Posgrado
  1. Mecánica clásica  1.1. Cinemática Avanzada  1.1.1. Sistemas de coordenadas generalizados  1.1.2. Ecuaciones paramétricas del movimiento  1.1.3. Marcos no inerciales y fuerzas ficticias  1.1.4. Formulación covariante del momentum  1.1.5. Variable acción-ángulo  1.2. Mecánica lagrangiana y hamiltoniana  1.2.1. Principio de mínima acción  1.2.2. Ecuaciones de Euler-Lagrange  1.2.3. El teorema de Noether y las leyes de conservación  1.2.4. Velocidad Normalizada  1.2.5. Conversión canónica  1.2.6. El corchete de Poisson y la teoría de Hamilton–Jacobi  1.2.7. Caos hamiltoniano e integrabilidad  1.3. Movilidad de cuerpo rígido  1.3.1. Ecuaciones de movimiento de Euler  1.3.2. Momentos principales de inercia  1.3.3. Movimiento giroscópico y precesión  1.3.4. Tensor de inercia  1.3.5. Estabilidad de la velocidad de rotación  1.4. Dinámica no lineal y caos  1.4.1. Análisis de espacio de fases y estabilidad  1.4.2. Secciones de Poincaré y teoría de bifurcaciones  1.4.3. Atractores Extraños y Fractales  1.4.4. Exponente de Lyapunov  1.4.5. Teorema KAM y movimiento cuasiperiódico
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrodinámica Avanzada  2.1.1. Función de Green y teoría del potencial  2.1.2. Expansión multipolar  2.1.3. Método de carga de imagen  2.1.4. Condiciones de contorno y teorema de unicidad  2.2. Propagación de ondas electromagnéticas  2.2.1. Plane waves in dielectrics and conductors  2.2.2. Guías de ondas y resonadores de cavidad  2.2.3. Presión de radiación y pinzas ópticas  2.2.4. Polarización y cálculo de Jones  2.3. Electrodinámica relativista  2.3.1. Formulación covariante de la electrodinámica  2.3.2. Potenciales de Liénard–Wiechert  2.3.3. Radiación sincrotrón y bremsstrahlung  2.3.4. Tensor de campo electromagnético y transformaciones de Lorentz  2.4. Física del plasma  2.4.1. Magnetohidrodinámica  2.4.2. Pantalla de Debye y oscilaciones de plasma  2.4.3. Ondas de Alfvén y confinamiento en tokamak  2.4.4. Inestabilidades y turbulencias de plasma
  3. Mecánica estadística y termodinámica  3.1. Termodinámica Avanzada  3.1.1. Transformadas de Legendre y potenciales termodinámicos  3.1.2. Teorema de fluctuación-disipación  3.1.3. Relaciones interpersonales de Onsager  3.1.4. Eventos críticos y transiciones de fase  3.2. Mecánica estadística cuántica  3.2.1. La matriz densidad y la teoría de ensambles  3.2.2. Condensados de Bose–Einstein  3.2.3. Transición de fase cuántica  3.2.4. Estadísticas de Fermi-Dirac y Bose-Einstein  3.2.5. Funciones de partición y conjuntos canónicos grandes
  4. Quantum mechanics  4.1. Mecánica de ondas avanzada  4.1.1. Aproximación WKB  4.1.2. Formulación de integral de camino  4.1.3. Oscilador armónico cuántico y estados coherentes  4.2. Momento angular y espín  4.2.1. Armónicos Esféricos  4.2.2. Coeficiente de Clebsch–Gordan  4.2.3. Teorema de Wigner–Eckart  4.2.4. Acoplamiento espín-órbita  4.3. Teoría cuántica de dispersión  4.3.1. Aproximación de Born  4.3.2. Análisis de ondas parciales  4.3.3. Teorema Óptico  4.3.4. Teoría de la matriz S  4.4. Teoría cuántica de campos  4.4.1. Segunda Cuantización  4.4.2. Diagramas de Feynman y propagadores  4.4.3. Teoría de la Renormalización  4.4.4. Teoría de gauge y campos de Yang-Mills  4.4.5. Ruptura espontánea de simetría y el mecanismo de Higgs
  5. General relativity and cosmology  5.1. Cálculo tensorial y geometría diferencial  5.1.1. Ecuaciones de campo de Einstein  5.1.2. Métricas de Schwarzschild y Kerr  5.1.3. Geodésicas y símbolos de Christoffel  5.2. Cosmología y el Universo  5.2.1. La métrica FLRW y la inflación cósmica  5.2.2. Energía oscura y formación de estructuras  5.2.3. Radiación cósmica de fondo de microondas
  6. Física de la materia condensada  6.1. Estructura de bandas y teoría de transporte  6.1.1. Teorema de Bloch y el modelo de Kronig–Penney  6.1.2. Topología de la superficie de Fermi  6.1.3. Efecto Hall Cuántico  6.2. Superconductividad  6.2.1. Teoría BCS y pares de Cooper  6.2.2. Efecto Meissner y cuantización del flujo  6.2.3. El Efecto Josephson y los SQUIDs  6.3. Fases topológicas de la materia  6.3.1. Aislantes Topológicos  6.3.2. Fermiones de Majorana en fases topológicas de la materia
  7. Física Nuclear y de Partículas  7.1. Cromodinámica Cuántica (QCD)  7.1.1. Plasma de quarks y gluones  7.1.2. Libertad asintótica  7.1.3. Confinamiento y hadronización  7.2. Más allá del Modelo Estándar  7.2.1. Teorías de la Gran Unificación  7.2.2. Supersimetría y dimensiones extra  7.2.3. Oscilaciones de neutrinos

Posgrado → General relativity and cosmology → Cosmología y el Universo ↓


Energía oscura y formación de estructuras


En el gran tapiz del universo, la intrincada danza entre la materia y la energía teje el vasto universo en una entidad coherente. En el centro de este ballet cósmico se encuentran dos conceptos profundos en cosmología: la energía oscura y la formación de estructuras. Mientras que la formación de estructuras involucra el desarrollo de diseños cósmicos visibles como galaxias, estrellas y cúmulos de galaxias, la energía oscura introduce una fuerza misteriosa que acelera la expansión del universo. Para comprender verdaderamente su importancia, debemos profundizar en los fundamentos de la relatividad general y la cosmología.

¿Qué es la energía oscura?

La energía oscura es una forma de energía que impregna todo el espacio y determina la tasa a la que el universo se expande. A diferencia de la materia oscura, que forma estructuras como galaxias y cúmulos de galaxias, se piensa que la energía oscura está distribuida uniformemente por todo el universo.

Bajo la relatividad general, los efectos de la energía oscura pueden modelarse introduciendo una constante cosmológica Λ. El modelo más simple para la energía oscura es la energía del vacío, que tiene una densidad de energía constante en todo el espacio. Esto da el siguiente parámetro de densidad para el universo:

ρ_Lambda = Lambda / (8πG)

> Aquí, G es la constante gravitacional.

Visualizando la energía oscura

universo observable Energía Oscura

En la imagen anterior, el círculo azul representa el universo observable, mientras que el círculo rojo más pequeño representa la presencia de energía oscura que impregna el universo.

El papel de la energía oscura

El universo ha estado expandiéndose desde el Big Bang. Inicialmente, se creía que la gravedad haría que la expansión se ralentizara. Sin embargo, las observaciones a finales del siglo XX mostraron que la expansión está acelerando. Este descubrimiento sorprendente señaló un factor desconocido: la energía oscura.

Un efecto de la energía oscura es su influencia en el destino del universo. Si la densidad de la energía oscura permanece constante, superará la atracción gravitacional de la materia, provocando que el universo entre en un estado de expansión acelerada infinita.

Formación de estructuras en el universo

La formación de estructuras se refiere a cómo las pequeñas fluctuaciones en la densidad del universo temprano evolucionaron con el tiempo hacia las galaxias, estrellas y estructuras cósmicas más grandes que se observan hoy. Estas fluctuaciones están sujetas a la gravedad, creciendo lentamente en tamaño, lo que lleva a la formación de estructuras complejas en el universo.

En los primeros tiempos del universo, la materia estaba distribuida más uniformemente que hoy. A medida que pasaba el tiempo, las inestabilidades gravitacionales aumentaron, resultando en el colapso y la formación de varias estructuras cósmicas.

Red cósmica

Galaxias y cuerdas cósmicas

La red cósmica es la vasta estructura del universo. Los círculos azules representan cúmulos de galaxias mientras que las líneas rojas representan cuerdas cósmicas o filamentos que las conectan.

Fluctuaciones cuánticas y perturbaciones de densidad

Las fluctuaciones cuánticas durante el universo temprano dieron lugar a las perturbaciones iniciales de densidad. Estas perturbaciones crecieron a través del colapso gravitacional y llevaron a la formación de galaxias y estructuras a gran escala.

δ(x,t) = σ * e^[H(t-t_0)]

> Aquí, δ(x,t) representa la fluctuación de densidad en la posición x y el tiempo t, σ es la amplitud de la fluctuación, y H es el parámetro de Hubble.

Línea temporal del universo

La formación de estructuras en el universo se puede dividir en épocas principales, cada una marcada por diferentes fuerzas o procesos dominantes.

  • Era de recombinación (alrededor de 380,000 años después del Big Bang): Los electrones y protones se combinan para formar hidrógeno neutro, haciendo que el universo sea transparente a la radiación. Este periodo resulta en la formación del fondo cósmico de microondas (CMB).
  • Edades Oscuras: El tiempo en que el universo estaba lleno de hidrógeno neutro y había muy pocas otras fuentes de luz.
  • Era de reionización: Las primeras estrellas y galaxias se formaron, e eventualmente el hidrógeno neutro fue ionizado.
  • Formación y evolución de galaxias: Las galaxias evolucionaron, agrupándose para formar estructuras más grandes.
  • Dominio de la energía oscura (era actual): La influencia de la energía oscura se ha vuelto más significativa, causando la actual expansión acelerada del universo.

Relatividad general y evolución cósmica

La teoría general de la relatividad de Albert Einstein proporciona un marco para comprender la dinámica del universo a gran escala. Las ecuaciones que gobiernan la expansión del universo, impulsadas por la distribución de materia y energía, se derivan de las ecuaciones de campo de Einstein:

G μν + Λg μν = 8πGT μν

> En estas ecuaciones, G μν representa el tensor de Einstein que describe la curvatura del espacio-tiempo, Λ es la constante cosmológica, g μν es el tensor métrico, y T μν es el tensor de energía-momento que describe las densidades de materia y energía.

Ecuación de Friedmann

La expansión del universo puede describirse mediante las ecuaciones de Friedmann, que se derivan de las ecuaciones de campo de Einstein bajo la suposición de un universo homogéneo e isotrópico.

(a dot)^2/a^2 = 8πG/3 * ρ - k/a^2 + Λ/3 2(a double dot)/a = -8πG/3 * (ρ + 3p) + Λ

> Arriba, a representa el factor de escala, ρ es la densidad de energía, p representa la presión, y k representa la curvatura del espacio.

Relación entre la energía oscura y la formación de estructuras

Mientras que la energía oscura está expandiendo el universo en sus escalas más grandes, la atracción gravitacional está uniendo materia para formar estructuras en escalas más pequeñas. Estos procesos están interconectados:

  • La energía oscura afecta la tasa de expansión del universo, lo que afecta la tasa de crecimiento de las estructuras cósmicas.
  • En los primeros tiempos, cuando el efecto de la energía oscura era despreciable, las estructuras se formaban principalmente a través de la gravedad.
  • A medida que el universo se expande más rápido debido a la energía oscura, el crecimiento de nuevas estructuras se ralentiza debido al debilitamiento de la unión gravitatoria en regiones cósmicas más grandes.

Conclusión

La interrelación entre la energía oscura y la formación de estructuras destaca la naturaleza compleja del universo. Nuestra comprensión de estos fenómenos se mejora continuamente mediante observaciones avanzadas, marcos teóricos y mejoras tecnológicas. A medida que el universo progresa, la energía oscura y las estructuras cósmicas seguirán siendo temas importantes de estudio para desentrañar los misterios últimos del universo.


Posgrado → 5.2.2


U
username
0%
completado en Posgrado

← Anterior (5.2.1)
La métrica FLRW y la inflación cósmica
Siguiente (5.2.3) →
Radiación cósmica de fondo de microondas

Comentarios 



Energía oscura y formación de estructuras

https://www.physicsflow.com/g/5.2.2?pfal=es