Un nuevo capítulo en la expansión del Universo

Publicado en Astronews.
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¿Cómo comenzó el Universo que hoy conocemos? ¿Tuvo un principio y tendrá un final? Algunos interrogantes como éstos intenta responder la cosmología, el estudio del Universo a gran escala. Durante la historia de la humanidad surgieron distintas hipótesis sobre el origen y las dimensiones del Cosmos, pasando desde la Teoría Geocéntrica, que postulaba que la Tierra era el centro del Universo, hasta la concepción que tenemos hoy.
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En 1927, Georges Lemaître observó por primera vez indicios de que el Universo se estaba expandiendo. Estas observaciones le dieron fuerza a la Teoría del Big Bang, frente a la idea de un Universo estático. Edwin Hubble, apenas dos años después, determinó un comportamiento similar para las galaxias lejanas, aportando evidencia irrefutable a la Expansión del Universo. Pero, ¿cómo se miden desde la Tierra estos fenómenos?

 

El corrimiento al rojo y el Efecto Doppler

Todos hemos escuchado alguna vez cómo cambia el sonido, por ejemplo, una ambulancia que se mueve respecto a nosotros: en el momento en el que pasa por nuestro lado, escuchamos cómo la sirena cambia de frecuencia, haciéndose más grave. A este fenómeno se lo llama “efecto Doppler”, y afecta tanto al sonido como a la luz.

Imaginemos una fuente de sonido y una fuente de luz, ambas quietas en el espacio. Cuando el objeto que está emitiendo se acerca, la longitud de onda se hace más corta que cuando está en reposo (las ondas “se aplastan”). En cambio, cuando se aleja, la longitud de onda se hace más larga que cuando está en reposo (las ondas “se estiran”). En las ondas de sonido, este fenómeno lo interpretamos como un sonido más grave o más agudo. En las ondas de luz se traduce en un cambio de color, como se puede ver en la imagen:

Crédito: astronomia.com

Crédito: astronomia.com

Así, cuando una estrella se acerca hacia la Tierra, las observamos más azules que lo esperado, y cuando se aleja decimos que su espectro está “corrido al rojo”. Si observamos este fenómeno en estrellas cercanas al Sol, veremos algunas que se acercan y otras que se alejan de nosotros. Sorprendentemente, veremos que no ocurre lo mismo con las galaxias más lejanas: todas presentan un marcado corrimiento al rojo. El astrónomo Edwin Hubble, postuló que este corrimiento se debía a que las galaxias tenían una velocidad de alejamiento respecto de la Tierra. Cuanto mayor era la distancia a la galaxia que estudiaba, más rápido se alejaba de nosotros: esta es la famosa Ley de Hubble.

 

La historia de la Ley de Hubble

La década de 1920 estuvo minada de controversias respecto a las dimensiones del Universo. Un ejemplo de ello fue el polémico debate que se dio entre Harlow Shapley y Heber Curtis: Shapley defendía que el Universo tenía aproximadamente el tamaño de la Vía Láctea, situando a todos los objetos que se conocían dentro de su órbita. Curtis, en cambio, estaba convencido de que el Universo era muchísimo más grande. Hubble a fines de década puso fin a esta controversia, aportando evidencia empírica a las predicciones de Curtis.
Hubble basó sus trabajos en el cálculo de distancias mediante estrellas que varían su brillo en el tiempo: utilizando relaciones entre el periodo de pulsación y su luminosidad, calculó la distancia a una estrella en la Nebulosa de Andrómeda. Esta estimación arrojó números descomunales para la época, que determinaban distancias ocho veces más grandes comparadas con las de las estrellas más lejanas que se conocían. Además, descubrió no sólo que la gran mayoría de estas “nebulosas” presentaban un corrimiento al rojo, sino que cuanto más grande era, mayor resultaba ser su distancia. De esta relación de proporcionalidad nació la famosa Constante de Hubble.
Interpretando el fenómeno del corrimiento al rojo, de esta Ley se desprende una relación proporcional entre la distancia y la velocidad: Las galaxias lejanas tienen una velocidad de alejamiento mayor que las que están más cerca.

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El trabajo de Hubble, considerado el padre de la cosmología observacional, desconcertó a toda la comunidad científica de ese entonces. Las distancias que calculó expandían las fronteras del Universo: lo que se creía que eran “nebulosas” pertenecientes a la Vía Láctea, eran en realidad objetos muy lejanos que llamó “Universos Isla” (actuales galaxias). Como si fuera poco, ¡todo indicaba que el Universo estaba en expansión!

 

La Expansión del Universo

El corrimiento al rojo que Hubble observó se debía sólo en una pequeña fracción al Efecto Doppler (velocidad propia de la galaxia) . En realidad, este fenómeno (llamado “redshift” en inglés) se debe a la expansión del Universo mismo.
Para visualizar esto podemos recurrir a dos analogías muy utilizadas:

Como explica Einstein en su teoría de la relatividad especial, el espacio y el tiempo están íntimamente relacionados: se refiere a ellos como “espacio-tiempo”, y pueden imaginarse como un tejido (por ejemplo una sábana) que se distorsiona ante la presencia de un objeto masivo.

Cŕedito: historiaybiografias.com

 

Cuando decimos que el Universo se expande, nos referimos a este tejido espacio-temporal, que podemos imaginar como la superficie de un globo que está inflándose.

Crédito: astroblog.cl

Crédito: astroblog.cl

Nuevas hipótesis y descubrimientos

Hasta finales de los 90, la teoría más aceptada decía que el Universo iría frenándose hasta detener su expansión. Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess descubrieron que el Universo se expande aceleradamente, lo que les valió el Premio Nóbel de Física de 2011.
Adam Riess continuó investigando este fenómeno, y junto con sus colaboradores hace unas semanas publicaron un paper donde explican uno de sus últimos trabajos. Utilizando cefeidas (estrellas pulsantes) y supernovas (estrellas que explotan al terminar su vida, y son visibles desde otras galaxias) este equipo de científicos calibraron y corrigieron estas distancias, con lo que determinaron con más precisión la constante de Hubble (redujeron la incerteza o “error” de este valor desde 3,3% a 2,4%). Esto, entre otras cosas, implica que el Universo está expandiéndose más rápido que lo que pensábamos.

Múltiples hipótesis intentan explicar los misterios que aún quedan por develar en lo que refiere al Universo a gran escala. Algunas de ellas son la hipótesis de Materia Oscura o modificaciones de las Teorías Gravitatorias, pero los científicos aún no logran explicar algunos de los fenómenos que se observan. En palabras de Adam Riess,

Estudiar la expansión del Universo es como construir un puente: En la orilla distante están las observaciones de microondas del fondo cósmico de radiación. En la orilla más cercana, las mediciones que hicimos recientemente con el Telescopio Espacial Hubble. Uno empieza en los dos extremos, y espera encontrarse en el medio si todos los cálculos son correctos y las medidas están bien hechas. Pero ahora los dos extremos del puente no se están encontrando en el medio, y no sabemos por qué.

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