Una Timeline de la Cosmología en los últimos 100 años

He preparado este Panorama Cronológico (a.k.a. Timeline) de la Cosmología en los últimos 100 años para la charla que doy hoy en el curso organizado por el GUA y la Sociedad Syrma.

Al igual que en la Timeline del modelo estandar de las partículas elementales, pinchando en la miniatura se deberá abrir la ventana de lectura de .pdf’s en su navegador mostrando la timeline en todo su esplendor. Allí se debe ampliar la escala de visión hasta que verticalmente el fichero ocupe la pantalla completa. Luego hay que navegar por él lateralmente: el fichero está construido para verse exactamente así. Representa horizontalmente la diacronía, en dos grandes franjas. La franja superior tiene varios bloques sobre la teoría y la interpretación relacionada con esta historia y en la inferior se ubican a lo largo del tiempo resultados o iniciativas observacionales en Astronomía y Cosmología en los distintos rangos de observación (visible, radio, etc.). Cada uno de esos bloques tiene su línea de fechas y la sincronía entre ellas está representada en vertical, con unos iconitos que ubican temporalmente sucesos históricos relevantes.

Como en su Timeline análoga para el modelo estandar de las partículas elementales, un panorama de este tipo ayuda a percibir bien la inter-relación temporal y conceptual entre los descubrimientos observacionales y los modelos teóricos. Hay detalles también aquí para entretenerse un buen rato. Disfrútenlo.

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17 respuestas a Una Timeline de la Cosmología en los últimos 100 años

  1. kikevasallo dijo:

    Reblogueó esto en Un rincón en el que pensar.y comentado:
    Aquí os dejo el acceso al Timeline de la Cosmología preparado por el profesor Mariano Santander para su espléndida charla que dio ayer organizada, dentro de los cursos de Astrofísica, por el Grupo Universitario de Astronomía (GUA) y la sociedad Syrma.
    Un saludo.

  2. Achenar dijo:

    Oye, contenido al margen me gusta como queda la timeline ¿se puede saber con qué aplicación esta hecha?

  3. Gracias, kikevasallo, me alegra que te pareciera tan bien la charla y muchas gracias por la difusión.

    Achenar, te gusta como queda la timeline pero “contenido al margen”; con ese elíptico añadido me dejas con una (terrible) duda: ¿debo tomarlo como una crítica al contenido? Sobre lo que preguntas, la timeline no está hecha con ninguna aplicación específica (cuando hice la primera, la del modelo estandar de las partículas elementales probé algunas de estas aplicaciones prêt-à-porter para timelines pero no me convencieron). Finalmente decidí hacerla en \TeX con unos macros construidos a propósito para lo que yo quería conseguir, pensando sobre todo en la facilidad de modificación y en que el código que haya que escribir para producir la timeline sea limpio, claro, minimal y fácilmente trasladable o reutilizable.

  4. Achenar dijo:

    ja ja, no era esa mi intencion criticar el contenido,,solo tenia curiosidad por si estaba hecha con alguna aplicacion de dominio publico, Se agradece la respuesta.

  5. Albert dijo:

    Hola Mariano, estoy muy enfadado contigo.
    Me he mirado el time line 20 veces del derecho y del revés con la malsana intención de encontrar algo importante que te hayas dejado para hacer sangre y ¡nada! ¡Pardiez es muy completo!
    Pero como mi ego me impide aceptar la verdad, de todos modos voy a soltar una: Ya que en 1983 pones “simulaciones evolución cósmica”
    no sé si valdría añadir en 2014 algo así como “Resultados de la simulación Illustris consistentes con ΛCDM”
    http://www.illustris-project.org/
    Continuo buscando, no creas que estás a salvo… saludos…

  6. Albert dijo:

    Otras pequeñas cositas que tal vez se podrían añadir:
    1964 Método Refsdal para estimar el ratio de expansión del Universo mediante lentes gravitatorias.
    2014 Primer efecto lente gravitatoria observado en una supernova, (la cruz de Einstein de la supernova Refsdal)
    http://francis.naukas.com/2015/03/08/la-cruz-de-einstein-de-la-supernova-refsdal/
    Saludos

  7. MarianoS dijo:

    Albert, me pido que todos los enfados sean como el tuyo. No conocía el proyecto Illustris. En cuanto a la idea de Refsdal de usar el efecto lente gravitatoria como un estimador independiente, tienes razón que merece figurar como un hito importante. Tomo nota para incluirlo en la próxima revisión que haga del panorama temporal.

    Esto parece así ahora, cuando tantas lentes e incluso anillos de Einstein casi perfectos se estan encontrando. Supongo que cuando Refsdal lo propuso nadie le haría demasiado caso. De hecho creo recordar que Einstein, en el artículo donde habla de los anillos, dice explícitamente que la probabilidad de observar alguno (incluso solo aproximado, tipo cruz) sería en la práctica nula.

    Y gracias por comentar y dar sugerencias (que aquí siempre son bienvenidas); saber que no estoy a salvo es estimulante.

  8. Albert dijo:

    Hoy he visto publicada una excelente noticia para la Cosmología experimental, comparto el enlace para tí y tus lectores:
    “…La cámara del proyecto PAU (Physics of the Accelerating Universe), que se instaló con éxito en el telescopio William Herschel en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma durante el día 3 de junio, ha visto su primera luz esa misma noche y ha finalizado su puesta en marcha. Este instrumento está especialmente diseñado para medir con precisión la distancia a las galaxias y estudiar así cómo el Universo se está expandiendo cada vez más rápido bajo la influencia de la misteriosa energía oscura, que constituye el 70% del mismo…”
    https://www.fpa.csic.es/noticia/446
    Y lo que me ha dejado boquiabierto es que según entiendo, es un proyecto 100% español:
    http://www.pausurvey.org/about_us.html
    Saludos

  9. Muchas gracias Albert. No tenía ni idea, me leeré en cuanto pueda los enlaces y trataré de obtener más información.

  10. Albert dijo:

    Mariano, aprovechándome de tus conocimientos de Cosmología, una pregunta, igual la respuesta es obvia pero no caigo. Los fotones del CMB de la superficie de última dispersión que estamos recibiendo ahora (z=1100 aprox.) partieron con una longitud de onda unas 1100 veces menor que la que observamos ahora cuando nos llegan.
    Es decir cada fotón partió con una energía 1100 veces mayor a la que tiene ahora cuando lo observamos.
    Según he entendido, la mayoría de estos fotones que recibimos no han interaccionado con nada, simplemente han enrojecido por la expansión del Universo. ¿Dónde está la diferencia de energía entre la que tenían los fotones al partir hace 13.798 Maños y la que tienen ahora, que es 1100 veces menor?
    Muchas gracias y saludos cordiales.

  11. Albert, responderé en cuanto sea posible (y lo mejor que pueda) a tu pregunta, pero me pillas, a pesar de lo que pudiera parecer por las fechas, en pleno fregado de resolver varios asuntos pendientes y alguno urgente que no me dejan un momento libre, ni siquiera para publicar el tercer post de la serie de la Tierra Plana, que está acabado de escribir hace más de una semana ni para escribir una respuesta a tu pregunta que no sea solo telegráfica. Disculpame pues por el retraso.

  12. Albert dijo:

    ¡Muchas gracias! Saludos cordiales.

  13. Albert, aqui va la respuesta prometida. He tenido así la oportunidad de pensar algunos ratos sobre esta cuestión durante las vacaciones. Es un poco larga, pero no he tenido tiempo de hacerla más breve. Confio en que te sea útil.

    A primera vista, parece que en efecto, los fotones del fondo cósmico de microondas (FCM) han perdido energía desde su emisión hasta ahora. Cuando se produjeron tenían cierta longitud de onda, que debido a la expansión del Universo es ahora unas 1100 veces mayor y por ello su frecuencia es unas 1100 veces menor que cuando fueron emitidos. Como la energía de cada fotón es proporcional a su frecuencia, la conclusión aparentemente natural es que entre la época de la recombinación (que es cuando el FCM comenzó a propagarse) y ahora, los fotones del FCM han perdido la mayor parte de su energía. Estos fotones no han interaccionado prácticamente con ninguna materia en su viaje. Si combinamos estos hechos con la confianza casi incondicional que los físicos tenemos en la conservación de la energía, la pregunta que haces es inevitable: ¿por qué mecanismo han perdido esa energía? y ¿donde ha ido a parar la energía perdida? Así que la pregunta es completamente natural.

    Puestos a hacer distinciones, la pregunta puede desdoblarse en dos: 1) ¿es correcto el razonamiento anterior, que sugiere que cada fotón individual ha perdido realmente energía? 2) ¿es aplicable la exigencia de conservación estricta de la energía en un campo gravitatorio? Analizar la segunda cuestión es mucho más sutil y resulta bastante más delicado de lo que podría parecer. Me limitaré pues ahora a la primera pregunta e intentare escribir algo sobre la segunda más adelante y con más calma.

    Hay dos ingredientes importantes que hay que tener en mente para responder. El primero es que las cantidades que describen la distribución de materia/energía ρ(t) y la presión p(t) son las propias, esto es, las que vería un observador fundamental, ligado a una galaxia cuya línea de universo en las coordenadas cosmológicas sea t → (t, χ, θ, φ), donde χ, θ, φ son tres constantes, independientes de t, que se refieren a valores constantes de las coordenadas cosmológicas comóviles. [He supuesto la elección habitual de coordenadas espaciales que se emplean en la cosmologia de FLRW, pero usar el sistema (χ, θ, φ) o cualquier otro es irrelevante para lo que sigue]. Esta línea de universo, llamada observador fundamental G describe la evolución de un punto (una galaxia G) en el 3-espacio cosmológico a lo largo del tiempo cosmológico. Otra galaxia G’ tendrá como línea de universo t → (t, χ’, θ’, φ’), donde χ’, θ’, φ’ son tres constantes, diferentes de las anteriores, y que corresponden a la posición espacial de G’ en las coordenadas comóviles.

    Cuando se habla de la energía de un fotón, se sobreentiende que es ‘energía respecto a este observador fundamental’; cuando se dice que en un universo con sólo radiación (un gas de fotones) la densidad de energía cambia con el tiempo como 1/a4(t) nos estamos refiriendo también a la densidad de energía propia, esto es, a la relativa en cada punto a los observadores fundamentales.

    Tanto el observador G como G’ tienen derecho a considerarse como observadores fundamentales. Cada uno de ellos puede (realmente en Cosmología debe) considerarse a sí mismo en reposo a lo largo de toda la evolución. Y no solo eso, sino que las componentes de las respectivas cuadrivelocidades son, en ambos casos (1, 0, 0, 0), con ese cuadrivector aplicado naturalmente a lo largo de cada una de las líneas de universo respectivas (esto es una simple consecuencia de cómo se escogen las coordenadas cosmológicas).

    El último párrafo parece muy análogo a lo que ocurre en un marco de referencia inercial en el espacio de Minkowski, esto es, cuando no hay campo gravitatorio ni expansión del Universo. Pero claro está, cuando se analiza con cuidado, hay una diferencia crucial en la que radica la clave para responder a la pregunta.

    En el espacio-tiempo sin campo gravitatorio (el espacio de Minkowski, coordenadas galileanas) dos líneas de universo cuya evolución sean t → (t, x, y, z) y t → (t, x’, y’, z’) con coordenadas espaciales constantes corresponden a dos observadores situados en ubicaciones espaciales distintas del mismo marco inercial y para ellos valen dos propiedades importantes: 1) cada uno de ellos sigue un movimiento inercial, sin aceleración ni rotación propias que puedan registrar los acelerómetros y giróscopos a bordo de cada observador, y 2) si cada uno observa al otro lo verá también siguiendo un movimiento sin aceleración ni rotación relativas respecto al primero (pero ahora la aceleración o la rotación del segundo es la observada por el primero para el movimiento del segundo, no la registrada por los instrumentos de a bordo del primer observador que registran solo la aceleración o la rotación propias), y recíprocamente. [De hecho, esa es la auténtica exigencia operacional que un marco de referencia inercial debe satisfacer, que muestra claramente que cuando hay un campo gravitatorio no hay realmente marcos inerciales globales]. El que ambos puedan considerarse a sí mismos en reposo simplemente traduce la idea de que hay un concepto ‘global’ de reposo (independiente de la posición) para el marco de referencia inercial.

    Pero no hay tal concepto global en un campo gravitatorio, ni en el caso general ni en el espacio tiempo cosmológico de FLRW. Limitándonos a éste último caso, si cada uno de los observadores G y G’ llevara un acelerómetro y un giróscopo a bordo, ambos aparatos marcarían permanentemente 0 (para el vector aceleración y el vector velocidad angular de rotación del eje del giróscopo) para cada uno de los observadores G y G’, pero si G observa a G’ no lo ve en reposo, sino que lo ‘ve’ alejarse, en primera aproximación con la velocidad que resulta de la ley de Hubble. Y además esta velocidad va creciendo conforme G’ se aleja de G (En la cosmología de FLRW no hay rotación relativa, a diferencia de lo que ocurre cuando hay componente gravimagnética del campo, por ejemplo en la solución de Kerr).

    Y claro, aquí está la clave para responder a tu pregunta. La energía con la que los fotones del FCM fueron emitidos era la relativa al observador fundamental para el cual localmente la distribución de materia en el universo era homogénea e isótropa en el momento de la emisión. Pero tras su viaje a lo largo de todo el tiempo desde la época de la recombinación, le observamos ahora desde otro observador fundamental, que está espacialmente muy separado del inicial. A todos los efectos observacionales (y sin entrar en detalles finos de interpretación), el efecto de redshift gravitatorio cosmológico equivale a un redshift Doppler. Cuando se observa un mismo fotón desde dos observadores en movimiento relativo, las frecuencias observadas difieren, debido a una velocidad relativa entre el observador desde el que se emitió el fotón (para el cual tenía la energía inicial) y el que lo recibe (para el cual la energía es muchísimo menor).

    Naturalmente, esto no implica, ni mucho menos, que el fotón haya ganado o perdido energía. Se trata de un efecto que nos recuerda que la energía que tiene un fotón no es una cantidad asociada al fotón de manera absoluta e independiente del observador; por el contrario, observadores diferentes asignan valores diferentes de la energía al mismo fotón. Cuando hablamos de un fotón de energía E estamos sobreentendiendo que esa energía se refiere a un observador que se supone claro en el contexto. Pero otro observador que se mueva con respecto al primero asignaría otra energía al mismo fotón.

    Para verlo desde otra perspectiva, imagina un fotón que se propaga en el espacio de Minkowski, sin interaccionar con la materia. Su cuadrimomento será un vector constante, cuyas componentes en el marco de un cierto observador O usando coordenadas galileanas con el eje x en la dirección de propagación será kμ = (E, c2 p, 0, 0) = (E, c E, 0, 0). Al decir que la energía de este fotón se conserva, lo que queremos decir es que con respecto a una familia de observadores mutuamente en reposo y que incluya al observador O (y que por tanto en todos los sucesos a lo largo de la línea de universo del fotón tenga componentes uμ = (1,0,0,0)), el valor de la energía, que se calcula a partir de ka y ua como la contracción del covector asociado a ka con el vector ua, definida pues como E:= ka ua, es constante a lo largo de la propagación del fotón; este valor merece el nombre de Energía (constante) del fotón relativamente al observador (a la familia de observadores) dado, y esa constancia traduce la conservación de la energía para el fotón. Demasiado parrafo para llegar a una trivialidad, pero conviene tenerlo como modelo para lo que ocurre enseguida.

    Si cambiamos esa familia de observadores por otra, manteniendo la exigencia de que los nuevos observadores estén mutuamente en reposo, por ejemplo suponiendo que u’b está dado en todos los sucesos a lo largo de la línea de universo del fotón por u’μ = (cosh(χ/c), -c sinh(χ/c), 0, 0), el valor que resulta del procedimiento anterior E’ = ka u’a = E exp(chi/c) es constante a lo largo de la propagación del fotón; este valor merece el nombre de Energía (constante) del fotón relativamente al nuevo observador. Importante: este valor E’ es diferente del E anterior. El cambio de E a E’ no corresponde a ningún cambio real en el fotón, sino a que el valor de la energía del fotón no es una propiedad absoluta asociada al fotón sin más, sino que depende del observador escogido, y χ simplemente parametriza al observador escogido.

    Ahora viene lo interesante: si a lo largo de la propagación del mismo fotón, aún en el espacio de Minkowski, nos encaprichamos en emplear una familia de observadores ub que no estén mutuamente en reposo, el valor que resulta al calcular ka ua ya no va a ser constante a lo largo de la evolución del fotón. La pregunta crucial es ahora: será aceptable llamar ‘energía del fotón’ a esa cantidad no constante? Ya se ve claramente que la respuesta razonable es: no. Que esa cantidad cambie no se debe a que el fotón esté ganando o perdiendo energía; se debe a que estamos cambiando el estado de movimiento de nuestro observador, y en cada instante la cantidad ka ua sería en todo caso la ‘energía’ que se asignaría al fotón si el observador, en lugar de estar cambiando su estado, mantuviera a lo largo del tiempo la misma velocidad constante que tiene en ese instante. Pero ya hemos visto antes que si el estado de movimiento del observador cambia, el valor de la energía que se debe asignar al fotón también cambia.

    Esto, exactamente, es lo que ocurre con el redshift cosmológico. A lo largo de la propagación, la energía aparentemente decreciente es la que asignan al fotón diferentes observadores que están en movimiento relativo. Aquí no hay realmente pérdida de energía, sino un efecto del campo gravitatorio.

    Un excelente artículo en donde se discute todo esto de manera muy detallada (publicado después en American Journal of Physics, aunque no tengo a mano la referencia de la publicacion final) está en arXiv; el enlace es
    E.F. Bunn, D. W. Hogg, The kinematic origin of the cosmological redshift, arXiv:0808.1081v2

    Cordiales saludos.

  14. Albert dijo:

    ¡Gracias por la respuesta! Me fui de vacaciones (sin Internet) y cuando volví se me había olvidado el tema, ahora lo acabo de ver, me lo leo a ver que aprendo.

    Otra cosa, ya que eres fan de los timeline, el otro día vi éste de Cosmología, te adjunto el enlace, aunque es probable que ya lo conozcas.
    http://www.cpepphysics.org/main_universe/history-chart.html
    Gracias de nuevo y saludos.

  15. Albert dijo:

    ¡¡Los cálculos se han cumplido con precisión milimétrica y la nueva imagen de la Supernova Refsdal ha aparecido en el lugar y en el tiempo previsto!!
    IM-PRE-SIO-NAN-TE el nivel de precisión que están alcanzando los cálculos cosmológicos:
    http://johnhartnett.org/2015/12/21/hubble-captures-first-ever-predicted-exploding-star/
    Saludos muy cordiales, Mariano.

  16. Albert dijo:

    Aquí tiene el paper con la predicción de aparición de una nueva imagen de la Supernova
    http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/heic1525b.pdf
    Saludos.

  17. Albert dijo:

    Este es el paper con la predicción de la nuva aparición de la imagen de la supernova.
    http://www.spacetelescope.org/static/archives/releases/science_papers/heic1525b.pdf
    Saludos

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