EL UNIVERSO: SU TAMAÑO Y COMPONENTES

• De la edad y tamaño del universo

  • Por César Tomé
  • 13ENE2015
  

  A finales del siglo XVII la concepción de Isaac Newton de un universo infinito creado instantáneamente por Dios hacía irrelevante la pregunta sobre su tamaño, y la cuestión sobre su edad algo a ser determinado más por los historiadores que por los hombres de ciencia. Durante más de dos siglos después de la publicación de los Principia los esfuerzos por determinar distancias astronómicas estuvo limitado al Sistema Solar y a unas pocas estrellas cercanas.

  La disponibilidad de telescopios cada vez mayores y el desarrollo de la fotografía y de la espectroscopía aumentaron enormemente la variedad y precisión de los datos a disposición de los astrónomos pero, con todo, a finales del siglo XIX el tamaño de la Vía Láctea era aún desconocido y, a pesar de las especulaciones sobre la posibilidad de existencia de otros sistemas, pocos astrónomos, si alguno, creían en la existencia de algo fuera de nuestra galaxia en el infinito vacío del universo.

  Entre 1910 y 1930 las nuevas técnicas para determinar las distancias interestelares permitieron finalmente que los astrónomos determinaran aproximadamente el tamaño y la forma de la Vía Láctea. Al mismo tiempo Vesto Slipher y Edwin Hubble midieron el corrimiento hacia el rojo en los espectros de una serie de nebulosas espirales, y determinaron que casi todas ellas se alejaban de la Tierra a altas velocidades radiales.

  En 1929 Hubble ya había calculado la distancia a distintas nebulosas y, por primera vez, había aportado pruebas suficientes de que las nebulosas espirales eran agrupaciones de estrellas (no las identificó como lo que eran, galaxias) mucho más allá del límite de la Vía Láctea. Más significativo aún fue su descubrimiento de que cuanto más alejada estaba una nebulosa mayor era la velocidad radial con la que se alejaba de la Tierra.

  Los descubrimientos de Hubble no solo poblaron el vacío cósmico de Newton de innumerables estrellas, también indicaban que el universo no sería estático, sino que se estaría expandiendo. El concepto de un universo en expansión ya había sido propuesto teóricamente por Willen de Sitter (en 1917), Alexander Freedman (1922) y Georges Lemaître (1927) como una forma de resolver una anomalía en la solución de las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, pero fue el trabajo de Hubble el que llevó a los astrónomos a considerar seriamente la idea de un universo que se expande y, por tanto, con una edad y tamaños calculables.

  La clave para calcular la edad, y por tanto el tamaño, de un universo que se expande es la determinación del cociente velocidad/distancia intergaláctico (lo que ha venido en ser llamado constante de Hubble). En los años treinta el primer valor de la constante calculado por el propio Hubble implicaba una edad del universo del orden de 2.000 millones de años. Este resultado era paradójico, desde el momento en que las determinaciones radiométricas de la edad de la Tierra eran mucho mayores.

  El trabajo, entre otros, de Walter Baade en los años cuarenta y de Allan Sandage en los cincuenta, tuvo como consecuencia una revisión sustancial de los valores aceptados para la constante de Hubble, y para los años sesenta el consenso entre los astrónomos era que el universo tenía entre 10.000 y 20.000 millones de años, con un tamaño correspondiente del orden de 10.000 millones de años-luz. Estos datos encajaban conceptualmente con el éxito de la hipótesis del Big Bang, que había proporcionado a cosmólogos y astrofísicos un modelo físico causal de un universo en expansión con un comienzo instantáneo y edad y tamaño finitos.

  Desde los años cincuenta la rápida proliferación de nuevas técnicas y tecnologías había permitido a los astrónomos acercarse cada vez más al borde del universo (observable) y, en los años noventa, la determinación de un valor preciso de la constante de Hubble se convirtió en una prioridad para el nuevo Telescopio Espacial Hubble.

  A pesar de ello, los resultados de los distintos esfuerzos independientes para recalcular la constante de Hubble no resultaron consistentes entre sí y a finales de los noventa la controversia sobre la edad y tamaño del universo estaba servida. A finales del siglo XX algunos astrónomos estaban convencidos de que la edad del universo estaría comprendida entre 12.000 y 15.000 millones de años, mientras que otros astrónomos afirmaban que no había forma de asegurar que la incertidumbre fuese menor al rango 10.000 y 20.000 millones de años. Fueron necesarios dos nuevos instrumentos, WMAP y Planck para fijar la edad del universo en el valor de consenso actual (2013), 13.798 ± 0,037 millones de años.

  Otra cosa es el tamaño. El de un universo en expansión depende, obviamente, de su edad, pero las teorías cosmológicas recientes, como los modelos inflacionarios de Alan Guth y otros, sugieren la posibilidad de que nuestro universo observable pueda ser solo una (pequeña) parte de una estructura mayor.

Numero de superclusters en un radio de 14 mil millones de años luz = 10 millones

Numero de grupos galacticos en un radio de 14 mil millones de años luz = 25 mil millones

Numero de grandes galaxias en un radio de 14 mil millones de años luz = 350 mil millones

Numero de galaxias pequeñas en un radio de 14 mil millones de años luz = 7 billones

Numero de estrellas en un radio de 14 mil millones de años luz = 30 000 trillones  (3x10²²) El Big Bang y la Expansion del Universo El universo en el que vivimos se esta expandiendo. Nosotros lo sabemos porque vemos galaxias y grupos de galaxias moviendose constantemente hacia "afuera" del universo. Esta expansion ocurre porque todo el material en el universo fue hecho en movimiento cuando se produjo el Big Bang. Aqui hay 6 preguntas sobre el Universo y su expansion : (1) Donde esta el centro del Universo? No hay centro del universo porque no hay borde del universo. En un universo finito, el espacio es curvado por eso si viajas miles de millones de años luz en linea recta eventualmente terminaras donde empezaste. Es tambien posible que nuestro universo sea infinito. En ambos ejemplos, grupos de galaxias llenan el universo y se alejan entre si haciendo que el universo se expanda. Un ejemplo de un pequeño universo que contiene solo 48 estrellas. Una nave vuela entre estas estrellas y no encuentra el borde del universo. Si sale de un lado del universo aparece en el otro lado. Las personas de la nave ve un infinito numero de estrellas a su alrededor. Este universo no tiene limites ni centro. (2) En que lugar del Universo ocurrio el Big Bang? Hay un concepto comun sobre el Big Bang, que fue una gran explosion que ocurrio en un lugar vacio de espacio y la explosion se expandio por el espacio vacio. Esto esta errado. Espacio y tiempo fueron creados en el Big Bang. Al principo del universo el espacio estaba completamente lleno de materia. La materia era originalmente muy caliente y muy densa y luego se expandio y enfrio para eventualmente producir las estrellas y galaxias que vemos en el universo actual. A pesar de que el espacio halla estado en un simple punto en el Big Bang, es igualmente posible que el espacio fuera infinito en el Big Bang. En cualquiera de los dos escenarios el espacio estaba completamente lleno de materia que se expandio. No hay centro de la expansion, el universo se expande en todos las direcciones. Observadores en cualquier galaxia ve muchas de las otras galaxias alejandose de el. La unica respuesta a la pregunta "Donde ocurrio el Big Bang?" es que ocurrio en todos lados del Universo. (3) Esta la Tierra expandiendose junto con el Universo? La Tierra no se esta expandiendo al igual que el Sistema Solar, tampoco la Via Lactea. Estos objetos formados bajo la influencia de la gravedad han cesado su movimiento expansivo. La gravedad tambien mantiene juntas a las galaxias en grupos o clusters. Principalmente estos grupos son los que se alejan en el Universo. (4) Que existe fuera del Universo? El espacio fue creado en el Big Bang. Nuestro Universo no tiene bordes  - por lo tanto no hay "afuera". Es posible que nuestro Universo sea parte de una infinidad de Universos, pero que estos Universos no necesariamente necesiten "espacio". (5) Que existia antes del Big Bang? El tiempo fue creado en el Big Bang - no sabemos si existia antes. Esta pregunta es muy dificil de contestar. Algunas teorias sugieren que nuestro Universo es parte de una infinidad de otros Universos ( llamado un "multiverso" ) que son continuamente creados. Esto es posible pero muy dificil de probar. (6) Si el universo tiene 14 mil millones de años, como una galaxia pudo haber viajado mas de 14 mil millones de años luz? Es probable que nuestro Universo sea infinito y que estaba lleno de materia al momento del Big Bang. En el universo de los comienzos es muy posible que todo se expandiera mucho mas rapido que la velocidad de la luz. Es tambien posible "inflar" el espacio para que de esa forma el espacio entre las particulas se incremente enormemente. Imaginemos que las galaxias son como bolas en una manta de goma, si nosotros estiramos la manta, las bolas se alejaran. No hay limites en cuan rapido el espacio puede expandirse.