Origen del universo – Cap 4: El tamaño del universo
Siempre que observamos algo, lo que sea, estamos viendo una imagen de cómo era en el pasado, pues la observación implica que la luz emitida por el objeto observado llegue hasta nuestros ojos. En las observaciones de la vida cotidiana, esta demora es imperceptible ya que la velocidad de la luz es tan alta y los objetos están tan cerca que la imagen que estamos viendo podemos considerarla como actual. Pero cuando observamos el universo, los objetos que vemos pueden estar extremadamente lejos por lo que la imagen que vemos de ellos puede ser muy antigua.
Cuando observamos a la Luna, vemos una imagen de cómo fue hace un poco más de 1 segundo. Cuando observamos al Sol, vemos una imagen del mismo hace 8 minutos. Cuando miramos a “Sirio”, la estrella más brillante del firmamento, la vemos como fue hace 8,6 años. Y cuando vemos las conocidas “3 Marías”, vemos como eran hace 700, 915 y 1340 años atrás. Y si observamos nuestra vecina galaxia de Andrómeda, la estaremos viendo como era hace 2,5 millones de años.
Es decir, cada vez que observamos el universo, veremos una imagen compuesta por miles o millones de imágenes antiguas y desincronizadas en el tiempo. No sabemos cómo son hoy, sino como fueron en el pasado.
Sabemos la antigüedad de la luz que nos llega de cuerpos estelares gracias una técnica conocida como efecto doppler, que produce un corrimiento del espectro de radiación hacia el rojo (menores frecuencias) cuando este objeto se aleja de nosotros.
Tenemos imágenes casi tan antiguas como el Big Bang. Por ejemplo, la siguiente, que muestra el objeto estelar más antiguo que tenemos registro.
Se lo denomina UDFj-39546284 y corresponde a una proto galaxia que existió hace 13400 millones de años. Su corrimiento al rojo es de 11.9 y su distancia actual, si existiera, sería de 33 mil millones de años luz.
La siguiente imagen, corresponde a una galaxia que aún existe.
Se la conoce como UDFy-38135539 y posee alrededor de 13100 millones de años. Su corrimiento al rojo es de 8.55 y su distancia actual es de alrededor de 30 mil millones de años luz.
A principios de 2014, fue fotografiada una estrella que se cree es la más antigua de todo el universo conocido.
Tiene aproximadamente 13600 millones de años y se encuentra dentro de nuestra galaxia a solo 6 mil años luz de distancia. Esta estrella, que se la llamó SMSS J031300.36-670839.3, se formó mucho antes de que nuestra galaxia existiera. Se trata de unas de las primeras estrellas que se formaron antes que se formaran las galaxias. Aun se requiere confirmación de este descubrimiento, pero esto demostraría que antigüedad y distancia no están necesariamente relacionadas.
La imagen más antigua que disponemos del universo, corresponde a la radiación de fondo de microondas, que data de 380 mil años después del Big Bang, es decir, hace 13.800 millones de años. No es posible ver tiempos anteriores ya que el universo se encontraba ionizado y era opaco a la radiación.
Esta imagen no es una imagen visible, puesto que la radiación de fondo de microondas no es visible, sino una representación térmica. Los puntos azules son los más fríos, mientras que los rojos son los más calientes. Sin embargo, la diferencia de temperatura en distintos puntos es de menos de 4 milésimas de grados. Esta imagen muestra una homogeneidad increíble en el valor de temperatura en todo el universo: 2,73 grados por encima del cero absoluto. Esta imagen posee un corrimiento al rojo de 1089, lo que implica que se encuentra a 46500 millones de años luz de distancia, esto es casi en el borde del Universo observable que se estima en 46600 millones de años luz
Por lo tanto, el Universo observable se define entonces como una esfera de 93300 millones de años luz de diámetro, con centro en la Tierra, aproximadamente 1E27 m.
Ahora bien, como se relaciona el corrimiento al rojo con la antigüedad de la luz que nos llega y con la distancia a la que se encontraría ahora la fuente?
El siguiente gráfico muestra esa relación:
En este gráfico puede verse que para valores menores a mil millones de años luz de distancia, la distancia es igual a la antigüedad de luz por su velocidad. Es decir, el promedio de la velocidad de expansión del universo durante el tiempo que la luz viajó hacia nosotros (mil millones de años) ha sido muy inferior a la velocidad de la luz. Pero a medida que los objetos observados están más lejos, la diferencia se hace cada vez mayor, porque el promedio de la velocidad de expansión del universo durante el tiempo que la luz viajó hacia nosotros, comienza a acercarse a la velocidad de la luz. En el borde del universo visible, la distancia será más de 3 veces la antigüedad de luz por su velocidad.
La antigüedad de la luz que nos llega de un objeto cualquiera del universo (una galaxia lejana por ejemplo) tampoco nos dice a qué distancia se encuentra ahora cuando nos llega su luz, ni a que distancia estaba cuando la luz partió. Este es el problema que se nos presenta al tratar de definir distancias en un universo en expansión.
En la siguiente secuencia vemos 2 galaxias que se encuentran a 2 mil millones de años luz de distancia una de otra cuando el universo tenía solo mil millones de años de antigüedad. La luz emitida por una de las galaxias llega hasta la otra 13 mil millones de años después, cuando el universo tiene 14 mil millones de años de antigüedad, debido a la expansión del universo. Para ese entonces ambas galaxias estarán separadas 26 mil millones de años luz y se verán mutuamente como eran hace 13 mil millones de años y estaban a solo 2 mil millones de años luz de distancia.
Como vimos anteriormente, la velocidad de separación entre 2 objetos en un universo en expansión aumenta con la distancia de separación a razón de 21 km/s por cada millón de años luz de distancia. Es decir, que la velocidad de recesión de una galaxia del Super Cluster Hidra-Centauro, que se encuentran a 150 millones de años luz de distancia, será de aproximadamente 3150 km/s, mientras que la velocidad de recesión de una galaxia que se encuentre en el Super Cluster Shapley, a 650 millones de años luz, será de 13650 km/s.
Es posible que algunas galaxias lejanas se estén expandiendo más rápido que la velocidad se la luz? La respuesta es: sí. Podemos averiguar a qué distancia deben encontrarse esas galaxias para que la velocidad de recesión sea igual o superior a la velocidad se la luz simplemente dividiendo la velocidad de la luz (300 mil km/s) por la constante de Hubble (21 km/s/MLyr). Y esto nos da alrededor de 14500 millones de años luz de distancia. A la esfera cuyo radio tiene esta distancia se la conoce como esfera de Hubble.
Pero como es posible que haya partes del universo que se están alejando de otras a una velocidad superior a la de luz? No era que Einstein, estableció, entre otras cosas, que el límite máximo de una velocidad es la velocidad de la luz? El límite que impone la velocidad de la luz se refiere a movimientos de objetos en el espacio. Pero las galaxias como ya aclaramos, se alejan unas de otras, no porque estén viajando a través del espacio, se alejan porque el espacio mismo entre ellas se está dilatando y no existe una limitación para la velocidad de expansión del espacio
Recordemos que previamente mencionamos que luego de la expansión inflacionaria, en los primeros instantes posteriores al Big Bang, el universo creció tan inimaginablemente rápido en una fracción de segundo que casi todas las partes del mismo quedaron desconectados causalmente, es decir, nunca más volvieron a poder intercambiar información y hoy no forman parte de nuestro universo observable ya que se encuentran más allá de la frontera que podemos o podremos ver. Esto está representado en el siguiente gráfico:
Ahora bien, la expansión del universo, a mayor velocidad que la luz, genera un efecto similar. Toda parte del universo que por motivo de la expansión, quede fuera de la esfera de Hubble, desaparecerá de nuestro universo observable y jamás la volveremos a ver. Esta es una consecuencia sumamente importante de la expansión a mayor velocidad que la luz. Con la actual expansión acelerada, es muy posible que en el futuro, nuestro universo observable solo esté formado por nuestra galaxia que será muy distinta a como es hoy, a medida que la mayoría del actual universo observable se aleje y cruce la frontera de Hubble.
Los cosmólogos en ese futuro lejano tendrán ciertamente un Universo muy simple y aburrido de analizar y a menos que descubramos que es posible viajar más rápido que la luz estaremos atrapados es un “Universo Isla” de unos pocos millones de años luz rodeados de un vacío infinito.