Sorpresa: la constante del Hubble es realmente voluble

Parte de la imagen de observación del Campo Profundo eXtreme de Hubble en luz combinada UV, luz visible e infrarroja es la mirada más profunda al Universo que hemos tomado. Las diversas galaxias visibles aquí están a diferentes distancias y tienen diferentes desplazamientos al rojo, lo que nos permite derivar la ley de Hubble.

El universo es enorme, y durante miles de millones de años luz en todas las direcciones se llenó de estrellas y galaxias. Desde el Big Bang, la luz viaja, partiendo de cada fuente que lo creó, y una parte muy pequeña de esta luz llega a nuestros ojos. Pero la luz no solo se mueve a través del espacio desde el punto de emisión hasta el lugar donde estamos hoy; Además de esto, la estructura misma del espacio se expande.

Cuanto más lejos esté la galaxia de nosotros, más se estira el espacio entre nosotros, y cambia a la parte roja del espectro, la luz que eventualmente llegará a nuestros ojos. Mirando distancias cada vez mayores, vemos un aumento en el desplazamiento al rojo. Si trazamos cómo la velocidad aparente de eliminación depende de la distancia, obtenemos una relación hermosa y directa: la ley de Hubble . Pero la pendiente de esta línea, la constante de Hubble, en realidad no es en absoluto constante. Y esta es una de las ideas falsas más poderosas en toda la astronomía.


Dependencia del desplazamiento al rojo de la distancia para galaxias distantes. Los puntos que no caen en la línea están sesgados debido a la diferencia en velocidades peculiares , pero solo se desvían ligeramente de la imagen general observada. Los datos iniciales, obtenidos por el propio Edwin Hubble, y utilizados por primera vez para demostrar la expansión del Universo, encajan en un pequeño rectángulo rojo en la esquina inferior izquierda.

Entendemos la expansión del Universo de dos maneras: teóricamente y a través de la observación. Observando el universo, vemos varios hechos importantes relacionados con la expansión:

• El universo se está expandiendo a una velocidad en todas las direcciones.
• Cuanto más lejos está la galaxia, más rápido se aleja de nosotros.
• Todo esto es cierto solo en promedio.

En galaxias individuales, existe una gran dispersión en las velocidades reales, que existe debido a las interacciones gravitacionales con toda la materia del Universo.


Una sección bidimensional de las partes del Universo más cercanas a nosotros cuya densidad es mayor (rojo) y menor (azul / negro) del valor promedio. Las líneas y flechas muestran las direcciones de velocidades peculiares, pero esta imagen completa se incluye en la estructura del espacio en expansión.

Pero este problema no es insuperable. Hay más de unas pocas galaxias en el Universo cuya distancia y desplazamiento al rojo podemos medir; Tomamos tales medidas literalmente para millones de galaxias. Podemos agrupar una gran cantidad de galaxias para que cada grupo esté a una cierta distancia promedio de nosotros, y podríamos calcular su desplazamiento al rojo promedio. Después de este procedimiento, encontramos una relación directa que define la ley de Hubble.

Pero aquí está la sorpresa. Si observa distancias suficientemente grandes, queda claro que la tasa de expansión ya no obedece a una ley directa y comienza a redondearse.


La dependencia de la tasa de expansión visible (eje y) de la distancia (eje x) corresponde al hecho de que el Universo se ha expandido más rápido en el pasado, pero se está expandiendo hoy. Esta es una versión moderna (2014) del trabajo de Hubble, que se extiende a distancias miles de veces más grandes. Tenga en cuenta que los puntos no forman una línea recta, lo que significa que la tasa de expansión cambia con el tiempo.

Usando el término "constante de Hubble", nos referimos a la pendiente de esta línea. Si esto no es una línea, es decir, si su pendiente cambia, ¡esto sugiere que la tasa de expansión de Hubble del Universo no es una constante! Lo llamamos la constante de Hubble porque el Universo se expande a la misma velocidad en cualquier punto: la constante de Hubble es constante en el espacio.

Pero la tasa de expansión y el valor de la constante de Hubble cambian con el tiempo. Esto no es un misterio, sino lo que se esperaba. Para entender esto, veámoslo desde una perspectiva diferente: teórica.


Ethan Siegel en el fondo de la hiperestringión de la Sociedad Astronómica Americana en 2017, junto con la primera ecuación de Friedman, a la derecha.
#Mi ecuación favorita
La primera ecuación de Friedman predice la tasa de expansión del universo en función de su contenido.

La primera ecuación de Friedman se obtiene con nosotros si comenzamos con un universo uniformemente lleno de materia, radiación y todas las demás formas de energía. Los únicos supuestos utilizados aquí son que el Universo es isotrópico (el mismo en todas las direcciones), homogéneo (tiene la misma densidad en todas partes) y obedece la Teoría General de la Relatividad. Al aceptar esto, obtienes la relación de la magnitud de H, la velocidad de Hubble (izquierda) y varias formas de materia y energía del Universo (derecha):


La primera ecuación de Friedman, como generalmente se escribe hoy. La parte izquierda determina la velocidad de expansión y la evolución del espacio-tiempo, y la parte derecha incluye todas las diferentes formas de materia y energía, así como la curvatura espacial.

Curiosamente, con la expansión del Universo, las densidades de materia, radiación y energía pueden cambiar. Por ejemplo, con la expansión del Universo, su volumen aumenta, pero el número total de partículas permanece sin cambios. Esto significa que en un universo en expansión:

• la densidad de la materia cae como a ^-3 ,
• la densidad de radiación cae, como un ^-4 ,
• la densidad de la energía oscura permanece constante y evoluciona como un ⁰ ,

donde a es el factor de escala (distancia o radio) del Universo. Con el tiempo, crece y los diversos componentes del universo se vuelven más o menos importantes entre sí.


Al igual que la materia (arriba), la radiación (en el medio) y la constante cosmológica (abajo) se desarrollan con el tiempo en un universo en expansión.

Un universo con una mayor densidad de energía se expande más rápido. Por el contrario, un universo con una densidad de energía más baja se expande más lentamente. Con la edad, el Universo se expande: con la expansión, la materia y la radiación se vuelven menos densas; con densidad decreciente, la tasa de expansión también disminuye. En cualquier momento, la tasa de expansión determina el valor de la constante de Hubble. En el pasado distante, la tasa de expansión era mucho mayor, pero hoy es la más lenta.


Varios componentes y contribuciones a la densidad de energía del Universo, y períodos de su dominio. Si las cadenas cósmicas o las paredes de dominio existieran en una cantidad significativa, harían una contribución significativa a la expansión del Universo. ¡Incluso puede haber algunos otros componentes del Universo que ya no vemos, o que están a punto de probarse! Hasta el día de hoy, la energía oscura domina, la materia es bastante importante y se puede descuidar la radiación.

Entonces, ¿por qué las galaxias muy distantes están sujetas a esta relación directa? Porque toda la luz que llega a nuestros ojos, desde la luz emitida por una galaxia vecina, hasta la luz emitida por una galaxia ubicada a miles de millones de años luz de nosotros, alcanza los 13.800 millones de años cuando nos acercamos a ella. Cuando llegó la luz, todo en el Universo había vivido el mismo Universo en constante cambio que nosotros. La constante del Hubble en el pasado, cuando se emitía la mayor parte de la luz, era mayor, pero tardó miles de millones de años en traer esta luz a nuestros ojos.


La luz se puede emitir con diferentes longitudes de onda, pero la expansión del universo la estirará en el camino. La luz emitida por la galaxia hace 13.400 millones de años en luz ultravioleta se desplazará al rango infrarrojo.

Con el tiempo, el Universo se expandió, lo que significa que la longitud de onda de la luz aumentó. La energía oscura se ha vuelto bastante importante solo en los últimos 6 mil millones de años, y hemos llegado al punto en que rápidamente se convierte en el único componente del Universo que afecta la velocidad de su expansión. Si regresáramos en un momento en que el Universo era dos veces más joven, entonces la tasa de expansión sería un 80% más alta que la actual. Y cuando el universo era el 10% de la edad actual, la tasa de expansión era 17 veces mayor que la actual.

Cuando el universo sea diez veces más antiguo que hoy, su tasa de expansión será del 18% de la actual.


El azul sombreó el rango de posibles incertidumbres sobre cómo la densidad de la energía oscura puede desviarse en el pasado y en el futuro. Los datos indican la presencia de una verdadera "constante" cosmológica, pero hasta ahora nadie ha rechazado otras posibilidades. Desafortunadamente, la conversión de la materia en radiación no puede ser un candidato para la energía oscura; como resultado de eso, lo que anteriormente se comportaba como materia simplemente se comporta como radiación.

Todo por la presencia de energía oscura, que se comporta como una constante cosmológica. En un futuro lejano, la materia y la radiación serán relativamente poco importantes en comparación con la energía oscura, lo que significa que la densidad de energía del Universo permanecerá constante. En tales condiciones, la tasa de expansión alcanzará un valor estable y finito, y seguirá siéndolo. En un futuro lejano, la constante de Hubble se volverá constante no solo en el espacio, sino también en el tiempo.

En el futuro distante, al medir la velocidad y la distancia a todos los objetos visibles, obtenemos la misma pendiente de esta línea en todas partes. Hubble Constant se volverá verdaderamente constante.


La importancia relativa de los diversos componentes de la energía del universo en diferentes momentos del pasado. Cuando la energía oscura se acerque al 100% en el futuro, la densidad de energía del Universo se mantendrá constante durante un período de tiempo arbitrariamente grande.

Si los astrónomos manejan las palabras con mayor precisión, llamarían a H el parámetro Hubble y no la constante de Hubble, ya que cambia con el tiempo. Pero durante varias generaciones seguidas, pudimos medir distancias relativamente cortas, y H parecía constante, por lo que no le cambiamos el nombre. Solo tenemos que aclarar que H es una función del tiempo, y solo hoy, cuando lo llamamos H ₀ , es constante. De hecho, el parámetro de Hubble cambia con el tiempo y permanece constante solo en todo el espacio. Pero si viviéramos en un futuro lejano, veríamos que H en algún momento deja de cambiar. Hoy podemos separar cuidadosamente los valores constantes reales y los que cambian con el tiempo, pero en un futuro lejano, gracias a la energía oscura, esta diferencia ya no será.