Cosmoloxía física

La cosmoloxía física, ye la caña de l'astrofísica, qu'estudia la estructura a gran escala y la dinámica del Universu. En particular, trata de responder les entrugues avera del orixe, la evolución y el destín del Universu.

La cosmoloxía física, tal que s'entiende anguaño, empieza nel sieglu XX col desenvolvimientu de la Teoría xeneral de la relatividá d'Albert Einstein y la meyora nes observaciones astronómiques d'oxetos desaxeradamente distantes. Estes meyores fixeron posible pasar de la especulación a la busca científica de los oríxenes del universu y dexó a los científicos establecer la Teoría del Big Bang que se convirtió nel modelu estándar mayoritariamente aceptáu polos cosmólogos por cuenta del ampliu rangu de fenómenos que toma y a les evidencies observacionales que lo sofiten, anque inda esiste una minoría d'investigadores que presenten otros puntos de vista basaos en dalgún de los modelos cosmolóxicos alternativos.

La cosmoloxía física trata d'entender les grandes estructures del universu nel presente como les galaxes, agrupaciones galáctiques y supercúmulos, utilizar los oxetos más distantes y enerxéticos (cuásares, supernoves y GRBs) pa entender la evolución del universu y estudiar los fenómenos asocedíos nel universu primixeniu cerca de la singularidá inicial (inflación cósmica, nucleosíntesis primordial y radiación de fondu de microondes).

 Historia de la física cosmolóxica 

La cosmoloxía física desenvolvióse como ciencia mientres la primer metá del sieglu XX de resultes de los acontecimientos detallaos de siguío:
 1915-16. Albert Einstein formula la Teoría Xeneral de la Relatividá que va ser la teoría marco de los modelos matemáticos del universu. Coles mesmes formula'l primer modelu matemáticu del universu conocíu como Universu Estáticu onde introduz la famosa constante cosmolóxica y la hipótesis conocida como Principiu Cosmolóxicu qu'establez qu'universu ye homoxéneu y isótropo a gran escala, lo que significa que tien la mesma apariencia xeneral reparáu dende cualquier llugar.
 1916-1917. L'astrónomu Willem de Sitter formula un modelu estáticu d'universu vacíu de materia cola constante cosmolóxica onde los oxetos astronómicos alloñaos teníen que presentar fanes en candia nes sos llinies espectrales.
 1920-21. Tien llugar el Gran Alderique ente los astrónomos Heber Curtis y Harlow Shapley qu'estableció la naturaleza extragaláutica de les nebuloses espirales cuando se pensaba que la Vía Láctea constituyía tol universu.
 1922-24. El físicu rusu Alexander Friedmann publica la primer solución matemática a les ecuaciones d'Einstein de la relatividá xeneral que representen a un universu n'espansión. Nun artículu de 1922 publica la solución pa un universu finito y en 1924 la d'un universu infinitu.
 1929. Edwin Hubble establez una rellación llinial ente la distancia y el fana en candia de les nebuloses espirales que yá fuera reparáu pol astrónomu Vesto Slipher en 1909. Esta rellación va conocese como Llei de Hubble.
 1930. El sacerdote y astrónomu belga Georges Édouard Lemaître esboza'l so hipótesis del átomu primitivu onde suxería que l'universu naciera d'un solu cuanto d'enerxía.
 1931. El collaborador de Hubble Milton Humason dio la interpretación de los fanes en candia como efeutu Doppler por cuenta de la velocidá d'alloñamientu de les nebuloses espirales.
 1933. L'astrónomu suizu Fritz Zwicky publicó un estudiu de la distribución de les galaxes suxiriendo que les galaxes taben permanente amestaes pola so mutua atraición gravitacional. Zwicky señaló sicasí que nun bastaba la cantidá de masa realmente reparada na forma de les galaxes pa dar cuenta de la intensidá riquida del campu gravitatoriu. Introducíase asina'l problema de la materia escuro
 1948. Herman Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle proponen el Modelu d'Estáu Estacionariu onde l'universu non yá tien les mesma apariencia a gran escala vistu dende cualquier llugar, sinón que la tien vista en cualquier dómina.
 1948. George Gamow y Ralph A. Alpher publiquen un artículu onde estudien les síntesis de los elementos químicos llixeros nel reactor nuclear que foi l'universu primitivu, conocida como nucleosíntesis primordial. Nel mesmu añu, el mesmu Alpher y Robert Herman ameyoren los cálculos y faen la primer predicción de la esistencia de la Radiación de fondu de microondes.
 1965. Arno Penzias y Bob Wilson de los llaboratorios Bell Telephone afayen la señal de radio que foi rápido interpretada pol grupu de teóricos de Princeton lideraos por Robert Dicke como la Radiación de fondu de microondes. Esta observación refugó Modelu d'Estáu Estacionariu y afitó el modelu del Big Bang
 1981. Alan Guth propón l'escenariu d'universu con una tasa terrible d'espansión nos sos primeros intres conocíu como inflación cósmica.
 1990. Los resultaos preliminares del satélite COBE amuesa que l'espectro de la Radiación de fondu de microondes ye'l d'un cuerpu negru a 2,7 kelvin con una precisión d'una parte en cien mil.
 1998. Un grupu d'astrónomos lideráu por Adam Riess y Saul Perlmutter afayen l'Aceleración de la espansión del universu por aciu l'estudiu de supernoves de tipu Ia, lo que constitúi la primer evidencia observacional de la esistencia d'una constante cosmolóxica o d'un campu esguilar más xeneral conocíu como enerxía escura.
 2003. La sonda WMAP --socesora de COBE-- llogra un espectro de la Radiación de fondu de microondes más precisu, que confirma les observaciones que se realizaren hasta la fecha por numberosos esperimentos que favorecen con gran precisión un universu de materia escuro fría apoderáu por una constante cosmolóxica y con una edá de 13700 millones d'años, con una precisión de 200 millones d'años enriba o embaxo.
 2013. La misión Planck llogra los resultaos más precises hasta la fecha, con una estimación d'un 68,3% d'enerxía escura, un 26,8% de materia escuro y un 4,9% de materia ordinario, y una edá del universu d'unos 13810 millones d'años, con una precisión de 50 millones d'años enriba o embaxo.

 Árees d'estudiu 
Debaxo descríbense dalgunes de les árees más actives d'investigación en cosmoloxía, n'orde cronolóxicu. Estes nun inclúin tou sobre la cosmoloxía del Big Bang, que se presenta na cronoloxía del Big Bang

 Nucleosíntesis del Big Bang 

La Nucleosíntesis del Big Bang ye la teoría de la formación de los elementos nel Universu primixeniu. Acaba cuando l'Universu tien tres minutos d'edá y la so temperatura cai lo suficiente como por que cese la fusión nuclear. Esti tiempu nel qu'asocedió la nucleosíntesis del big bang foi tan curtiu, que namái se producieron los elementos más llixeros, a diferencia de la nucleosíntesis estelar. Empezando dende los iones d'hidróxenu (protones), producióse principalmente deuteriu, heliu y litiu. Los otros elementos producir en namái pequeñes cantidaes. Ente que la teoría básica de la nucleosíntesis foi aceptada mientres décades (foi desenvuelta por George Gamow, Ralph Asher Alpher y Robert Herman). ye una prueba física desaxeradamente delicada del big bang na actualidá, una y bones la teoría de la nucleosíntesis coneuta la bayura de los elementos llixeros primordiales coles carauterístiques del Universu primixeniu. Específicamente, puede utilizase pa comprobar el principiu d'equivalencia, la materia escuro y la física del neutrín. Dellos cosmólogos propunxeron que la nucleosíntesis del big bang suxer la esistencia de cuatro especies "estériles" de neutrín.

 Radiación de fondu de microondes 

El fondu cósmicu de microondes ye la radiación sobrante del desacople, cuando los átomos formar por primer vegada, y la radiación producida nel Big Bang parada pola espardimientu de Thomson d'iones cargaos. La radiación reparada per primer vegada en 1965 por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, tenía un espectru de cuerpu negru térmicu perfectu. Tien una temperatura de 2.7 kelvins y ye anisótropo nuna parte de 10⁵. La Teoría perturbacional cosmolóxica, que describe la evolución de llixeres inhomogeneidades nel universu primixeniu, dexó a los cosmólogos calcular de manera precisa la densidá espectral angular de la radiación y foi midida polos recién satélites d'esperimentación (COBE y WMAP) y munchos asuntos y esperimentos basaos en globos (como'l DASI, el CBI y el Esperimento BUMERÁN). Unu de los oxetivos d'estos esfuezos ye midir los parámetros del Modelu Lambda-CDM con una medría de precisión, según comprobar les predicciones del modelu del Big Bang y les busques de los nuevos físicos. Les recién midíes feches por WMAP, por casu, acutaron la masa del neutrín.

Los nuevos esperimentos, como los del Telescopiu Cosmolóxicu de Atacama tán intentando midir la polarización del fondu cósmicu de microondes, que va apurrir más confirmaciones de la teoría según información sobre la inflación cósmica y les conocíes como anisotropías secundaries, como'l efeutu Siunyáiev-Zeldóvich y l'efeutu Sachs-Wolfe, que son causaos pola interacción ente galaxes y agrupaciones galáctiques col fondu cósmicu de microondes.

 Formación y evolución d'estructures a gran escala 

Entendiendo la formación y evolución de les estructures más grandes y primixenies (p.ej. cuásares, galaxes, agrupaciones galáctiques y supercúmulos) ye unu de los mayores esfuercios en cosmoloxía. Los cosmólogos estudien un modelu de formación xerárquica estructural nel que les estructures formar dende'l fondu, con pequeños oxetos primeru, dempués con grandes oxetos, como los supercúmulos siguen formándose. El camín más senciellu pa estudiar la estructura del Universu ye reparar les galaxes visibles, pa constuir un dibuxu tri-dimensional de les galaxes nel Universu y midir la densidá espectral de materia. Esta ye l'aproximamientu del Sloan Digital Sky Survey y del 2dF Galaxy Redshift Survey.

Una ferramienta importante para entienden la formación estructural son les simulaciones, que los cosmólogos utilicen pa estudiar les sumes gravitacionales de materia nel Universu, como s'arrexunten en filamentos, supercúmulos y vacíos. Munches simulaciones contienen namái materia escuro fría non bariónica, que tendría de ser abonda pa entender l'Universu nes escales más grandes, yá que hai muncha más materia escura nel Universu que materia visible bariónica. Munches simulaciones avanzaes tán empezando a incluyir bariones y estudiar la formación de galaxes individuales. Los cosmólogos estudien estes simulaciones pa ver si concuerden coles sos investigaciones y entienden cualquier discrepancia.

Otres téuniques complementaries van dexar a los cosmólogos midir la distribución de materia nel Universu distante y probar la reionización. Estes téuniques son:

 El monte Lyman-alfa, que dexa a los cosmólogos midir la distribución d'un átomu de gas hidróxenu neutro nel universu primixeniu, midiendo l'absorción de lluz dende cuásares distantes debíu al gas.
 La llinia d'adsorción de 21 centímetros d'átomos d'hidróxenos neutros tamién apurre una prueba sensible en cosmoloxía.
 Lentes débiles, la distorsión d'una imaxe distante por lentes gravitacionales por cuenta de la materia escuro.

Esto va ayudar a los cosmólogos a decidir la entruga de cuando se formó'l primera cuásar.

 Materia escuro 

Les pruebes de la nucleosíntesis Big Bang, la radiación de fondu de microondes y les formaciones estructurales suxeren que'l 23 % de la masa del Universu consiste en materia escuro non bariónica, onde namái'l 4 % ye materia bariónica visible. Los efeutos gravitacionales de la materia escuro tán bien entendíos, yá que se porta como'l polvu frío non radiactivu que se forma alredor d'halos alredor de galaxes. La materia escuro nunca foi detectada en llaboratoriu: la naturaleza de la física de partícules de la materia escuro ye dafechu desconocida. Sicasí, hai dellos candidatos, como una partícula supersimétrica, una WIMP, un axión, un MACHU o inclusive un cambéu de la gravedá con pequeñes aceleraciones (MOND) o un efeutu de la cosmoloxía de branas.

La física nel centru de les galaxes (ver Galaxa activa y Furacu negru supermasivu) puede dar delles pistes sobre la naturaleza de la materia escuro.

 Enerxía escura 

Si l'Universu fuera planu, tendría qu'haber un componente adicional formando'l 73% (amás del 23% de materia escuro y el 4% de bariónica) de la densidá del universu. Esti componente ye llamáu enerxía escura. Pa nun interferir cola nucleosíntesis del Big Bang y la radiación de fondu de microondes, nun puede arrexuntase en halos como los bariones y la materia escuro. Hai fuertes pruebes observacionales pa la enerxía escura, como la masa total del Universu ye conocida y mídese que ye planu, pero la suma de materia arrexuntada ye midida ajustadamente y ye enforma menor qu'esta. El casu de la enerxía escura foi reforzáu en 1999, cuando les midíes demostraron que la espansión del Universu taba acelerando, más rápidu que mientres la inflación cósmica.

Sicasí, amás de la so densidá y les sos propiedaes d'agrupación, nada se conoz sobre la enerxía escura. La teoría cuántica de campos prediz una constante cosmolóxica xunto cola enerxía escura, pero 120 órdenes de magnitú más grande. Steven Weinberg y dellos teóricos de cuerdes (ver paisaxe de cuerdes) usaron esta prueba pal principiu antrópico, que suxer que la constante cosmolóxica ye tan pequeña porque la vida (y de esta manera les físiques que faen observaciones) nun pueden esistir nun Universu con una gran constante cosmolóxica, pero muncha xente atopa qu'esta ye una esplicación insatisfactoria. Otres posibles esplicaciones pa la enerxía escura son la quintaesencia o un cambéu de la gravedá n'escales grandes. L'efeutu en cosmoloxía de la enerxía escura qu'estos modelos describen ye dada pola ecuación d'estáu de la enerxía escura, que varia dependiendo de la teoría.La naturaleza de la enerxía escura ye unu de los problemes más griespos en cosmoloxía.

Una meyor comprensión de la enerxía escura ye como resolver el problema del destín últimu del Universu. Na dómina cosmolóxica actual, la espansión acelerada debida a la enerxía escura previén la formación d'estructures más grandes que los supercúmulos. Nun ye conocíu si l'aceleración va siguir indefinidamente, seique inclusive amontándose y causando un Big Rip o si eventualmente va revertise.

 Otres árees d'investigación 
Los cosmólogos tamién estudien:
 Si los furacos negros primordiales formar nel nuesu Universu y qué-yos asocede.
 El llende GZK pa rayos cósmicos d'alta enerxía y si señala un fallu de relatividá especial d'alta enerxía.
 El principiu d'equivalencia y si la Teoría xeneral de la relatividá d'Einstein ye la teoría correuta pa la gravedá y si les lleis de la física fundamentales son les mesmes en cualesquier parte del Universu.

 Cosmoloxía física alternativa 
Entender por cosmoloxía alternativa toes aquelles teoríes, modelos o idees cosmolóxiques que contradicen el modelu estándar de cosmoloxía:

 Ambiplasma, una cosmoloxía de plasma 
 Espansión cósmica n'escala de C. Johan Masreliez
 Lluz cansao
 MOND de Mordehai Milgrom
 Cosmoloxía de branas
 Modelu de Randall-Sundrum
 Modelu cíclicu

 Referencies 
 Llectures populares 









 Llibros de testu 
  La cosmoloxía ye introducida nel marcu de la relatividá xeneral, pero ensin los tensores al completu, que son presentaos na última parte del llibru.
  Publicáu poco primero de los resultaos del WMAP, este ye'l llibru de testu introductoriu más modernu.
  Un llibru de testu con poques matemátiques.
  Un llibru de testu d'introducción a l'astronomía.
  Clásicu de referencia pa los cosmólogos.
  Una introducción a la cosmoloxía ensin relatividá xeneral.
  Una introducción a la cosmoloxía con un discutiniu sobre inflación.

  Describe la formación d'estructures de gran escala en detalle.
  Una introducción con más fondu en relatividá xeneral y teoría cuántica qu'otros.
  El llibru de Peebles tien un gran enfoque históricu.
  El trabayu clásicu n'estructures de gran escalasobremanera'l discutiniu de les funciones de correllación.

  Un llibru antiguu, pero sigue siendo una referencia estándar pa un montón de formalismos matemáticos.

 Referencies 

 Enllaces esternos 
 Grupos 
N'Español:
 modelu-estandar-cosmologico.html Modelu Cosmolóxicu Estándar

N'inglés:
 Cambridge Cosmology - de la Universidá de Cambridge
 Cosmology 101 - del grupu WMAP de la NASA
 Origins, Nova Online - Proporcionáu pol PBS.
 Cosmoloxía  -- Cosmoloxía del Universu 
 Centro de Cosmologís Física. Universidá de Chicago, Chicago, Illinois.
 Dictionario de la Historia de les Idees:
 Imáxenes Cósmiques
 Cosmoloxía dende l'Antigüedá hasta 1850
 Cosmoloxía dende 1850
 Cosmos - un Periódicu Dimensinal Ilustráu dende'l microcosmos hasta'l macrocosmos - de la DNA Digital Nature Agency
 Buscador AstroFind - Motor de Busca pa Cosmoloxía y Astronomía
 'El Matemáticu que nun Podía Sumar por Emma King Cosmóloga videu del Vega Science Trust.

 Páxines personales 
N'inglés:
 Carroll, Sean. "Cosmology Primer ". Institutu de Teunoloxía de California.
 Gale, George, "Cosmoloxía: Alderiques Metodolóxicos nos años 1930 y 1940", The Stanford Encyclopedia of Philosophy, Edward N. Zalta (ed.)
 Hoiland, Paul, "Exame de la Cosmoloxía Moderna "Meditando sobre la Evolución del Cosmos Gouldsboro, Maine.
 Jordan, Thomas F., "Cálculos cosmolóxicos cuasi ensin relatividá xeneral". (arXiv.org)
 Madore, Barry F., "Level 5 : Una base de conocencia p'Astronomía Extragaláutica y Cosmoloxía". Caltech y Carnegie. Pasadena, California, USA.
 Smith, Tony, "Cosmoloxía  -- Nel Millennium, les observaciones Esperimentales dícennos enforma sobre Cosmoloxía".
 Tyler, Pat y Phil Newman "Más allá d'Einstein ". Llaboratoriu p'Astrofísica d'Alta Enerxía (LHEA) NASA Goddard Space Flight Center.
 Wright, Ned. "Tutorial de Cosmoloxía y FAQ". División d'Astronomía y Astrofísica de UCLA.
 Scientific American Magazine (Febreru de 2004) Four Keys to Cosmology Sobre aceleración.