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Academic Year/course: 2023/24

447 - Degree in Physics

26937 - Gravity and Cosmology


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
26937 - Gravity and Cosmology
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
447 - Degree in Physics
ECTS:
5.0
Year:
4 and 3
Semester:
Second semester
Subject type:
Optional
Module:
---

1. General information

In general, the objective of the Gravitation and Cosmology subject is that the student acquires the capacity for analysis, abstraction and adequate synthesis and learns to express scientific concepts with the necessary rigor. In addition, this subject should provide students with the basic mathematical techniques necessary to study and solve the relativistic Einstein equations. Within these general objectives, the subject of Gravitation and Cosmology presents an application of the mathematical techniques of Differential Geometry to the study and resolution of the equations that govern gravitational phenomena. We will begin by studying the physical reasons that require an extension of the Newtonian formulation of gravitational phenomena, making them compatible with Special Relativity. Subsequently the Einstein equations for the gravitational field will be justified and solved in two situations. On the one hand, the geometry generated by the sun. In this case, the planetary orbits and the curvature of the light rays when passing through the solar system will be determined. On the other hand, the geometry of the expanding Universe. The evolution of the Universe from its beginnings will be addressed , reviewing the most important milestones in its development.

These approaches and objectives are aligned with the following Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), in such a way that the acquisition of the learning results of the subject provides training and competence to contribute to some extent to their achievement:

  • Goal 4: Quality Education.

 

2. Learning results

  • To understand the physical premises on which the Theory of General Relativity is based by deriving Einstein's equations from the principle of general covariance. 

  • To be able to solve the equations of the gravitational field in simple cases that will have been developed throughout the term, distinguishing coordinate singularities from physical singularities..

  • To determine the relativistic corrections to the planetary orbits and compare with the observations appreciating the fit between the two.

  • To analyse the structure and composition of the Universe, its history and recent measurements, as well as the kinematic origin of large-scale homogeneity .

  • To apply Einstein's equations to the Universe as a whole and find the energy composition of the Universe that best reproduces the observations.

  • To discuss the dependence of the evolution of the Universe on cosmological parameters.

 

3. Syllabus

  • Current observations.

  • Review of Newtonian Gravitation.

  • Description of the theory of General Relativity.

  • The geometry of the Solar System.

  • Motion of the planets and curvature of light.

  • The standard cosmological model.

  • History of the Universe.

  • Background radiation decoupling.

  • Primordial nucleosynthesis.

  • Primary inflation.

  • The current accelerated expansion.

  • Formation of structures.

  • The big bang and quantum gravity.

 

4. Academic activities

  • Theoretical and practical classes:  3/4 hours per week

  • Classes to solve proposed problems: 1 hour per week for approximately 4 weeks.

  • Study and personal work: 60 hours.

  • Assessment tests. 6 hours.

 

5. Assessment system

Continuous evaluation of the student by means of the resolution of exercises proposed to the students (50% of the final grade).

Theoretical-practical test (50% of the final grade).

Passing the subject by means of a single global test: it will be possible to obtain the highest grade by taking a single final exam that will cover all the contents seen in the subject.




Curso Académico: 2023/24

447 - Graduado en Física

26937 - Gravitación y cosmología


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
26937 - Gravitación y cosmología
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
447 - Graduado en Física
Créditos:
5.0
Curso:
4 y 3
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

En general, el objetivo de la asignatura de Gravitación y Cosmología es lograr que el alumno adquiera la capacidad de análisis, abstracción y síntesis adecuadas y que aprenda a expresar los conceptos científicos con el rigor necesario. Junto a ello, esta asignatura deberá proporcionar a los alumnos las técnicas matemáticas básicas necesarias para el estudio y resolución de las ecuaciones relativistas de Einstein. Dentro de estos objetivos generales, la asignatura de Gravitación y Cosmología presenta una aplicación de las técnicas matemáticas de la Geometría Diferencial al estudio y resolución de las ecuaciones que gobiernan los fenómenos gravitatorios. Se comenzará por estudiar las razones físicas que requieren una extensión de la formulación newtoniana de los fenómenos gravitatorios, haciéndolos compatibles con la Relatividad Especial. Posteriormente se justificarán las ecuaciones de Einstein para el campo gravitatorio y se resolverán en dos situaciones. Por una parte, la geometría generada por el sol. En este caso se determinarán las órbitas planetarias y la curvatura de los rayos de luz cuando atraviesan el sistema solar. Por otra parte, la geometría del Universo en expansión. Se abordará la evolución del Universo desde los inicios pasando revista a los jalones más importantes de la misma.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los siguientes Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/), de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia para contribuir en cierta medida a su logro:

  • Objetivo 4: Educación de calidad.

2. Resultados de aprendizaje

  • Comprender las premisas físicas en las que se basa la Teoría de la Relatividad General deduciendo las ecuaciones de Einstein a partir del principio de covariancia general.
  • Ser capaz de resolver las ecuaciones del campo gravitatorio en casos simples que se habrán desarrollado a lo largo del curso distinguiendo singularidades coordenadas de singularidades físicas.
  • Determinar las correciones relativistas a las órbitas planetarias y comparar con las observaciones apreciando el ajuste entre ambas.
  • Analizar la estructura y composición del Universo, su historia y las recientes medidas asi como el origen cinemático de la homogeneidad a gran escala.
  • Aplicar las ecuaciones de Einstein al Universo como un todo y buscar la composición energética del mismo que mejor reproduce las observaciones.
  • Discutir la dependencia de la evolución del Universo respecto a los parámetros cosmológicos.

3. Programa de la asignatura

  • Observaciones actuales.
  • Repaso de la Gravitación Newtoniana.
  • Descripción de la teoría de la Relatividad General.
  • La geometría del Sistema Solar.
  • Movimiento de los planetas y curvatura de la luz.
  • El modelo estándar cosmológico.
  • Historia del Universo.
  • El desacoplo de la radiación de fondo.
  • La nucleosíntesis primordial.
  • La inflación primordial.
  • La expansión acelerada actual.
  • Formación de estructuras.
  • La gran explosión y la gravedad cuántica.

4. Actividades académicas

  • Clases teórico-prácticas:  3/4 horas semanales
  • Clases de resolución de problemas propuestos: 1 hora semanal a lo largo de aproximadamente 4 semanas.
  • Estudio y trabajo personal: 60 horas.
  • Pruebas de evaluación: 6 horas.

5. Sistema de evaluación

Evaluación continuada del alumno mediante la resolución de ejercicios propuestos a los estudiantes (50% de la puntuación final).

Prueba teórico-práctica (50% de la puntuación final).

Superación de la asignatura mediante una prueba global única: será posible obtener la máxima calificación optando a la realización de un examen final único que abarcará todos los contenidos vistos en la asignatura.