Expansión del universo

Prefacio

La Ciencia Astronómica está
avanzando a pasos agigantados, como lo observan los que
habitualmente leen "Investigación y Ciencia", "Nature" y
otras publicaciones de difusión
científica.

Por ese motivo es necesario tener muy
claros algunos conceptos para interpretar adecuadamente dicho
avance.

Acelerada
expansión del Universo

En el quinquenio 1910 – 1915,
Einstein elaboró toda su "Teoría General de la
Relatividad".

Y luego de publicada con sus ecuaciones
fundamentales, siguió estudiando su alcance
cosmológico, desde la ciencia
"física–astronomía", que fue siempre su
campo.

En ese entonces, los astrónomos
estaban convencidos de que el Universo "era absolutamente estable
en sus dimensiones", por lo tanto "estático y eterno"; y
con este marco conceptual llegó hasta mediados del siglo
XX.

En 1917, de sus ecuaciones, Einstein
llegaba a la conclusión de que el Universo "debía
contraerse por efecto de la gravedad"; lo que estaba en
contraposición con el "convencimiento general de los
astrónomos".

Pensó entonces, que sus ecuaciones
eran "incompletas" y les introdujo un "factor de
corrección", que denominó "Constante
Cosmológica", que contrarrestaría la gravedad
y que devolvería la "estabilidad eterna" a las dimensiones
del Universo.

Entre 1922 y 1924, Friedman publicó
dos artículos, basados en las ecuaciones de campo
gravitatorio de Einstein, de las que deducía que
podían existir

3 soluciones cosmológicas para el
Universo, según que su curvatura fuera positiva,
cero o negativa, en función de la densidad real versus la
densidad crítica.

Mientras tanto en esa misma década
de 1920, Hubble estudiando "manchitas" en el cielo nocturno,
descubrió que:

– Son galaxias, externas a nuestra
Vía Láctea.

– Están situadas a millones de
años luz de la Tierra.

– En su gran mayoría, se
están alejando de sistema solar, por lo tanto que el
Universo "estaría en expansión".

En 1929, Hubble expuso ante un auditorio
extasiado, sus conclusiones, que incluían la existencia de
una "constante de proporcionalidad", por la cual "sea cual fuere
el sentido de sus movimientos, las velocidades radiales de las
galaxias son directamente proporcionales a sus distancias al
Sol"; y ello para todas las galaxias.

Luego se demostró que su genial
fórmula H = Vf / Df es aplicable a todos los objetos
radiantes del Universo, fuera del Grupo Local.

Cuando Einstein se enteró de las
observaciones y conclusiones de Hubble, consideró su
"Constante Cosmológica" como el "mayor error de su
vida".

Y con esa idea en su mente, falleció
en 1955.

Apoyaban la "teoría" de la
expansión del Universo: G. Gamow , G. Lemaitre, R. Alpher,
Dicke, Herman y otros.

Se mantenían firmes en la
"convicción" del Universo estático: F. Hoyle, H.
Bondi, y otros.

En la década de los 40, la
polémica entre los sostenedores de ambas teorías
fue muy áspera, endilgándose mutuamente
epítetos desde ignorantes, burros, hacia
arriba.

A principios de los 60, los físicos
norteamericanos A. Penzias y R. Wilson, trabajando con una antena
de microondas de los laboratorios de Bell Telephone, detectaron
una "radiación uniforme en toda la esfera del Universo,
que no podían eliminar, y que correspondía a la
temperatura de 2,73 ºK".

Se había detectado el eco
perceptible de una gigantesca explosión en el remoto
pasado.

En 1978, se otorgó a Arno A. Penzias
y Robert W. Wilson el premio Nóbel de Física por su
descubrimiento de la radiación del fondo
cósmico de microondas.

En XI / 1989, se puso en órbita
terrestre el satélite COBE (Cosmic Background Explorer)
que confirmó la existencia de las "radiaciones del fondo
cósmico" y relevó el mapa sideral de sus
anisotropías.

La teoría de un "Big Bang"
desde un punto infinitesimal, con infinita concentración
de energía, parte de la cual, por la "gran
explosión", se convirtió en materia por
núcleo-síntesis primordial; quedaba
confirmada.

Las conclusiones de Hubble cambiaron
totalmente la visión del Universo.

Pasó el tiempo, se siguieron
efectuando mediciones que ratificaron la
"expansión" y el "Big Bang".

En la segunda mitad del s. XX, el concepto
dominante era que el destino del Universo dependía de su
densidad global, como había postulado Friedman en
1924, de controvertida determinación; pero todos estaban
de acuerdo en que si dicha densidad resultara mayor que la
densidad crítica (también a definir), el Universo
iría deteniéndose y finalmente colapsaría en
una gigantesca implosión; si resultara igual a la
crítica, iría deteniendo su expansión hasta
estabilizarse en un volumen estático, eterno; en
cambio si la densidad real resultara menor que la crítica,
la expansión sería interminable hacia un
volumen infinito.

Y se llegó a fines del s. XX, cuando
asombrosamente en 1998 se completaron los estudios con Supernovas
de Tipo 1a que confirmaron que el Universo no solo
está en expansión, sino que está "acelerando
su expansión".

Pero ¿cómo?, ¿Por
qué? ¿Siempre fue así?

Los cosmólogos no lo saben
aún.

"Existiría una invisible forma
de energía que crea una repulsión mutua entre los
grupos de galaxias" que supera a la gravedad.

Y esta aceleración de la
expansión, no vendría desde el Big Bang, sino
sólo desde hace unos 6.000 a 8.000 millones de
años.

O sea que viene acelerándose desde
antes de la formación del Sistema Solar.

Y de asombro en asombro, dicha
"repulsión" está indicada en la "Constante
Cosmológica" de Einstein, que hoy resulta la piedra
basal de la expansión del Universo.

Consideramos a Einstein, el mayor genio en
el campo de la física, de todos los tiempos; y llama la
atención que ni él mismo llegara a interpretar el
gigantesco alcance de sus genialidades.

Constante
Cosmológica de Einstein

No hay dudas de la existencia de las
fuerzas gravitatorias, se las ve actuar en el Sistema
Solar, dentro de las Galaxias, incluso dentro de los grupos de
Galaxias.

Pero ya tampoco hay dudas de que el
Universo está acelerando su expansión, por lo tanto
debe haber una fuerza interior antigravitatoria,
más potente que la gravitatoria, pues la
supera.

A dicha fuerza interior
antigravitatoria, se la denomina energía
oscura (porque no está clara aún su
naturaleza, origen y características, ni se la puede
detectar, más que por su efecto).

Y allí está la Constante
Cosmológica, diseñada por Einstein justamente
para equilibrar la fuerza gravitatoria, en sus ecuaciones de
campo del Universo.

Dicha Constante Cosmológica se
expresa:

la densidad de energía sería
la que presionaría interiormente al Universo
para

acelerar su expansión, superando
largamente la fuerza centrípeta de la gravedad.

Composición materia-energía del
Universo

Desde hacía bastante tiempo, se
venía observando que las galaxias giran como si fueran
platos sólidos, con una rigidez inusitada; en lugar de ir
deformándose como sucedería con cualquier cuerpo
compuesto sin ligaduras rígidas.

Como sucede también con la
rotación de los planetas en torno al Sol.

Velocidad angular de los planetas del
Sistema Solar:

O sea que el Sistema se va deformando en
cuanto a las posiciones de los planetas.

Ello dio la pauta de que existiría
una materia oscura (invisible aún para la
ciencia) que liga todos los integrantes de cada
galaxia.

Pero con la energía oscura,
la visión física del Universo se complicó a
nivel sideral.

En el momento actual se estima (y no puede
ser más que una estimación) que el Universo
está compuesto por

– 4 % de materia-energía detectable
(y conocida)

– 23 % de materia oscura (por ahora
indetectable)

– 73 % de energía oscura (por ahora
indetectable)

Es asombroso, que a 370 años de la
muerte de Galileo, se reconozca públicamente que se
desconoce totalmente qué es el 96 % del
Universo.

Notas:

– Los "objetos" que se alejan mutuamente
con la expansión del Universo, son los "aislados" :
galaxias aisladas, y cúmulos de galaxias.

Dentro de cada galaxia o cúmulo de
galaxias, sigue dominando la gravedad, por la cual los
"objetos internos, enclaustrados" se mueven "hacia
su baricentro gravitatorio".

Así son los "objetos" interiores de
la Vía Láctea y del Grupo Local, por lo
cual a éstos no se les puede aplicar la Ley de
Hubble.

– Por el descubrimiento de la
"acelerada expansión del Universo", se otorgó en
Suecia, el Premio Nóbel de Física – 2011 a
los cosmólogos:

S. Perlmutter, A. Riess y B.
Schmidt

S. Perlnutter lideró el
Proyecto Supernova Cosmology en el Laboratorio Nacional
Lawrence en Berkeley; donde estudiaron numerosas
Supernovas tipo 1a, muy lejanas:

– midieron sus velocidades por el
Índice de Corrimiento al Rojo,

– y sus distancias tomando a las
Supernovas 1a como candela
estándar,

– calcularon sus distancias con la Ley
de Hubble y su factor H.

Y llegaron a la conclusión que
"las distantes supernovas iban más retrasadas en sus
movimientos que la propia expansión del Universo, en
consecuencia, la expansión se está acelerando
desde hace miles de millones de años, tiempo que
abarcó los eventos supernovas estudiados.

El factor H, en lugar de ser constante,
viene variando desde hace más de la mitad de la vida
del Universo.

El Grupo Local, es el grupo de un
poco más de 30 galaxias mutuamente vinculadas por la
gravedad, entre las cuales están la Vía
Láctea, la galaxia de Andrómeda (M 31), la Gran
Nube de Magallanes, la Pequeña Nube de Magallanes y las
restantes de menores magnitudes.

Este Grupo tiene un diámetro ( 10,5
x 106 años luz

Se desplaza en conjunto en la
expansión del espacio del Universo; pero internamente
obedece a la ley de la Gravedad.

Velocidades
radiales y Distancias, de los "objetos astronómicos
radiantes"

Se denominan "objetos radiantes",
a todos los objetos que se detectan por sus radiaciones
electromagnéticas: Estrellas, Galaxias, Quasars,
etc.

Velocidades radiales

Hoy el método más
común para medir las velocidades radiales

Los objetos radiantes:

– Dentro de la Vía Láctea,
las estrellas pueden acercarse (como la estrella

Altair, a 26 km/s) o alejarse, por efecto
de la rotación de la galaxia. (Aquí no es aplicable
la Ley de Hubble).

– Dentro del Grupo Local, las galaxias en
general se acercan, por efecto

gravitatorio (como la galaxia
Andrómeda – M31, a 300 km/s) y excepcionalmente se alejan,
por inercia. (En este volumen, no es aplicable la Ley de
Hubble)

– Fuera del Grupo Local, las galaxias y
cúmulos de galaxias en general se alejan

mutuamente, por la expansión del
Universo y excepcionalmente se acercan, por la atracción
que ejerce el grupo de galaxias de Virgo (situado a 50 x 106 al),
hacia el cual se está dirigiendo el Grupo Local a unos 600
km/s.

Fuera del Grupo Local, es totalmente
aplicable la Ley de Hubble, pero su factor (H) es
variable (debido a la acelerada expansión del
Universo) en función de las edades de los objetos
radiantes (ver Anexo).

Distancias

Referencia previa:

La Vía Láctea tiene
un diámetro de ( 100.000 al = 30.675 pc
(pársec).

El Sol se encuentra a 27.700 al
(años luz) del centro de la galaxia, por lo tanto el borde
más cercano se encuentra a 22.300 al, y el borde
más lejano a 77.700 al.

Esta galaxia es esencialmente un disco
plano con 4 brazos en espiral, en el cual prácticamente
todos los objetos radiantes son estrellas.

Está rodeado por una esfera de
gases, de muy baja densidad, el halo, en el que existen
pocas estrellas y un cierto número de cúmulos
globulares.

En su centro globular existe un Agujero
Negro, de baja actividad, con masa

Fuera de la Vía Láctea, no
existen estrellas aisladas, sólo galaxias, algunas
aisladas y la mayoría agrupadas en
cúmulos.

Las estrellas, los
quásares, púlsares, agujeros negros, etc.
siempre están dentro de alguna galaxia.

Existen varios métodos para medir
distancias a la Tierra

– Por paralaje (sólo dentro de la
Vía Láctea)

– Por candela estándar

– Por variables Cefeidas

– Por Supernovas 1a

– Etc.

Método de Hubble

El descubrimiento por Hubble, de la
proporcionalidad entre la velocidad radial de un objeto radiante
( Vf ), (indiferente si es de acercamiento o de alejamiento) y su
distancia ( Df ) vino a resolver uno de los problemas más
graves que tenía la Astronomía, que era la de
determinar las distancias de los objetos radiantes al
Sol.

El concepto de proporcionalidad de Hubble,
no tiene límites de distancias, pero se aplica sólo
a objetos radiantes fuera del Grupo Local,

Siendo acelerada la expansión del
Universo, su constante (H) es variable en
función de la edad que tenía el objeto radiante, en
el momento de emitir las radiaciones que recibe el
observador, por ello ahora se lo denomina "factor de
Hubble".

Primero siempre se calculan las velocidades
de los objetos radiantes, por el "Índice de
Corrimiento al Rojo" y las ecuaciones Doppler que
correspondan según los valores de Z. (ver ut supra y
Anexo)

La ecuación propuesta por Hubble,
inobjetable hasta el presente es:

Desde su exposición por Hubble, fue
objeto de arduos trabajos de mediciones para determinarlo con la
mayor exactitud posible.

Pero el descubrimiento de la
aceleración de la expansión (1998),
indicó que es necesario determinar sus valores a lo largo
del tiempo del Universo.

Este factor fue variando, era
mayor en el pasado remoto, y fue disminuyendo con el incremento
de la velocidad de expansión del Universo.

El Índice de Corrimiento al Rojo
(Z), es la base del cálculo de la velocidad de
alejamiento de los objetos radiantes, que a su vez
es función de la distancia a dichos objetos, la
que está relacionada con la edad de los
mismos.

Por ello puede tomarse a Z como
Índice de referencia para determinar los Factores de
Hubble.

Todos estos factores son
obviamente una primera aproximación.

Ejemplos de aplicación de la
ecuación de Hubble

1.- Galaxia interactiva del Remolino NGC
5194 (= M 51)

Foto Hubble de las Galaxias NGC 5194 y
5195

Foto Hubble del Grupo Arp 273

Nota:

Todas las determinaciones que
efectúan los astrónomos, se refieren al
"momento en que el objeto radiante" emitió sus
radiaciones (en (o). Porque distancia (D) equivale al tiempo que
tardaron las radiaciones desde el objeto (fuente) hasta
el observador.

a.- Cuando un objeto emisor de radiaciones
electromagnéticas, se mueve radialmente respecto al
observador, a velocidades bajas (< 0,18 c ), rige el
Efecto Doppler de mecánica clásica (como
Doppler lo diseñó).

Esta situación se detecta para
emisores cuando:

b.- Cuando el objeto emisor (en este caso
ya sólo de radiaciones electromagnéticas) se mueve
radialmente respecto al observador, a velocidades altas (>
0,18 c), es ineludible aplicar el Efecto Doppler
"relativista".

Esta situación se detecta para
emisores de radiaciones electromagnéticas,
cuando

Radiaciones electromagnéticas que
muestran Corrimiento al Rojo

Los diferentes telescopios que hoy
están enfocados al cielo, operan en una amplia gama de
frecuencias electromagnéticas:

Todas estas frecuencias, hasta las
ultravioletas, producen espectros, por lo tanto son
útiles para determinar "Corrimientos al Rojo".

Las radiaciones X y ( no registran
espectros, pero se captan para otros propósitos
científicos. Estas radiaciones por sus
pequeñísimas longitudes de onda, tampoco se
reflejan en los espejos de los telescopios
reflectores.

Cuando los objetos radiantes
están muy alejados, sus espectros electromagnéticos
son de insignificantes dimensiones ( 5 a 7 mm), para estos casos
se mide el "corrimiento al rojo de las líneas
Lyman-alfa del hidrógeno atómico".

Edad del
Universo

En la actualidad sigue estando en el campo
de las "especulaciones intelectuales", pues no hay forma
ni medios para medirla fehacientemente.

Y con el descubrimiento de la
aceleración de la expansión del Universo
(1998), determinar esta edad se complicó bastante
más.

Matemáticamente este tema se puede
encuadrar:

Esta Edad del Universo está
en revisión a la luz de los flamantes conceptos de
"expansión acelerada del Universo" , "energía
oscura", etc.

Unidades de
medida

Bibliografía

– Einstein Albert – El significado de la
Relatividad

– Mook D. E. y Vargish T. – La Relatividad
– Espacio, tiempo y movimiento

– Investigación &
Ciencia

– Nature

– Science News

– http://www.nasa.gov/

– http://www.ngcicproject.org/

–
http://es.wikipedia.org/wiki/Lista_de_objetos_NGC

–
http://es.wikipedia.org/wiki/Anexo:Objetos_NGC

–
http://es.wikipedia.org/wiki/Lista_de_objetos_Messier

–
http://messier.seds.org/xtra/supp/m_NED.html

–
http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/

–
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2008/08/

–
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2011/12/

–
http://en.wikipedia.org/wiki/Abell_catalogue

Autor:

Domingo Emilio Ariagno

I / 2012