Todos los días Einstein explica cómo determinamos la edad de nuestro universo a partir de las estrellas antiguas y la radiación reliquia remanente del Big Bang
Credito de la imagen: NASA Goddard Space Flight Center Flickr (CC BY 2.0)
Por todos los días Einstein de Sabrina Stierwalt para Scientific American el 10 de enero de 2018
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¡Hola! Soy Einstein todos los días, Sabrina Stierwalt, trayendo Consejos rápidos y sucios para ayudarte a dar sentido a la ciencia.
Nuestro universo tiene 13.8 mil millones de años, una escala de tiempo mucho más larga que los períodos más abarcables de cientos o miles de años que impactan nuestras experiencias vividas. Entonces, ¿cómo llegan los astrónomos a un número tan enorme?
Estrellas antiguas
El universo, simplemente, debe al menos ser tan antiguo como la cosa más antigua que podamos encontrar en él. Por lo tanto, una prueba directa de la edad del universo es ir a buscar estrellas antiguas.
Las estrellas en grupos, o aglomeraciones de estrellas, todas nacidas al mismo tiempo, se pueden fechar con mayor precisión buscando lo que se denomina "secuencia principal apagada" para el clúster. La etapa más larga de la vida de una estrella se gasta en quemar hidrógeno. Durante esta fase, las estrellas siguen una relación entre su temperatura y brillo conocida como secuencia principal. En otras palabras, las estrellas más calientes brillan más.
Una vez que una estrella se queda sin hidrógeno para quemar, comenzará a enfriarse y, por lo tanto, dejará esta relación de secuencia principal antes de convertirse en una supergigante, una enana blanca o incluso un agujero negro. Con base en nuestro conocimiento de la evolución estelar, los astrónomos pueden estimar durante cuánto tiempo ciertos tipos de estrellas continuarán quemando hidrógeno en la secuencia principal. Nuestro Sol, una estrella de masa relativamente baja, ha estado quemando hidrógeno durante casi 5 mil millones de años y continuará haciéndolo por otros 4 o 5 mil millones más. A pesar de que tienen más combustible para quemar, las estrellas más masivas pasan menos tiempo en la secuencia principal porque queman ese combustible mucho más rápido.
A medida que el cúmulo de estrellas envejece, las estrellas más masivas abandonan primero la secuencia principal, seguidas por las estrellas de masa decreciente. Las observaciones de cúmulos estelares relativamente jóvenes revelarán así todos los tipos de estrellas que llenan la secuencia principal. Los clústeres :cúmulos más antiguos mostrarán una secuencia principal menos completa ya que las estrellas más masivas ya han agotado su combustible de hidrógeno y "desactivado" la secuencia principal.
Telescopio Espacial Hubble Deep Field cortesía de nasa.gov.
Las estrellas más masivas que aún están en la secuencia principal (es decir, que aún queman hidrógeno) establecen un límite en la edad del clúster. Los cúmulos de estrellas observados más antiguos tienen edades comprendidas entre 11 y 13 mil millones de años.
Enanas Blancos
En un episodio anterior, hablamos sobre las etapas finales de la vida de una estrella moribunda y cómo una estrella de baja masa como nuestro sol puede evolucionar a una enana blanca. Las enanas blancas son objetos extremadamente densos que empacan el equivalente de la masa del Sol en el tamaño de la Tierra. ¡Una cucharadita de material de una enana blanca pesa 15 toneladas!
Dado que las enanas blancas ya no están quemando elementos a través de la fusión para producir y emitir radiación, en cambio, se dejan enfriar, al igual que las brasas del fuego. Las temperaturas de las estrellas enanas blancas pueden decirnos por cuánto tiempo han pasado enfriándose y poner un límite a su edad. Las observaciones con el Telescopio Espacial Hubble encuentran que las enanas blancas más antiguas están en el rango de 12-13 mil millones de años.
El fondo cósmico de microondas Crédito de la imagen: WMAP del CMB
Mientras que la datación por edades del universo a través de estrellas antiguas es un control importante, la determinación más directa de su edad proviene de la radiación reliquia dejada atrás del Big Bang, llamada radiación cósmica de fondo de microondas, o CMB para abreviar.
En pocas palabras, nuestro universo se expande a medida que pasa el tiempo, dejando más y más espacio entre nosotros y nuestros vecinos extragalácticos. Sin embargo, podemos retroceder el reloj al rebobinar esta expansión, a través de la información codificada en el CMB, para determinar cuánto tiempo ha estado expandiéndose el universo.
El CMB es radiación producida durante el Big Bang, la singularidad de que en una fracción de segundo comenzó la combinación de altas densidades, temperaturas y presiones que luego se expandieron y se enfriaron en el universo que observamos hoy. La radiación CMB se ha enfriado significativamente a medida que ha viajado, pero aún codifica información del evento Big Bang. El CMB por lo tanto nos ofrece el equivalente de una imagen de bebé de nuestro universo, una instantánea de lo que ocurrió al principio.
La edad del universo está ligada a 3 parámetros cosmológicos que juntos describen la expansión del universo:
- la tasa de expansión del universo, conocida como la constante de Hubble
- la densidad de la materia bariónica (normal) y oscura en el universo (es decir, la cantidad de materia que necesita expandirse)
- la constante cosmológica, un parámetro vinculado a la aceleración de esa expansión
A partir de mapas muy precisos del CMB hechos por sondas espaciales como WMAP y el satélite Planck, astrónomos y físicos miden estos parámetros. A partir de ellos, se puede determinar una estimación de la edad del universo dentro del marco teórico de la cosmología Lambda Cold Dark Matter, que incluye nuestra comprensión de qué componentes componen el universo.
Este método encuentra que la edad del universo es de 13.8 mil millones de años, más o menos 37 millones de años. Esta incertidumbre en la edad, que es relativamente pequeña en comparación con un tiempo total de 13.800 millones, proviene de las incertidumbres asociadas con la medición de cada uno de los tres parámetros cosmológicos.
Para poner esta era en perspectiva, la edad de nuestro Sistema Solar es de solo 4.500 millones de años. Ciertos isótopos que se crearon con el Sistema Solar, como el potasio y el uranio, ofrecen pistas sobre la edad de nuestro Sistema Solar. Estos isótopos sufren deterioro radioactivo y, por lo tanto, ofrecen una medición muy precisa del tiempo transcurrido desde su formación.
El hecho de que la edad determinada por el CMB es consistente con las edades mínimas calculadas para los cúmulos estelares más antiguos y las estrellas enanas blancas nos dice a los astrónomos que estamos en el camino correcto. Tenga en cuenta, sin embargo, que estamos definiendo la edad del universo como el tiempo que ha transcurrido desde el Big Bang. Ninguna de nuestras pruebas observacionales puede decirnos qué pudo haber sucedido antes del Big Bang, una pregunta que puede ser mejor respondida por un astrofísico teórico o incluso un filósofo, en lugar de un astrónomo observacional.
Hasta la próxima, esta es Sabrina Stierwalt con Everyday Einstein's Quick and Dirty Tips para ayudarte a comprender la ciencia. Puede hacerse fan de Everyday Einstein en Facebook o seguirme en Twitter, donde estoy @QDTeinstein. Si tiene una pregunta que le gustaría ver en un episodio futuro, envíeme un correo electrónico a
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