Inflatron Y Formación De La Masa En El Universo.docx 1j5p6e

INFLATRON Y FORMACIÓN DE LA MASA EN EL UNIVERSO PRODUCCIÓN DE MASA PARTIENDO DE ENERGÍA

Imposibilidad de creación de masa en el vacío:

E=mc2 E=hf Sabemos que la masa del electrón se 511 KeV/c2 , pero para cumplir con el principio de conservación de carga , un fotón con una energía mínima de 1022 KeV podrá genera un electrón y un positrón E> 1022 Kev = 2* 511 KeV/c2 *c2, Luego debe ser un fotón de la zona gamma del espectro

E > 1022 Kev = 4.135 10-15 eV f f>1022 103 /4.135 10-15 = 2,5 1020 Hz

Pero se demuestra que si se quiere respetar el principio de conservación de energía y cantidad de movimiento esta reacción sólo puede darse en presencia de masa y no en el vacío. (Ver demostración en apuntes aparte) El principio de conservación de la cantidad de movimiento nos lleva a que si

Luego

Del principio de conservación de la energía nos sale que

Evidentemente la misma demostración es aplicable para cualquier otra par partícula-antipartícula, por ejemplo pares protón-antiprotón. Solo hay que adjudicar a la masa "m" el valor correspondiente: 511 keV para electrones, 938 MeV para protones, etc.. Como resumen: La creación de pares reales partícula - antipartícula a partir de un fotón en el vacío es un acontecimiento que no sucede en la Naturaleza. La formación de pares a partir de fotones individuales solo puede acontecer en presencia de materia, cuya intervención es imprescindible para permitir la conservación simultánea de la Energía y de la Cantidad de Movimiento.

Creación del universo: Teoría del Bing Bang

Al principio ¿ como se va formando desde el segundo 0 hasta el 10-32 ¿ En el big-bang instante 0 debería existir la energía suficiente en un volumen puntual, es decir un agujero negro teórico de volumen 0 y de Energía lo suficientemente grande para generar el universo ¿entonces como se explica ¿. Teoría de la inflación :   

Era de la inflación Era de la radiación era de la materia

estas tres fases se ven en el gráfico

En abscisas se sitúa la evolución del radio del universo desde t=0 , vemos que en un tiempo de 10-34 sufrió una expansión 10 60 , es decir desde más pequeño que un protón hasta más grande que la vía láctea, esta expansión supone una velocidad millones de veces más que la de la luz, esta teoría también supone que en 10-43 se inyecta energía suficiente para la expansión y evitar el plegado. ¿¿ entonces cuál es el origen de la energía’?¿ Campo de Higgs Apunte aparte: Parece demostrado ( alta probabilidad) por los datos del Planck que la inflación la genera una campo escalar , pero también que las características del campo escalar que la generó son diferentes al de Higgs, que debe aún encontrarse , se le llama inflatón, para comprensión yo supondré que es el de Higgs. Campo escalar, el "campo de Higgs", que impregna todo el espacio. Por acoplamiento con este campo una partícula sin masa adquiere energía potencial y, por la relación masa-energía, adquiere masa. Cuanto más fuerte el acoplamiento, más masiva la partícula. (como hemos visto antes en el vacío no se puede generar masa y como hemos visto en la teoría estándar las partículas reales quarks y leptones tienen masa y generan campos que se transmite por partículas virtuales como el fotón o el gluon sin masa y con W y Z con masa). Es decir la masa es transferida a la partícula (que interactúa) por el campo de Higgs que dispone de esa masa en forma de energía y al igual que el electrón está asociado al campo electromagnético el bosón de Higgs es la partícula del campo de Higgs ( ver las características en el modelo estándar). Vamos a hacer un símil con el campo gravitatorio para entender básicamente como actúa el campo de Higgs El potencial del campo gravitatorio depende de la altura , al principio cuando aún no ha pasado nada todas las partículas se quedan un altura=0( o la que sea ) altura inicial del campo con potencial V=0 (o V0 ) el potencial del campo de Higgs depende de la temperatura mientras no pase nada todas las partículas se quedan a la temperatura inicial T1 con potencial fQ1 y todas sin masa porque aún no existe

Imaginemos las partículas que están en una base plana y de repente levantamos esa base ( es decir variamos el campo gravitatorio inicial) algunas partículas se han movido a otro potencial y las del extremo quieto de la base han seguido con el que tenían. , es decir hay varios potenciales a la respuesta a un estímulo Por tanto en el campo escalar de Higgs si la temperatura cambia a T3 algunas partículas se mueven a otro potencial fQ3 y otras se quedan en fQ1 es decir el bossón de higgs ha creado dos tipos de partículas las que

son sensibles a su interacción que son las que tendrán masa y otras que no son sensibles y no tendrán masa , a partir de ahora las partículas que han adquirido masa y por tanto tienen interacción gravitatoria. Si vamos descendiendo la temperatura aparece las interacciones fuerte e interacciones electrodébil que a su vez se dividirá en electromagnética y débil Ahora pensemos que volvemos otra vez hacia T1 puede haber partículas de la primera escisión la de la interacción gravitatoria y por tanto con masa pero no las otras escisiones como la del electromagnetismo y por tanto no tendrían fotones y no podríamos verlas y podrían dar lugar a la materia oscura (se sabe que existe pero poco más). Pero de donde ha procedido ese campo de higgs con una energía tan brutal: Estamos en el terreno casi teológico , una posible respuesta es que que nuestro universo se encuentra sumido en un campo escalar de energía llamado inflatón , que entra por una dimensión desconocida, pero sea como sea esa energía estuvo en el momento adecuado y empezó la historia térmica del universo

Al principio sólo quark después hadrones ( protón neutrón) electrones , fotones, neutrinos….,

la reacción general es partícula con antipartícula generan un fotón que se descompone en la misma u en otra, como el ejemplo que hemos visto para demostrar la imposibilidad de crear masa en el vacío

del que hemos realizado la longitud de onda mínima para que la reacción tenga lugar. Toda esta generación , destrucción de particulas esta englobada en la distribución de Maxwell- Boltzman

N representa el número de partículas donde vemos que si T desciende o la masa aumenta y por tanto E( E=mc2 ) la exponencial tiende a cero y la partícula desaparece, desde el punto de vista físico tenemos que considerar que si la T disminuye la longitud de onda aumenta disminuye la f (E=hf) y el fotón no tienen energía para generar la partícula Hacia los 1010 K se produjo el desacoplamiento , el universo se expande tan rápidamente que muchas partículas no pueden seguir interaccionando como los neutrinos que se escapan del plasma térmico antes que los fotones.

Teoría de porque se expande un campo escalar: Supongamos que estamos en condiciones cuánticas: mucho menor tamaño que la longitud de Planck que es 1,6 10-35 , indeterminación, estadística cuántica.. .. Luego las condiciones iniciales "estándar"son : Una Ep dentro de un Volumen Vpmuy pequeño por lo que podemos hablar de una densidad de energía Dp, Estamos dentro del campo escalar inflatrón y por tanto es lógico expresar la densidad de energía Dp en forma de un campo escalar Ø de potencial V(Ø) que "permea" todo el espacio. Un campo cuántico escalar se puede representar en una gráfica en la que el eje x representa el valor del campo y el eje y representa su energía potencial, para un campo bastante natural y sencillo de potencial V(Ø )= 1/2m2Ø2 tendríamos:

El campo puede ser visualizado como un oscilador que posee cierta energía dependiendo de su estado de oscilación. El punto en el que el valor del campo Ø es 0 se denomina el punto de vacío del campo y representa un estado del campo sin vibraciones, es decir, sin partículas (en teoría cuántica de campos se considera que las partículas son las vibraciones de los campos cuánticos que son las entidades físicas fundamentales). Normalmente el estado de vacío se corresponde con el estado de mínima energía potencial pero a veces, esto no es así y el campo tiene una cierta energía potencial V en el estado de vacío. Este estado de vacío se denomina falso vacío y es un estado metaestable, ya que, en un determinado momento, el campo fluctuará y caerá hacia el estado de vacío verdadero. Las características de este estado de falso vacío son sorprendentes y darán lugar al comienzo de la inflación cósmica.

Mientras el campo está en el estado de falso vacío (en lo alto de la colina) su densidad de energía es constante, no cambia. Todo campo cuántico se define matemáticamente por el llamado tensor energíamomento, en nuestro caso es un tensor de la forma:

La densidad de energía D está dada por el componente Too del tensor energía-momento y cuyo valor es: D= Too= 1/2(dØ/dt)2+1/2(gradØ)2+V(Ø) , los 3 términos restantes de la diagonal del tensor representan la presión ejercida en las tres direcciones espaciales y su valor es: P=1/3[sum(i=1, i=3)Tij]= 1/2(dØ/dt)2-1/6(gradiØ)2-V(Ø). 1. Comienzo de la inflación : estamos en el falso vacío Esta última expresión nos dice algo muy importante: como la densidad de energía y el valor del campo Ø permanecen constantes mientras el campo permanece en el punto de falso vacío las derivadas del campo se anulan y el valor de la presión es P=-V(Ø). Es decir, ¡tenemos un valor de presión negativa! Si consideramos una densidad de energía homogénea e isotrópica y resovemos la ecuación de FriedmannRobertson-Walker incluyendo las condiciones que generan la presión negativa nos sale que la densidad de energía se va multiplicando por a(t) donde a(t) = ext donde x=(8pi/3Gd)1/2 donde d es la densidad de energía, p es la presión, G es la constante de la gravedad de Newton y a es el factor de escala es decir: ¡ el factor de escala del Universo crece exponencialmente ¡ Para hacernos una idea de la inmensidad de los números que implica la inflación, si consideramos las versiones inflacionarias más aceptadas el factor de escala a del Universo crece unos 26 ordenes de magnitud en solo en 10-35 segundos. 2. El final de la inflación: vacío verdadero La inflación termina cuando el campo escalar Ø, también llamado campo inflatón desciende hasta el punto de vacío verdadero, en este punto el potencial es 0 pero el valor del campo es no nulo, es decir, la vibración del campo no es nula lo que se traduce en la aparición de vibraciones es decir de partículas. La energía potencial almacenada en el campo Ø se convierte en energía cinética y en partículas ¡Este es el comienzo del Big-Bang! Un Universo surgido de la nada

El principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que la incertidumbre en la energía por la incertidumbre en el tiempo no puede ser mayor que la constante de Planck, por tanto podemos "robar" cierta cantidad de energía E si la devolvemos muy rápidamente. De hecho los cálculos matemáticos indican que un pequeño Universo puede surgir a partir de una fluctuación cuántica si la densidad de energía es del orden de la densidad de Planck, precisamente las condiciones iniciales "estándar" necesarias para el comienzo de la inflación cósmica. La ley de la conservación de la energía no se violaría ya que la energía positiva de la masa-energía producida sería compensada por la energía negativa asociada a la gravedad. De esta forma, y aunque parezca increíble ¡ El Universo entero podría tener energía neta igual a cero ! ¿Podría el Universo haber surgido a partir de una fluctuación cuántica?. Pero incluso el padre de la teoría de la inflación Alan Guth dice que , a pesar de que vivamos ya habituados a la idea del Big Bang, en realidad esta explicación sobre el origen del universo no dice nada sobre qué explotó, por qué explotó y qué pasó en los primeros instantes después de ese famoso ‘bang’. Los primeros momentos de la inflación pueden dar lugar a extensiones del modelo estándar de las partículas elementales que respondan a cuestiones que este no resuelve”, En concreto, se refería a una partícula llamada ‘inflatón’, que Guth ha definido como “un primo del bosón de Higgs que podría interaccionar con este y abrir la puerta a una nueva física”.

Ultima superficie de dispersión: Otro punto clave en la formación de la masa es en el que se genera el CMB: Cuando la temperatura descendió lo suficiente como para no poder ionizar todas la partículas , y por tanto permitir que los electrones y protones formen átomos de hidrógeno, los fotones empezaran a escapar y el Universo se hizo transparente a la radiación. Es decir la luz tendría que nacer a los 300.000-400.000 años ya que antes el universo aún tenía una temperatura suficientemente alta la luz en ese plasma térmico completamente ionizado estaba en equilibrio térmico con las otras cosas que componen el plasma Este era el estado del universo antes de la época de recombinación. En este último momento de equilibrio térmico cuando empiezan a escapar los fotones se simula como si se abriera una pequeña rendija y se emite una radiación de cuerpo negro casi perfecto Era de la materia Se forman átomos de Hidrógeno (75%) y de Helio (25%) Se forman grandes nubes de gas que por gravedad van colapsando hasta formar núcleos en los que se inica una reacción nuclear de fusión (átomos ligeros se unen para formar otros más pesados) si en las bombas de hidrógeno el calor para la fusión procede de una bomba de fisión, ahora la energía proviene de la compresión del gas. Para que se inicie la creación de una estrella se necesita una masa crítica o masa de Jeans si no se llega se crea materia degenerada( como Júpiter). Cuando se crea la estrella dentro se produce la síntesis de nuevos átomos por fusión Existe una relación entre la energía nuclear de enlace y el número atómico:

esto quiere decir que los elementos más ligeros que el hierro producen energía si se fusionan y los más pesados necesitan aporte de energía y no dan nada, pero sin embargo proporcionan energía al fisionarse como el uranio. Es decir la enorme energía lumínica de las estrellas procede de la energía de las reacciones de fusión, veamos las más importantes: Fusión Protón-Protón Este es el proceso de fusión nuclear que alimenta al Sol y otras estrellas que tienen temperatura del núcleo menor de 15 millones de grados Kelvin. El ciclo de reacción produce unos 25 MeV de energía. se obtienen los siguientes productos de reacciones: positrones, neutrinos, y rayos gamma. Las reacciones en el sol para producir neutrinos ( rayos gamma , y otros materiales ligeros)

Aún no está explicado el déficit de neutrinos que se observa provenientes del Sol

Ciclo de Fusión del Carbono En las estrellas más masivas que el sol con temperaturas centrales superiores a 15 millones de grados Kelvin, la fusión de carbono se cree que asume el papel dominante en lugar de la fusión de hidrógeno El objeto principal del ciclo del carbono consiste en la adición de protones, pero después el núcleo de carbono-12 se funde con otro protón para formar nitrógeno-13, luego uno de los protones decae emitiendo un positrón y un neutrino para formar carbono-13. La captura de dos protones mas produce nitrógeno-14 y, a continuación oxígeno-15. Otro decaimiento de neutrón hace nitrógeno-15. Otra captura de protón produce oxígeno-16 que emite una partícula alfa energética para volver a carbono-12 y repetir el ciclo. Esta última reacción es la principal fuente de energía en el ciclo, para abastecer de combustible a la estrella.

Formación de los elementos pesados: 1. Supernovas : son explosiones estelares normalmente debido a que la masa llega a estar tan concentrada que explota Cuando las reacciones nucleares empiezan a decaer en una estrella, los electrones empiezan a ser capturados por los protones con la formación de un neutrón, que sumados a los neutrones existentes producen una confinamiento extraordinario de masa en un espacio muy reducido , un aumento brutal de la energía que explota que se libera en forma de neutrinos. Las supernovas producen destellos de luz intensísimos que pueden durar desde varias semanas a varios meses. Se caracterizan por un rápido aumento de la intensidad luminosa hasta alcanzar una magnitud absoluta mayor que el resto de la galaxia. Posteriormente su brillo decrece de forma más o menos suave hasta desaparecer completamente.

2. Gigantes rojas ( de masa baja o intermedia unos 8 o 9 soles) : expansión de una estrella Igualmente cuando una estrella ha consumido su hidrógeno pierde estabilidad y se expande ( como disminuye su temperatura se torna rojiza) , En un momento dado, la atmósfera de la estrella alcanza un valor mínimo crítico de la temperatura por debajo del cual ya no puede descender, lo que obliga a la estrella a aumentar su luminosidad y volumen a temperatura superficial (o sea, color) prácticamente

constantes; la estrella se hincha hasta alcanzar un radio típico de unos 100 millones de km: la estrella se ha convertido así en una gigante roja, en el proceso deja libre parte de su material

3. Enanas blancas y agujeros negros : Después de pasar por la fase de gigante roja se llega a lo que se conoce como fase de enana blanca. Aquí un nuevo tipo de presión vuelve a soportar la estructura. Esta presión tiene un origen cuántico y se basa en la aversión que tienen los electrones de los átomos de materia a estar demasiado juntos. Esta es una propiedad comprobada de la física de las partículas elementales que poseen un espín semientero. Podemos imaginar el espín de las partículas elementales como si estas giraran sobre sí mismas, y espín semi-entero identifica una propiedad de giro especial en la que la partícula tiene que dar dos vueltas sobre sí misma para volver a su situación inicial; los constituyentes fundamentales de la materia, los electrones, los protones y los neutrones poseen esta propiedad. Una enana blanca aislada se va apagando progresivamente hasta quedar como un estructura inerte que se conoce como enana marrón. Si el gas inicial que forma la estrella contiene varias veces la masa del Sol, cuando se acaba el combustible termonuclear el colapso de la estructura deriva en el fenómeno conocido como supernova: una explosión de enormes proporciones.( ella sóla alcanza el el límite de Chandrasekhar) En ella gran parte de la materia de la estrella progenitora es expulsada al medio interestelar. A su vez, el núcleo restante forma una estrella de neutrones. Una vez más la repulsión debida a los espines, ahora de los neutrones, contrarresta a la gravedad. Una estrella de neutrones tiene una densidad gigantesca y un tamaño de unas dos veces el tamaño crítico que la convertiría en agujero negro. Sin embargo, la relatividad general nos dice que la repulsión de los espines no puede soportar estructuras con una masa mayor de unas tres veces la masa del Sol. Si lanzamos materia adicional sobre una estrella de neutrones, al final la estructura colapsará sobre sí misma para formar un agujero negro.

Si la masa de la estrella progenitora es extremadamente alta (más de cien veces la masa del Sol) también puede suceder que en su explosión como hipernova (forma muy energética de supernova con emisión de rayos gamma) el núcleo tenga un sobrepeso que lo lleve directamente a formar un agujero negro. 4. Unión de enanas blancas Cuando alguna enana blanca perteneciente a un sistema binario cerrado, recibe suficiente masa de su compañera ( enana blanca o estrella normal) como para superar el límite de Chandrasekhar (el límite al cual una estrella puede crecer de manera que su masa pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al límite de soporte de su gravedad). o ella misma lo supera , esto dispara una explosión termonuclear ( una supernova) que expulsa casi todo, si no todo, el material que la formaba.

Toda esta materia liberada choca entre ella y con los gases residuales que no han formado estrellas y van formado los elementos de la tabla periódica por encima del hierro.

Es decir de las estrellas proceden todos los elementos químicos: Somos hijos de las estrellas. RESUMEN: Lo anterior está explicado como si el inflatón al entrar en el universo se convirtiera en el campo de Higgs. Está probado que la teoría inflacionaria es cierta y ahora tenemos llave para dos existen dos partículas y por tanto dos campos escalares : el inflatón y el bosón de Higgs . El inflatón con menos masa que el bosón que estaba en un estado de mayor energía con cierto potencial (falso vacío) y las fluctuaciones cuánticas aleatorias provocaron una transición de fase, por lo que el campo de inflación liberó su energía potencial, pasando a darle valor al campo en forma de materia y radiación, y se estableció en su estado de menor energía (vacío verdadero). Esta acción generó una fuerza repulsiva que llevó a la parte del universo observable a una ampliación desde aproximadamente 10-50 metros de radio a los 10-35 segundos hasta casi 1 metro de radio a los 10-34 segundos. Las dudas existe el inflatón , puede haber actuado el Higgs como inflatón ¿??? Que paso exactamente hasta 10-34 . Estudiaremos en física de partículas detalles del origen y actuación del bosón de Higgs

Comprobación de la teoría BING-BANG : CMB ( Radiación de fondo de microondas ) La radiación de fondo de microondas (en inglés, cosmic microwave background o CMB) es una forma de radiación electromagnética descubierta en 1965 que llena el universo por completo. También se denomina radiación cósmica de microondas, radiación cósmica de fondo o radiación del fondo cósmico. Tiene características de radiación de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 K y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160,2 GHz, correspondiéndose con una longitud de onda de 1,9 mm

La radiación del fondo cósmico de microondas y el corrimiento al rojo ( en similitud al espectro óptico correr al rojo es desplazarse hacia menor energía) cosmológico se consideran conjuntamente como la mejor prueba disponible para la teoría del Big Bang. Se originó unos 400 000 años después del Big Bang , este período es conocido generalmente como el «periodo de la última dispersión» o el periodo de la recombinación o el desacople, la temperatura del Universo era de unos 3000 K. Desde entonces, la temperatura de la radiación ha caído en un factor de aproximadamente 1100 (hasta 2,7 k o 270 grados bajo cero ) debido a la expansión del Universo. Según se expande el Universo, los fotones del fondo cósmico de microondas se desplazan hacia el rojo A principios de los años noventa, dos instrumentos a bordo del satélite COBE (siglas en inglés de Explorador del Fondo Cósmico) de la NASA midió que la distribución de energías en longitudes de onda de la radiación del fondo cósmico correspondía a la de un cuerpo negro (cuerpo que absorbe toda la radiación que le llega y emite con una distribución característica) a una temperatura de aproximadamente 270.37 grados bajo cero, lo que demostraba de forma inequívoca que la radiación cósmica provenía de un pasado denso y caliente del universo. Por otra parte aunque esta radiación cósmica debería ser isótropa, en el año 1969 se descubrió que no lo era. Mostraba una dirección “privilegiada” desde la que nos llegan fotones ligeramente desplazados hacia el rojo (menos energéticos), mientras que en la dirección opuesta nos llegan ligeramente desplazados al azul (más energéticos). Este hecho es simplemente consecuencia de que nuestra galaxia, la Vía Láctea, se mueve con una velocidad peculiar respecto al fondo de microondas. Los fotones que nos llegan “por detrás” los percibimos menos energéticos (su frecuencia se desplaza al rojo) y los que nos llegan “de frente” los vemos más energéticos (su frecuencia se desplaza hacia el azul). Precisamente gracias a esta anisotropía de la radiación de fondo (técnicamente, una anisotropía de tipo dipolo) sabemos que, con respecto al fondo de radiación, nos estamos desplazando a 380 km/s, en dirección hacia la constelación de Virgo

El espectro de la radiación de fondo de microondas medido por el instrumento FIRAS en el satélite COBE es el espectro de cuerpo negro medido con más precisión en la naturaleza. El espectro de una estrella es muy similar a las curvas de radiación de un cuerpo negro a las diferentes temperaturas, de modo que la variación de los colores estelares puede entenderse con este concepto. El Sol, por ejemplo, es un excelente ejemplo de cuerpo negro (temperatura aproximada T=5700 K):

Resumiendo : Según la teoría, cuando el universo tenía unos 380.000 años, la temperatura había descendido a unos 3.000º C. A esa temperatura, los electrones ya eran lo suficientemente lentos para poder ser capturados por los núcleos, dando lugar por vez primera a átomos de hidrógeno. Aquel acontecimiento trascendental suele denominarse Recombinación, aunque hubiera sido más correcto llamarle “Combinación”, ya que los electrones no habían estado nunca antes ligados a los núcleos. Fue el nacimiento de los átomos.

A partir de ese instante ya no había partículas cargadas por separado sino átomos neutros. Por ello, los fotones pudieron por fin viajar libremente en línea recta en todas las direcciones sin interrupciones, y lo han seguido haciendo hasta nuestros días. Esto está representado en la parte derecha de la figura anterior. Aquellos fotones liberados en la Recombinación constituyen hoy la llamada la Radiación de Fondo o Fondo Cósmico de Microondas ¿ porque las radiaciones de CMB nos llegan de todas partes y no de donde se produjo el Bing Bang ¿ : porque el Big Bang no ocurrió en ningún lugar concreto del universo. Según la Teoría de la Relatividad, el universo se expande, En ese momento (“Big Bang”), no solo las galaxias (toda la materia) están juntas, sino que el propio espacio está reducido a “un punto” como si dijéramos antes del Bing Bang no hay tiempo ni espacio, entonces al explosionar se va expandiendo y el símil más acertado es que se expande planamente como la superficie de una pelota que se hincha, . Otra explicación del CMB De repente 380.000 años después se hizo todo transparente . Imaginemos un fotón en el momento del escape y ahora

13.800 millones de años después. El espacio se ha estirado, y por tanto la longitud de onda lo ha hecho en la misma proporción. Lo que antes era una radiación luminosa visible (con longitud de onda pequeña) se ha convertido en una radiación de microondas (con longitud de onda mucho mayor). Concretamente, la longitud de onda es ahora unas mil veces más larga. Sucede que los fotones asociados a longitudes de onda más largas son menos energéticos (un resultado de la Mecánica Cuántica). Así que los fotones de la radiación de fondo actual son muy débiles, y en vez de corresponder a una temperatura de 3.000º C (como cuando fueron liberados), corresponden a una temperatura de 270º C bajo cero. Debido a la expansión cósmica, mientras la luz ha viajado de todas partes (esfera) hasta nosotros, el universo ha seguido expandiéndose. Por ello, la distancia actual entre esa esfera y nosotros es mayor que 13800 millones de años luz (que es lo que sería si el universo fuera estático); concretamente es de unos 46.000 millones de años-luz.

Porque no es isótropa: La Vía Láctea, se mueve con una velocidad peculiar respecto al fondo de microondas. Los fotones que nos llegan “por detrás” los percibimos menos energéticos (su frecuencia se desplaza al rojo) y los que nos llegan “de frente” los vemos más energéticos (su frecuencia se desplaza hacia el azul). Precisamente gracias a esta anisotropía de la radiación de fondo (técnicamente, una anisotropía de tipo dipolo) sabemos que, con

respecto al fondo de radiación, nos estamos desplazando a 380 km/s, en dirección hacia la constelación de Virgo.

Historia del universo

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A los 380000 años se produce el CMB y acaba la edad oscura ( aún no hay estrellas porque se está formando la materia partiendo del H y Helio ) 400.000 años después se van formando las estrellas. pero vemos que hace 7000 millones de años como si el universo tirará hacia arriba, luego hay algo que tira más que la gravedad hacia arriba, el universo se expande entonces más aceleradamente.

Constatación de porque se expande más aceleradamente desde hace 7000 millones de años: Cuando explota una estrella en forma supernova y conocemos su tamaño podemos saber el brillo intrínseco esperado , si lo comparamos con el aparente recibido , como sabemos que se pierde brillo con el cuadrado de la distancia , entones podemos calcular la distancia de la supernova Con el cálculo de esas distancia se calculó que no valían las teorías de expansión del universo. Hasta un momento siempre eran de pendiente menor de 90 pero a partir de un cierto momento la pendiente es mayor lo que indica que la expansión es más acelerada. La explicación la proporciona el hecho de que además de materia gravitatoria debe haber materia oscura y energía oscura con otras propiedades.

Inhomogeneidades en la temperatura de la radiación de fondo :

PLANCK (a partir de 2010) ha sido capaz de cartografiar con extraordinaria precisión el CMB y en sus imágenes se aprecian inhomogenedidades de la temperatura de la radiación de fondo Veamos los mapas que se iban tomando con el tiempo y el mapa actual

el mapa

Cada punto del mapa corresponde a una dirección por la que, procedentes del cielo lejano, nos llegan a la Tierra fotones de la radiación de fondo. Los colores representan la temperatura asociada a esos fotones Recordemos que el universo primitivo, previo a la Recombinación, estaba lleno de plasma: una sopa de partículas cargadas (núcleos positivos y electrones negativos) y fotones, en intensa interacción unos con otros. Las zonas del universo a mayor temperatura eran aquellas donde el plasma estaba más concentrado, más denso. Por tanto, el famoso mapa de temperaturas de CMB representa también un mapa de densidades de aquel plasma primitivo en el momento de la Recombinación. Evidentemente la densidad de la materia ha seguido cambiando , pero CMB representa una foto de la época de la recombinación que es cuando se produjo el escape masivo de fotones.v

Para comprender mejor las fluctuaciones en la temperatura hagamos una analogía con el sonido Si el universo primitivo hubiera estado lleno de longitud de onda concretas correspondientes a las diferentes densidades, el mapa de la radiación de fondo sería mucho más regular, parecido a un tablero de ajedrez de casillas rojas y azules, separadas por media longitud de onda Pero al igual que con el sonido existen los ármonicos, sin los arm´nicos un do , fa etc sonarían igual en una flauta que en un piano, pero al igual que partiendo de muchos sonido con sus armónicos podemos reconstruir la orquesta , conociendo el sonido del universo primitivo , es el que está “fotografiado” en el mapa de la radiación de fondo, queremos conocer las características (forma y “material de construcción”) de la orquesta que lo produjo: el propio universo Para hacerlo pensemos en una pequeña región del plasma primitivo, ese pedazo de plasma se contraía y se expandía como una pelota de goma o un muelle que se comprime y se estira. Ahora bien, cada onda que vibraba en el plasma primitivo tenía una longitud de onda y un periodo de oscilación distinto (a mayor longitud de onda, mayor periodo de oscilación). Entonces, aunque existieran ondas de todos los tipos, las que produjeron un mayor contraste de densidad en el instante de la Recombinación, fueron las que en ese momento estaban provocando una compresión o una expansión máxima en el fragmento de plasma. Vamos a ver cuáles eran. Es decir , suponiendo que esa pequeña región de plama que hemos escogido

Resumen teoría de la inflación: El universo se expande debido al Bing Bang com parece demostrar el CMB, y se expande como un globo al inflarse con el tiempo , el universo es la superficie del globo. Problemas : Uniformidad térmica : solución teoría de la inflación si está en expansión como se explica la uniformidad térmica ( actualmente 3º K )que se ve en el CMB es decir cómo se intercambia la radiación, el Sol calienta la tierra pero tarda un tiempo, para que dos cuerpos equilibre el estado se necesita que la radiación se intercambie El universo observable desde la tierra es de 48 millones de años luz en un sentido y en otro es decir 92 millones de años luz, pero el universo no es tan viejo para que los más alejados han ado, la teoría de la inflación con la suposición que en un tiempo de 10-34 sufrió una expansión 10 60 , es decir desde más pequeño que un protón hasta más grande que la vía láctea y a velocidades millones de veces la de la luz , todos los cuerpos en la superficie del globo estarían a la misma T , podemos además decir que cumplimos la relatividad de que nada viaja más rápido que la luz en el espacio que sería la superficie del globo, pero el globo si que se expandió a velocidades muy superiores.

Las arrugas del espacio-tiempo : Solución teoría de la inflación Al observar el universo vemos que la materia no se distribuye de manera uniforme las galxias se agrupan en grandes cúmulos con grandes espacios casi vacíos

Para que se pudieran formar esta red de filamentos era necesario que en el universo inicial hubiera fluctuaciones de densidad y temperatura estudiadas antes , tales como las que son visibles en el fondo de radiación de microondas , hay un montón de experimentos con billones de partículas en las que se provocan variaciones de densidad. ampliemos una fluctuación del cmb,

El problema para la Teoría del Big Bang era que no proponía ningún mecanismo capaz de generar estas fluctuaciones. Si el universo se había expandido de manera suave y continua, ¿qué había producido las diferencias de densidad y temperatura entre unas zonas y otras? El primero en constatar las fluctuaciones fue el Piras del Cobe : El objetivo del instrumento era medir el espectro de la radiación cósmica de fondo, es decir, precisar la intensidad en una gama de longitudes de onda que iban desde un centímetro hasta una centésima de centímetro. Si la radiación de fondo era el producto de un suceso del Big Bang, el espectro debía parecer un arco ligeramente torcido, que es la forma característica de la radiación de cuerpo negro. El instrumento estaba diseñado para efectuar lecturas de la radiación de fondo y compararlas con una fuente de cuerpo negro incorporada, Las medidas confirmaron que la radiación de fondo tenía el espectro característico de un cuerpo negro y , significaba un apoyo importante a la teoría del Big Bang La confirmación de los datos del Cobe probaban que la gravedad realmente pudo haber dado forma al universo presente a partir de las minúsculas fluctuaciones cuánticas que se produjeron en la primera fracción de segundo posterior a la creación. Veamos el resumen que hizo el Director del proyecto COBE (muy simple y visto antes) : La comprensión del universo se basa en 5 puntos :     

primero, la oscuridad del cielo nocturno; segundo, la composición de los elementos, con una gran preponderancia de hidrógeno y helio sobre los elementos más pesados; tercero, la expansión del universo; cuarto, la existencia de la radiación cósmica de fondo quinto las arrugas que estuvieron presentes en la estructura del universo 300.000 años después del Big Bag

La evolución del universo es, el paso de una homogeneidad virtual a comienzos del universo al aspecto «grumoso» que éste tiene actualmente, en el que la materia aparece condensada en forma de galaxias, cúmulos, supercúmulos y estructuras incluso mayores. Podemos considerar esa evolución debida a la influencia de la temperatura decreciente (o energía). A los 10-43 de segundo es decir, el menor espacio de tiempo del que podemos hablar debido al principio de incertidumbre todo el universo que observamos actualmente era una fracción mínima del tamaño de un protón. El espacio y el tiempo no hacían más que empezar. El universo creó espacio-tiempo a medida que se producía. En ese punto la temperatura era de 1032 grados, y las tres fuerzas de la naturaleza —

electromagnética y fuerzas nucleares fuerte y débil— se hallaban fusionadas en una sola. Materia y energía eran lo mismo y las partículas aún no existían. A los 10-34 de segundo la inflación expandió el universo (a un ritmo acelerado) un quintillón de veces (1030) y la temperatura descendió a 1027 de grados. La fuerza nuclear fuerte se separó y la materia experimentó su primera transición de fase, existiendo ahora como quarks (el componente esencial de protones y neutrones), electrones y otras partículas fundamentales. La siguiente transición de fase tuvo lugar a las diez milésimas de segundo, cuando los quarks empezaron a unirse para formar protones y neutrones (así como antiprotones y antineutrones). Comenzó entonces la aniquilación de partículas de materia y antimateria, hasta que por fin quedó un leve residuo de materia. Todas las fuerzas de la naturaleza ya estaban separadas. Al cabo de un minuto aproximadamente la temperatura había descendido lo suficiente para permitir que protones y neutrones se unieran al chocar entre ellos formando núcleos de hidrógeno y helio, el material de que están hechas las estrellas. Esta sopa de materia y radiación, que inicialmente tenía la densidad del agua, continuó expandiéndose y enfriándose durante otros 300.000 años, pero era demasiado energética para que los electrones se adhirieran a los núcleos de hidrógeno y helio para formar átomos. Los fotones energéticos convivían con las partículas que formaban la sopa en un frenesí de interacciones. Pero entre estas interacciones los fotones sólo podían viajar una distancia muy corta. El universo era esencialmente opaco. Cuando a los 300.000 años la temperatura cayó a unos 3.000°, tuvo lugar una transición de fase crucial. Los fotones ya no eran lo bastante energéticos para desalojar a los electrones de los núcleos de hidrógeno y helio, de modo que se formaron los átomos de estos dos elementos y permanecieron juntos. Los fotones dejaron de interactuar con los electrones y pudieron escapar y viajar grandes distancias. De pronto, esta separación de materia y radiación hizo que el universo se hiciera transparente; la radiación se dispersó en todas las direcciones, corriendo a través del tiempo en forma de radiación cósmica de fondo, tal como actualmente podemos detectarla. La radiación liberada en ese instante, nos proporciona la imagen instantánea de cómo estaba distribuida la materia en el universo cuando éste tenía 300.000 años de edad. Si toda la materia se hubiese distribuido de manera uniforme, la estructura del espacio habría sido plana y las interacciones entre los fotones y las partículas, homogénea, dando como resultado una radiación cósmica de fondo completamente uniforme. Nuestro descubrimiento de las arrugas revelaba que la materia no se encontraba distribuida de manera uniforme, que ya estaba estructurada y que había generado las semillas a partir de las cuales ha crecido el universo actual. Esas regiones del universo con una alta concentración de materia ejercieron una atracción gravitacional mayor y, por lo tanto, curvaron el espacio positivamente; las áreas menos densas, por su parte, tenían menos atracción gravitacional, dando como resultado una menor curvatura del espacio. Cuando después de 300.000 años la materia y la radiación se separaron, el flujo de fotones cósmicos de fondo repentinamente liberados llevaba la marca de esas distorsiones del espacio, esto es, las arrugas que aparecen en nuestros mapas. La radiación que se desplaza de las áreas más densas es más fría que el fondo promedio; cuanto menos densa, más caliente. Como hemos visto, en el universo hay dos clases de materia —materia oscura y materia visible—, y su función en la formación gravitacional de estructuras es diferente.

La materia oscura, que por su naturaleza no es afectada por la radiación pero sí por la gravedad, pudo haber comenzado a formar estructuras mucho antes que la materia visible, que es golpeada por el flujo energético de fotones. Moldeada por los contornos del espacio que en el universo preinflacionario se originaron como fluctuaciones cuánticas, la materia oscura pudo haber comenzado a agregarse, bajo la influencia de la gravedad, tan pronto como diez mil años después del Big Bang. A los 300.000 años la separación de la materia y la radiación liberó una materia ordinaria visible que sería atraída por las estructuras formadas por la materia oscura. A medida que la materia visible se agregaba, las estrellas y las galaxias iban tomando forma. Las galaxias que contemplamos en el cielo nocturno es donde la materia visible señala los contornos de las estructuras de materia oscura invisible hacia las que ha sido conducida por la atracción gravitacional.

Materia oscura , Energía oscura y Constante Cosmológica: Materia oscura : No se sabe lo que es , pero debe existir, lo que si se ha observado son sus propiedades:   

Pesa-> Interacción gravitatoria Oscura-> No tiene ni interacciona con la luz Neutra -> Carga eléctrica 0

Y punto no se sabe nada más, es decir no tiene nada que ver con el negro , está en todas partes ( como los neutrinos) pero es transparente de momento a todos los métodos de detección. Sin embargo como pesa debe existeir Si pesamos una galaxia por la masa luminosa y por la masa total vemos que hay un 80 % de materia no luminosa y un 20 % de luminosa y esto ocurre con todas las galaxias que se estudian, podríamos creer que nos equivocamos al contar estrellas o calcular masas pero todos los métodos siguientes: 

Giro de estrellas

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Giro de galaxias en un cúmulo

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El CMB

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El contenido de materia y energía en un universo plano

Etc. Todos ellos nos dan un 80 % de materia oscura y un 20 de luminosa Donde está : en forma de halo oscuro en toda la galaxia es decir estamos impregnados y rodeados de materia oscura : Sin embargo dentro del modelo estándar de partículas no tenemos ningún candidato a ser componente de la materia oscura, luego su explicación de momento va más alla.

Energía Oscura: Pero ni contando con la materia oscura logramos explicar la expansión acelerada del universo, haría falta una forma de energía que estuviera presente en todo el espacio que produjera una presión que tendiera a acelerar la expansión como una fuerza gravitatoria repulsiva: La energía oscura En un principio la expansión del universo se frenó debido a la gravedad, pero hace unos 4000 millones de años la energía oscura sobrepasó al efecto de la fuerza gravitatoria de la materia y comenzó la aceleración de la expansión. Otra forma de justificar la energía oscura es que , de cualquier forma, es necesaria para reconciliar la geometría medida del espacio con la suma total de materia en el universo. Las medidas de la radiación de fondo de microondas más recientes, realizadas por el satélite WMAP, indican que el universo está muy cerca de ser plano. Para que la forma del universo sea plana, la densidad de masa/energía del universo tiene que ser igual a una cierta densidad crítica. Posteriores observaciones de la radiación de fondo de microondas y de la proporción de elementos formados en el Big Bang (Gran explosión) han puesto un límite a la cantidad de materia bariónica y materia oscura que puede existir en el universo, que cuenta solo el 30 % de la densidad crítica. Esto implica la existencia de una forma de energía adicional que cuenta el 70 % de la masa energía restante.10 Estos estudios indican que el 73 % de la masa del Universo está formado por la energía oscura, un 23 % es materia oscura (materia oscura fría y materia oscura caliente) y un 4 % materia bariónica. La teoría de la estructura a gran escala del universo, que determina la formación de estructuras en el universo (estrellas, quasars, galaxias y agrupaciones galácticas), también sugiere que la densidad de materia en el universo es solo el 30 % de la densidad crítica. Einstein la predijo al considerar que el vacío no lo era , ya que en la expansión la densidad de materia ha seguido disminuyendo ( hay menos partículas por volumen ) pero la energía oscura ( el vacío ha permanecido constante)

. Einstein la formulo para poder demostrar que el universo era estático como una forma de compensar la gravedad para que no se contrajera pero se demostró que el universo no era estático debido a la distribución irregular de energía ( demostradas en el CMB) algo que se contrae se seguirá´contrayendo y al revés. Luego debe haber algo que provoque una “atracción “” gravitacional negativa es decir algo con presión negativa. Si el efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía, resulta una expansión del tipo que se ha observado desde hace 4000 millones de años. Por esa razón, se ha postulado que la expansión acelerada observada podría ser el efecto de presión negativa de una substancia exótica conocida como energía oscura Constante cosmológica: De momento es la explicación más fiable de la energía oscura, aunque están muy verdes La definición más asequible de la energía oscura es que es el coste de tener espacio : por tener espacio tengo energía, es decir, un volumen de espacio conocido como vacío tiene alguna energía fundamental intrínseca. Esto es la constante cosmológica, algunas veces llamada Lambda Como la energía y la masa están relacionadas por la ecuación E = m c2 , la teoría de la relatividad general predice que tendrá un efecto gravitacional. Algunas veces es llamada energía del vacío porque su densidad de energía es la misma que la del vacío. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vacío que darían al vacío exactamente este tipo de energía. Los cosmólogos estiman que la densidad de energía correspondiente a la constante cosmológica es del orden de 10−29 g/cm³ o unos 10−120 en unidades de Planck.

Inflación y Energía Oscura: La inflación postula que las fuerzas repulsivas debidas a la presión negativa que son cualitativamente similares a la energía oscura, dan como resultado una enorme y exponencial expansión del universo poco después del Big Bang. Sin embargo, la inflación tiene que haber ocurrido a una energía mucho más alta que la energía oscura que observamos hoy y se piensa que terminó completamente cuando el universo solo tenía una fracción de segundo ( necesitamos el campo escalar del inflatón). No está claro qué relación (si hay alguna), existe entre la energía oscura y la inflación.