INTRODUCCIÓN A LA COSMOLOGÍA (© Ángel Torregrosa Lillo) [angelto.geoARROBAyahoo.com] relatividad.org


 

LA EXPANSIÓN DEL UNIVERSO, el Big bang, la edad del universo y el paradigma del espacio en expansión

 

Una de las principales observaciones astronómicas que hemos de tener en cuenta es la del corrimiento al rojo de la luz observada en las galaxias lejanas por primera vez por Edwin Hubble en los años 20.

Este corrimiento tiene una posible explicación por un efecto Doppler, o sea que las galaxias se alejan de nosotros. Los cálculos nos llevan a una velocidad directamente proporcional a la distancia a la que se encuentran. Se trata de la expansión del universo.

Hubble (en realidad fueron otros y Hubble solo relacionó el corrimiento al rojo con la distancia) dedujo para esta expansión la ecuación

HD = v                

donde

V = velocidad de separación

D = distancia entre galaxias

H = constante de proporcionalidad de Hubble.

Con el gráfico de arriba se puede obtener un valor de H de alrededor de 65 Km s-1Mpsc-1 pero hay que tener en cuenta un gran margen de error en las estimaciones de la distancia. Después de varios ajustes con el transcurso de los años, se aceptó valores entre 50 y 80, y con mediciones posteriores más precisas se ha ido ajustando este valor a partir de las mediciones desde satélites como el Hubble, el Spitzer, el WMAP de la NASA para la medición del fondo cósmico de microondas y el Planck.

 

Aceptaremos de momento un valor aproximado similar al dato el WMAP9 de 69,6 (km/s)/Mpc pero cada año que pasa hay nuevas mediciones con nuevos valores, con lo que es difícil saber el valor correcto de H.

(NOTA: Mpc = mega pársec = 3 . 1019 m = 3,262 . 106 años luz

La teoría dominante para explicar esta expansión es la del Big Bang primigenio (propuesto por Georges Lemaitre en 1931), que supone que en el pasado toda la materia del universo estaba concentrada en un punto o huevo primigenio que explotó, y de ahí la expansión.

Respecto a esta expansión hemos de pensar que la atracción gravitatoria entre las galaxias podría frenar esta expansión hasta pararla e incluso llegar a un “big crunch” o colapso total de universo al cual podría seguir tal vez otro big bang.

A partir de las observaciones podríamos calcular tiempo transcurrido desde el Big Bang con relativa facilidad dividiendo la distancia D a la que observamos las galaxias actuales entre la velocidad V a la que se alejan, que es justo el inverso de la constante de Hubble, suponiendo que la constante de Hubble sea constante en el tiempo. Así tenemos que

T = D/V =1/H = 1/71 s Mpsc/Km = 13,7 . 1010 años (13700 millones de años aprox.)

  Esta sería la antigüedad de nuestro universo calculada a partir de la recesión de las galaxias si el ritmo de expansión fuera constante, pero si suponemos que la atracción gravitatoria entre las galaxias ha ido frenando la expansión esta edad será menor. Existen otros medios para el cálculo de la antigüedad del universo como a partir de la evolución de las estrellas más viejas, pero el más usado es el de la expansión.

Otro concepto interesante a la hora de hablar del universo es el de universo observable. Si consideramos que el universo existe desde hace un tiempo limitado, tenemos que la luz que observamos en el cielo no puede haber emitida antes de ese tiempo. Por ello se puede hablar del UNIVERSO OBSERVABLE, como la distancia máxima que podemos observar ya que más allá estaríamos observando objetos de antes del big bang.

Este distancia máxima observable será: Dmax = c/H = 13700 millones de años luz

 De todos modos debemos tener en cuenta que dicha distancia observada no es la distancia real actual, ya que debido a la expansión los objetos pueden estar en la actualidad muchos más lejos.

 

galaxias

El telescopio espacial Hubble enfocó regiones del espacio aparentemente vacías y negras, y después de muchos días de exposición obtuvo unas bellísimas fotos de galaxias muy lejanas, entre las cuales se distinguen unas cuantas pequeñas galaxias rojas, color que deben a un corrimiento al rojo tan elevado que se calcula por la ley de Hubble que su luz fue emitida hace unos 13000 millones de años. (foto recortada de foto cortesía de la NASA).

 

Por otro lado tenemos el problema de que con la ley de Hubble resulta que para grandes distancias podrían corresponder velocidades de recesión mayores que la velocidad de la luz. Esto nos lleva a serias dudas sobre la validez de la ley de Hubble para grandes distancias (tal vez sea válida solo para las galaxias próximas), pero debemos tener en cuenta que en realidad lo observado por Hubble no fueron velocidades concretas sino desplazamientos al rojo de las galaxias z, provocado por un supuesto efecto Doppler de forma que

1 + z = λo/λoe

es decir


z = (λo-λe)/λe

O sea que definimos z como la diferencia entre las longitudes de onda observada (λo) y emitida (λe) en unidades de la longitud de onda emitida.

Luego, según la mecánica clásica, podemos calcular la velocidad de recesión en función de z

v = cz

pero si aplicamos la relatividad especial la velocidad es diferente:

v = c (1 - 1/(1+z)2)1/2

con lo que la velocidad nunca superaría la velocidad de la luz. Pero aún así no está claro que la RE se pueda aplicar para este fenómeno de alejamiento entre galaxias. Puede que sólo sea aplicable localmente y no a nivel de espacios intergalácticos expandiéndose. Según muchos autores debemos considerar el universo como un globo hinchándose de modo que las galaxias se "alejan" por crecimiento del espacio intergaláctico y no por una verdadera velocidad. Se trata del:

Paradigma del espacio en expansión

Este y otros detalles relacionados con la expansión del universo y la Ley de Hubble podremos verlos con más detalle en la página siguiente, pero antes permítanme citar unos párrafos sobre el paradigma del espacio en expansión.

Tal y como dice Edward Harrison del departamento de física y astronomía de la Universidad de Masachusets en su trabajo de 1993 "The redshift-distance and velocity-distance laws", que a continuación traduzco en parte:

"El paradigma del espacio en expansión surgió durante las etapas de formación de la moderna cosmología... En un influyente artículo que enuncia el paradigma, Eddington (1930) dijo sobre las galaxias: "es como si estuvieran embebidas en la superficie de un globo de goma que es hinchado constantemente".... Como el principio cosmológico, el paradigma del espacio en expansión sirve como una útil idealización consagrada en la métrica de Robertson-Walker.
La homogeneidad e isotropía espacial, y la invarianza temporal de la homogeneidad e isotropía implican un espacio preferente (universal) y un tiempo preferente (cósmico). En el marco comóvil, el espacio es isotrópico, los cuerpos en recesión están en reposo, y velocidades peculiares tienen valores absolutos. (Así la velocidad absoluta del Sol es determinada por la anisotropía dipolar de la radiación cósmica de fondo.) Esta imagen del espacio en expansión y curvo es completamente consistente con la relatividad especial localmente y con la relatividad general globalmente (Robertson 1935; Walker 1936)...

....Las ilimitadas velocidades de recesión de la ley velocidad-distancia requerida por una invariante homogeneidad son totalmente consistentes con la relatividad general.

...En cosmología moderna, el universo no se expande en el espacio, sino que consiste en espacio en expansión....

...En todos los modelos cosmológicos en expansión isotrópicos y homogéneos, la ley lineal velocidad-distancia es la relación fundamental, válida para todas las distancias y la ley lineal redshift-distancia es solo una relación aproximada, valida para pequeños redshifts y distancias comparadas con la distancia de Hubble."

 

TICS: