Expansión del universo

Prefacio
Acelerada expansión del Universo
Constante Cosmológica de Einstein
Composición materia-energía del Universo
Velocidades radiales y Distancias, de los "objetos astronómicos radiantes"
Distancias
Edad del Universo
Unidades de medida
Bibliografía

Prefacio

La Ciencia Astronómica está avanzando a pasos agigantados, como lo observan los que habitualmente leen "Investigación y Ciencia", "Nature" y otras publicaciones de difusión científica.

Por ese motivo es necesario tener muy claros algunos conceptos para interpretar adecuadamente dicho avance.

Acelerada expansión del Universo

En el quinquenio 1910 – 1915, Einstein elaboró toda su "Teoría General de la Relatividad".

Y luego de publicada con sus ecuaciones fundamentales, siguió estudiando su alcance cosmológico, desde la ciencia "física–astronomía", que fue siempre su campo.

En ese entonces, los astrónomos estaban convencidos de que el Universo "era absolutamente estable en sus dimensiones", por lo tanto "estático y eterno"; y con este marco conceptual llegó hasta mediados del siglo XX.

En 1917, de sus ecuaciones, Einstein llegaba a la conclusión de que el Universo "debía contraerse por efecto de la gravedad"; lo que estaba en contraposición con el "convencimiento general de los astrónomos".

Pensó entonces, que sus ecuaciones eran "incompletas" y les introdujo un "factor de corrección", que denominó "Constante Cosmológica", que contrarrestaría la gravedad y que devolvería la "estabilidad eterna" a las dimensiones del Universo.

Entre 1922 y 1924, Friedman publicó dos artículos, basados en las ecuaciones de campo gravitatorio de Einstein, de las que deducía que podían existir

3 soluciones cosmológicas para el Universo, según que su curvatura fuera positiva, cero o negativa, en función de la densidad real versus la densidad crítica.

Mientras tanto en esa misma década de 1920, Hubble estudiando "manchitas" en el cielo nocturno, descubrió que:

– Son galaxias, externas a nuestra Vía Láctea.

– Están situadas a millones de años luz de la Tierra.

– En su gran mayoría, se están alejando de sistema solar, por lo tanto que el Universo "estaría en expansión".

En 1929, Hubble expuso ante un auditorio extasiado, sus conclusiones, que incluían la existencia de una "constante de proporcionalidad", por la cual "sea cual fuere el sentido de sus movimientos, las velocidades radiales de las galaxias son directamente proporcionales a sus distancias al Sol"; y ello para todas las galaxias.

Luego se demostró que su genial fórmula H = Vf / Df es aplicable a todos los objetos radiantes del Universo, fuera del Grupo Local.

Cuando Einstein se enteró de las observaciones y conclusiones de Hubble, consideró su "Constante Cosmológica" como el "mayor error de su vida".

Y con esa idea en su mente, falleció en 1955.

Apoyaban la "teoría" de la expansión del Universo: G. Gamow , G. Lemaitre, R. Alpher, Dicke, Herman y otros.

Se mantenían firmes en la "convicción" del Universo estático: F. Hoyle, H. Bondi, y otros.

En la década de los 40, la polémica entre los sostenedores de ambas teorías fue muy áspera, endilgándose mutuamente epítetos desde ignorantes, burros, hacia arriba.

A principios de los 60, los físicos norteamericanos A. Penzias y R. Wilson, trabajando con una antena de microondas de los laboratorios de Bell Telephone, detectaron una "radiación uniforme en toda la esfera del Universo, que no podían eliminar, y que correspondía a la temperatura de 2,73 ºK".

Se había detectado el eco perceptible de una gigantesca explosión en el remoto pasado.

En 1978, se otorgó a Arno A. Penzias y Robert W. Wilson el premio Nóbel de Física por su descubrimiento de la radiación del fondo cósmico de microondas.

En XI / 1989, se puso en órbita terrestre el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) que confirmó la existencia de las "radiaciones del fondo cósmico" y relevó el mapa sideral de sus anisotropías.

La teoría de un "Big Bang" desde un punto infinitesimal, con infinita concentración de energía, parte de la cual, por la "gran explosión", se convirtió en materia por núcleo-síntesis primordial; quedaba confirmada.

Las conclusiones de Hubble cambiaron totalmente la visión del Universo.

Pasó el tiempo, se siguieron efectuando mediciones que ratificaron la "expansión" y el "Big Bang".

En la segunda mitad del s. XX, el concepto dominante era que el destino del Universo dependía de su densidad global, como había postulado Friedman en 1924, de controvertida determinación; pero todos estaban de acuerdo en que si dicha densidad resultara mayor que la densidad crítica (también a definir), el Universo iría deteniéndose y finalmente colapsaría en una gigantesca implosión; si resultara igual a la crítica, iría deteniendo su expansión hasta estabilizarse en un volumen estático, eterno; en cambio si la densidad real resultara menor que la crítica, la expansión sería interminable hacia un volumen infinito.

Y se llegó a fines del s. XX, cuando asombrosamente en 1998 se completaron los estudios con Supernovas de Tipo 1a que confirmaron que el Universo no solo está en expansión, sino que está "acelerando su expansión".

Pero ¿cómo?, ¿Por qué? ¿Siempre fue así?

Los cosmólogos no lo saben aún.

"Existiría una invisible forma de energía que crea una repulsión mutua entre los grupos de galaxias" que supera a la gravedad.

Y esta aceleración de la expansión, no vendría desde el Big Bang, sino sólo desde hace unos 6.000 a 8.000 millones de años.

O sea que viene acelerándose desde antes de la formación del Sistema Solar.

Y de asombro en asombro, dicha "repulsión" está indicada en la "Constante Cosmológica" de Einstein, que hoy resulta la piedra basal de la expansión del Universo.

Consideramos a Einstein, el mayor genio en el campo de la física, de todos los tiempos; y llama la atención que ni él mismo llegara a interpretar el gigantesco alcance de sus genialidades.

Constante Cosmológica de Einstein

No hay dudas de la existencia de las fuerzas gravitatorias, se las ve actuar en el Sistema Solar, dentro de las Galaxias, incluso dentro de los grupos de Galaxias.

Pero ya tampoco hay dudas de que el Universo está acelerando su expansión, por lo tanto debe haber una fuerza interior antigravitatoria, más potente que la gravitatoria, pues la supera.

A dicha fuerza interior antigravitatoria, se la denomina energía oscura (porque no está clara aún su naturaleza, origen y características, ni se la puede detectar, más que por su efecto).

Y allí está la Constante Cosmológica, diseñada por Einstein justamente para equilibrar la fuerza gravitatoria, en sus ecuaciones de campo del Universo.

Dicha Constante Cosmológica se expresa:

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la densidad de energía sería la que presionaría interiormente al Universo para

acelerar su expansión, superando largamente la fuerza centrípeta de la gravedad.

Composición materia-energía del Universo

Desde hacía bastante tiempo, se venía observando que las galaxias giran como si fueran platos sólidos, con una rigidez inusitada; en lugar de ir deformándose como sucedería con cualquier cuerpo compuesto sin ligaduras rígidas.

Como sucede también con la rotación de los planetas en torno al Sol.

Velocidad angular de los planetas del Sistema Solar:

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O sea que el Sistema se va deformando en cuanto a las posiciones de los planetas.

Ello dio la pauta de que existiría una materia oscura (invisible aún para la ciencia) que liga todos los integrantes de cada galaxia.

Pero con la energía oscura, la visión física del Universo se complicó a nivel sideral.

En el momento actual se estima (y no puede ser más que una estimación) que el Universo está compuesto por

– 4 % de materia-energía detectable (y conocida)

– 23 % de materia oscura (por ahora indetectable)

– 73 % de energía oscura (por ahora indetectable)

Es asombroso, que a 370 años de la muerte de Galileo, se reconozca públicamente que se desconoce totalmente qué es el 96 % del Universo.

Notas:

– Los "objetos" que se alejan mutuamente con la expansión del Universo, son los "aislados" : galaxias aisladas, y cúmulos de galaxias.

Dentro de cada galaxia o cúmulo de galaxias, sigue dominando la gravedad, por la cual los "objetos internos, enclaustrados" se mueven "hacia su baricentro gravitatorio".

Así son los "objetos" interiores de la Vía Láctea y del Grupo Local, por lo cual a éstos no se les puede aplicar la Ley de Hubble.

– Por el descubrimiento de la "acelerada expansión del Universo", se otorgó en Suecia, el Premio Nóbel de Física – 2011 a los cosmólogos:

S. Perlmutter, A. Riess y B. Schmidt

S. Perlnutter lideró el Proyecto Supernova Cosmology en el Laboratorio Nacional Lawrence en Berkeley; donde estudiaron numerosas Supernovas tipo 1a, muy lejanas:

– midieron sus velocidades por el Índice de Corrimiento al Rojo,

– y sus distancias tomando a las Supernovas 1a como candela estándar,

– calcularon sus distancias con la Ley de Hubble y su factor H.

Y llegaron a la conclusión que "las distantes supernovas iban más retrasadas en sus movimientos que la propia expansión del Universo, en consecuencia, la expansión se está acelerando desde hace miles de millones de años, tiempo que abarcó los eventos supernovas estudiados.

El factor H, en lugar de ser constante, viene variando desde hace más de la mitad de la vida del Universo.

El Grupo Local, es el grupo de un poco más de 30 galaxias mutuamente vinculadas por la gravedad, entre las cuales están la Vía Láctea, la galaxia de Andrómeda (M 31), la Gran Nube de Magallanes, la Pequeña Nube de Magallanes y las restantes de menores magnitudes.

Este Grupo tiene un diámetro ( 10,5 x 106 años luz

Se desplaza en conjunto en la expansión del espacio del Universo; pero internamente obedece a la ley de la Gravedad.

Velocidades radiales y Distancias, de los "objetos astronómicos radiantes"

Se denominan "objetos radiantes", a todos los objetos que se detectan por sus radiaciones electromagnéticas: Estrellas, Galaxias, Quasars, etc.

Velocidades radiales

Hoy el método más común para medir las velocidades radiales

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Los objetos radiantes:

– Dentro de la Vía Láctea, las estrellas pueden acercarse (como la estrella

Altair, a 26 km/s) o alejarse, por efecto de la rotación de la galaxia. (Aquí no es aplicable la Ley de Hubble).

– Dentro del Grupo Local, las galaxias en general se acercan, por efecto

gravitatorio (como la galaxia Andrómeda – M31, a 300 km/s) y excepcionalmente se alejan, por inercia. (En este volumen, no es aplicable la Ley de Hubble)

– Fuera del Grupo Local, las galaxias y cúmulos de galaxias en general se alejan

mutuamente, por la expansión del Universo y excepcionalmente se acercan, por la atracción que ejerce el grupo de galaxias de Virgo (situado a 50 x 106 al), hacia el cual se está dirigiendo el Grupo Local a unos 600 km/s.

Fuera del Grupo Local, es totalmente aplicable la Ley de Hubble, pero su factor (H) es variable (debido a la acelerada expansión del Universo) en función de las edades de los objetos radiantes (ver Anexo).

Distancias

Referencia previa:

La Vía Láctea tiene un diámetro de ( 100.000 al = 30.675 pc (pársec).

El Sol se encuentra a 27.700 al (años luz) del centro de la galaxia, por lo tanto el borde más cercano se encuentra a 22.300 al, y el borde más lejano a 77.700 al.

Esta galaxia es esencialmente un disco plano con 4 brazos en espiral, en el cual prácticamente todos los objetos radiantes son estrellas.

Está rodeado por una esfera de gases, de muy baja densidad, el halo, en el que existen pocas estrellas y un cierto número de cúmulos globulares.

En su centro globular existe un Agujero Negro, de baja actividad, con masa

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Fuera de la Vía Láctea, no existen estrellas aisladas, sólo galaxias, algunas aisladas y la mayoría agrupadas en cúmulos.

Las estrellas, los quásares, púlsares, agujeros negros, etc. siempre están dentro de alguna galaxia.

Existen varios métodos para medir distancias a la Tierra

– Por paralaje (sólo dentro de la Vía Láctea)

– Por candela estándar

– Por variables Cefeidas

– Por Supernovas 1a

– Etc.

Método de Hubble

El descubrimiento por Hubble, de la proporcionalidad entre la velocidad radial de un objeto radiante ( Vf ), (indiferente si es de acercamiento o de alejamiento) y su distancia ( Df ) vino a resolver uno de los problemas más graves que tenía la Astronomía, que era la de determinar las distancias de los objetos radiantes al Sol.

El concepto de proporcionalidad de Hubble, no tiene límites de distancias, pero se aplica sólo a objetos radiantes fuera del Grupo Local,

Siendo acelerada la expansión del Universo, su constante (H) es variable en función de la edad que tenía el objeto radiante, en el momento de emitir las radiaciones que recibe el observador, por ello ahora se lo denomina "factor de Hubble".

Primero siempre se calculan las velocidades de los objetos radiantes, por el "Índice de Corrimiento al Rojo" y las ecuaciones Doppler que correspondan según los valores de Z. (ver ut supra y Anexo)

La ecuación propuesta por Hubble, inobjetable hasta el presente es:

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Desde su exposición por Hubble, fue objeto de arduos trabajos de mediciones para determinarlo con la mayor exactitud posible.

Pero el descubrimiento de la aceleración de la expansión (1998), indicó que es necesario determinar sus valores a lo largo del tiempo del Universo.

Este factor fue variando, era mayor en el pasado remoto, y fue disminuyendo con el incremento de la velocidad de expansión del Universo.

El Índice de Corrimiento al Rojo (Z), es la base del cálculo de la velocidad de alejamiento de los objetos radiantes, que a su vez es función de la distancia a dichos objetos, la que está relacionada con la edad de los mismos.

Por ello puede tomarse a Z como Índice de referencia para determinar los Factores de Hubble.

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Todos estos factores son obviamente una primera aproximación.

Ejemplos de aplicación de la ecuación de Hubble

1.- Galaxia interactiva del Remolino NGC 5194 (= M 51)

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Foto Hubble de las Galaxias NGC 5194 y 5195

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Foto Hubble del Grupo Arp 273

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Nota:

Todas las determinaciones que efectúan los astrónomos, se refieren al "momento en que el objeto radiante" emitió sus radiaciones (en (o). Porque distancia (D) equivale al tiempo que tardaron las radiaciones desde el objeto (fuente) hasta el observador.

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a.- Cuando un objeto emisor de radiaciones electromagnéticas, se mueve radialmente respecto al observador, a velocidades bajas (< 0,18 c ), rige el Efecto Doppler de mecánica clásica (como Doppler lo diseñó).

Esta situación se detecta para emisores cuando:

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b.- Cuando el objeto emisor (en este caso ya sólo de radiaciones electromagnéticas) se mueve radialmente respecto al observador, a velocidades altas (> 0,18 c), es ineludible aplicar el Efecto Doppler "relativista".

Esta situación se detecta para emisores de radiaciones electromagnéticas, cuando

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Radiaciones electromagnéticas que muestran Corrimiento al Rojo

Los diferentes telescopios que hoy están enfocados al cielo, operan en una amplia gama de frecuencias electromagnéticas:

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Todas estas frecuencias, hasta las ultravioletas, producen espectros, por lo tanto son útiles para determinar "Corrimientos al Rojo".

Las radiaciones X y ( no registran espectros, pero se captan para otros propósitos científicos. Estas radiaciones por sus pequeñísimas longitudes de onda, tampoco se reflejan en los espejos de los telescopios reflectores.

Cuando los objetos radiantes están muy alejados, sus espectros electromagnéticos son de insignificantes dimensiones ( 5 a 7 mm), para estos casos se mide el "corrimiento al rojo de las líneas Lyman-alfa del hidrógeno atómico".