos son producidos ABUNDANTEMENTE en procesos

interacción débil...

... transformación de protones y neutrones En las estrellas: fusión nuclear...

... En el Sol 5% energía de la fusión es radiada como neutrinos

En el Universo primitivo: los neutrinos fueron producidos de forma casí tan abundante como radiación...

...1 barión por cada 250,000 neutrinos



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Luz y neutrinosLuz y neutrinos

A la Tierra llegan del Sol 106 neutrinos por segundo por cm2



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Luz y neutrinosLuz y neutrinos

Cuarta aproximación (1950s) A pesar de ser las componentes más numerosas,

fotones y neutrinos no suman más masa que la materia bariónica...

Materia bariónica 85% Neutrinos 14% Luz 0.1% Electrones 0.05%

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Dos formas fantasmales de energía se apropian del 14% de las masa

del Universo

Dos formas fantasmales de energía se apropian del 14% de las masa

del Universo

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¿Y dónde esta la masa?, parte 1¿Y dónde esta la masa?, parte 1 Hasta este punto:

El Universo parece ser un amasijo de bariones, neutrinos, fotones y electrones

Todo empezo a ponerse oscuro a partir de...

Fritz Zwicky (1930s) Mide la masa de cúmulos de galaxias 2 métodos:

Gravitación Conteo de galaxias: Luz

Resultados: Masa por gravitación >> Masa por luz

10 veces masa “invisible” que masa visible



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¿Y dónde esta la masa?, parte 1¿Y dónde esta la masa?, parte 1 Vera Rubin (1960s)

Estudia curvas de rotación de galaxias Descubrimiento: movimiento de estrellas

en la periferia es demasiado rápido



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¿Y dónde esta la masa?, parte 1¿Y dónde esta la masa?, parte 1 La explicación “preferida”… Materia Oscura

Existe un “halo” de materia “invisible” que produce la gravedad extra para explicar curvas de rot.

Materia Oscura: capaz de producir gravitación pero no emite, ni absorbe radiación

Da cuenta de al menos 70%-90% de masa de todas las galaxias



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¿Y dónde esta la masa?, parte 1¿Y dónde esta la masa?, parte 1

Quinta aproximación (1990s) Contando los efectos de Materia Oscura en

galaxias y cúmulos...

Composición del Universo: Materia Oscura 85% Materia bariónica 15% Neutrinos (Materia Oscura) Luz 0.02% Electrones 0.007%

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¿Y dónde esta la masa?, parte 2¿Y dónde esta la masa?, parte 2 Pero de existir, ¿qué es la materia oscura? 3 candidatos reconocidos:

WIMPs (“Debiluchos”) Materia no bariónica… ¡no átomos!... ¿y entonces? Partículas masivas (>1,000 masa protón) Interactuarían solo fuerza débil (¡por eso no luz!)

MACHOs (Massive Compact Halo Objects) Agujeros negros Estrellas de neutrones, enanas blancas Enanas marrones (estrellas fallidas) Planetas

Neutrinos… listo, ¡pero no son suficientes!



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¿Y dónde esta la masa?, parte 2¿Y dónde esta la masa?, parte 2¿Hay suficientes MACHOs en el Universo?... Búsqueda de estos objetos en nuestra Galaxia no han

conducido a resultados positivos...

... En los “mejores” casos se logra explicar <20% de la masa faltante

Pero lo peor para los MACHOs...

... Nucleosíntesis primordial (proceso de fabricación de los elementos en el Big-Bang)…

… limita cantidad de bariones en el Universo Según nucleosíntesis bariones deben ser menos del 4%

de la masa-energía de todo el Universo Pero según las observaciones la materia oscura

representa casí el 20% de la masa-energía del U!



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¿Y dónde esta la masa?, parte 2¿Y dónde esta la masa?, parte 2 Con esto nos queda... Materia Oscura:

WIMPs 97% - Materia Oscura Fría (CDM) Probablemente una partícula exótica (LSP,

neutralino) Masa 100 GeV – 1 TeV En la superficie de la Tierra miles de WIMPs estarían

atravesando un cm2 cada segundo

Neutrinos 3% - Materia Oscura Caliente (HDM)

Es decir: la materia oscura es ¡MUY RARA!



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IntermezzoIntermezzo

Teoría General de la Relatividad:

... Cantidad de masa energía...

propiedades geométricas del espacio-tiempo

¿Cuánta materia hay en el Universo?: Densidad Crítica

= (densidad componente )/ (densidad crítica)Densidad crítica = 10-29 g/cm3

= (densidad componente )/ (densidad crítica)Densidad crítica = 10-29 g/cm3



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El Universo PlanoEl Universo Plano Contando lo que tenemos hasta este momento: La materia del Universo es el 26% de la densidad

crítica...

... Es decir obedeciendo a la predicción de la TRG el Universo tiene una geometría abierta

¿Podemos corroborar esta conclusión?...... Estructuras cosmológicas se verían de distintos tamaños

aparentes en distintos tipos de espacio-tiempo

AbiertoAbierto(Se verían pequeños)

PlanoPlano Cerrado Cerrado (se verían grandes)

TamañoTamañoCríticoCrítico



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El Universo PlanoEl Universo Plano Observaciones del “fondo cósmico” permiten

realizar esta comprobación:

EL UNIVERSO ES PLANO!

EL UNIVERSO ES PLANO!



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El Universo PlanoEl Universo Plano

Sexta aproximación (1990s-2000s) El resultado:

El Universo es “PLANO” = 0.998 ± 0.06

Composición material del Universo: ??? 73.2% Materia Oscura: 22.1% Materia Bariónica: 4.4% Restante: 0.3%

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¾ partes del Universo están perdidas

¾ partes del Universo están perdidas



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Expansión AceleradaExpansión Acelerada Contenido material no solo afecta la geometría

del espacio-tiempo del Universo...

... También afecta su dinámica! Según la TRG:

La densidad determinael destino de la expansión



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Expansión aceleradaExpansión acelerada ¿Podemos corroborar este hecho?...

... Observación de la variación del ritmo de expansión con la distancia

A distancias pequeñas A muy grandes distancias



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Expansión aceleradaExpansión acelerada Lawrence Berkeley Laboratory, 1998...

...10 años de observaciones de las Supernovas Ia más lejanas del Universo



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Expansión aceleradaExpansión acelerada

¿Qué esta produciendo la aceleración?... El “término” cosmológico () - CDM Model

Originalmente introducido por Einstein para resolver problema de Universo estacionario

¿Cómo se interpreta?...

... Al cambiar las ecuaciones aparece una nueva “fuerza” gravitacional “repulsiva” (según Einstein: ¡impide colapso del U!)

“Uno de mis más grandes errores”, A. Einstein

¡Pero el Universo esta en expansión y no hay peligro de colapse!

En este caso sin embargo el efecto repulsivo produciría una aceleración de la expansión como la observada

Pero ¿Cuál es el origen del “término cosmológico”?



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Expansión aceleradaExpansión acelerada ¿Es la naturaleza de las leyes? ó ¿proviene de una

nueva forma de energía?...

Una de las más importantes preguntas de la física contemporanea

A esta forma “exótica” de energía se la denomina ahora...

Energía Oscura (Michael Turner)

Su naturaleza exacta se desconoce



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Expansión aceleradaExpansión acelerada Suponiendo que es una forma de energía, algunas de

sus propiedades son: Es el espacio mismo el que provee esta “energía” ...

Energía del vacío (?) Su densidad relativa () y así su efecto crece con la

expansión Su densidad relativa se hizo mayor a la densidad de materia

hace 4 mil millones de años Da cuenta del 72% de la energía FALTANTE del Universo!

Preguntas: ¿No estaremos ante otro “eter” ¡Es un momento emocionante en la historia de la física para

estar vivo! ¿Cuándo podremos responder a estas preguntas?



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http://www.phdcomics.com

.. Ponemos “oscuro” despuésde su nombre y es muchomás fácil recibir fondos.

.. Yo por ejemplo tengoUna “tesis oscura”

Los Astrofísicos explican la motivación fundamental paraCreer en la existencia de materia/energía oscura

… de modo que Cuando no tenemos ni idea acerca de algo …



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en síntesis…



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¿De qué esta hecho el Universo?¿De qué esta hecho el Universo?

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En 1000 kg de Universo hay... menos de 1000 kg x

0.26(materia) x 0.15(bariones) x 0.01(vida) = 0.4 kgDe materia como nosotros!



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preguntas?....... porque yo todavía tengo muchas!

La presentación y el audio se puede encontrar en:

http://urania.udea.edu.co/facom

[email protected]

La Composicion Material De Universo Popayan

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