EL UNIVERSO AL DESCUBIERTO: CONCEPTOS BÁSICOS DE COSMOLOGÍA

Hector Otí Floranes
LAEX-CAB

Hace unos meses, di con un artículo de divulgación que, al fin, aclaraba de una forma sencilla y llana un tema controvertido y complicado: Cosmología. Ésta es una rama de la Astronomía que estudia la evolución del universo como un todo y tiene como pilar fundamental la Teoría de la Relatividad de Einstein. Muchas ideas y comentarios, incluso de astrónomos, acerca de puntos clave de la Cosmología son oscuros, cuando no falsos. Por ello, Charles Lineweaver y Tamara M. Davis, a la sazón miembros del Mount Stromlo Observatory (Australia), elaboraron en 2005 este artículo de divulgación (“Cosmology misconceptions about the big bang”) que trata de verter luz sobre las consecuencias que el actual Modelo Cosmológico acarrea. No es fácil dar con un texto tan claro y directo, por eso hemos decidido compartirlo con vosotros. He aquí un resumen del mismo:

1) Big Bang: El universo se formó cuando toda la materia y la energía, que se encontraban concentradas en un punto, sufrieron una explosión llamada Big Bang (Gran Explosión). No cabe preguntar qué había antes de ella, ni tampoco creer que el universo estaba vacío salvo por la pequeña bola de materia-energía que estallaría después: tanto el espacio como el tiempo se formaron tras la explosión; no fue una explosión en el espacio, sino del espacio-tiempo; ocurrió en todos los puntos, en la habitación en la que leéis esta entrada del blog, en Alfa Centauri, en la cercana galaxia Andrómeda, etc. El universo, materia, energía, tiempo, espacio, formaba un todo que estalló. Una de las pruebas de tal evento es el Fondo Cósmico de Microondas (FCM), radiación residual emitida en la explosión.

Tanto el tiempo y el espacio aparecen con el Big Bang. No exite un “antes”. (Crédito: Lineweaver & Davis 2005)

2) El universo se expande: La analogía con la que se suele explicar este difícil concepto es la siguiente: supongamos que existe una raza alojada en la superficie de un globo que se va hinchando. A medida que esto sucede, los habitantes de ese universo se dan cuenta de que las distancias aumentan: miden el tiempo de viaje de un punto A a otro B, y constatan que este tiempo se va haciendo mayor a cada momento. Saben que A y B no se encuentran en movimiento, pero la distancia entre ambos crece. Por tanto, llegan al convencimiento de que el universo de dos dimensiones en el que viven se está expandiendo. Pues bien, eso notamos los humanos: las galaxias se alejan de la nuestra, la Vía Láctea. Estudiando el movimiento relativo al FCM, sabemos que el aumento de las distancias no se debe a movimiento per se. La conclusión es que, efectivamente, el universo se expande. Observadores en todas las galaxias observan el mismo alejamiento, al igual que todos los habitantes del globo, pues no hay un centro del que se aleja todo: todos los puntos se alejan del resto.

3) No hay una cuarta dimensión espacial: La analogía del globo es buena para ayudar a comprender la expansión del universo, pero hay que tener claro que, así como un globo común (una superficie de dos dimensiones) necesita una tercera dimensión en la cual expandirse, la Relatividad General de Einstein (que explica la evolución del universo con tres dimensiones espaciales) no requiere una cuarta dimensión espacial para que tal expansión sea posible. Este punto es muy poco intuitivo.

4) Corrimiento al rojo: El pertinaz alejamiento de las galaxias puede ser medido gracias al famoso corrimiento al rojo: los fotones (luz) emitidos por éstas son “estirados” durante el transcurso de su viaje debido a la expansión del universo. Por ello, el valor de la longitud de onda de esos fotones medido por nosotros es mayor que el valor con el que fueron emitidos. Tal “estiramiento” nos da el valor de la distancia a la galaxia que emitió esos fotones. Un error común es considerar este corrimiento al rojo fruto del efecto Doppler causado por un movimiento relativo de las galaxias. Así, existen personas -entre ellas astrónomos- que persisten en creer que el “estiramiento” de los fotones se debe a un efecto cinemático (como el “estiramiento” que sufren las ondas de una sirena de ambulancia que se aleja de nosotros y cambia su sonido aparente) causado por un hipotético movimiento de recesión de las galaxias. Como ya hemos dicho, la distancia entre las galaxias crece debido a la expansión del universo, y no a un movimiento convencional; y lo que es más: cuanto más alejadas están, más rápidamente crece la distancia, es decir, las galaxias más lejanas se alejan más rápidamente.

5) Velocidad de recesión: El crecimiento de las distancias a las galaxias puede ser asociado a una velocidad, aun cuando no se trate de un movimiento, tal y como hemos dicho. Esta velocidad se denomina velocidad de recesión y se obtiene a partir del valor del corrimiento al rojo de cada galaxia. Quizá sea su empleo una dificultad a la hora de discernir entre movimiento y expansión, pero una prueba fundamental de que esta velocidad no es una velocidad al uso es que puede tener un valor superior al de la luz sin desafiar la Teoría de la Relatividad, ya que no representa ningún movimiento.

Los fotones de las galaxias alejadas son estirados durante su viaje hasta nosotros a través del espacio. Este estiramiento es el conocido corrimiento al rojo cosmológico y se debe a la expansión del universo, no a al movimiento de las galaxias con respecto a la Vía Láctea. (Crédito: Lineweaver & Davis 2005)

6) Comportamiento local: Algunas galaxias cercanas no siguen la tendencia descrita, pues su distancia a nosotros puede decrecer en lugar de aumentar. Éstas son las galaxias cercanas y que forman parte del llamado Grupo Local, al que pertenece la Vía Láctea. De la misma forma, el Grupo Local forma parte de un conjunto de galaxias aún mayor llamado Supercúmulo de Virgo. El hecho de que las galaxias que componen estos conjuntos no se alejan entre sí debido a la expansión del universo, se debe a que, por encima de ésta, prima la atracción gravitatoria entre ellas. Volviendo a la analogía del globo, es como si los miembros de la raza pobladora de éste hubiesen construido unas casas no ancladas al suelo y atadas entre sí por cadenas, de forma que la expansión no causase un imparable distanciamiento de sus moradas. En nuestro caso, esas cadenas son la fuerza gravitatoria, que mantiene las galaxias confinadas en un recinto no creciente. La atracción gravitatoria de nuestro supercúmulo no afecta a galaxias más alejadas de cierto límite, ya que su valor decrece con la distancia, por lo que se alejan irremediablemente de nosotros. Un comportamiento similar siguen los cúmulos alejados del nuestro. Cabe entonces distinguir entre comportamiento local (atracción) y comportamiento global (expansión).

7) Expansión acelerada: Uno de los últimos hitos en Cosmología es el descubrimiento de que la expansión se está acelerando, esto es, el crecimiento de las distancias entre las galaxias es cada vez mayor. Para explicar esta aceleración, se ha recurrido a la idea de la energía oscura, un tipo de energía repartida en el universo cuyo efecto neto es opuesto al de la gravedad.

8) ¿Se expande también la Vía Láctea?: Una de las creencias erróneas acerca de la expansión es que la Vía Láctea terminará sucumbiendo ante el “estiramiento” producido por la expansión del universo, desgarrándose ante el empuje de ésta. Como acabamos de explicar, a nivel local domina la atracción gravitatoria, pues la aceleración de la tasa de expansión del universo es muy inferior a la necesaria para destruir el sistema en el que vivimos: se sabe que la “fuerza” causada por la expansión en la superficie terrestre y que nos empuja fuera del planeta es 30 órdenes de magnitud menor que la que causa la Tierra y nos ancla a ella. Ahora bien, se desconoce si la aceleración de la tasa de expansión es constante o puede aumentar con el tiempo. De ser así, algún lejano día los componentes del Supercúmulo de Virgo, luego los del Grupo Local y por último los de la Vía Láctea, se separarán del resto, alejándose indefinidamente, pasando a ser cuerpos solitarios destinados a descomponerse en nubes de gas a causa de éste efecto.

Esperamos que esta entrada haya podido arrojar algo de luz sobre este intrincado -y demasiadas veces confuso- tema.

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Comentarios

Sé muy poco de cosmología, éstas son mis primeras inquietudes al respecto:

No entiendo bien por qué se descarta una dimensión espacial "extra" para explicar que el espacio 3D es "curvo"; como tampoco entiendo cómo puede "evolucionar" (crearse, expandirse, variar con el tiempo, en definitiva) el espacio-tiempo, sin considerar la correspondiente dimensión temporal "extra".

Estimado Jesús,

nos agrada que nos preguntes tus dudas. Esperamos que las siguientes respuestas te ayuden:

1) ¿"por qué se descarta una dimensión espacial "extra" para explicar que el espacio 3D es "curvo""?

En primer lugar, actualmente se piensa que el espacio es plano, desde el punto de vista geométrico. (Si tenemos una superficie plana de dos dimensiones, la suma de los ángulos de un triángulo contenido en ella es siempre 180º, al contrario de lo que sucede cuando aquélla es curva.) No hay que confundir un universo en expansión con espacio curvo. Quizá te haya confundido la analogía del globo, pero es que ésta permite imaginar un alejamiento de cualquier punto de una superficie de todos los demás, situación que se da en el universo. Sin embargo, eso mismo es viable, y de hecho probablemente sucede en nuestro universo, en una superficie plana. Por tanto, el espacio es plano, tridimensional y se encuentra en expansión.

En cuanto a la dimensión espacial extra, la Relatividad General no la requiere para explicar las observaciones.

2) ¿"cómo puede "evolucionar" el espacio-tiempo, sin considerar la correspondiente dimensión temporal "extra""?

No tiene sentido hablar de una expansión (crecimiento en el tiempo) del espacio-tiempo. ¿Cómo crece la dimensión temporal con respecto al tiempo? Esto equivale a preguntarse por la velocidad del tiempo. Hemos estado hablando de la expansión del universo espacial, nada más.

De nuevo, agradecemos tus preguntas y deseamos que sigas leyendo el blog.

¿Qué aporta la cuántica?. ¿No se contradice con la relatividad?

Estimado Hilario.

La Mecánica Cuántica es capaz de explicar los fenómenos microscópicos y la Relatividad General los de escala cosmológica. Ambas teorías funcionan es sus regímenes correctamente. Ahora bien, una Teoría de Todo que explique la física a cualquier escala debería contener a ambas. Sin embargo, los ciéntificos se han dado cuenta de que es harto complicado aunar la Relatividad General con el Modelo Unificado (que explica la física microscópica) y hasta el momento no han sido capaces de dar con una tal teoría que pueda ser demostrada.

Decir que se contradicen parece sugerir la idea de que una es falsa. Seguramente ninguna es la "última" teoría, como ya he dicho, pero ambas funcionan correctamente en su ámbito de uso.

Gracias por tus preguntas.

Muchas gracias Héctor por una explicación tan sencilla y a la vez tan completa de las relaciones entre cuántica y relatividad. Con lo de contradicción pensaba en cosas como aquella de Einstein:"Dios no juega a los dados", que tanto juego han dado en la divulgación científica para liarlo todo más, en lugar de hacer referencia, como haces tú, a las respectivas limitaciones y "ámbitos de uso" de las teorías.

genial y sigua asi

Hay algo en vuestras explicaciones que chirria. Si el universo, globalmente, está en expansión, eso equivale a que la unidad de longitud, en la que se basan nuestras medidas de longitud, esté disminuyendo. Esa disminución tendria que notase tambien a nivel local, esto es, en la Via Lactea, y sin embargo no se nota. Por otra parte, si la expansión global no está asociada a movimiento -algo que no entiendo pues si la distancia entre dos objetos varía hay un movimiento entre ellos- ¿cómo puede ser compensada a nivel local con fuerzas gravitatorias que, estas si, generan movimiento?

Estimado Jesús.

Como hemos indicado en el texto, a nivel local domina totalmente la atracción gravitatoria de la matería frente a la expansión ("se sabe que la "fuerza" causada por la expansión en la superficie terrestre y que nos empuja fuera del planeta es 30 órdenes de magnitud menor que la que causa la Tierra y nos ancla a ella."), de ahí que se necesite estudiar el universo a escalas cosmológicas (escalas espaciales de un orden mucho mayor que el del Supercúmulo de Virgo) para extraer conclusiones acerca de la expansión cosmológica y de la evolución del universo.

Asimismo, puedes comprobar leyendo la frase del texto citada en el párrafo anterior que la expansión sí podría generar movimiento si no dominase la gravitación a escala local. Es más, de aumentar la acelaración de la expansión ilimitadamente, podría producirse la destrucción de las estructuras galácticas y estelares ("Ahora bien, se desconoce si la aceleración de la tasa de expansión es constante o puede aumentar con el tiempo. De ser así, algún lejano día los componentes del Supercúmulo de Virgo, luego los del Grupo Local y por último los de la Vía Láctea, se separarán del resto, alejándose indefinidamente, pasando a ser cuerpos solitarios destinados a descomponerse en nubes de gas a causa de éste efecto.").

Por último, la analogía del globo hinchándose permite entender cómo puede haber expansión, y por tanto aumento de distancias, sin un movimiento per se.

Espero que estas explicaciones te hayan ayudado.

Gracias por tus preguntas.

Hellow!

Yo pensaba que la expansión del universo era tanto espacial como temporal. Para ir de A a B siempre tardaríamos lo mismo debido a la dilatación del tiempo.

Está guay intentar explicar conceptos tan hiper-complicados a gente como yo sin una base científica para tirar cohetes pero me has dado ánimos al decirme que incluso algunos astrónomos andan perdidos por las marañas de la física teórica :)

me pueden dar una explicacion exacta de q es cosmologia

ola, me gustaria saber si además del Sol, la Luna, y los planetas conocidos, ¿existen otros cuerpos en el Sistema Solar que presentan algún movimiento relativo con respecto a la posición de las estrellas fijas?

CARE RAJA GRACIAS

amigos miconcejo es porque tanta discucion acerca de lo que Dios ya nosdio disfrutelo porque nopiensa que el aire que respiran que el sol quelos alumbra en la mañana que todo loque sus ojos pueden ver es porque Dios selo permite alo alto alo amcho ylo profundo todo eso por su misericordia y amor solo EL pudo crear este universo tan hermoso y grande porque dudar que EL existequieren mas pruevas toda via mirence ustedes mismos estan tan ciegos que no pueden ver la grandesa del UNICO DIOS y salvador de este mundo lo invito aque piense asolas con Dios y le pida pruevas de si exstencia y EL selas dara selo aseguro amigo que Dios le de saviduria y entendimiento para ver y entender que Dios los ayude atodos Amennnnnnnnnnnnnnn

exista DUMNEZEU,care creat,sustine si conduce tot universul,prin mila LUI,noi beneficiem de lumina, caldura soarelui si de toate binecuvantarile universului…toate au fost create ptr.om,si toti care vor sa cunoasca universul trebuie sa caute, mai intai, sa cunoasca pe CREATORUL acestuia .EL este: “CEL CE ESTE” MANTUITORUL,MIJLOCITORUL,MANGAITORUL,dar intr-o zi si JUDECATORUL tuturor…ISAIA 55:6-11,IOAN 3:16.BIBLIA IL FACE CUNOSCUT. MARETIA SA, MA UMILESTE,DAR HARUL SAU MA RIDICA…!

Mil gracias.
Este articulo es de obligación leerlo para una materia de mi carrera de biologia y si no fuera por personas como ud que distribuyen el conocimiento entre todos de manera gratuita no lo hubiera podido leer.

Muy buenas,
No tengo apenas conocimientos sobre el tema, pero con lo poco que he podido aprender tengo una importante inquietud.
Todo es relativo sí, y hay muchas hipótesis y teorías sobre los orígenes del ser Humano, pero..
¿Está el destino escrito?
Si es cierto que por sondas magnéticas nos vemos influenciados por los astros, ¿Vivimos manipulados e inconscientemente atraemos lo que debe suceder por que ya está escrito?

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