Una mirada a una parte extremadamente remota del Universo revela galaxias que se mueven a altas velocidades de nosotros. A tales distancias, se ven más galaxias, son más pequeñas, no están tan desarrolladas y se alejan con grandes desplazamientos al rojo que las ubicadas cercaCuando miras el Universo distante, ves galaxias en todas partes, en todas las direcciones, millones y miles de millones de años luz. Alrededor de dos billones de galaxias están disponibles para la humanidad para observación, y la cantidad total de todo lo que hay en el Universo es mucho más grande y más increíble de lo que la mayoría de nosotros podemos imaginar. Uno de los hechos más confusos es que todas las galaxias que vemos obedecen en promedio una regla: cuanto más lejos están de nosotros, más rápido, aparentemente, se alejan de nosotros. Este descubrimiento, realizado por Edwin Hubble y sus asistentes en la década de 1920, nos llevó a una imagen de un universo en expansión. Pero, ¿qué significa que el universo se está expandiendo? La ciencia lo sabe, ¡y ahora lo sabrás!
Cuanto más miramos, más antiguo y subdesarrollado es el Universo que vemos. Pero esto es solo si la Teoría General de la Relatividad es aplicable al Universo y controla su expansión.1) ¿Cuál es la expansión del universo? Esta es una de las preguntas que suena razonable, porque todo lo demás que puede expandirse, consiste en materia y existe dentro del espacio y el tiempo del Universo. Pero el universo mismo es espacio y tiempo, y contiene toda la materia y energía disponibles. Hablando de la "expansión del Universo", queremos decir que el espacio se está expandiendo, y vemos que las galaxias individuales y sus cúmulos se dispersan entre sí. La mejor visualización de este proceso es la masa de pasas que se eleva como resultado de la cocción en el horno.
El modelo de "pan con pasas" de la expansión del Universo, en el que las distancias relativas aumentan con la expansión del espacio (prueba).La masa es la estructura del espacio, las pasas son estructuras relacionadas (galaxias o grupos / cúmulos de galaxias), y desde el punto de vista de las pasas, todas las demás se alejan de ella, y cuanto más se aleja, más rápido se escapa. Solo en el caso del universo no hay estufa ni aire fuera de la masa; solo hay masa (espacio) y pasas (materia).
El desplazamiento al rojo no es causado por el movimiento de las galaxias desde nosotros; el desplazamiento al rojo de la luz que viaja desde puntos distantes del espacio hacia nosotros se debe al estiramiento del espacio entre nosotros y las galaxias.2) ¿Cómo sabemos que la estructura del espacio se está expandiendo, tal vez solo se trata de galaxias que se mueven a diferentes velocidades? Si los objetos se mueven desde usted en todas las direcciones, entonces quizás el espacio entre usted y ellos se expande; pero esta es solo una de las posibilidades. También parece razonable que puedas estar en el centro de la explosión, y muchos objetos están más lejos de ti y se mueven más rápido hoy porque ganaron más energía durante la explosión. Si esto fuera así, entonces se destacarían dos evidencias de esto:
- A grandes distancias, las galaxias con altas velocidades serían más pequeñas porque volarían en el espacio con el tiempo.
- La relación de desplazamiento al rojo y rango a grandes distancias tendría una forma muy definida, diferente del caso cuando el tejido del espacio se expande.
La diferencia entre una explicación basada en el movimiento simple (línea de puntos) y las predicciones de GR (sólido) para distancias en un universo en expansión. Nuestras observaciones son inequívocamente consistentes con las predicciones de GR.A grandes distancias, la densidad de las galaxias es más alta que cerca de nosotros. Esto coincide con una imagen en la que el espacio se expande, ya que mirar hacia la distancia es lo mismo que mirar hacia el pasado, donde la expansión no fue tan fuerte. También vemos que la relación de desplazamiento al rojo a distancia en galaxias distantes coincide con la imagen de la expansión de la estructura del espacio, y no coincide con el caso cuando las galaxias simplemente se alejan de nosotros. La ciencia proporciona una respuesta a esta pregunta de dos maneras muy diferentes, y ambas respuestas admiten la opción de un universo en expansión.
El gráfico de la tasa de expansión aparente (eje y) versus la distancia (eje x) coincide con el Universo, que se expandió más rápido en el pasado, pero todavía se está expandiendo hoy. Esta es una versión moderna de observación que extiende distancias miles de veces más de lo que hizo Hubble. Tenga en cuenta que los puntos no se encuentran en una línea recta, lo que indica un cambio en la tasa de expansión con el tiempo3) ¿El universo siempre se ha expandido a la misma velocidad? Llamamos a esta velocidad la constante de Hubble, pero es constante en todo el espacio, y no en todo el tiempo. El universo ahora, hoy, se está expandiendo más lentamente que en el pasado [
Aquí Ethan explica por qué la expansión se está desacelerando y las galaxias se separan más rápido / aprox. transl.]. Cuando hablamos de la velocidad de expansión, nos referimos a la velocidad por unidad de distancia: hoy es de aproximadamente 70 km / s / Mpc (kilómetros por segundo por megaparsec; megaparsec - 3,260,000 años luz). Pero la tasa de expansión depende de la densidad de todo lo que hay en el Universo, incluida la materia con radiación. Con la expansión del Universo, la materia y la radiación en su interior se vuelven menos densas, y con una disminución en la densidad de la materia y la radiación, la velocidad de expansión también disminuye. El universo se ha expandido más rápido en el pasado y se ha ralentizado desde el gran Big Bang. La constante de Hubble no se llama exactamente así; debería llamarse el parámetro Hubble.
Las opciones para el destino distante del Universo ofrecen varias posibilidades, pero si la energía oscura es realmente constante, como indican nuestros datos, el Universo continuará siguiendo la curva roja.4) ¿El Universo se expandirá para siempre, o alguna vez se detendrá, o incluso se reducirá? Durante muchas generaciones, esta pregunta ha sido el santo grial de la cosmología y la astrofísica, y fue posible responderla solo determinando tanto la tasa de expansión del Universo como todos los tipos y cantidades de energía presentes en él. Ahora hemos medido con éxito cuánta materia normal, radiación, neutrinos, materia oscura y energía oscura están presentes en ella, así como la velocidad de expansión del Universo. Basado en las leyes de la física y los eventos pasados, parece muy probable que el Universo se expanda para siempre. Aunque esta probabilidad no es igual al 100%; Si algo, por ejemplo, la materia oscura, se comportará de manera diferente en el futuro, no como en el pasado o hoy, todas nuestras conclusiones tendrán que ser revisadas.
5) ¿Hay galaxias huyendo de nosotros más rápido que la velocidad de la luz, y no está prohibido? Desde nuestro punto de vista, el espacio entre nosotros y cualquier punto remoto se está expandiendo. Cuanto más lejos está algo, más rápido se aleja de nosotros. Incluso si la velocidad de expansión fuera pequeña, un objeto bastante distante eventualmente superaría el umbral de cualquier velocidad final, ya que la velocidad de expansión (velocidad por unidad de distancia) multiplicada por una distancia suficientemente grande le dará cualquier valor de velocidad. ¡Pero GRT no prohíbe esto! La ley que prohíbe el movimiento más rápido que la luz se aplica solo a los movimientos de objetos en el espacio, y no a la expansión del espacio en sí. De hecho, las galaxias mismas se mueven a velocidades del orden de cientos o miles de km / s, que es mucho menos de 300,000 km / s, el límite de velocidad establecido por la luz. El fugitivo y el desplazamiento al rojo son causados por la expansión del universo, no por el verdadero movimiento de la galaxia.
Dentro del Universo observable (círculo amarillo) hay aproximadamente 2 billones de galaxias. Las galaxias ubicadas a una distancia mayor de un tercio del camino desde la frontera hasta nosotros nunca se pueden alcanzar debido a la expansión del Universo, por lo tanto, el volumen abierto para el estudio humano es solo el 3% del Universo observadoLa expansión del Universo es una consecuencia necesaria de la presencia de materia y energía que llena el espacio-tiempo, sujeto a GR. Mientras haya materia, hay atracción gravitacional, entonces la gravedad gana y todo se reduce, o la gravedad pierde y gana la expansión. No hay un centro de expansión, no hay nada fuera del espacio donde se expandiría el Universo; la expansión es experimentada por el tejido del universo mismo, en todas partes y constantemente. Y lo que es más molesto, incluso si dejamos la Tierra hoy y salimos a la carretera a la velocidad de la luz, solo el 3% de las galaxias de todo el Universo observable estaría disponible para nosotros; El 97% de ellos ya están más allá de nuestras capacidades. El universo puede ser un lugar difícil, pero al menos ahora conoce las respuestas a cinco de las preguntas más confusas.