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Toda la evidencia y la teoría basadas en observaciones del universo se pueden agrupar en un modelo estándar de cosmología que tiene solo seis criterios.
En este extracto editado de «El pequeño libro de la cosmología» (El pequeño libro de la cosmología, publicado por Princeton University Press y reproducido aquí con el permiso del editor), el profesor de física Lyman Page explica cómo nuestro modelo del universo se basa únicamente en seis parámetros.
¿Cómo estudiamos el universo como un todo?
Mi trabajo se centra en Radiación de fondo de microondas (CMBLos débiles remanentes de energía del Big Bang, y cómo se miden, podrían guiar nuestro camino hacia la comprensión del universo.
Pero hay muchas otras formas de estudiar el universo, y los físicos que estudian este universo se especializan en todo, desde la relatividad general hasta la termodinámica y la teoría de partículas elementales.
Hacemos que las observaciones en casi todos los sistemas de longitud de onda sean accesibles para la medición y con los últimos detectores de partículas.
Las observaciones provienen de las cercanías y de los lugares más distantes del espacio.
Toda esta evidencia y teoría se puede juntar en un modelo modular sorprendentemente simple de cosmología, que simplemente posee Seis parámetros.
Estos son los números que definen todo el universo.
Contenido del archivo UNeverso
los Los primeros tres parámetros Nos lo cuentan Contenido Universo.
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Este mapa de la NASA revela la radiación de fondo de microondas.
Los describimos como fracciones del presupuesto total de material y energía, como los componentes del gráfico circular.
El primer parámetro describe cuánto Una sustancia ordinaria son los átomos. En el universo, y ella dice que solo representan 5% Universo.
Describe el segundo parámetro Materia oscura, Especie de nueva partícula fundamental que aún no entendemos, y que representa el 25% del universo.
Sorprendentemente, la cantidad de materia oscura, que podemos inferir de nuestras mediciones de fluctuaciones sutiles de temperatura en la radiación cósmica de fondo, es consistente con el valor extraído de las observaciones de los movimientos de estrellas y galaxias.
Sin embargo, el valor que obtenemos de las mediciones de CMB es más preciso.
Nuestras medidas también nos dicen algo más.
Debido a que el CMB nos llega de la era de la separación, cuando el universo temprano se enfrió lo suficiente como para liberar los fotones del plasma caliente que los unió durante varios cientos de miles de años después del Big Bang, lo que hizo que el universo se volviera transparente, podemos ver que La materia oscura está claramente en UUniverso temprano.
Además, podemos ver que los átomos, la sustancia de la que estamos hechos, representan solo una sexta parte de la masa total del universo.
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La materia oscura, un tipo de nueva partícula fundamental que aún no entendemos, representa el 25% del universo.
El tercer parámetro es La constante cosmológica, La misteriosa energía oscura que subyace a la expansión acelerada del universo.
Esto representa el 70% del presupuesto total de materia y energía del universo. Tampoco sabemos qué es esta energía oscura, pero sí sabemos que existe, porque hemos medido directamente su existencia a través de la aceleración cósmica.
Se están formando estrellas y galaxias
El cuarto parámetro es Profundidad visualO cuán opaco era el universo con respecto a los fotones que lo atravesaban.
Este es el más astronómico de todos los parámetros del Modelo Estándar de Cosmología.
Y con eso queremos decir que captura nuestro escaso conocimiento del complejo proceso de formación y la posterior explosión de las primeras estrellas y la formación de las primeras galaxias en el universo.
La intensa luz de estas primeras estrellas y galaxias rompió el hidrógeno que prevalecía en el universo en los protones y electrones que lo formaron, haciendo que el universo se reionizara.
En este proceso, alrededor del 5-8% de los fotones de la radiación cósmica de fondo, los fotones que se liberaron en el momento del desacoplamiento, se dispersaron nuevamente.
Para usar la analogía, teniendo en cuenta que el universo antes era transparente, es como si hubiera entrado un poco de niebla.
No mucho, todavía se puede ver una costa lejana, pero la visibilidad se reduce. Curiosamente, para determinar la profundidad óptica del universo, se tomó un CMB.
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Usando estos seis parámetros, podemos calcular las propiedades no solo del CMB, sino también de cualquier medida cosmológica que queramos hacer.
La polarización, junto con la intensidad y la longitud de onda, es una de las tres propiedades de una onda de luz.
La polarización determina la dirección en la que oscila la onda de luz.
Por ejemplo, la luz reflejada por la campana se polariza horizontalmente. Es decir, la onda de luz oscila horizontalmente de lado a lado.
Las gafas de sol polarizadas bloquean esta tendencia del bamboleo y su reflejo asociado.
Asimismo, los electrones emitidos por el proceso de reionización son dispersados y polarizados por los fotones CMB.
Si puede mirar el CMB con o sin «gafas de sol» polarizadas, verá que se ven un poco diferentes.
Fluctuaciones cuánticas
Describe los dos últimos parámetros Orígenes de pequeñas fluctuaciones Eso dio lugar a todas las estructuras que observamos hoy en el universo.
Si tuviéramos un modelo completo del universo, un modelo que comenzara con pequeñas fluctuaciones cuánticas y predijera con éxito las fluctuaciones de la materia en esferas de 25 millones de años luz de diámetro, podríamos deshacernos de uno de estos dos criterios.
Desafortunadamente, aunque tenemos un borrador muy exitoso para entender cómo evolucionó el universo, todavía no conocemos todos los enlaces, por lo que los necesitamos como parámetro.
su nombre Espectro de fuerza primordial Describe las fluctuaciones en la densidad del universo en el espacio tridimensional.
Al comienzo del universo, estas fluctuaciones eran pequeñas, pero a medida que el universo se expandía, estas diferencias de densidad se volvían grandes en todo el universo.
Como había regiones ligeramente más densas en el universo primitivo, la materia continuó aglutinando, y ahora podemos ver galaxias o cúmulos de galaxias; En otros casos, donde la densidad es menor, no vemos casi nada.
El parámetro restante se llama Índice numérico espectral Es lo más difícil de entender, pero también es nuestra mejor ventana al nacimiento del universo.
Nos dice cómo las fluctuaciones primitivas, los pequeños cambios de energía que existían en el universo primitivo, dependían de la escala angular.
Para entender esto mejor, usemos una analogía musical.
Este último parámetro cósmico nos permite distinguir entre «ruido blanco» y, por ejemplo, «ruido rosa», donde los tonos bajos (similares a las grandes escalas angulares) tienen una magnitud algo mayor que los tonos altos (análogos a las pequeñas escalas angulares).
Usando el CMB, encontramos que las fluctuaciones iniciales eran ligeramente mayores en amplitud en las escalas angulares grandes que en las escalas más pequeñas.
En otras palabras, Primal Cosmic Noise es ligeramente rosado.
Con estos seis criterios, Podemos calcular propiedades no solo desde los CMB, pero también cualquier medida cósmica que queramos hacer.
Podemos, por ejemplo, calcular la edad del universo: 13,8 mil millones de años (habría una diferencia aproximada de 40 millones de años).
La observación más restrictiva es la de la variación CMB: sutiles fluctuaciones de temperatura.
Sin embargo, el modelo estándar de cosmología corresponde a todas las medidas, de todos los campos de la física y la astronomía.
En resumen, independientemente de cómo miremos el universo, con las sondas de las galaxias, a través de las estrellas en explosión, a través de la abundancia de elementos ligeros, a través de las velocidades de las galaxias o mediante el CMB, solo necesitamos los seis parámetros descritos anteriormente, y los procesos físicos conocidos, para describir el universo que observamos. .
¿Qué significa poder describir algo tan simple y cuantitativo? Esto significa que entendemos cómo las partes del universo encajan para formar un todo.
Entendemos algunos vínculos profundos de la naturaleza.
Esto significa que se puede demostrar que estamos equivocados, no con diferentes argumentos, sino con Mejor modelo cuantitativo Describe más aspectos de la naturaleza.
Hay pocos sistemas que los científicos han estudiado que puedan describirse de manera simple, completa y con tanta precisión.
Tenemos la suerte de que el universo visible sea uno de ellos.
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