Cosmología y Energía (Oscura?)

 

 

 

Dr. Santiago Casas

 

 

Investigador Postdoctoral

RWTH Aachen University, University of Portsmouth

     @santiagocasas                                                                                                      X: @sant87casas

https://www.pablocarlosbudassi.com/2021/02/the-infographic-and-artistic-work-named.html

Vista logarítmica del Universo

Estrellas cercanas y la Vía Láctea

Grupo Local y estructuras de gran escala

https://medium.com/starts-with-a-bang

El fondo cósmico de microondas: "Una foto del Big Bang"

 

Planck 2018 CMB Temperature map (Commander) .  wiki.cosmos.esa.int/planck-legacy-archive/index.php/CMB_maps

Grandes Estructuras no-lineales: Materia Oscura y Bariones

Illustris Simulation: www.nature.com/articles/nature13316

La evolución del Universo

  • Inflación
  • Bariogénesis
  • Recombinación
  • Hidrógeno Neutral
  • Estructuras de Materia Oscura
  • Galaxias
  • Expansión acelerada: Energía Oscura

 

Qué sabemos hasta ahora?

  • La composición del Universo al inicio:
  • ~60% Materia Oscura (DM)
  • ~ 12% Atomos normales (bariones)
  • ~ 10% Luz (fotones)
  • 10% Neutrinos
  • La composición del Universo ahora:
  • ~70% Energía Oscura (DE)
  • ~ 25% Materia Oscura
  • ~ 5% Bariones

La composición del Universo

  • Del 5% de materia normal en el Universo hoy en día:
  • 99% es Hídrogeno y Helio creados en el Big Bang
  • La mayoría (>70%) de los átomos están en el espacio intergaláctico, no en estrellas o planetas
  • Elementos pesados fueron creados en supernovas

 

La composición del Universo

  • Como sabemos que la materia oscura no está hecha de bariones?
  • Física nuclear de partículas: Big Bang Nucleosynthesis
  • Sistema de O.D.E acopladas  que podemos resolver sabiendo las constantes fundamentales hoy día.

 

Problema del Litio?

Los primeros 3min del Universo

La composición del Universo

  • Formación de elementos: La nucleosíntesis del Big Bang explica la creación de los primeros núcleos atómicos, base para comprender la fisión nuclear.

  • Mecanismos nucleares: La física nuclear derivada de la nucleosíntesis ayuda a optimizar las reacciones de fisión y fusión en los reactores.

  • Liberación de energía: Ambos procesos muestran cómo la conversión de masa en energía es clave para la generación de energía nuclear.

E = m c^2

Energía Solar

  • Fusión nuclear de Hidrógeno

  • Deuterio y Tritio se convierten en Helio y un neutrón. Los dos productos tienen un poco menos masa que sus padres.

  • La masa faltante se convierte en energía.

  • Temperatura en el núcleo del sol: 15 millones de Kelvin.

  • Fotosfera: (donde se produce la luz solar) temperaturas de 45000K a 5700K.

  • El sol convierte 4.26 millones de toneladas de masa a energía por segundo. 3.8*10^26 Watts !!

E = m c^2

Energía Solar y Fusión Nuclear

  • Del Sol nos llegan a la superficie de la Tierra 120 Terawatts de potencia!
  • 1360W por metro cuadrado!
  • No toda esta energía es posible de ser utilizada por el ser humano.
  • Eficiencia, absorción, transmisión.
  • Entender clima terrestre y clima solar, necesita de investigación aeroespacial.
  • Capacidad instalada ha aumentado constantemente desde el año 2000.

Ivanpah granja solar en desierto de Mojave

Energía Solar y Fusión Nuclear

  • Hidrógeno tomado del agua del mar, crear plasma con temperaturas y presiones altas.
  • Muchos proyectos en desarrollo, como el ITER en Francia (International Thermonuclear Experimental Reactor)
  • Energía limpia y casi ilimitada: Un kilogramo de hidrógeno equivale a 10 millones de kg de combustibles fósiles.
  • Reacción nuclear produce neutrinos \(\nu\)
  • Estos pueden ser detectados en la Tierra y por la astrofísica y cosmología.

Fondo Cósmico de Microondas

Confirmado con observaciones del fondo de luz microondas emitidas ~380.000 años después del Big Bang

Vemos su polarización

Vemos su temperatura

Con fluctuaciones de 1 parte en 100.000 sobre (2.7 Kelvin)

Los inicios históricos de la cosmología

  • Einstein (1915) desarrolla la Teoría General de la Relatividad (TRG).
  • El universo se creía estático y eterno (Einstein introduce la constante cosmológica Lambda)
  • Se descubre que muchas nebulosas en realidad son galaxias muy lejanas
  • Hubble (con datos de Leavitt y Slipher) descubren que las galaxias se alejan
  • Lemaître desarrolla teoría del Big Bang a partir de una solución exacta a la TGR.
G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = 8\pi G T_{\mu \nu}

Henrietta Swan Leavitt

Georges Lemaître

Las Ecuaciones de Einstein

G_{\mu \nu} + \Lambda g_{\mu \nu} = 8\pi G T_{\mu \nu}

Geometría y curvatura del espacio-tiempo

(funciones y derivadas de la métrica)

 

Contenido de energía y masa (momento) del Universo

 

métrica

Constante cosmológica

(energía del vacío?)

El descubrimiento del CMB

  • Penzias and Wilson descubren en 1964 accidentalmente radiación de todas las direcciones del cielo.
  • Había sido predicha por Gamow et al. en los 50's.
  • Ganan en 1978 el premio Nobel.
  • Confirma la teoría del "hot Big Bang" y marca el inicio de la cosmología como ciencia moderna.

Supernovas Tipo Ia

  • 1998 dos equipos miden Supernovae Type Ia.
     
  • Medición no calza con las creencias del momento, explicación: Universo con curvatura negativa o "Energía Oscura".
     
  • 2011: Perlmutter, Schmidt, Riess ganan premio Nobel por descubrimiento de la expansión acelerada.

Reacción termo-nuclear produce neutrinos \(\nu\), detectados por IceCube

Cosmología de Concordancia


Modelo cosmológico de concordancia juntando todas estas observaciones:

  • Universo es plano.
  • Materia oscura y visible representa sólo un 30% de la masa-energía.
  • El Universo se expande aceleradamente.
  • \(\Lambda\)CDM: Lambda-Cold-Dark-Matter
  • \(\Lambda\)CDM mejor fit a las observaciones actuales.

La evolución del Universo

Como estudiamos la estructura a gran escala?

Dark Energy Spectroscopic Instrument

Últimos resultados:

Abril 2024

 

5.7 millones de galaxias y quasares en esta imagen!

https://www.desi.lbl.gov/

Se distribuyen las galaxias aleatoriamente en el cielo?

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

No, hay una función de correlación de dos puntos entre ellas!

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

Expresa la probabilidad de encontrar una galaxia a una cierta distancia de la otra

Nos indica que si no es "random", hay algún mecanismo físico detrás

Las galaxias también tienen orientación y elipticidad

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_test_images_tease_of_riches_to_come

La orientación y elipticidad de las galaxias no es aleatoria, está asociada a la cantidad de materia y energía en el Universo

Lastimosante el universo no es tan sencillo

Estructuras de gran escala

Materia Oscura

Bariones

El Presente y el futuro de la Cosmología

El satélite espacial Euclid

El satélite espacial Euclid

ESA class M2 space mission, lanzado 1ero de Julio de 2023 con un cohete SpaceX Falcon9

 

Credits: www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid, www.euclid-ec.org, ESA/NASA/SpaceX, Euclid Consortium

Localizado en el punto de Lagrange 2, 1.5 millón de km de la tierra

El satélite espacial Euclid

  • Dos instrumentos:
  •  VIS (visible photometer): forma y orientación de ~1000 millones de galaxias!
  •  NISP (near infrared spectrograph): ~30 millones de espectros de galaxia  !
  • 6 años de misión
  • 15 000 grados cuadrados
  •  16 países, ~1500 miembros
  •  ~170 Petabytes de datos

VIS cosmic shear map

https://www.euclid-ec.org/blog/

Euclid preparation: I. The Euclid Wide Survey of ESA, R. Scaramella et al.

VIS cosmic shear map

Imágenes tempranas (astronómicas)

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid/Euclid_s_first_images_the_dazzling_edge_of_darkness

  • Sólo en esta imagen: 100.000 galaxias, algunas nunca vistas antes.
  • Síguenos en instagram:
    @euclidconsortium

El satélite espacial Euclid

VIS cosmic shear map

https://www.euclid-ec.org/blog/

VIS cosmic shear map

  • Euclid utiliza un set de paneles solares que provee 1400 Watts de potencia
  • Su orientación estable en L2 le permite siempre recibir luz solar
  • Temperatura estable
    de 130K (-143 C)
  • Los paneles solares
    de un techo común
    proveen approx.
    5kW de potencia

Energia solar del Espacio

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2020/08/Space-based_solar_power

  1. RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE En órbita, la intensidad de la luz solar es mucho mayor que la intensidad en la superficie de la Tierra.

  2. CAPTURA DE LUZ SOLAR Y REGULACIÓN DE ENERGÍA La luz solar se convierte en una corriente, luego se prepara para ser transmitida por radiofrecuencia a la Tierra, la Luna u otra superficie planetaria.

  3. TRANSMISIÓN DE ENERGÍA La energía se envía a la Tierra utilizando matrices de fases, emisores láser u otras tecnologías inalámbricas. El haz de energía debe ser preciso, confiable y conservar la mayor parte de su potencia posible mientras viaja a través de la atmósfera terrestre.

  4. CAPTURA DEL HAZ Y CONVERSIÓN DE ENERGÍA El haz de energía se captura con células fotovoltaicas o con una antena que convierte la energía electromagnética en electricidad. Los satélites pueden dirigir la energía hacia un único lugar en la Tierra, o a varios puntos alrededor de un objeto planetario.

  5. TRANSMISIÓN DE ENERGÍA Los sistemas que recolectan la energía solar basada en el espacio en la Tierra deben integrarse de manera segura y sostenible en las redes eléctricas existentes. La distribución de energía también es vital en misiones científicas, de exploración y colonización.

  6. UTILIZACIÓN DE ENERGÍA Además de tener el potencial de ayudar a que Europa logre su objetivo de ser neutral en carbono para 2050, las tecnologías de energía solar basada en el espacio podrían proporcionar la flexibilidad y confiabilidad necesarias para misiones científicas y de exploración donde otras fuentes de energía son limitadas, como por ejemplo en misiones de rover durante la noche lunar.

Vera Rubin LSST

Radioastronomía

Agujeros negros! (Event Horizon Telescope)

Epoca de reionización, las primeras estrellas

Magnetismo cósmico

Pulsares, estrellas de neutrones, ondas gravitacionales

Vera Rubin LSST

Square kilometer array (SKAO)

  • SKA Phase 1: SKA1-Low and SKA1-Mid
  • SKA1-Low: 130,000 antenas dipolares, 65km de base max.  (Australia)
  • SKA1-Mid: ~200 platos de ~15m diámetro, max. base de 150km (South Africa)
  • Precursores: ASKAP, MEERKAT, HERA...
     
  • €1.3 mil millones, 16 países, 710 Petabytes, 8 años de construcción

Google maps

https://www.skao.int/

Vera Rubin LSST

Square kilometer array (SKAO)

  • El SKAO quiere reducir su impacto ambiental, especialmente cumpliendo los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas.
  • Especialmente el ODS13 que se refiere a la acción por el clima.
  • Los radiotelescopios trabajan día y noche y este observatorio funcionará por una o dos décadas.
  • Los radiotelescopios más sus computadoras necesitarán 12MW de potencia eléctrica. Esto equivale a 10,000 viviendas.
  • Con energías fósiles sólamente: 95,000 toneladas de CO2 al año.

Vera Rubin LSST

Square kilometer array (SKAO)

  • El SKAO Pathfinder tiene instalada una estación de poder de 2MW, complementada con una batería de 2.5MWh.
  • Provee 60% de la energía necesaria para el Pathfinder (fase inicial del SKAO).
  • La idea es involucrar a la industria energética, cubrir los riesgos financieros por construir energías renovables y ofrecerles contratos de 20 o 30 años.
  • Las supercomputadoras de SKAO usarían 2MW de potencia.
  • Hoy en día el centro computacional de SKA-Low tiene un edificio con paneles solares de 140kW de potencia instalada.
  • La meta es ser 95% suministrado de energías renovables para el 2030.

Santiago Casas @ NineHubCR, 17.04.21

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Otras pruebas futuras

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LSST Vera Rubin Observatory in Chile: Weak Lensing

DESI in Arizona: Galaxy Clustering

LiteBird: CMB

LIGO: Gravitational Wave Sirens

5000 robotically controlled optical fibers

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Futuro lejano en Energía

Esfera de Dyson

  • Propuesta en 1960 por el físico estadounidense Freeman Dyson
  • Megaestructura orbitando completamente una estrella
  • Podría capturar 10% de la energía total del Sol (10^25 Watts)
  •  Ha sido propuesta como forma de buscar civilizaciones alienígenas. Civilización Tipo II.

KIC 8462852 (Tabby’s Star)

Gracias!!

Mi trabajo diario en la cosmología

Dark Energy & Modified Gravity

The Horndeski Lagrangian

PhD thesis: Non-linear structure formation in models of Dark Energy and Modified Gravity, http://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/23120/

Beyond Einstein's GR

Scalar-Tensor theories

Effect on LSS

N-Body simulations

CONCEPT: Python and Neutrinos

GADGET2/CoDECS

Credit: Yun Ling, My bachelor student,

Jeppe Dakin (U. Zurich)

Credit: Dr. Marco Baldi, Master thesis co-supervisor

Approximate methods: COLA

ABACUS: Fits for GCspectro with 1loopEFT

Other codes tested:

gevolution

flowpm

GNQ: Growing Neutrino Quintessence (developed in Heidelberg)

Credit: Winther, SC, Koyama, et al (2019)

Credit: SC, Führer, Ayaita, Weber, Wetterich

Credit: Rademacher, Moradinezhad, Lesgourges, SC

My Journey with Euclid

Credits: www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Euclid, www.euclid-ec.org, ESA/NASA/SpaceX, Euclid Consortium

Euclid consortium scientist visits Cannes. Credits: ThalesAlenia Space

Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes,,Blanchard et al. arXiv:1910.09273

★ Awardees of the Euclid STAR Prize Team 2019

EC Builder Status achieved 2023

Early Release Observations. ECICOM, ECEPO: Social media manager of instagram: @euclidconsortium

Euclid Launch: 1st July 2023

Large forecasting projects

The Fingertip Galaxy

FISHER Matrix forecasts

Code: CosmicFish

S.Casas, M.Martinelli and M.Raveri

Soon to be released: Full pythonic version

https://github.com/santiagocasas/cosmicfishpie

Cosmomathica/Fishermathica

Python, Numpy-intensive

Couples to CAMB, CLASS, HiCLASS, MGCAMB, input4cast files

GC, WL, 21cm-IM, 3x2pt, CMB

Euclid, DESI, Rubin LSST, SKAO

Wolfram Language,

Cosmomathica-FORTRAN link for CAMB

GC, WL

Euclid, SKA1

Used to produce and validate IST:F forecasts 2015-2019

Hessian of a Gaussian Likelihood. Used to approximate posterior distributions at the maximum (fiducial value)

First code to be validated against MontePython MCMC forecasts

SC, Lesgourgues, Schöneberg, et al., Euclid: Validation of the MontePython forecasting tools, 2303.09451 

Euclid preparation: VII. Forecast validation for Euclid cosmological probes,,Blanchard et al. arXiv:1910.09273

SC, Kunz, Martinelli, Pettorino, Phys.Dark Univ. 18 1703.01271

https://github.com/santiagocasas/cosmomathica

Other surveys and cross-correlations

Vera Rubin Observatory, LSST Project Office - http://www.lsst.org/gallery/telescope-rendering-2013

SC, Carucci, Pettorino et al (2022), Constraining gravity with synergies between radio and optical cosmological surveys, 2210.05705 

CMB Stage-IV experiments:  https://kipac.stanford.edu/research/projects/cmb-stage-4

Invited talk at the Manchester Optical x Radio Synergy meeting

  • La cosmología se ha vuelto una ciencia de precisión gracias a la radiación cósmica de microondas (CMB) y a los escaneos de redshifts de galaxias.
  • Gracias a estas pruebas sabemos los componentes del Universo con precisión de 1%.
  • No obstante, aún tenemos rangos en el tiempo y en escalas que no han sido explorados, que podrán ser explorados con la línea de 21cm de hídrogeno.

 

  • Mucho que aprender sobre reionización, las épocas oscuras y las formaciones de estructura.
  • Muchísimos datos nuevos de muchas misiones en construcción!
  • Tenemos trabajo para décadas y décadas por venir!

Gracias!!

Conclusiones

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