Sobre la Expansion del Universo – Revisitada

La expansión es una consecuencia de la teoría general de la relatividad de Einstein propuesta hace más de un siglo y verificada por Hubble en 1929. Sin embargo, desde hace unos 20 años, sabemos qué, hace unos 6 mil millones de años aproximadamente, las galaxias distantes empezaron a acelerar su recesión respecto a nosotros: un efecto que solo puede ser explicado si aceptamos que existe algo más que la materia que conocemos. Hoy en día, nuestro modelo cosmológico explica este fenómeno introduciendo el concepto de energía oscura.

Cuando observamos el universo a gran escala, la imagen que vemos es un “collage” de luces desincronizadas, pertenecientes a distintas épocas. Por ejemplo, cuando miramos en una noche estrellada a las “3 Marias” vemos a Mintaka como era hace 900 años, a Alnilam como era hace 2000 años y a Alnitak como era hace 800 años, pues se encuentran a 900, 2000 y 800 años luz de distancia respectivamente. Si miramos un poco más la derecha veremos, al mismo tiempo, a Sirio, la estrella más brillante del cielo, como era hace solo 9 años. Y si miramos objetos más lejanos, veremos cómo eran en el pasado remoto. A nuestra vecina galaxia Andromeda, la vemos como era hace unos 2,5 millones de años.

Este fenómeno se debe a que la velocidad de luz no es infinita y es baja comparada con el tamaño del universo. Osea siempre vemos una imagen del pasado de lo que observamos y sera más vieja cuanto más lejos estaba ese objeto en el momento que emitió la luz que nos llega.

Todo esto es cierto aun cuando el universo fuera estático y no estuviera en expansion. Ahora bien, la expansion de universo ocurre a grandes escalas. Las estrellas que vemos a simple vista se encuentran en nuestro vecindario galáctico, esto es, dentro de una esfera del 1% del tamaño de nuestra propia galaxia. Esas estrellas no se están alejando de nosotros como consecuencia de la expansion del universo. Nada en nuestra galaxia se esta alejando como consecuencia de la expansión del universo, Ni siquiera las 60 galaxias que forman nuestro grupo local se alejan. Todo eso se encuentra gravitacionalmente unido. Pero cúmulos de galaxias más lejanos si lo hacen.

Al expandirse el universo, objetos que se encuentren lo suficientemente lejos no solo los veremos cómo eran en el pasado, si no que ya no estarán donde estaban cuando emitieron la luz que estamos viendo, estarán más lejos porque el universo se expandió en ese tiempo. Esto puede verse en la siguiente animación.

Un efecto inequívoco de la expansion del espacio es el aumento de la longitud de onda de la luz que recibimos por efecto Doppler. Esto nos permite estimar cuanto espacio y tiempo atravesó la luz en su camino, en otras palabras, nos da una idea de que tan lejos se encuentra ahora.

Mas lejos vemos algo (más desplazamiento doppler tenga), más viejo sera y más cerca “nuestro” estaba cuando emitió la luz que vemos. Los objetos con mayor desplazamiento doppler que hemos logrado ver, provienen de objetos que poseen una antigüedad de unos 13.500 millones de años (casi tan antiguos como nuestro universo),. Sin embargo estos objetos se encontraban muy cerca nuestro, pero ahora están casi en el límite del universo observable, a unos 46 mil millones de años luz de distancia. Objetos con menor desplazamiento doppler se encuentran hoy mucho más cerca y su imagen no es tan antigua.

Todo esto puede verse en el siguiente diagrama:

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.

La curva naranja contiene todos los objetos cuya luz vemos ahora. Se la llama “Cono de Luz Pasada”. Los 4 puntos sobre esa curva, rojo, verde, azul y rosa, representan 4 galaxias que vemos ahora, cada una con un diferente desplazamiento doppler. Si proyectamos donde cada punto de color intersecta a la curva naranja, sobre el eje horizontal obtendremos la distancia a la que se encontraban esas galaxias cuando la luz partió y si la proyectamos sobre el eje vertical obtenemos que edad tenía el universo cuando la luz partió. Si proyectamos donde intersectan esos mismos 4 puntos a la recta negra horizontal superior sobre el eje horizontal obtendremos las distancias a la que cada objeto se encuentra ahora.

Asi pues:

• La galaxia roja que estamos viendo hoy se encontraba hace unos 13.100 millones de años (13.800 – 700) a unos 3.500 millones de años luz de distancia. Si el universo no se hubiera expandido, su luz habría llegado 3.500 millones de años después, es decir, hace unos 9.600 millones años. Sin embargo, como el universo se expande, nos llega ahora, 13.100 millones de años luego de que partió. La galaxia se encuentra ahora a unos 34.500 millones de años luz de distancia. Osea se alejó 31.000 millones de años luz en 13.100 millones de años (2,4c).
• La galaxia verde que estamos viendo hoy se encontraba hace unos 12.300 millones de años (13.800 – 1.500) a unos 4.800 millones de años luz de distancia. Si el universo no se hubiera expandido su luz habría llegado 4.800 millones de años después, es decir, hace unos 7.500 millones años. Sin embargo, como el universo se expande, nos llega ahora, 12.300 millones de años luego de que partió. La galaxia se encuentra ahora a unos 25.000 millones de años luz de distancia. Osea se alejó 20.200 millones de años luz en 12.300 millones de años (1.65c).
• La galaxia azul que estamos viendo hoy se encontraba hace unos 11.300 millones de años (13.800 – 2500) a unos 5.500 millones de años luz de distancia. Si el universo no se hubiera expandido, su luz habría llegado 5.500 millones de años después, es decir, hace unos 5.800 millones años. Sin embargo, como el universo se expande, nos llega ahora, 11.300 millones de años luego de que partió. La galaxia se encuentra ahora a unos 20.000 millones de años luz de distancia. Osea se alejó 14.500 millones de años luz en 11.300 millones de años (1.3 c).
• La galaxia rosa que estamos viendo hoy se encontraba hace 7.500 millones de años (13.800 – 6300) a unos 5.500 millones de años luz de distancia. Si el universo no se hubiera expandido, su luz habría llegado 5.500 millones de años después, es decir, hace unos 2.000 millones años. Sin embargo, como el universo se expande, nos llega ahora, 7.500 millones de años luego de que partió. La galaxia se encuentra ahora a unos 10.000 millones de años luz de distancia. Osea se alejó 4.500 millones de años luz en 7.500 millones de años (0,6c)

Algunas conclusiones interesantes:

• Los puntos (galaxias) que se encuentran dentro del area delimitada por la curva verde, se alejan más rápido que la velocidad de la luz. A esa curva se la conoce como distancia de Hubble (o radio de la esfera de Hubble).
• 3 de las 4 galaxias analizadas, la roja, la verde y la azul se encontraban fueran de la esfera de Hubble cuando la luz que nos llega hoy fue emitida. Es decir, las 3 se alejaban más rápido que la velocidad de la luz. Debido a eso, la luz emitida se alejó inicialmente (la expansión del espacio le “ganaba” la carrera a la luz). Esto ocurrió durante cierto tiempo, hasta que el universo tuvo unos 4 mil millones de años, aproximadamente. 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 esfera de Hubble crece a medida que pasa el tiempo. Hoy se encuentra a unos 14.500 millones de años luz, pero no crecerá por siempre. Llegará a un máximo de unos 17.500 millones de años luz. Ese sera nuestro limite ultimo de accesibilidad. Esto significa que en el futuro podremos ver lo que hoy se encuentra entre 14.500 y 17.500 millones de años luz y no más.