Cosmología

Modelo cosmológico relativista, expansión, universo temprano, CMB, materia oscura y energía oscura.

Idea general del tema

La cosmología es la rama de la física que estudia el origen, evolución a gran escala y destino del universo en su totalidad a partir de la Relatividad General y la física cuántica de partículas. El modelo estándar cosmológico ($\Lambda$CDM) describe un universo homogéneo e isótropo a gran escala gobernado por la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), con materia oscura fría y energía oscura.

Este nodo agrupa las ecuaciones de Friedmann, la nucleosíntesis primordial (BBN), el fondo cósmico de microondas (CMB), la inflación cósmica y la aceleración cosmológica.

Que vas a comprender de verdad

Comprenderás cómo la composición del universo (radiación, materia y energía oscura) dicta la evolución temporal del factor de escala $a(t)$ y la curvatura espacial $k$.

Aprenderás a calcular la temperatura de recombinación del hidrógeno ($T \approx 3000\text{ K}$, $z \approx 1100$) que dio origen al CMB y a interpretar el espectro de potencias angular de las anisotropías de temperatura.

Ruta didáctica recomendada

1. Métrica FLRW y cinemática cósmica: factor de escala, corrimiento al rojo $z$, distancia de luminosidad y horizonte de partículas.
2. Dinámica cósmica (Ecuaciones de Friedmann): densidad crítica $\rho_c$, parámetros de densidad $\Omega_m, \Omega_r, \Omega_\Lambda$ y eras cosmológicas.
3. Universo temprano e Inflación: problemas del horizonte y la planitud, campo escalar del inflatón y origen cuántico de las perturbaciones primordiales.
4. CMB y estructura a gran escala: desacoplamiento radiación-materia, oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y formación de galaxias.

Criterio físico que debes adquirir

Comprender por qué la energía oscura actúa como una presión negativa $w = P/\rho \approx -1$, acelerando la expansión del espacio-tiempo en lugar de frenarla.

Conexión con problemas reales

• Mediciones de precisión de la constante de Hubble $H_0$ y tensión cosmológica de Hubble.
• Misiones espaciales Planck, James Webb (JWST) y telescopio espacial Euclid.
• Búsqueda de modos B primordiales de polarización del CMB generados por ondas gravitacionales inflacionarias.

Meta final del tema

Construir y resolver modelos cosmológicos basados en la Relatividad General para interpretar las observaciones del fondo de microondas, la materia oscura y la energía oscura.