Origen del universo – Cap 3: La expansión del universo y su estructura a gran escala

Las últimas mediciones obtenidas en diciembre de 2013 por la sonda espacial Planck, han confirmado que la geometría del Universo es plana, que la expansión se está acelerando y que el Big Bang ocurrió hace 13800 millones de años.

Una habitual pero incorrecta interpretación es imaginar al Big Bang como una explosión convencional donde el universo, que se encuentra inicialmente concentrado en una singularidad, explota y se expande en todas direcciones. Esta imagen, que supone un centro desde donde el universo se expande, es absolutamente incorrecta.

Una buena analogía es imaginar que el universo completo está representado por la superficie de un globo. Las galaxias se encuentran dibujadas en la superficie del globo.

En esta representación no existe un punto central para el universo. El Big Bang ocurre en todos lados al mismo tiempo. El tamaño del universo crece conforme pasa el tiempo como consecuencia de la expansión del espacio. No se expande desde ningún centro ni hacia ningún lugar en particular.

Al igual que en el globo, las galaxias se alejan unas de otras, no porque estén viajando a través del espacio (las galaxias están pintadas en el globo), se alejan porque el espacio mismo entre ellas se está dilatando. En verdad, en el universo real, las galaxias, sí se mueven por el espacio, pero a velocidades relativamente bajas (velocidad peculiar) comparadas con la de la luz, así que para grandes distancias este movimiento podría despreciarse. Aun cuando las galaxias estuvieran completamente inmóviles con respecto al espacio, estarían separándose entre sí.

Ahora bien, hay que intentar imaginar eso mismo, agregando una dimensión más, pues el universo, a diferencia de la superficie del globo, posee 3 dimensiones espaciales.

Además, en el universo real, no todas las galaxias se están separando entre sí. La expansion del espacio ocurre en todas las escalas pero solo en grandes escalas donde la atracción gravitatoria (o alguna de las otras fuerzas) son despreciables la materia se está separando realmente. Para entender esto necesitamos describir como es la estructura del universo a gran escala.

Nuestro sistema solar completo entra dentro de una esfera de 14 horas luz de diámetro. La estrella más cercana, Próxima Centauri, se encuentra a 4,3 años luz, es decir, unas 5400 veces más lejos que la distancia al límite de nuestro sistema solar.

Nuestra galaxia, la Vía Láctea, es una galaxia espiral que posee un diámetro aproximado de 100 mil años luz (unas 23 mil veces más grande que la distancia a la estrella más próxima y 63 millones de veces más grande nuestro sistema solar)

Nuestra galaxia junto con la galaxia de Andrómeda y alrededor de 55 galaxias menores forman parte de un grupo llamado “Grupo Local”.

La galaxia de Andrómeda, se encuentra a 2,5 millones de años luz de distancia y su diámetro es de 220 mil años luz, aproximadamente el doble que la Vía Láctea.

El tamaño total del “Grupo Local” es de 10 millones de años luz, esto es, unas 100 veces más grande que nuestra galaxia.
Las galaxias dentro del “Grupo Local” están ligadas gravitacionalmente y en promedio, no se están separando unas de otras. De hecho, la galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea se están acercando y se fusionarán en una gran galaxia elíptica dentro de unos 4500 millones de años aproximadamente. Más adelante, el resto de las galaxias menores probablemente lo hagan también.

Nuestro “Grupo Local” junto con otros 100 “Grupos de Galaxias” y varios “Clusters de Galaxias” (agrupaciones más grandes y con más cantidad de estrellas que los Grupos) que se encuentran entre 10 y 65 millones se años luz de distancia de nosotros, forman nuestro “Super Cluster Local” conocido como “Super Cluster de Virgo”, que posee un tamaño de 150 millones de años luz, unas 15 veces más grande que nuestro “Grupo Local” y unas 1500 veces más grande que nuestra galaxia.

Los “Grupos de Galaxias” y “Clusters de Galaxias” dentro del “Super Cluster de Virgo” tienen movimientos diversos. No todos se están acercando entre sí, pero el comportamiento promedio sigue siendo atractivo. Se supone que los “Super Cluster” son las estructuras más grandes que se encuentran ligadas gravitatoriamente.

Se estima que existen alrededor de 1 millón de “Super Clusters” en el universo conocido, siendo el más cercano el “Supe Cluster Hidra-Centauro” que se encuentra a una distancia de unos 150 millones de años luz.

La mayoría de los “Super Clusters” están definitivamente alejándose unos de otros, aunque hay algunas excepciones.

Si volvemos al gráfico del globo expandiéndose como analogía del universo en expansión, lo correcto sería reemplazar las galaxias por “Super Clusters”. 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)

Ahora bien, esta expansión del universo a gran escala, tampoco puede ser definida con una velocidad de expansión. El universo no tiene una única velocidad de expansión.La velocidad de separación entre 2 puntos lejanos aumenta con la distancia. Es por eso que vemos que las galaxias más lejanas (en otros Super Clusters) se alejan a mayor velocidad. Este comportamiento o métrica de expansión es caracterizado por la constante de Hubble.

Hay 2 formas de medir la constante de Hubble. La primera se basa en medir la variación de la velocidad de recesión de las galaxias en función de su distancia. Este fue el método que usó Edwin Hubble. Conforme la tecnología de medición fue mejorando, el valor de la constante de Hubble fue ajustándose hasta el valor mas preciso que tenemos hoy: 73 km/s/Mpc (22,5 km/s por cada millón de años luz de distancia) con un margen de error de menos del 3%.

La segunda, se basa en la medición de la radiación de fondo de microondas. La sonda Planck, especialmente diseñada para medir este eco, arrojó en el 2016 resultados consistentes con otras mediciones similares de un valor de 68 km/s/Mpc (21 km/s por cada millón de años luz de distancia) y con un error se menos del 1%.

Estamos en un punto donde resulta evidente que ambos metidos de medición arrojan sistemáticamente valores distintos y esto no parece ser producto de errores de medición sino del modelo cosmológico que estamos asumiendo como hipótesis.

Si el momento en que el universo se hace neutro ocurriera a los 350 mil años en vez de a los 380 mil, las 2 mediciones concordarían. El problema es que el actual valor de 380 mil no fue arbitrariamente elegido sino que surge del modelo cosmológico actual

Además, a pesar de su nombre, la constante de Hubble no ha sido constante a lo largo del tiempo. Por la tanto, tampoco lo ha sido el ritmo de expansión del universo. De hecho, como veremos en detalle en otro momento, el universo ha sufrido una breve expansión inflacionaria durante los primeros instantes luego del Big Bang, durante el cual, el universo multiplicó su tamaño un número inimaginablemente grande de veces en un lapso de tiempo inimaginablemente pequeño. Luego de este proceso inflacionario, partes del universo, han sido separadas de tal modo que han quedado fuera del alcance de nuestra visión.

Luego, la expansión desaceleró bruscamente y el universo continuó expandiéndose de manera desacelerada durante los siguientes 8 mil millones de años aproximadamente.

Luego, la expansión comenzó a acelerarse nuevamente y ya lleva aproximadamente  6 mil millones de años de esa manera.

Como mencionamos recientemente, luego de la inflación, grandes expansiones del universo han quedado más allá de nuestro universo observable. Están más allá de la frontera que podemos ver. Por esta razón, es importante destacar que existen 2 conceptos bien diferenciados: uno es el universo es su totalidad, cuya forma y tamaño desconocemos y otro es el universo observable, del cual hablaremos más adelante.