Si el universo se está expandiendo, podemos entender por qué las galaxias distantes se están alejando de nosotros. Pero, ¿por qué no se expanden las estrellas, los planetas y los átomos?Una de las mayores sorpresas científicas del siglo XX fue el descubrimiento de la expansión del universo. Las galaxias distantes se dispersan lejos de nosotros y entre sí más rápido que las más cercanas, como si la estructura misma del espacio se estirara. En la escala más grande, la densidad de materia y energía del Universo ha disminuido durante miles de millones de años, y continúa haciéndolo. Y si miramos lo suficiente, veremos galaxias dispersándose tan rápido que nada que podamos enviarles hoy puede atraparlas, incluso la velocidad de la luz no es suficiente. ¿Pero hay una paradoja en esto? Esto es lo que pregunta el lector:
Si el universo se expande más rápido que la velocidad de la luz, ¿por qué esto no afecta nuestro sistema solar y la distancia del sol a los planetas? ¿Y por qué la distancia relativa entre las estrellas de nuestra galaxia no aumenta ... o aumenta?
El pensamiento del lector es cierto, y el sistema solar, las distancias entre planetas y estrellas no aumentan con la expansión del universo. Entonces, ¿qué se está expandiendo en un universo en expansión? Vamos a hacerlo bien.
El concepto inicial de espacio, presentado por Newton, como fijo, absoluto e inmutable. Era una escena en la que las masas podían existir y ser atraídas.Cuando Newton pensó por primera vez en el universo, imaginó el espacio en forma de cuadrícula. Era una entidad absoluta, fija, llena de masas atraídas gravitacionalmente entre sí. Pero cuando apareció Einstein, se dio cuenta de que esta grilla imaginaria no es fija, no absoluta, y no se parece a la representación de Newton. Esta malla es como la tela, y esta tela es curva, distorsionada y cambia con el tiempo debido a la presencia de materia y energía. Además, la materia y la energía determinan su curvatura.
La curvatura del espacio-tiempo por masas gravitacionales según GRPero si en su espacio-tiempo solo hubiera un conjunto de masas diferentes, inevitablemente colapsarían y formarían un agujero negro. A Einstein no le gustó esta idea, por lo que agregó una "corrección" en forma de constante cosmológica. Si existe este término adicional de la ecuación (energía adicional que penetra en el espacio vacío), puede repeler todas estas masas y mantener el Universo estacionario. Evitará el colapso gravitacional. Al agregarlo, Einstein permitió que el universo existiera en un estado casi estacionario para siempre.
Pero no todos se sintieron atraídos por la idea de un universo estático. Una de las primeras decisiones fue recibida por un físico llamado
Alexander Fridman . Mostró que si no agrega esta constante cosmológica y llena el Universo con energía: materia, radiación, polvo, líquidos, etc. - entonces hay dos clases de soluciones: una para un universo cada vez más reducido y la otra para un universo en expansión.
El modelo de expansión del Universo en forma de "pan con pasas", donde las distancias relativas aumentan con la expansión del espacio (prueba)Las matemáticas te dan posibles soluciones, pero debes mirar el Universo físico para descubrir cuál lo describe. Esto sucedió en la década de 1920 gracias al trabajo de
Edwin Hubble . Hubble fue el primero en descubrir que es posible medir las características de estrellas individuales en otras galaxias y determinar la distancia a ellas. Al combinar estas mediciones con el trabajo de Vesto Slifer, quien demostró que estos objetos están cambiando el espectro atómico, obtuvo un resultado sorprendente.
El gráfico de la tasa de expansión aparente (eje y) versus la distancia (eje x) corresponde al Universo, que se ha expandido rápidamente en el pasado, pero todavía se está expandiendo en la actualidad. Esta es una versión moderna del trabajo del Hubble, extendida miles de veces la originalO toda la teoría de la relatividad está equivocada, estamos en el centro del Universo y todo se está escapando simétricamente de nosotros, o la teoría de la relatividad es correcta, Friedman tiene razón, y cuanto más lejos está la galaxia de nosotros, más rápido se aleja de nosotros en promedio. En un movimiento, la teoría de un Universo en expansión ha pasado de ser una idea simple a una descripción principal del Universo.
La extensión funciona un poco contraintuitivamente. Todo parece como si la estructura del espacio se estirara con el tiempo, y todos los objetos en este espacio se separaran. Cuanto más lejos esté el objeto del otro, cuanto más se estire entre ellos, más rápido se alejarán uno del otro. Si tuviéramos un universo uniformemente lleno de materia, entonces la materia simplemente se volvería menos densa y cada parte de ella eventualmente se alejaría de los demás.
Las fluctuaciones de frío (azul) de la radiación CMB no son más frías, sino que simplemente representan áreas en las que hay una mayor atracción gravitacional debido a la mayor densidad de la materia. Los puntos calientes (rojo) están calientes porque la radiación en estos puntos vive en un pozo de gravedad más pequeño. Con el tiempo, las áreas más densas se convertirán en estrellas, galaxias y cúmulos con mayor probabilidad, y las menos densas con menor probabilidad.Pero el universo no es perfectamente uniforme. Tiene áreas de mayor densidad, como planetas, estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias. Tiene áreas de densidad reducida, como enormes
huecos espaciales, donde prácticamente no se pueden encontrar objetos masivos. La razón de esto es la presencia de otros fenómenos físicos, además de la expansión del universo. En escalas pequeñas, predomina el tamaño de los animales y las más pequeñas, predominan el electromagnetismo y las fuerzas nucleares. A gran escala - planetas, sistemas solares y galaxias - prevalece la influencia gravitacional. En las escalas más grandes, tamaños comparables al Universo, la lucha principal tiene lugar entre la expansión del Universo y la atracción gravitacional de toda la materia y la energía disponible en él.
A la escala más grande, el universo se está expandiendo y las galaxias se están alejando unas de otras. En escalas pequeñas, la gravedad domina la expansión, lo que conduce a la formación de estrellas, galaxias y sus cúmulos.En la escala más grande, la expansión gana. Las galaxias más lejanas se están alejando tan rápido que ninguna señal que podamos enviarles, incluso a la velocidad de la luz, nunca las alcanzará. Los supercúmulos del Universo, estructuras largas y filamentosas a lo largo de las cuales se alinean las galaxias que se alinean miles de millones de años luz, se estiran y se separan debido a la expansión del Universo. En un tiempo relativamente corto desaparecerán. E incluso el cúmulo de galaxias más cercano a la Vía Láctea, el
cúmulo de Virgo , ubicado a solo 50 millones de años luz de nosotros, no nos atraerá a sí mismo. A pesar de la atracción gravitacional, más de mil veces mayor que la nuestra, la expansión del universo nos separará.
Un gran conjunto de miles de galaxias es nuestro entorno más cercano a unos 100 millones de años luz. El cúmulo de Virgo permanecerá unido gravitacionalmente, pero la Vía Láctea seguirá alejándose de él con el tiempo.Pero hay escalas más pequeñas donde la expansión ha sido derrotada, al menos localmente. El cúmulo de Virgo permanecerá unido gravitacionalmente. La Vía Láctea y todo el grupo local de galaxias permanecerán conectados, y eventualmente se fusionarán bajo la influencia de la gravedad. La Tierra orbitará alrededor del Sol a la misma distancia, la Tierra seguirá siendo del mismo tamaño y los átomos que componen todo no se expandirán. Por qué Porque la expansión del Universo funciona solo donde otras interacciones --gravitacionales, electromagnéticas, nucleares-- no la han superado. Si alguna fuerza es capaz de mantener el objeto intacto, incluso la expansión del Universo no puede cambiarlo.
Las órbitas de los planetas en el sistema TRAPPIST-1 no cambian con la expansión del Universo debido a la fuerza de gravedad vinculante, superando todas las consecuencias de la expansión.Hay una razón obvia para esto, debido al hecho de que la expansión no es una interacción, sino más velocidad. El espacio se expande en todas las escalas, pero la expansión afecta solo a todos los objetos colectivamente. Entre dos puntos, el espacio se expandirá con una cierta velocidad, pero si esta velocidad es menor que la velocidad desbocada entre dos objetos, si la fuerza que los conecta entre ellos actúa, entonces la distancia entre ellos no aumentará. Sin aumento de distancia, sin efecto de expansión. En cualquier momento, la expansión se supera con un margen, por lo tanto, nunca adquirirá el efecto total observado entre objetos no relacionados. Como resultado, los objetos estables y conectados pueden sobrevivir sin cambios en un universo en expansión para siempre.
Los tamaños de los objetos estables que se mantienen unidos, ya sea que estén conectados por gravedad, electromagnetismo u otra fuerza, no cambiarán con la expansión del Universo. Si logras superar la expansión cósmica, permanecerás conectado para siempre.Mientras el Universo tenga las propiedades que medimos, todo continuará. La energía oscura puede existir y hacer que las galaxias distantes se alejen de nosotros con aceleración, pero el efecto de la expansión a una distancia fija no cambiará. Solo en la opción
Big Break , que la evidencia no indica, puede cambiar esta conclusión.
La estructura del espacio puede expandirse por todas partes, pero no tiene un efecto medible en los objetos. Si algún poder te mantiene conectado, el universo en expansión no te afectará. Solo en las escalas más grandes, en las que todas las fuerzas que conectan los objetos son demasiado débiles para vencer la velocidad del Hubble, y esta expansión está teniendo lugar. Como dijo una vez el físico
Richard Price : "Si tu cintura se expande, no puedes culpar a la expansión del Universo por esto".
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].