Entendiendo la expansión del universo
Probablemente el mayor descubrimiento de la cosmología moderna es que el universo se está expandiendo. ¿Pero qué significa esto exactamente? Cuando decimos que el universo se está expandiendo lo que queremos decir es que galaxias lejanas se están alejando de nosotros.
Vale la pena repasar. Las galaxias son enormes conglomerado de estrellas, de muchas estrellas. Nuestra galaxia, la Vía Láctea, tiene entre 100 y 400 mil millones de estrellas. Cada estrella es un Sol y en torno a cada una de ellas existen sistemas planetarios, similares al nuestro. Nuestra galaxia es inimaginablemente grande, tan grande que, si la comprimiéramos al tamaño de nuestro planeta, el tamaño de nuestro planeta sería 1000 veces más chico que un grano de arena. Inimaginablemente grande.
Así más o menos se vería nuestra galaxia vista desde afuera.
La formación de estas estructuras es producto de la atracción gravitatoria de la materia. Sin embargo, la cantidad de materia que vemos no alcanza para explicar la formación de las galaxias. De allí surge el concepto de “materia oscura”, que es un tipo de materia de la cual desconocemos su naturaleza pero que hemos detectado indirectamente por sus efectos gravitatorios. Sin embargo, no interacciona de otras maneras por lo que no aún no hemos podido detectarla directamente. Se estima que existe más de 5 veces más materia oscura que materia visible.
Entre las galaxias predominan vastas regiones de vacío. La galaxia más próxima a la nuestra es Andrómeda y se encuentra a una distancia de 2,5 millones de años luz, esto es, unas 25 veces mayor que el tamaño de nuestra galaxia. Es tan grande (el doble que la nuestra) que podemos verla a simple vista en el cielo nocturno (alejado de las luces de las grandes ciudades). Desde el hemisferio sur es difícil verla pues solo es visible en primavera muy baja en el horizonte mirando hacia el norte. Es una tenue mancha 4 veces más grande que la luna.
Si hacemos un zoom out para abarcar mayores escalas veremos que las galaxias se agrupan en clústeres de galaxias. Entre clústeres, nuevamente solo hay extensiones inimaginablemente más extensas que galaxias de vacío absoluto. Si seguimos haciendo zoom out veremos que incluso los clústeres se agrupan en estructuras mayores llamadas super clusteres. Y nuevamente entre super clusters extensiones inimaginablemente más extensas que clústeres (ya no galaxias) de vacío. Recordemos que ya el tamaño de una galaxia era difícil de comprender. Imaginamos ahora el tamaño de estas estructuras y del vacío que las separa.
Abajo una representación de esta arquitectura.
Al final, hay tantas galaxias en el universo visible como estrellas en nuestra galaxia, cientos de miles de millones. Tal vez más.
Volvamos ahora a la expansión del universo. En 1922, Alexander Friedman fue el primero en resolver la ecuaciones de la relatividad general, recientemente propuesta por Albert Einstein en 1915 y descubrir que estas indicaban que el universo no podía ser estático, como se creía en ese momento. En 1927, George Lemaître, sin conocer el trabajo de Friedmann, propone el primer modelo cosmológico moderno, en donde el universo se está expandiendo. En 1929 Edwin Hubble realiza el descubrimiento más importante de la cosmología moderna, que las galaxias lejanas efectivamente se están alejando en todas direcciones y que cuanto más lejos se encuentran más rápido se alejan.
Una conclusión lógica se deriva de este descubrimiento: si el universo se está expandiendo, esto significa que en el pasado era más pequeño y que las galaxias estaban más cercas una de otras. Esto dio origen a la conocida “Teoría del Big Bang” (gran explosión), donde el universo comenzó con una gran explosión, hace casi 14 mil millones de años. Y es esta explosión inicial la razón por la cual el universo se expande.
Contrariamente a lo que uno imaginaría, la explosión inicial no es una explosión en el sentido tradicional que todos conocemos, que ocurre en un lugar del espacio y en un momento específico de tiempo y que hace que la materia se aleje en todas direcciones. Si esto fuera así no veríamos que las galaxias se alejan en todas direcciones, como descubrió Hubble, a menos que tengamos la remotamente improbable suerte de ser el centro del universo. Veríamos que algunas direcciones las galaxias se alejan más rápidamente que en otras.
Para explicar que significa exactamente que el universo se está expandiendo vamos a utilizar la analogía del globo que se infla. Imaginemos que el universo completo está representado por la superficie de un globo. Las galaxias se encuentran pegadas (no dibujadas, luego veremos por qué) en la superficie del globo. El universo no es el globo, sino la superficie del globo. Es muy importante tener presente esto. El aire que se encuentra dentro del globo no es parte del universo. Aquí el universo está representado por una superficie de dos dimensiones físicas cuando en la realidad el universo posee tres dimensiones físicas. Sin embargo, esta simplificación no invalida la analogía.
A medida que el globo se infla, los pegotes que representan las galaxias en el globo se alejan unos de otros. Pero no porque estos pegotes se estén moviendo con respecto al globo (de hecho, están pegados) sino porque el globo se está expandiendo a medida que se infla. De manera análoga, las galaxias en el universo no se alejan entre sí porque se estén moviendo en el espacio, se alejan porque el espacio entre ellas se expande.
Nótese que en el globo que se expande todos los pegotes que representan a las galaxias se alejan de todos los otros. La expansión del espacio explica por qué todas las galaxias se alejan de todas y ninguna es el centro. Simplemente no existe un punto central para el universo. Así pues, el Big Bang no ocurrió en algún lugar. Ocurrió en todos lados de nuestro universo visible simultáneamente.
El tamaño del universo crece a medida que pasa el tiempo debido a la expansión del espacio, pero no es infinito, como no lo es la superficie del globo. No se expande desde ningún centro, ni hacia ningún lugar en particular. Tampoco posee un borde. No hay un límite donde termine el universo. No hay un “afuera”.
Cabe mencionar que, a diferencia del globo en donde los pegotes (galaxias) están fijos, las galaxias en el universo no están realmente fijas, sino que se mueven por el espacio, pero para galaxias suficientemente lejanas, dicha velocidad es despreciable en comparación a la de la expansión del espacio. A efectos prácticos para simplificar la explicación podemos asumir que están fijas.
En la explicación pusimos énfasis en que la representación de las galaxias en el globo eran pegotes y no dibujos en la superficie del globo. Esto se debe a que si estuvieran dibujadas se expandirían junto con el globo cuando este se infla. Y esto no es lo que ocurre en el universo, las galaxias, los sistemas solares, los planetas, los edificios y las personas no nos estamos expandiendo con el espacio. Las estrellas que conforman las galaxias y las galaxias que conforman los clústeres están gravitacionalmente ligados. Es decir, se mantienen, en promedio juntos. La densidad de materia en ellos es lo suficientemente alta como para frenar la expansión del espacio localmente (o reducirla a casi cero). Sin embargo, los super clusteres se están claramente separando entre sí. Por lo tanto, cuando decimos que el universo se está expandiendo, lo que realmente queremos decir es que lo está haciendo a gran escala (distancias mayores a 100 millones de años luz aproximadamente). Así que, en la analogía del globo, para ser estrictamente correctos deberíamos decir que los pegotes no representan cualquier galaxia sino galaxias muy separadas entre sí, galaxias en super clusteres distintos, por ejemplo.
Volvamos una vez más a la expansión del universo. La expansión del espacio permite también explicar, por qué las galaxias más lejanas se están expandiendo más rápidamente que las más cercanas. La expansión del espacio es acumulativa por lo tanto se hace mayor cuanto más espacio hay entre los dos puntos en que se mide la velocidad. Este efecto puede verificarse en la analogía del globo, cuánto más separado estén dos pegotes más rápidamente se alejan al inflarse el globo.
Ahora bien, si este efecto es acumulativo y cuanto más lejos se encuentre una galaxia más rápido se alejará, entonces existirá una distancia (conocida como la distancia de Hubble o radio de Hubble) para la cual las galaxias que se encuentran más allá de ella se alejarán de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Seguramente aquellos que han estudiado la teoría especial de la relatividad formulada por Albert Einstein en 1905 dirán que esta última afirmación es incorrecta alegando que es imposible una velocidad mayor a la velocidad de la luz. Sin embargo se equivocan. El límite que impone la relatividad especial a las velocidades se refiere a movimientos de objetos en el espacio. Pero como ya hemos explicado las galaxias, se alejan unas de otras, no porque estén viajando a través del espacio sino porque el espacio mismo entre ellas se está expandiendo y no existe una limitación para la velocidad de expansión del espacio. Esta es una predicción de la teoría de la relatividad general, también de Albert Einstein, pero en 1915.
En este punto es importante destacar que cuando miramos al universo lo que vemos es la luz que nos llega de los objetos que vemos. Como la velocidad de la luz no es infinita, vemos siempre imágenes del pasado. Cuanto más lejos esté el objeto, más antigua es la imagen que vemos de él. Esto es válido no solo para astrónomos y cosmólogos sino para nosotros cuando miramos al cielo. En una noche sin luna en la total oscuridad que solo nos provee sitios alejados de las grandes ciudades podemos ver a simple vista unas 4500 estrellas. Como todas ellas se encuentran a diferentes distancias, la luz que no llega de cada una de ellas posee una antigüedad diferente. Por ejemplo, Alfa Centauro, la estrella más cercana, la vemos como era hace solo 4 años pues se encuentra a una distancia de 4 años luz. Mientras que a Alnilam, la estrella central de las tres marías la vemos como era hace 2000 años, pues se encuentra a unas 500 veces más lejos, a 2000 años luz de distancia. Y cuando miramos a nuestra galaxia vecina Andrómeda la vemos como era hace 2,5 millones de años.
Volvamos a las galaxias que se encuentran lo suficientemente lejos como para alejarse a mayor velocidad que la luz. Si se alejan más rápido que la velocidad de la luz entonces podría inferirse que la luz emitida por estas galaxias desaparece para siempre de nuestra vista y por lo tanto nunca más podremos observarlas. Bueno, esto no es así. Esta es una mala interpretación en la que incluso especialistas en cosmología suelen incurrir. Así que si interpretan lo que sigue, que admito no es simple, tendrán una visión más precisa de la expansión del universo que muchos especialistas en cosmología.
Lo que ocurre es que la distancia para la cual las galaxias se alejan más rápido que la luz (la famosa distancia de Hubble) crece a medida que pasa el tiempo, es decir ocurre cada vez más lejos. Por lo tanto, la luz emitida por galaxias que se alejan más rápido que la velocidad de la luz (debido a la expansión del espacio), se alejara de nosotros inicialmente, pero esto es temporal. Después de un tiempo el espacio dejará de expandirse más rápido que la velocidad de la luz y la luz emitida por esas galaxias deja de alejarse de nosotros y comenzará a acercarse hasta que finalmente luego de mucho tiempo llegará hasta nosotros.
A fines del siglo 20 se descubrió que el universo no solo se está expandiendo, sino que la expansión se está acelerando. Este nuevo descubrimiento justifica la existencia de la energía oscura. La energía oscura es un tipo de energía hipotética que tiene la particularidad de no disminuir su densidad a medida que el universo se expande y esto hace que sea dominante en etapas posteriores. Por eso se hace relevante en los últimos 6 mil millones de años, desde que comenzó la expansión acelerada. La energía oscura es similar a la constante cosmológica que introdujo Einstein en sus ecuaciones en 1915 para justificar un universo estático. También es similar a la energía que disparo la gran explosión inicial y que da lugar el modelo cosmológico actual llamado Universo Inflacionario. La energía oscura representa casi el 70% de todo el contenido de materia y energía del universo. Entre materia y energía oscura, tenemos el 95% del contenido del universo. En otras palabras, no conocemos la naturaleza del 95% del universo. Pero esto no significa que no sepamos de lo que estamos hablando.
Finalmente, hablaremos sobre el tamaño del universo observable. El universo tiene un tiempo de existencia de aproximadamente 14 mil millones de años. Hoy nos llegan señales casi tan antiguas. Sin embargo, los objetos que emitieron esas señales (si aún existen) se encuentran hoy a 46.500 millones de años luz de distancia, algo más de 3 veces más de lo esperado en un universo estático, debido precisamente a la expansión del espacio que hemos hablado. Por tal motivo, el tamaño del universo observable es de una esfera de 93 mil millones de años luz de diámetro con centro en la Tierra. Esto no significa que el universo tenga este tamaño. El universo es más grande, incluso es posible que sea infinito, de acuerdo con el modelo cosmológico inflacionario, pero esto lo dejaremos para otro artículo.
Finalmente diremos que como consecuencia de la expansión acelerada, si esta situación no cambia en el futuro, mas y mas regiones del universo cruzaran el limite en donde su luz pueda alcanzarnos en el futuro, esto significa que nos convertiremos en un universo isla donde solo podremos ver las galaxias de nuestro clúster.
La siguiente sección explica más en detalle cómo funciona la expansión del universo. Los menos curiosos pueden saltearla. Es opcional
EXPANSION DEL UNIVERSO EN DETALLE
Un fotón de una fuente distante tiene que superar la expansión del universo para llegar a nosotros. El siguiente gráfico muestra la trayectoria de un fotón en un universo en expansión (basado en el Modelo Estándar de cosmología más reciente).
El eje horizontal nos muestra la distancia real y el eje vertical es el tiempo cósmico. Con el tiempo, nuestra galaxia se mueve en la línea vertical negra, y actualmente estamos ubicados en el punto negro: la edad actual del universo es de 13.800 millones de años.
Todo lo que observamos (toda la luz que recibimos) ahora ha viajado por la curva naranja continua, a la que denominamos “cono de luz pasada”. Es decir, vemos una imagen compuesta por eventos que ocurrieron en distintos momentos (recordemos lo dicho anteriormente, miramos al cielo y vemos a alfa centauro como era hace 4 años y a la estrella central de las 3 marías como era hace 2000 años, al mismo tiempo). Uno de esos puntos que estamos observando corresponde a una galaxia (marcada con el punto purpura). Esa galaxia emitió su luz cuando el universo tenía 2.500 millones de años (línea horizontal, corta eje de tiempo para esa edad del universo) y se encontraba en ese momento a 5.500 millones de años luz de distancia (segmento blanco)
Si el universo no se estuviera expandiendo, entonces la luz solo habría necesitado 5.500 millones de años para llegarnos (moviéndose por la línea naranja discontinua) y lo habríamos recibido cuando el universo tenía 8 mil millones de años (punto gris) en decir hace casi 6 mil millones de años. Nadie habría podido verlo, claro, porque aún no había formado nuestro sistema solar. Sin embargo, el universo se expande, y como resultado la luz siguió la gruesa línea naranja, tardando 11.300 millones de años en llegarnos (2.500 + 11.300 = 13.800). Así que, debido a la expansión del universo, la luz necesitó aproximadamente el doble de tiempo para llegar a nosotros. Durante ese tiempo, la expansión hizo que la galaxia que emitió la luz se apartara de nosotros, siguiendo la línea púrpura punteada, y su distancia actual de nosotros ha aumentado a casi 20 mil millones de años luz (línea celeste).
La curva continua verde es el radio de Hubble. Las regiones del espacio dentro de ella (área verde más oscuro) tienen velocidades de alejamiento inferiores a la de la luz. Las regiones exteriores (área verde más claro) tienen velocidades de alejamiento mayores a la velocidad de la luz.
La galaxia analizada (punto purpura) se encontraba fuera de la distancia de Hubble, esto es, se alejaba de nosotros más rápido que la velocidad de la luz, cuando emitió su luz. Debido a eso, la distancia entre nosotros y la luz que emitió aumento inicialmente (la expansión del espacio le “ganaba” la carrera) durante los primeros 1.500 millones de años (hasta que el universo tuvo unos 4 mil millones de años). Allí, el cono de luz pasada (curva naranja) se cruza con la distancia de Hubble (curva verde). En ese momento la luz entra en la región verde oscura donde el espacio se expande a menor velocidad que la de la luz y entonces su distancia hacia nosotros comenzó a disminuir.
La tasa de expansión del universo fue muy alta al principio, por lo que la luz de regiones distantes no pudo llegar a nosotros y nunca lo hará. La expansión luego se ralentizó, hasta que comenzó a acelerarse de nuevo cuando la energía oscura comenzó a dominar (cuando el universo tenía alrededor de 7.700 millones de años). Esto puede verse en la curva que representa la distancia de Hubble (curva verde) que empieza a curvarse hacia dentro. Esto hace que la distancia de Hubble crezca más lentamente dificultando este proceso descripto de recuperación de luz emitida por galaxias que se expanden más rápido que la luz.
La explicación del tamaño del universo puede hallarse utilizando una versión más completa del grafico espacio temporal que usamos antes. Nuevamente aquellos que no deseen esta explicación puede saltarse esta sección.
La curva azul es el “horizonte de partículas” y representa las partículas que se emitieron en el Big Bang (en t = 0). Donde esta curva se cruza con la línea horizontal negra de tiempo presente, nos indica donde se encuentra ahora esas partículas emitidas en el Big Bang. Este es el límite del universo visible. Actualmente se encuentra a 46.500 millones de años luz.
El siguiente grafico es una versión similar del grafico anterior pero expresado en “distancia comovil”. La distancia comovil es un artilugio matemático que elimina los efectos de la expansión del espacio. Además, el eje de tiempo este re escalado adecuadamente para que las curvas de “cono de luz pasada” (curva naranja) y “horizonte de eventos” (curva roja) sean líneas rectas.
En esta versión de grafico es fácil ver algunas conclusiones más. Por ejemplo, que el horizonte de partículas, el radio del universo visible que hoy es 46.500 millones de años luz, no crecerá indefinidamente. El radio máximo será de 62.000 años luz para t = infinito . El horizonte de eventos (curva roja) nos vuestra el limite de los que podremos observar en el futuro. Donde esta curva se cruza con la línea de tiempo presente (línea horizontal negra) nos indica donde se encuentran los objetos que seremos capaces de ver en el futuro. La luz emitida ahora por objetos que se encuentran a más de 17.000 años luz de distancia (intersección de la curva roja y línea del presente) jamás nos llegara. Y a medida que pase el tiempo, si la expansión sigue como hasta ahora, mas y mas universo quedara fuera de este horizonte. Esta es la razón por la que nos convertiremos en un universo isla, solo podremos ver las galaxias de nuestro clúster.