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Evidencias del Big Bang

[N del T: la traducción de este artículo se encuentra incompleta]

Por Björn Feuerbacher y Ryan Scranton

© 2006 [ 25 de enero de 2006]

Traducido por: Diego Romero

Original en: http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html

Otros enlaces (en inglés):

Contenido

0) Introducción

A) Propósito de esta FAQ

De acuerdo con la página bienvenida de este archivo, el grupo de noticias talk.origins está dirigido al debate sobre los "orígenes biológicos y físicos", y el archivo existe para proveer "respuestas de la corriente principal científica a las muchas preguntas frecuentemente hechas en el grupo de noticias talk.origins". Muchas FAQs actuales tratan sobre preguntas acerca de los orígenes biológicos y geológicos aquí en la Tierra. Esta página tomará una visualización más ancha, enfocado en el universo mismo.

Antes de empezar el examen de las pruebas en torno a la cosmología actual, es importante comprender qué es y qué no es la teoría del Big Bang (TBB). Contrario a la percepción común, la TBB no es una teoría sobre el origien del universo. En cambio, describe el desarrollo del universo a través del tiempo. Este proceso es llamado "Evolución cósmica" o "Evolución cosmológica" a menudo; mientras los términos son usados por personas dentro y fuera de la comunidad astronómica, es importante tener en cuenta que la TBB es totalmente independiente de la evolución biológica. Durante las últimas décadas el escenario básico de cosmología dado por la TBB ha sido aceptado por astrónomos, físicos y la comunidad científica más amplia en general. Sin embargo, ningún consenso similar ha sido alcanzado acerca de las ideas sobre el origen definitivo del universo. Esto siguie siendo investigado activamente y algunas ideas actuales se discutirán más adelante en este artículo. Dicho esto, no obstante la TBB trata de los orígenes - de la materia, el origen de los elementos, el origen de la estructura a gran escala, el origen de la radiación de fondo de microondas cósmica, etcétera. Todo esto será discutido en el detalle más abajo.

Además de ser una teoría sobre los orígenes de los componentes básicos del mundo que vemos hoy, la TBB también es paradójicamente una de las más conocidas teorías dentro del público en general y uno de las más malinterpretadas (y, ocasionalmente, distorsionadas). Teniendo en cuenta la naturaleza del tema, también es frecuentemente discutida con cargados matices religiosos. Los creacionistas de tierra jóven la descartan por ser una "teoría atea", inventada por científicos que parecen negar el relato de creación divina del Génesis. A la inversa los creacionistas de tierra vieja (así bien como los otros Cristianos) han querido entender la TBB como prueba del mismo Génesis, afirmando que la teoría demuestra que el universo tuvo un origen y no existía en algún momento distante en el pasado. Finalmente, algunos ateos han argumentado que TBB descarta a un creador del universo.

La discusión detallada de estas peleas religiosas puede ser encontrada en otros lugares (por ejemplo el libro de Craig y Smith en las referencias). Esta FAQ se concentrará en la ciencia únicamente: lo que la teoría dice, por qué fue desarrollada y cuáles son las evidencias.

B) Contenido general

Muchas explicaciones de la TBB empiezan presentando variadas observaciones astronómicas, argumentando que resultan en la idea de un universo en expación y enfriándose naturalmente. Aquí, tomamos un enfoque diferente: Empezamos describiendo qué no es la TBB y corregiendo algunas ideas falsas comunes sobre la teoría. Una vez hecho esto, luego hablaremos sobre qué es la teoría y qué suposiciones se hacen cuando se describe una teoría física sobre cómo opera el universo. Con esa base en su lugar, nos cambiaremos a un examen de qué predice la TBB para nuestro universo y cómo eso encaja con lo que vemos cuando miramos el cielo. El próximo paso será mirar un poco a las objeciones más comunes a la teoría como a los desacuerdos entre la teoría y las observaciones, lo cuál conduce naturalmente a un examen de algunos de los modelos osmológicos alternativos. Terminamos con dos temas más especulativos: las ideas actuales acerca de las etapas muy tempranas del universo y su origen absoluto y una discusión de lo que podríamos esperar que nos digan la siguiente generación de experimentos y ensayos cosmológicos acerca de la TBB.

C) Fuentes adicionales de información

Como uno podría esperar de un tema con público numeroso, hay mucha literatura sobre la TBB en tantos medios de comunicación tanto impreso como la Web. El nivel de este material es muy grande, de textos avanzados para cursos de posgrado y más, hasta textos de divulgación para profanos. Igual, la calidad de la explicación en estos recursos puede variar considerablemente. En particular, algunos textos de divulgación simplifican el material en tal extremo que puede ser muy engañoso. Finalmente, hay varias diatribas contra el modelo cosmológico actual, lleno de malentendidos, tergivesaciones y sarcasmos directo contra La TBB y los cosmólogos en general. Hemos tratado de filtrar este inmenso conjunto de información, resaltando las fuentes que describen la teoría con exactitud y lo presentan de la forma más clara posible. Disculpas con anticipación para cualquier fuente valiosa que se ha pasado por alto o expluido sin querer.

Para una introducción seria y técnica del el tema, dos libros son particularmente útiles: los principios de cosmología física de Peebles y El universo temprano de Kolb y Turner. Éstos son escritos para estudiantes universitarios avanzados y estudiantes postgraduados así que se requieren unos buenos conocimientos de matemática. Para una descripción menos técnica de las etapas tempranas del universo (con énfasis especial en la nucleosíntesis y la física de partículas), los libros de Fritzsch y Weinberg son muy bueno y apuntan hacia el público en general.

Mientras los libros mencionados anteriormente están bien escritos, el material es algo anticuado, habiendo sido escrito antes de las observaciones y los siguientes desarrollos de los últimos años (por ejemplo la expansión acelerada del universo y la inclusión de la energía oscura en el modelo de la cosmologíca actual). Textos más nuevos como los escritos por Peacock, Kirshner y Livio incluyen la discusión de estos temas. El primero está en el nivel de Peebles, Kolb y Turner, mientras que los segundos dos están escrito para una audiencia general. Finalmente, el autor de ésta FAQ recomienda un nuevo libro de Kippenhahn, con la advertencia de que está solo disponible en alemán actualmente.

En la red, la fuente mejor conocida la información de divulgación sobre el Big Bang es el tutorial de cosmología de Ned Wright. Dr. Wright es un cosmólogo profesional de la Universdad de California, Los Angeles y su tutorial se usó exhaustivamente para compilar esta FAQ. También ha escrito Su propia FAQ del Big Bang, actualiza su sitio con regularidad con las últimas noticias sobre cosmología y trata algunos de los más populares modelos cosmológicos alternativos.

Las páginas de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (Zonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson) en la NASA tienen una muy buena descripción de las sustentaciones teóricas de la TBB dirigida a una audiencia lega. Otras de las páginas bien escritas sobre la TBB incluyen la Wikipedia, los artículos sobre el Universo y el Big Bang. Por último, hay una pequeña FAQ El Big Bang y la expansión del universo en el Atlas del universo, el cual también corrige algunas de las falsas ideas más comunes.

1) ¿Qué es la teoría del Big Bang?

A) Confunciones frecuentes sobre el Big Bang

En la mayoría de las fuentes de divulgación científica, la TBB es descrita a menudo con algo como "El universo surgió debido a la explosión de un punto en el que toda la materia estaba concentrada." No sorprendentemente, ésta es probablemente la impresión usual que la mayoría de las personas tienen de la teoría. Ocasionalmente, uno incluso escucha "En el principio, no había nada, que estalló."

Hay algunas falsas ideas escondidas en estas declaraciones:

El famoso cosmólogo P. J. E. Peebles dijo esto sucintamente en la edición de enero 2001 de Scientific American (toda esa edición trata sobre cosmología y vale la pena leerla!): "Que el universo se está expandiendo y enfriándose es la esencia de la teoría del Big Bang. Usted notará que no he dicho nada sobre una "Explosión" - la teoría del Big Bang describe cómo nuestro universo se está desarrollando, no cómo comenzó." (P. 44). La edición de marzo de 2005 también contiene un excelente artículo que corrige muchas de las frecuentes falsas ideas sobre la TBB.

Otro cosmólogo, el alemán Rudolf Kippenhahn, escribió lo siguiente en su libro "Kosmologie fuer die Westentasche" ("Cosmología para el bolsillo "): "existe la equivocada y generalizada creencia de que, de acuerdo con la ley de Hubble, la gran explosión comenzó en un cierto punto en el espacio. Por ejemplo: en un momento, una explosión ocurrió, y de eso una nube de explosión se desplazó a través del espacio, de la misma manera que una explosión sobre la tierra, y la materia se expande más y más en áreas más grandes del espacio. No, la ley de Hubble solamente dice que la materia era más densa en todas partes del espacio en el pasado, y que se vuelve más tenue con el tiempo porque todo se aleja entre sí." En una nota al pie de página, añadió: "En las presentaciones de divulgación científica, a menudo las fases tempranas del universo son descriptas como "Cuando el universo era tan grande como una manzana" o "Como una arveja". Lo que se representa allí es en general la época en la que no todo, sino solamente la parte del universo que es observable hoy tenía estos tamaños." (Pp. 46, 47; la traducción del autor de la FAQ, énfasis en el original).

Definitivamente, la página web que describe el Universo Ekpyrótico (un modelo del universo temprano que involucra los conceptos de la Teoría de Cuerdas) contiene un buen recuento de las usuales falsas ideas. Leer el primer párrafo, "¿En qué consiste el modelo del Big Bang?".

Hay varias razones por las cuales estas falsas ideas persisten en la mente del público. Ante todo, el término "Big Bang" ("Gran explosión" en inglés) fue acuñado originalmente en 1950 por Sir Fred Hoyle, un oponente incondicional de la teoría. Era un defensor del modelo de "Estado Estacionario" y tenía una opinión muy baja acerca de la idea de un universo en expansión. Otro origen de la confusión es la expresión "Átomo Primigenio" repetida a menudo. Esta fue usada por Lemaitre (uno de los desarrolladores tempranos de la teoría) en 1927 para explicar el concepto a la audiencia lega, quienes no estarían familiarizados con la idea de bombas nucleares durante algunas décadas. Con éstos y las otras descripciones erroneas incesantemente propagadas por lo demás bienintencionados medios de comunicación (y no tan bienintencionados), no es sorprendente que muchas personas tengan ideas completamente distorsionadas sobre qué dice la TBB. Por eso mismo, el hecho de que muchas personas piensan que la teoría es una cosa ridícula es esperable, dado su conocimiento inexacto de la teoría y la datos detrás de ella.

B) ¿Qué es lo que realmente dice la teoría?

Dar una descripción exacta de la TBB en términos sencillos es sumamente difícil. De la misma manera que muchos temas científicos modernos, cada uno de los intentos será necesariamente vago y poco consistente cuando ciertos detalles se resaltan y otros se barren bajo la alfombra. Para realmente comprender tal teoría, uno tiene que mirar las ecuaciones que describen la teoría completamente, y esto puede ser muy exigente. Dicho esto, las citas de Peebles y Kippenhahn deben dar una idea de lo que la teoría en realidad dice. En los siguientes párrafos, daremos más detalles sobre su descripción básica.

La más simple descripción de la teoría sería algo como esto: "En el pasado distante, el universo era muy denso y caliente; desde entonces se expandió, poniendose menos denso y más frío". La palabra "expandir" no debe ser entendida como que la matera saltó en pedazos; antes bien, hace referencia a la idea de que el espacio mismo se está haciendo más grande. Las analogías más comunes que se usan para describir este fenómeno son la superficie de un globo (con galaxias representadas por puntos o monedas fijada a la superficie) o pan de hornear (con galaxias representadas por pasas en la masa que se dilata). De la misma manera que todas analogías, la semejanza entre la teoría y el ejemplo es imperfecta. En ambos casos, el modelo insinúa que el universo se está expandiendo en algo más grande, en un volumen preexistente. A decir verdad, la teoría no indica nada de esto. En su lugar, la expansión del universo es totalmente autocontenida. Esto va contra nuestro sentido común acerca del volumen y la geometría, pero es el resultado de las ecuaciones. Más información adicional acerca de esta cuestión se puede encontrar en la sección ¿En qué se está expandiendo el universo? en la FAQ de Ned Wright.

Las personas a menudo tienen dificultad con la idea de que "el espacio mismo se expande". Una manera más fácil de comprender este concepto es pensar en ello como el incremento en la distancia entre dos puntos cualquier del universo (con algunas excepciones notables, como menciono más abajo). Por ejemplo, Digamos que tenemos dos puntos (A y B) que están en posiciones de coordinadas fijos. En un universo en expansión, descubriríamos dos cosas extraordinarias son verdaderas. La primera, la distancia entre A y B es una función del tiempo; y la segunda, la distancia está siempre en aumento.

Para comprender realmente qué representa esto y cómo se definiría la "distancia" en éste modelo, es necesario tener alguna idea de lo que trata la teoría de relatividad general (TGR) de Einstein; otro tema que no se presta a explicaciones simples y sencillas. Uno de los libros de texto sobre la TGR más populares de Misner, Thorne & Wheeler lo resume así: "el espacio le dice a la materia cómo moverse, la materia le dice el espacio cómo curvarse." Por supuesto, esta sentencia omite los ciertos detalles de la teoría, por ejemplo que el espacio también le dice a la radiación electromagnética cómo moverse (bellamente demostrado mediante la "lente gravitacional", la desviación de la luz alrededor de objetos masivos), cómo el espacio también se curva en respuesta a la energía, y cómo la energía puede causar que el espacio haga mucho más que sólo curvarse. Quizás una mejor (aunque más larga) forma de describir la TGR sería: "La energía determina la geometría y los cambios en la geometría del universo, y, a su vez, la geometría condiciona el movimiento de la energía".

Así que, dado esto, ¿cómo se llega a la TBB a partir de la TGR?. Las ecuaciones básicas de la TBB vienen directamente de las ecuaciones de la TGR de Einstein bajo dos suposiciones clave: primera, que la distribución de la materia y la energía en el universo es homogénea y, segunda, que la distribución es isotrópica. Una manera más simple de poner esto es que el universo se ve igual por todas partes y en todas direcciones. La combinación de estas dos suposiciones frecuentemente se mencionan con el término principio cosmológico. Obviamente, estas suposiciones no describen el universo en todas las escalas físicas. Sentado en su silla, usted tiene una densidad que es aproximádamente 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 veces la densidad media del universo. Asimismo, la densidad de cosas como estrellas, galaxias y grupos de galaxia están bien encima de la media (aunque no tan cercana como la de usted). En vez de eso, descubrimos que estas suposiciones solamente son aplicable sobre escalas sumamente grandes, alrededor de varios cientos de millones año luz. Sin embargo, aunque tenemos buenas pruebas de que el principio osmológico es válido en estas escalas, estamos limitados solo a un punto y un volumen finito del universo para examinar así que estas suposiciones deben quedarse exactamente en eso.

Si asumimos estas suposiciones aparentemente simples, las implicanciones para la geometría del universo son muy profundas. Primero, uno puede demostrar matemáticamente que hay solamente tres curvaturas posibles para el universo: la curvatua positiva, negativa o cero (éstos comúnmente también son llamado modelos "Cerrado", "Abierto" y "Plano"). Véanse estas conferencias sobre cosmología y TGR, y esta discusión sobre la métrica Friedman-Robertson-Walker (también llamada la métrica Friedman-Lemaitre-Robertson-Walker) para derivacioes más detalladas. Más aún, la suposición de la homogeneidad nos dice que la curvatura debe ser igual en todas partes. Para visualizar las tres posibilidades, modelos de dos dimensiones del verdadero espacio tridimensional pueden servir de ayuda; la figura de más abajo, perteneciente al Equipo Científico NASA/WMAP, se da como ejemplo. El modelo más familiar con curvatura positiva es la superficie de una esfera. No el objeto tridimensional entero, sino sólo su superficie (usted puede distinguir que la superficie es bidimensional ya que puede especificar cualquier punto con sólo dos números, de la misma manera que la longitud y la latitud de la Tierra). La curvatura cero se puede modelar como un simple plano recto; esto es las coordenadas cartesianas clásicas que la mayoría de las personas recordarán de la escuela. Por último, uno puede imaginar la curvatura negativa como la superficie de una silla de montar, donde las líneas paralelas se bifurcarán entre sí cuando son proyectados hacia el infinito (permanecen paralelas en un espacio de curvatura cero y son convergentes en un espacio absolutamente curvado).

Possible geometries of the universe

Hay ejemplos más complicados de estas configuraciones, pero no hablaremos de ellos aquí. Aquellos interesados en leer más sobre este punto pueden mirar esta descripción de topología del universo.

La segunda conclusión important que podemos trazar a partir del principio cosmológico es que el universo no tiene ningún límite y no tiene ningún centro. Obviamente, si cualquiera de estas declaraciones fuera verdadera, entonces la idea de que todos puntos en el universo son indistinguibles (i.e. el universo es isotrópico) sería falsa. Esta conclusión puede ser antiintuitiva, particularmente cuando se considera un universo con curvatura positiva como la de una concha esférica. Este espacio es evidentemente finito, pero, como también estar claro después de la idea de hace un momento, es también posible recorrer una distancia arbitrariamente grande alrededor del círculo sin dejar la superficie. Por lo tanto, no tiene ningún límite. Para las superficies planas y negativamente curvadas, está claro que estos casos deben extenderse a un tamaño infinito. Notablemente, dadas las inmensas diferencias que estos casos presentan para la configuración y el tamaño del universo, determinar cuál de estos tres casos vale para nuestro universo es en realidad todavía una cuestión sin resolver en cosmología.

C) Contenido del universo

Tal como dijimos más arriba, la TGR nos dice que el contenido de materia y energía del universo determinan tanto la presente como la futura geometría del espacio. Por lo tanto, si queremos hacer cualquier predicción sobre cómo el universo cambia con el tiempo, tenemos que tener una idea de qué tipos de materia y energía están presentes en el universo. Otra vez, aplicar el principio cosmológico simplifica el asunto considerablemente. De hecho, si la distribución de la materia y la energía es uniforme a escalas muy grandes, entonces todo que tenemos que saber es la densidad y la presión de cada componente. Incluso mejor, para la mayoría de los casos que son relevante para la cosmología, la presión y la densidad tienden a estar relacionadas una con la otra por la así llamada "equación de estado". Por lo tanto, si sabemos la densidad de un componente en particular, entonces sabemos su presión vía la ecuación de estado y podemos calcular cómo afectará la geometría del universo ahora y en cualquier momento en el pasado o el futuro.

Después de mucho trabajo teórico y de observación, esencialmente hay tres grandes categorías de materia y energía que tenemos que considerar

D) Resumen: parámetros de la teoría del Big Bang

De la misma manera que toda teoría física, la TBB necesita de parámetros. Basándonos en el lo que hemos establecido hasta ahora, tenemos

Esto parece una lista larga de los parámetros - - tanto que uno podría argumentar que cualquier teoría con tantos parámetros podría encajar con cualquier grupo de observaciones. Sin embargo, como se dijo anteriormente, realmente no son independientes. Escogiendo un valor para el parámetro de Hubble inmediatamente afecta los valores esperados para las densidades y el parámetro de desaceleración. De la misma manera, una mezcla diferente de las densidades de componentes cambiarán la manera que el parámetro de Hubble varía con el tiempo. Además, hay una gran variedad de observaciones de cosmológicas que se pueden hacer, observaciones con metodologías, sensibilidades y asunciones sistemáticas diametralmente diferentes. Un modelo consensuado tiene que combinar con todos de los datos disponibles y, durante la última década en cosmología, combinar estos experimentos ha resultado en lo que ha sido llamado el "modelo de concordancias".

Esta imagen básica se construye sobre la base del llamado modelo "Lambda CDM". El Lambda demuestra la inclusión de la energía oscura en el modelo (específicamente la constante cosmológica, que implica una ecuación de estado donde la presión es igual a -1 veces de la densidad de energía). "CDM" es la abreviatura para para la "materia oscura fría (Cold Dark Matter)". Por lo tanto,, el nombre del modelo incluye lo que se cree son los dos componentes más importantes del universo: la energía oscura y la materia oscura. La abundancia de estos dos respectivos componentes y el tercer componente importante, la materia bariónica (u "ordinaria"), se muestra abajo en el gráfico circular (provisto por el Equipo Científico NASA/WMAP):

Contents of the universe

Como se dijo anteriormente, estos valores encajan los datos de una gran variedad de observaciones cosmológicas, las cuales son nuestro próximo tema.

2) Evidencias

Habiendo establecido las ideas básicas y la terminología de la TBB, ahora podemos considerar cómo los datos se comparan a lo que esperamos de la teoría. Como mencionamos al final de la última sección, no hay un solo experimento que es consistente con todos aspectos de la TBB. Antes bien, cualquier observación en particular provee comprender alguna combinación de los parámetros y aspectos de la teoría y tenemos que combinar los resultados de diferentes líneas de investigación para conseguir una imagen global lo más clara posible. Este tipo de enfoque será más evidente en las últimas dos secciones donde hablaremos de las evidencias para los dos aspectos más exóticos de la TBB actual: la materia oscura y la energía oscura.

A) Homogeneidad a gran escala

Regresando a nuestra discusión original de la TBB, Una de las suposiciones clave hecha para derivar la TBB a partir de la TGR era que el universo es, a gran escala, homogéneo. A pequeña escala, donde tropezamos con planetas, estrellas y galaxias, esta suposición no es obviamente verdadera. Como tal, no esperaríamos que las ecuaciones que gobiernan la TBB fueran una muy buena descripción de cómo funcionan estos sistemas. Sin embargo, cuando uno incrementa la escala de interés a escalas realmente grandes - cientos de millones de años luz - ésta se va convirtiendo en una aproximación mejor de la realidad.

Como un ejemplo, considere el dibujo vectorizado de abajo mostrando las galaxias del relevamiento de corrimiento al rojo de Las Campanas (proveído por Ned Wright). Cada punto representa una galaxia (aproximadamente 20,000 en la encuesta total) donde han medido tanto la posición en el cielo como el corrimiento al rojo y traducido a una ubicación en el universo. Imagine poniendo muchos círculos de un tamaño fijo sobre ese dibujo vectorizado y contar cuántas galaxias están dentro de cada círculo. Si usted usara una abertura pequeña (donde "pequeña" no es nada menos que decenas de millones de años luz), entonces el número de galaxias en cualquier círculo en particular va a fluctuar mucho en comparación con el número medio de galaxias en todos los círculos: algunos círculos estarán totalmente vacíos mientras que los otros podían tener más de una docena. Por otro lado, si usted usa círculos grandes (¡y permaneciendo dentro de sus límites!), la variación de círculo a círculo termina siendo muy pequeño comparado con el número medio de galaxias en cada círculo. Ésto es lo que los cosmólogos quieren decir cuando dicen que el universo es homogéneo. Un caso aún más fuerte para la homogeneidad puede hacer con la RFMC, del cual hablaremos más abajo.

Las Campanas Redshift Survey

B) Diagrama de Hubble

La idea básica de un universo en expansión es que la distancia entre dos puntos cualquiera se incrementa con el tiempo. Una de las consecuencias de este efecto es que, cuando la luz se desplaza a través de este espacio en expansión, su longitud de onda se distorsionada también. En la parte óptica del espectro electromagnético, la luz roja tiene una longitud de onda más larga que la luz azul, así que los cosmólogos se refieren a este proceso como corrimiento o desplazamiento al rojo (corrimiento al rojo). Cuanto más tiempo recorre la luz en el espacio que se expande, más corrimiento la rojo experimenta. Por lo tanto, ya que la luz viaja a una velocidad fija, la TBB nos dice que el corrimiento al rojo que observamos para la luz de un objeto distante debe estar relacionado con la distancia de ese objeto. Esta elegante conclusión se hace un poco más complicada por la pregunta qué quiere decir "distancia" en un universo en expansión (ver la sección "muchas distancias" de Ned Wright en su tutorial de cosmología para un resumen de lo que "distancia" quiere decir en la TBB), pero la idea básica permanece igual.

El corrimiento al rojo cosmológico es a menudo combinado engañosamente con el fenómeno conocido como el efecto Doppler. Éste es el cambio en la longitud de onda (del sonido o la luz) que uno observa debido al movimiento respectivo entre el observador y la fuente de sonido o luz. El ejemplo más común citado para este efecto es el cambio en el tono cuando un tren se acerca y luego se aleja del observador; mientras el tren se está acercando, el tono aumenta, seguido de un decrecimiento rápido cuando el tren se aleja. Debido a que la expansión del universo parece como algún tipo de movimiento relativo y sabemos de la discusión de más arriba que debemos ver fotones desplazándose al rojo, es tentador explicar el corrimiento al rojo cosmológico como simplemente otra manifestación del efecto Doppler. Efectivamente, cuando Edwin Hubble hizo sus mediciones de la expansión del universo por primera vez, su interpretación inicial era en relación con un verdadero y físico movimiento de las galaxias; de allí, las unidades sobre la constante de Hubble: kilómetro por segundo por megapársec.

Sin embargo, en realidad, el "movimiento" de las galaxias distantes no es verdadero movimiento como estrellas que giran alrededor del centro de nuestra galaxia, tierra que gira alrededor del Sol o incluso alguien que camina en la habitación. Antes bien, el espacio se está dilatando y se está llevando las galaxias a pasear. Esto se puede ver en la fórmula para calcular el corrimiento al rojo de una fuente de luz en particular. El corrimiento al rojo (z) está relacionado con la proporción de la longitud de onda observada (W_O) y la longitud de onda de la luz emitida (W_E) de la siguiente manera: 1 + z = W_O / W_E. La longitud de onda de la luz es ampliada en la misma proporción que el universo así que también sabemos que: 1 + z = a_O/a_E, donde a_O es el valor actual del factor de escala (puesto a 1 generalmente) y a_E es el valor del factor de escala cuando la luz fue emitida. Como uno puede ver, la velocidad está ausente en estas ecuaciones, verificando así nuestra primera afirmación. Más detalle en este punto se puede encontrar en Reconsideraciones sobre el corrimiento al rojo. Si uno insiste (y es muy cuidadoso sobre qué quiere decir exactamente "Distancia" y "Velocidad"), en entender el corrimiento al rojo cosmológico como efecto Doppler es posible, pero (por razones que analizaremos después) ésta no es la interpretación acostumbrada.

Como mencionamos antes, incluso después de que Einstein desarrolló la TGR, el consenso en astronomía era que el universo era estático y había existido por siempre. En 1929, sin embargo, Edwin Hubble hizo a series of mediciones en el Observatorio del Monte Wilson cerca de Pasadena, California. Usando estrellas variable Cefeidas en varias galaxias, Hubble descubrió que el corrimiento al rojo (que interpretó como una velocidad, como se dijo anteriormente) era toscamente proporcional a la distancia. Esta relación se hizo conocida como Ley de Hubble y provocó una serie de trabajos teóricos que se transformaron en la TBB moderna.

A primera vista, montar un diagrama de Hubble y determinar el valor de la constante de Hubble parecen muy fáciles. En la práctica, sin embargo, ésto no es el caso. Medir la distancia a las galaxias (y otros objetos astronómicos) nunca es simple. Como se dijo anteriormente, el único dato que tenemos del universo es la luz; imagine la dificultad de calcular la distancia a una persona que camina en la calle con exactitud sin saber qué tan alto es o si es capaz de mover su cabeza. Sin embargo, usando una combinación de geometría física y estadística, los astrónomos se las han arreglado para tener una series de métodos interrelacionados, conocido como la escalera de distancias, que son razonablemente confiables. La FAQ en Talk-Origins sobre cómo determinar distancias astronómicas Provee una detallada explicación de estos métodos, su aplicabilidad y sus limitaciones.

A la inversa, la otra parte de la ecuación, el corrimiento al rojo, es relativamente fácil de medir dado con los modernos equipos astronómico de hoy. Desafortunadamente, cuando uno mide el corrimiento al rojo de una galaxia, ese valor contiene más que sólo el corrimiento al rojo cosmológico. De la misma manera que las estrellas y los planetas, las galaxias tienen legítimos movimientos en respuesta a su ambiente gravitacional local: otras galaxias, grupos de galaxia, etcétera. Este movimiento es llamado velocidad peculiar en el lenguaje cosmológico y genera un corrimiento al rojo asociado (o corrimiento al azul!!) vía el efecto Doppler. Para galaxias relativamente cercanas, la amplitud de este efecto puede fácilmente hacer parecer pequeño el corrimiento al rojo cosmológic. El ejemplo más sorprendente de esto es el galaxia de Andromeda, dentro de nuestro propio Grupo Local. A pesar de estar a alrededor de 2 millón año luz de distancia, está en rumbo de colisión con la Vía Láctea y la luz de Andromeda está por consiguiente desplazada hacia el azul al final del espectro, en vez de al rojo. El resultado de esta complicación es que, si queremos medir el parámetro de Hubble, tenemos que mirar galaxias que están lo suficientemente lejos para que el corrimiento al rojo cosmológica sea más grande que los efectos de las velocidades peculiares. Esto fija un límite inferior de aproximádamente 30 millones año luz e incluso cuanto sobrepasamos esta marca, necesitamos tenemos un gran número de objetos para asegurarse de que los efectos de las velocidades peculiares se cancelen.

La combinación de estas dos complicaciones explica (en parte) por qué han tomado algunas décadas medir la constante de Hubble converger en un valor aceptado por la mayoría. Con el conjunto de datos actuales, la naturaleza casi lineal de la relación de Hubble está muy clara, como muestran las cifras abajo (basadas en los datos de Riess (1996); provisto por Ned Wright).

Hubble diagram

Como se dijo previamente, La versión estandar de la TBB supone que el origen dominante de la densidad de energía en los último miles de millones de años era la materia fría oscura. Introduciendo esta suposición en las ecuaciones controlando la expansión del universo, los cosmólogos esperaban ver que la expansión disminuyera la velocidad con el paso del tiempo. Sin embargo, en 1998, las mediciones de la relación de Hubble con supernovas distantes parecían indicar que lo contrario era lo verdadero. En vez de disminuir la velocidad, los últimos mil millones de años han visto la expansión del universo acelerar aparentemente (Riess 1998; Mediciones nuevas: Wang 2003, Tonry 2003). En efecto, lo que se observó es que la luz de las supernovas era más débil de lo esperado a partir del cálculo de su distancia usando la ley de Hubble.

Dentro de la TBB estandar, hay varias posibilidades de explicar este tipo de observación. La posibilidad más simple es que la geometría del universo es abierta (curvatura negativa). En este tipo de universo, la densidad de la materia está debajo del valor crítico y la expansión continuará hasta que la densidad de energía efectiva del universo sea cero. La segunda posibilidad es que las supernovas distantes estaban artificialmente atenuadas cuando la luz pasó de sus galaxias anfitrionas a observadores aquí en la Tierra. Este tipo de absorción por polvo interestelar es una problema muy común con las observaciones donde uno tiene que ver através del disco de nuestra propia galaxia así que uno fácilmente podía imaginar que algo así estaba pasando. Esta absorción es generalmente dependiente de la longitud de onda, sin embargo, los dos equipos que investigaban las supernovas distantes no vieron ninguno de estos efectos. Por poner un ejemplo, uno podía postular queel "Polvo gris" atenua objetos equitativamente en todas longitudes de onda. La posibilidad final es que el universo contiene algún tipo de energía oscura (ver las secciones 1c y 2n). Esto aceleraría la expansión, pero podía mantener plana la geometría.

En corrimientos al rojo debajo de la unidad (z < 1), estas posibilidades son todas muy poco indistinguibles, teniendo en cuenta la precisión disponible en las mediciones. Sin embargo, para un universo con materia oscura y energía oscura mezcladas, hay un punto de transición de la dominación de lo primero sobre lo último (exactamente de la misma manera que la transición entre la radiación dominante y la materia dominante de la expansión antes de la formación de la RFMC). Antes de ese momento la materia oscura era la dominante así que la expansión debía haber estado reduciendo la velocidad, solo comenzando a acelerar cuando la densidad de la energía oscura superaba la de la materia. Esta así llamada sacudida cósmica insinúa que las supernovas antes de este punto deben ser perceptiblemente más brillantes de lo que uno esperaría de un universo abierto (la desaceleración continua) o un universo con polvo gris (disminución constante). Las nuevas mediciones en corrimiento al rojos bien por encima de la unidad han mostrado que esta "sacudida" es efectivamente lo que vemos - - hace aproximadamente 8 mil millones años nuestro universo se desplazó lentamente desde una reducción de la velocidad a una expansión acelerada, exactamente como predijeron los modelos de energía obscura (Riess 2004).

C) Abundancia de elementos ligeros

Como mencionamos antes TBB estandar no incluye el origen de nuestro universo. Bastante, simplemente hace un recuento del universo hasta el punto cuando estaba sumamente caliente y denso. Exactamente cuán caliente y denso podría estarlo y todavía ser razonablemente descrito por la TGR es una área de investigación activa pero podemos irnos a temperaturas y a densidades bien por encima de lo que uno encontraría en el centro del sol.

En este límite, tenemos temperaturas y densidades lo suficientemente altas que los protones y neutrones existían como partículas libres, no contenidas en los núcleos atómicos. Esta fue la era de la nuclesíntesis primigenia, durando la mayoría de los primeros tres minutos de la existencia de nuestro universo (de allí el título del libro famoso de Weinberg "Los primeros tres minutos"). Una descripción detallada de la nucleosíntesis del Big Bang (BBN) puede encontrarse en el sitio web de Ned Wright, incluyendo las reacciones nucleares relevantes, dibujos y referencias. Para nuestros propósitos una introducción breve bastará.

Como en el núcleo de nuestro sol, los protones y los neutrones libres en el universo temprano pasaron por la fusión nuclear, produciendo núcleos de helio principalmente (He3 y He4), con un remanente de deuterio (una forma de hidrógeno con un núcleo neutrón-protón), litio y berilio. A diferencia de aquellos en el sol, las reacciones duraron solamente un breve momento gracias al hecho de que la temperatura y densidad del universo estaban bajando rápidamente cuando se dilató. Esto quiere decir que los núcleos más pesados no tenían una oportunidad de formarse durante este momento. En vez de eso, esos núcleos se formaron después en estrellas. Los elementos con los números atómicos hasta el hierro son moldeados por la fusión en núcleos estelares, mientras que los elementos más pesados son producidos en supernovas. Información adicional sobre nucleosíntesis estelar se puede encontrar en páginas de la Wikipedia y en la sección 2g más abajo.

Armado con TBB estandar (más fácil esta vez debido a que sabemos que la expansión fue dominada por la radiación en ese momento) y un poco de física nuclear, los cosmólogos pueden hacer pronósticos muy precisos sobre la respectiva abundancia de los elementos ligeros a partir de la BBN. Como con el diagrama de Hubble que combina, sin embargo, hacer cuadrar las predicciones con las observaciones es más fácil de decir que hacer. La abundancia de elementos se puede medir de diferentes maneras, pero el método más común es mirando la fuerza relativa de las características espectrales en estrellas y galaxias. En cuanto la abundancia es medida, sin embargo, tenemos un problema similar al de la sección previa acerca de a las velocidades peculiares: ¿cuánto de los elementos se produjeron durante la BBN y cuánto se produjo después durante nucleosíntesis estelar de elementos?

Para resolver este problema, los cosmólogos usan dos enfoques:

De la misma manera que la mayoría de las predicciones de la TBB, la abundancia de elementos primigenios depende de algunos parámetros. Los que importan en este caso son el parámetro de Hubble (la velocidad de expansión determina cuán rápidamente el universo va de caliente y denso para producir la nucleosíntesis a suficientemente frío y tenue para detenerla) y la densidad bariónica (para que la nucleosíntesis ocurra, los bariones tienen que chocar y la densidad de ellos nos dice cuán a menudo ocurre eso). La dependencia sobre ambos parámetros generalmente es expresada como una dependencia simple en el parámetro conjunto OmegaB h2 (como se ve en el dibujo abajo, suministrado por Ned Wright).

Abundance of light elements

Como esta cifra implica, hay dos pliegues de comprobación para la teoría. Antes que nada, las mediciones de varias de las abundancia de los elementos deben producir un valor consistente de OmegaB h2 (la intersección de las bandas horizontales y las líneas varias). En segunda, mediciones independientes de OmegaB h2 de las otras observaciones (como los resultados del WMAP en la sección 2e) deben producir un valor que es compatible con la composición de la abundancia primigenia (la banda vertical). Ambos enfoques fueron usados en el pasado; antes de los resultados precisos del WMAP para la densidad bariónica, el primero se usó más frecuentemente. Para una descripción detallada de lo que se sabía en 1997, mirar nucleosíntesis de la gran explosión ingresa en la era de la precisión.

Una de las principales pruebas de la teoría del Big Bang las observaciones que muestran que, cuando uno ve objetos más y más viejos, la abundancia de la mayoría de los elementos pesados se hace más y más pequeña, tendiendo al cero. Por contraste, la abundancia de helio se va a un valor con límite casi cero. Las mediciones muestran consistentemente que la abundancia de helio, incluso en objetos muy viejos, todavía está alrededor del 25 % del monto total de materia "normal". Y eso corresponde al valor que la TBB pronostica para la producción de Helio durante la nucleosíntesis primigenia. Para más detalles, vea Olive 1995 o Izotov 1997. También mirar la gráfica de más abajo, comparando la predicción de la TBB con la del modelo del universo estacionario (datos tomados de Turck Chieze 2004, gráfica provista por Ned Wright).

Abundance of helium vs. oxygen

Cálculos recientes tanto así como referencias a observaciones recientes pueden encontrarse en Mathews (2005). En estudios más antiguos, había algunos problemas con galaxias que tenían abundancia de helio aparentemente muy bajo (específicamente I Zw 18); este problema fue tratado y ha sido resuelto desde entonces (cf.. Luridiana 2003).

D) Existencia de la radiación de fondo de microondas cósmica (RFMC)

Aunque los núcleos atómicos fueron creados durante la BBN, los átomos como los pensamos normalmente todavía no existían. Antes de eso, el universo estaba lleno de un plasma caliente hecho de núcleos libres muy densos y electrones. En un ambiente así, la luz no puede viajar libremente; los fotones se están dispersando constantemente de las partículas cargadas. De igual manera, cualquier núcleo que se liga a un electrón a un electrón tropezaría con un fotón lo suficientemente cargado que rompería el enlace rápidamente.

Como con la era de BBN, sin embargo, el universo no se quedaría caluroso y denso lo suficiente para mantener este estado. Al final (después de aproximadamente 400,000 años), el universo se enfrió hasta el punto en que los electrones y núcleos podían formar átomos (un proceso que es descrito con el confuso término "Recombinación"). Debido a que los átomos son electricamente neutros solo interactúan con fotones con cierta energías solamente, la mayoría de los fotones repentinamente fueron capaces de recorrer distancias mucho más grandes sin interactuar con ninguna materia (generalmente esta parte del proceso es descrita con el término "descomposición"). El universo se hizo transparente y los fotones a partir de ese momento han estado moviéndose libremente en todo el universo. Y, debido a que el universo se ha dilatado muchísimo, las longitudes de onda de estos fotones han sido distorsionadas muchísimo (por sobre un factor de 1000).

De este escenario básico, podemos hacer dos predicciones muy poderosas para esta radiación residual:

La existencia de esta radiación de fondo fue sugerida por Gamow primero al mismo tiempo que Alpher y Herman en 1948. Sus predicciones iniciales correctamente decían que la temperatura de la radiación, que habría sido de luz visible durante la descomposición, de desplazaría a la región de microondas del espectro electromagnético en este momento. Eso, combinado con el hecho de que la fuente de la radiación lo puso "por detrás" de las fuentes de liz normales como las estrellas y las galaxias, dio su nombre a esta radiación: la radiación de fondo de microondas cósmica (RFMC o simplemente RF).

[N. del T: la parte siguiente del artículo no ha sido revisada en su traducción]

Mientras a grandes rasgos estaban en lo correcto, los Gamow, Alpher y Herman cálculos aproximados para la temperatura exacta no eran tan precisos. El rango inicial estaba entre 1 K (grado Kelvin) y 5 K, usando modelos algo diferentes para el universo (Alpher 1949), y en un libro posterior Gamow estiró esta aproximación a 50 K. Los mejores cálculos aproximados hoy en día ponen la temperatura en 2,725 K (Mather 1999). Mientras esto puede parecer una discrepancia grande, es importante tener en cuenta que el pronóstico depende de varios parámetros cosmológicos (el más notablemente es la constante de Hubble) que no eran conocidos con exactitud en ese momento. Volveremos a este punto más adelante, pero tomemos un momento para hablar de las mediciones que resultaron en el valor actual (la página de Ned Wright sobre RFMC también es digna de leer para más detalles sobre la historia temprana de las mediciones de RFMC).

El primer intento intencional de medir la RFMC fue hecho por Dicke y Wilkinson en 1965 con un instrumento montado sobre el techo del departamento de física de Princeton. Mientras todavía estaban formulando su experimento, fueron sacados por dos ingenieros de Bell Labs que trabajaban en la transmisión de microonda como una herramienta de comunicaciones sin querer. Penzias y Wilson habían desarrollado un receptor de microondas pero ser unable eliminar un ruido de fondo persistente que seem afectar el auricular no importa dónde lo apuntaron en el cielo, de día o de noche. Al se contactar con Dicke para el consejo sobre el problema, se daban cuenta de qué habían observado y recibieron el premio Nobel al final para física en 1978. Más detalle sobre el descubrimiento está disponible aquí.

Desde entonces, las mediciones de la temperatura y distribución de energía dla RFMC han mejorado dramáticamente. Medir la RFMC del suelo es difícil porque microwave radiation es absorbido por vapor de agua enérgicamente en la átmosfera. Para evitar este problema, los cosmólogos han usado globos a gran altitud cohetes balísticos y satélite - los experimentos nacidos. El experimento más famoso que se concentraba en la temperatura dla RFMC era el satélite de COBE (El Explorer de fondo cósmico). Giró alrededor de la tierra, tomando los datos de 1989 a 1993.

COBE era en realidad algunos experimentos en uno. El instrumento de DMR midió los anisotropies en la temperatura de RFMC al otro lado del cielo (¿usted ve? más abajo) Mientras el experimento de FIRAS midió la temperatura total dla RFMC y su distribución de energía espectral. Como dijimos antes, el pronóstico de TBB es que la RFMC debe ser un blackbody perfecto. FIRAS encontró eso al que esto era verdadero un grado raro. La trama abajo (proveído por Ned Wright) indica el espectro de RFMC y el mejor blackbody apto. Como uno puede ver, las barras de error, que son muy pequeñas, son en realidad 400 desviaciones típicas. A decir verdad, la RFMC está tan cerca de un blackbody como algo que podemos crear aquí sobre Tierra.

Spectrum of the CMBR

En muchos orígenes de cosmología alternativos, uno tropezará con la afirmación de que la RFMC no era un pronóstico genuino de TBB, but bastante un "Retrodiction" desde los valores para la temperatura de RFMC que Gamow pronosticó antes de que la medición fuera diferente/s del valor mesurado eventual significativamente. Por lo tanto,, el argumento se va, el" valor de "Derecha" podía ser obtenido ajustando que los parámetros de la teoría se ajusten al observar solamente. Este extraña dos puntos cruciales:

Una prueba final de los orígenes de cosmológica dla RFMC viene de mirar galaxias distantes. Debido a que la luz de estas galaxias fue emitida en el pasado, esperaríamos que la temperatura dla RFMC fuera en consecuencia más alta en ese momento. Revisando la distribución de la luz de estas galaxias, podemos conseguir una medición cruda de la temperatura dla RFMC cuando la luz que estamos observando ahora fue emitida (por ejemplo Srianand 2000). El estado en curso de esta medición es mostrado en la trama abajo (proveído por Ned Wright). La precisión de esta medición no es obviamente casi tan gran como vimos con los datos de COBE, pero están de acuerdo con los pronósticos de TBB básicos para la evolución de la temperatura de RFMC con corrimiento al rojo (y no estar de acuerdo con el lo que uno would esperar para uno RFMC generado significativamente de la luz de las estrelllas corrimiento al rojoed o el semejante).

Changing temperature of the CMBR

E) fluctuaciones en la RFMC

Como se menciona en el punto previo, la temperatura dla RFMC es sumamente uniforme; las diferencias en la temperatura en ubicaciones diferentes sobre el cielo son debajo de 0.001 K.. Debido a que tema y radiación fueron juntados fuerte durante las etapas más tempranas del universo, esto insinúa que la distribución del tema era también inicialmente uniforme. Mientras esto se ajusta a nuestra suposición de cosmológica básica, resulta en la pregunta de cómo nos fuimos de ese universo muy uniforme a la distribución decididamente clumpy del tema que vemos sobre balanzas pequeñas hoy. ¿En otras palabras, cómo podían haberse formado de un gas esencialmente homogéneo planetas, estrellas, galaxias, grupos de galaxia, etcétera?

In estudiar esta pregunta, cosmólogos terminarían desarrollar uno de los pronósticos más fuertes y espectacularmente prósperos de TBB. Antes de describir el equipo de teoría de cosas, sin embargo, tomaremos un desvío breve en la historia de medir fluctuaciones ("Anisotropies" en términos de cosmológica) en la RFMC.

El primer intento de medir las fluctuaciones en la RFMC fue hecho como part of el COBE (El Explorer de fondo cósmico) la misión. Como part of su misión cuatro años durante el a comienzos de 1990s, usó un instrumento called el DMR para buscar las fluctuaciones en la RFMC al otro lado del cielo. Sobre la base de the then - modelos de TBB en curso, las fluctuaciones observadas por el DMR eran mucho más pequeño de lo esperado. Debido a que el instrumento había sido diseñado con los amplitudes de fluctuación esperadas en mente, las observaciones terminaron estar justo encima del umbral de sensibilidad del instrumento. Esto resultó en la especulación de que la "Señal" era simplemente el ruido estadística, pero era enough generar varios intentos siguientes buscar la señal.

Con las observaciones de satélite todavía cerca, los datos durante the following década fueron coleccionado usando - experimentos resistidos de globo principalmente (ver la lista En el(la/los/las) de administración espacial norteamericana Centro de datos de RFMCPara una historia minuciosa). Estos experimentos a gran altitud podían get encima de la mayoría vasta del vapor de agua en la átmosfera para una mirada más clara en el cielo de RFMC at the expense of una relativamente pequeño amount of vez observing. Esto limitó la cantidad de la cobertura de cielo que estas misiones podían conseguir, pero podían demostrar que la señal vista por COBE era legítima concluyentemente y (en menor grado) que las fluctuaciones se ajustaban a los pronósticos de TBB.

En 2001, la investigación de mapa (Investigación de Anisotropy de microondas) ser iniciado, después respecto a - nombrado para WMAP en el honor deWilkinsonQuién haber sido part of el equipo original que buscaba la RFMC back in the 1960s. A diferencia de COBE, WMAP fue enfocado completamente sobre la cuestión de medir las fluctuaciones de RFMC. Se basar en la experiencia y los avances tecnológicos se desarrolló para las misiones de globo, tenía mucho mejor que COBE resolución angular (vea la imagen abajo del equipo de Science de la administración espacial norteamericana / WMAP). También evitó uno de los problemas que habían atormentado la delegación de COBE: la emisión de gas térmica fuerte de la tierra. En lugar de girar alrededor de la tierra, el satélite de WMAP suponía que un viaje de tres meses lo hacer/siera L2, El segundo punto de Lagrangian en la tierra - el sistema de Sun. Este meta - idea estable es más allá de la tierra la ruta de circunvalación estar alrededor del sol, roughly uno décimo tan lejos como la tierra es del Sun. Ha estado ahí, tomando los datos, desde entonces.

Comparsion of the sky maps taken by COBE and WMAP

En la primavera de 2003, los resultados del primer año de la observación eran - lanzados al mercado y eran asombrosos en su precisión. Como un ejemplo, por décadas la edad del universo no había sido sabida hacerlo/serlo mejor que aproximadamente dos mil millones años. Combinando los datos de WMAP con las otras mediciones disponibles, repentinamente sabíamos la edad del universo a menos de 0.2 mil millones años. General, los parámetros que habían sido sabidos a menos de 20 - 30 % vieron sus errores shrink a less than 10 por ciento o mejor. Para una descripción más llena de cómo afectaron nuestro conocimiento de TBB los datos de WMAP, vea los resultados de misión del sitio web de WMAP. Esa página es dirigida a un profano audiencia; más técnico del que el detalle puede ser encontrado en su lista su Trabajos de primer año.

Así que, ¿cómo sucedió este salto asombroso en la precisión? La respuesta está tendida en el conocimiento un poco sobre qué ocurrió entre el tiempo cuando el tema y la radiación tenían densidad de energía iguales y el tiempo de decouple. Una descripción más llena de esto puede ser encontrado en las páginas de Anisotropy de CMB de Wayne Hu Y el(la/los/las) de Ned Wright Páginas. Después del tema - la igualdad de radiación material oscuro era eficazmente decoupled de la radiación (el tema normal se quedaba juntado desde que todavía era un plasma ionizado). Esto quiso causar cualquier inhomogeneities (surgir de las fluctuaciones de cuanto esencialmente) a eso en la materia obscura que la distribución rápidamente empezaría para desplomarse y formar la base para el desarrollo posterior de la estructura a gran escala (las semillas de estos inhomogeneities fueron colocadas durante la inflación, pero haremos caso omiso de eso para la discusión en curso). La balanza física más grande por éstos inhomogeneities en cualquier momento era the then - tamaño en curso del universo observable (debido a que el efecto de la gravedad también se desplaza en la velocidad de la luz). Estos grupos de tema oscuros poner Pozos potenciales gravitacionales Eso dibujó materia más oscura tanto como el mezcla de baryon de - de radiación.

A diferencia dla materia obscura, la radiación - el fluido de baryon tenía una presión asociada. En lugar de se reducir a la parte inferior del potencial gravitacional bien, oscilaría, se comprimiendo hasta que la presión superó el tirón gravitacional y luego se dilatando hasta que el contrario era verdad. Este puso lugares calurosos donde la compresión era más grandes lugares fríos donde el fluido se había hecho su más enrarecido. Cuando los baryons y la radiación decoupled, este dibujo fue congelado sobre los fotones de RFMC, resultando en los sitios calurosos y fríos que observamos hoy.

Obviamente, el dibujo exacto de estas diferencias de temperatura no nos indica algo en particular. However, si recordamos que el tamaño más grande por los espacios calurosos corresponde al tamaño del universo visible en cualquier momento, eso nos dice eso, si podemos find el tamaño angular de estas diferencias sobre el cielo del que, entonces/luego ese ángulo más grande corresponderá al tamaño del universo visible en la época decouple. Para hacer esto, medimos qué ser conocido como el espectro a motor anguloso dla RFMC. En pocas palabras, encontramos todos los puntos sobre el cielo que están separado por una balanza angulosa en particular. Para all of those pares, encontramos la diferencia de temperatura y el promedio sobre todos de los pares. Si nuestra fotografía básica es correcta, entonces/luego debemos ver un realce del espectro a motor en la balanza angulosa de la compresión más grande, another one en el tamaño del a mayor escala que ha sufrido la compresión y está en rarefaction de máximo (el espectro a motor es solamente consciente del cuadrado de la diferencia de temperatura tan caliente los lugares y lugares fríos son equivalentes), etcétera. Esto resulta en una serie de lo que es conocido como los "Máximos apogeos acústicos", el puesto exacto y forma de que decir a nosotros sobre no sólo el tamaño del universo en decouple, sino también la geometría del universo muchísimo (ya que estamos mirando la distancia angulosa; ver 1b) Y los otros parámetros de cosmológica.

La cifra abajo del equipo de Science de la administración espacial norteamericana / WMAP muestra los resultados de la medición de WMAP del espectro a motor anguloso usar el primer año de los datos de WMAP. Además de la balanza angulosa tramado sobre el eje de - de x superior, las tramas del espectro a motor anguloso son mostradas como una función de "L" en general. Esto es el número de multipole y es convertido en un ángulo dividiendo 180 grados por los litros aproximadamente. Para más detalle sobre esto, usted puede hacer una búsqueda de Google sobre "Expansión de multipole" o verificar esta página. Las páginas de ciencia de WMAP también proveen una introducción para esta manera de mirar los datos.

Angular power spectrum

Como con la medición de temperatura de COBE, el acuerdo entre la forma pronosticada del espectro de potencia de RFMC y las observaciones verdaderas es sorprendente. El - de globo tenido que experimentos (particularmente bumerán, máximos, y DASI) estaban capaz proveer convenciendo WMAP hace detections de los primeros máximos apogeos acústicos segundos, pero ninguno de esos experimentos podían correlacionar una área grande lo suficientemente del cielo combinar con los datos de DMR de COBE. WMAP llenó esa brecha y proveyó la medición mucho más apretada de los puestos de los primeros máximos apogeos segundos. Ésta era una confirmación muy importante de no solamente la versión de CDM de Lambda de TBB, pero también la imagen básica de cómo el cosmos pasar de una - de radiación temprano dominado, - de plasma llenó universo al tema - universo dominado donde la mayor parte de la estructura a gran escala que vemos hoy empezó a formarse.

F) Estructura del universo a gran escala

Los sitios calurosos y fríos que vemos sobre la RFMC hoy eran las regiones altas y de baja densidad a la época en que la radiación que observábamos hoy fue emitida primero. En cuanto el tema tomó el mando como la fuente dominante de la densidad de energía, estas perturbaciones eran free crecer acumulando otra materia de sus entorno. Inicialmente, el tema se desplomando acabaría de ser material oscuro desde que los baryons todavía eran relacionado a la radiación. Después de la formación dla RFMC y decouple, sin embargo, los baryons también cayó en los pozos gravitacionales puestos por la materia obscura y empezó a moldear estrellas, galaxias, grupos de galaxia, etcétera. Los cosmólogos refer to esta distribución del tema como la "Estructura a gran escala" del universo.

Como una regla general, hacer los pronósticos para las propiedades estadísticas de la estructura a gran escala puede ser muy estimulante. Para la RFMC, las desviaciones de la temperatura de media son muy pequeñas teoría de perturbación lineal es una muy buena aproximación. En comparación, la densidad del tema en nuestra galaxia comparado con la densidad de media del universo es enorme. Por consiguiente, hay dos opciones básicas: haga las mediciones sobre muy balanzas físicas grandes donde las diferencias en la densidad son típicamente mucho más pequeñas o compare las mediciones con las simulaciones del universo donde los efectos lineales non - de la gravedad pueden ser hecho un modelo. Ambos de estas opciones requieren la inversión importante en tanta teoría como equipo físico, pero los últimos varios años han causado algunas confirmaciones excelentes de la fotografía básica.

Como mencionamos en la última sección, el proceso que resultó en la generación de los máximos apogeos acústicos en el espectro de potencia de RFMC fue impulsado por la presencia de un apareamiento ajustado entre fotones y baryons sólo antes de decouple. Este fluido caería en los pozos potenciales gravitacionales puestos por la materia obscura (que no interactuar con fotones) hasta que la presión en el fluido contrarrestaría el tirón gravitacional y el fluido se dilataría. Esto resultó en lugares calurosos y lugares fríos en la RFMC, pero también resultó en donde la densidad del tema era un poco más alta places gracias a los baryons adicionales ser arrastrado hacia adelante por los fotones y las áreas donde la contrario era verdadero. Como con la RFMC, el tamaño de estas áreas fue determinado por el tamaño del universo observable at the time de decouple, por eso ciertas balanzas físicas serían aumentadas si usted mirara el espectro a motor anguloso de los baryons. Por supuesto, en cuanto el universo se fue a través de decouple, los baryons cayó en los pozos gravitacionales con la materia obscura, pero esas balanzas persistirían cuando los "Meneos" sobre el tema en conjunto suministran energía al espectro.

Por supuesto, cuando el tamaño del universo creció, la balanza física de esos meneos aumentó, llegando a aproximadamente 500 millón año luzs al final hoy. Hacer una medición estadística de objetos separado por esos tipos de las distancias requiere encuestar un volumen muy grande del espacio. En 2005, dos equipos de cosmólogos Informó sobre las mediciones independientes de la característica de baryon esperada. Como con el poder de RFMC el espectro, tan confirmado que los cosmólogos de modelo han desarrollado para el crecimiento inicial de la estructura a gran escala era un buen fósforo al lo que veíamos en el cielo.

El segundo método para comprender la estructura a gran escala es vía las simulaciones de cosmológica. La idea básica detrás de todas simulaciones es esta: ¿si fuéramos un cuerpo grande y podíamos sentir la atracción gravitacional de todos the other cuerpos grandes en el universo y la geometría en conjunto del universo, adónde nos iríamos después? Las simulaciones responden a esta pregunta quantizing tanto tema como el tiempo. Una típica simulación tomará n partículas (where Nis un número grande; por lo tanto el N de término - la simulación de cuerpo) y destínelos a uno tres - la cuadrícula dimensional. Esos puestos iniciales son entonces/luego perturbed imitar las fluctuaciones iniciales en la densidad de energía de la inflación ligeramente. Dado los puestos de todas estas partículas y habiendo elegido una configuración por nuestro universo fingido, podemos calcular dónde deben irse en el próximo bit pequeño del tiempo todas estas partículas ahora. Cambiamos de lugar todas las partículas en consecuencia y luego lo recalculamos y hacemos otra vez.

Obviamente, esta técnica tiene límites. Si atribuimos un montón en particular a todas nuestras partículas, entonces/luego las mediciones de la masa debajo de cierto límite serán enérgicamente quantizeds (y por lo tanto inexacto). Igual, el alcance de balanzas de longitud es limitado: de arriba por el volumen del trozo del universo que hemos decidido simular y abajo por el resolver escalar de nuestras partículas masivas. También hay el problema que, sobre balanzas pequeñas por lo menos, la física que condiciona donde baryons se irá involucra más de lo que sólo la gravedad; la dinámica de gas y los efectos de la formación de estrella son simulando baryons (y por lo tanto, la parte del universo que podemos en realidad ver el!) Estimulante. Definitivamente, no esperamos la distribución exacta de la masa en la simulación para decirnos ninguna cosa en particular; solamente queremos comparar las propiedades estadísticas de la distribución con nuestro universo. Este artículo Habla de estos métodos estadísticos en el detalle además de proveer las referencias a los datos de observación relevantes.

Todavía, teniendo en cuenta todos estos defectos, los esfuerzos de simular el universo han mejorado tremendamente sobre las últimas décadas, tanto de un equipo físico y un punto de vista de software. Blanco (1997) Examina los fundamentos de la estructura fingida que la formación tanto como el de observación evalúa que uno puede usar para comparar las simulaciones con los datos legítimos. Muestra los resultados para cuatro sabores diferentes de modelos - - incluyendo tanto the then "Materia oscura fría" universo de nivel de - como un universo con una constante de cosmológica. Este estaba poniendo la mentira a la afirmación de que, antes de los datos de supernovas, la posibilidad de que la constante de cosmológica era el cero non - fue hecha caso omiso de en la literatura de cosmológica antes de que los resultados de supernovas fueran dados a conocer. Un universo de CDM era el favorito at the time, pero cosmólogos eran bien conscientes del hecho de que los datos no eran eliminar algunos modelos variantes lo suficientemente poderoso.

El Columbi (1996) El papel es también un buen ejemplo de este conocimiento. En este artículo modelos varios que contenían las cantidades diferentes de materia oscura caliente y fría eran simulados, tan bien como los intentos para incluir "Calientan" materia oscura (i.e. materia oscura que no es muy relativista, pero todavía en movimiento tener presión importante lo suficientemente rápido). Su Figure 7 provee una comparación visual bonita entre distribuciones de galaxia observadas y los resultados de los universos sintéticos varios.

En 2005, el Virgo consorcioLiberó el "Simulación de milenio"; los detalles pueden ser encontrados sobre ambos el Virgo página de inicio y Esto pageEn el Max Planck instituto para astrofísica. Usando el modelo de concordancias (librado de corresponder a los resultados de los estudios de supernovas, las observaciones de WMAP, etcétera), estas simulaciones pueden reproducir los distribuciones de galaxia a gran escala observado muy bien. Sobre balanzas pequeñas, todavía hay un poco de desacuerdo, sin embargo (vea abajo para una discusión más detallada).

G) La edad de las estrellas

Debido a que las estrellas son una parte del universo, naturalmente sigue que, si TBB y nuestras teorías de la formación sobresaliente y la evolución son más o menos correctas, entonces/luego no debemos esperar ver a estrellas más viejas que el universo (3d de comparación!). Más precisamente, el Observaciones de WMAP Sugera que las primeras estrellas fueran "Nacidas" cuando el universo era solamente aproximadamente 200 millón años, así que debemos esperar ver a ningunas estrellas que son más viejo que aproximadamente 13.5 mil millones años. Por otro lado modelos de evolución sobresalientes nos dicen que el más bajo - estrellas masivas (aquellos con una mole roughly 1/10 eso de nuestro Sun) es esperados "Vivir" durante decenas de billones de años así que hay una oportunidad para el desacuerdo importante.

Antes de ahondar en este asunto más lejos, un poco de nomenclatura es necesaria. Los astrónomos asignan la formación sobresaliente en tres generaciones called "Poblaciones" en general. El distinguir característico aquí es la abundancia de elementos con la masa atómica más grande que el helio (éstos son refer to como "Metales" en la literatura astronómica y la abundancia de metales como el "Metallicity" de la estrella all). Cuando explicamos en 2c de sección, A una muy buena aproximación nucleosíntesis primigenia produjo solamente helio e hidrógeno. Todos los metales fueron producidos después en los núcleos de estrellas. Así, las poblaciones de estrellas están bruscamente separadas por su contenido de metal; la población a quien tengo como protagonista (de la misma manera que nuestro sol) tiene un metallicity alto, mientras que las estrellas de Population II son mucho más pobres en los metales. Debido a que el contenido de metal de nuestro universo aumenta con el tiempo (cuando las estrellas tienen más y más el tiempo de unir elementos más ligeros en ones más pesados), metallicity también actúa como un indicador desigual por cuando una estrella en particular fue moldeada. Las creación sobresalientes diferentes también son resumido en este artículo.

Aunque no puede ser inmediatamente obvio, la abundancia de metales durante la formación de estrella tiene un impacto importante en la población sobresaliente dar como resultado. El problema básico de la formación de estrella Es que la identidad - la gravedad de una nube en particular del gas interestelar tiene que superar la presión térmica de la nube; nubes donde esto ocurre se derrumbarán al final para moldear estrellas mientras que ésos donde no hace la voluntad se quedan nubes. Cuando una nube de gas se derrumba, la energía gravitacional es traspasada en la energía térmica y la nube se calienta. Por turno, esto incrementa la presión y hace la nube less likely derrumbarse más lejos. El truco, entonces/luego, es irradiar a que la energía térmica adicional tan eficientemente tan posible por eso que se desploma puede continuar. Los metales cuidan tener una estructura de electrón más complicada y son more likely moldear moléculas que hidrógeno o helio, haciéndolos la energía en irradiar a térmica mucho más eficiente. En la falta de tales vías, la única manera de get alrededor de este problema es incrementando el lado gravitacional de la ecuación, i.e., la mole de la nube de gas se derrumbando. Por lo tanto, para una nube interestelar en particular, más metales resultarán en una fracción más alta de estrellas masivas bajas, respectivo a las estrellas causadas por un metal - nube mala.

El caso extremo con respecto a esto es las estrellas de Population III. Éstos eran the very primero con el que la generación de estrellas y los por lo tanto ellos se formaron prácticamente ningunos metales en todos. Como such, su distribución masiva fue distorsionada en exceso hacia el final masivo alto del espectro. Un poco de los detalles y las implicancias de esta situación pueden ser encontrados en esta charla sobre reionization Y éstos Dos Artículos Sobre las primeras estrellas.

Observar esta población de estrellas directamente would ser una muy bueno pieza de pruebas para TBB. Desafortunadamente, la vez de vida de estrellas (que es decir la época durante la que están uniendo hidrógeno en sus núcleos en helio) disminuye enérgicamente con su mole. Para una estrella como nuestro sol, la vida es del estilo de 10 mil millones años. Para la población III protagoniza, que son esperado tener una típica mole a la que around 100 veces eso del sol, esta vez shrink en torno de años de unos cuantos millones (un instante, por los padrones de cosmológica). Por lo tanto, debemos mirar regiones de universo donde la luz que observamos fue emitida primero al borde de la época cuando estas estrellas brillaron. Esto quiere decir que la luz será tanto débil como muy corrimiento al rojoed (z ~ 20). La combinación de estos dos efectos hace las observaciones del suelo en gran parte impracticable, pero puede ponerse posible when el telescopio de espacio de James Webb Empieza el servicio.Primeros resultados prometedores Ser obtenido sólo recientemente by elSpitzer infrarrojo telescopio de espacio.

De la misma manera que estrellas hoy, estrellas de Population III moldearon elementos pesados en sus núcleos (por la fusión nuclear), E incluso elementos más pesados cuando se fueron Supernova. Estos metales fueron dispersados en todo el espacio por las supernovas que las explosiones y las estrellas de Population II moldearon. Con la ayuda del enfriamiento de metal, estrellas masivas más bajas podían formarse, que todavía se están quemando hoy lo suficientemente bajo. Las estrellas de II de población son vistas de forma preferencial en grupos globulares que giran alrededor de la galaxia y en la protuberancia galáctica. Por usar el Hertzsprung - diagrama de Russell, Los astrónomos pueden conseguir un cálculo aproximado de cuándo las estrellas en un grupo globular (o el otro grupo de estrella) se formaron. Esto es explicado en más detalle presente el Pregunta frecuente sobre determinar las distancias a objetos astronómicosO sobre esta página aproximadamente el Hertzsprung Russell Diagram y evolución sobresaliente.

Un segundo método de determinar la edad sobresaliente está en las capas exteriores de una estrella midiendo el contenido de beryllium. Aplicar esta técnica al grupo globular NGC 6397, lo Pasquini (2004) Encontrar una edad de 13.4 mil millones años, plus or minus 800 millón años (mayor cantidad en la que los detalles pueden ser encontrados Este artículo). Los otros estudios desean Krauss (2003) Y Hansen (2004) Resultados similares obtenidos con los métodos relacionados: 12.2 y 12.1 mil millones años, respectivamente, con los errores on ordenan 1 a 2 mil millones años.

Las incertidumbres grandes en estas edades ser en parte debido a que estos métodos dependen de nuestro desarrollo de ofstellar de teoría crucialmente("Evolución sobresaliente"), cuál por turno depender de que nuestro conocimiento de las reacciones nucleares pase en estrellas. A pesar de las energías relativamente bajas, los detalles para algunas de estas reacciones se quedan algo imprecisos.

Recientemente, los nuevos resultados fueron obtenidos sobre la velocidad de una cadena de reacción nuclear Cuál ser muy importante en las estrellas, el tan - llamarCiclo de CNO. Este estudio (Imbriani 2004) Reveló que la velocidad de esta reacción era far más lenta que ser asumido antes. Esto insinúa que las estrellas son más viejas que asumir antes, junto a algo entre 0.7 y 1 mil millones años por turno. Usando los datos de Pasquini, esto insinúa que las estrellas más mayores en el Milky Way son 14.1 a 14.4 mil millones años years viejo. Esto es más viejo que el age of el universo determinó de las otras mediciones (comparar los datos de WMAP, 2d); Pero uno tiene que tener en cuenta los errores relativamente grandes relacionados con estas determinaciones de edad (vea de arriba). Así que estas edades de estrella todavía son compatibles con el age of el universo resuelto en las otras maneras.

Como apuntar por Dauphas (2005), Es también posible determinar la edad del Milky Way sin depender de las suposiciones sobre los detalles de las reacciones nucleares pasar en las estrellas. Usó mediciones del uranio (- 238 de U) y abundancia de torio (- 232 de Th), tanto en el sistema solar y en estrellas de halo de metallicity de - bajos para determinar el age de nuestra galaxia. Su resultado era 14.5 mil millones años, con las incertidumbres de - 2.2 y +2.8 mil millones años. Tardando estos márgenes de errores into account, esto es otra vez bien compatible con la edad del universo determinada por WMAP.

Uno también debe notar que la edad de las estrellas en galaxias distantes también puede ser determinado. Para hacer esto, uno calcula modelos teóricos de qué parece cuando las estrellas de adentro tienen cierta edad el espectro de una galaxia (¿usted ve? Jimenez 2004), Y compara estos pronósticos de modelo con los espectros observados de galaxias. Obviamente, éste es un método algo complicado con los errores potenciales ni siquiera más grandes que de los métodos para determinar los ages of estrellas en nuestro vecindario.

Sin embargo, hasta ahora los resultados encontrados son compatibles con un universo con una edad finita. En galaxias que están lejano de nosotros, que debemos por lo tanto ver cuando parec&iac