Preguntale a Ethan: ¿Qué tan lejos está el borde del universo de la galaxia más lejana?
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras....
Nuestras más profundos detecciones de galaxias pueden revelar objetos a miles de millones de años luz de distancia, pero incluso con la tecnología ideal, habrá un gran espacio de distancia entre la galaxia más lejana y el Big Bang. Crédito de la imagen: Sloan Digital Sky Survey (SDSS)
Original de Ethan Siegel para Forbes Mayo 6 de 2017
Las opiniones expresadas por el auor son exclusivamente de él
Cuando miramos hacia los más lejano en el Universo, hay luz por todas partes que la cual podemos ver, hasta donde nuestros telescopios son capaces de mirar. Pero en algún momento, hay un límite con el que nos encontraremos. Un límite está establecido por la estructura cósmica que se forma en el Universo: sólo podemos ver las estrellas, las galaxias, etc., siempre y cuando emitan luz. Sin ese ingrediente, nuestros telescopios no pueden detectar nada. Pero otro límite, si podemos usar la astronomía para ir más allá de la luz de las estrellas, es el límite de cuánto del Universo es accesible para nosotros desde el Big Bang. Estos dos valores podrían no tener mucho que ver unos con otros, y eso es lo que Oleg Pestovsky quiere saber!
¿Por qué el corrimiento al rojo de CMB (Cosmic Microwave Background: Fondo Cósmico de Microondas) ... alrededor de 1.000, mientras que el más alto desplazamiento al rojo para cualquier galaxia que hemos observado es 11?
Lo primero es que necesitamos pensar acerca de que exactamente fue lo que sucedió en nuestro Universo, a continuación, desde el momento del Big Bang.
El Universo observable podría ser 46 mil millones de años luz en todas las direcciones desde nuestro punto de vista, pero ciertamente hay más, del Universo no observable, tal vez incluso una cantidad infinita, al igual que el nuestro más allá de eso. Crédito de la imagen: Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel
El conjunto completo de todo lo que sabemos, ver, observar y con lo cual interactuar es lo que llamaremos el "Universo Observable". Más allá de lo que podemos ver, es muy probable que haya más Universo por ahí, y con el paso del tiempo, podremos ver más y más, ya que la luz de objetos más lejanos finalmente nos alcance después de un viaje cósmico que tarda miles de millones de años . Ver lo que hacemos en el Universo (y no más, y no menos) esto es posible debido a una combinación de tres cosas:
1- El hecho de que ha sido una cantidad finita de tiempo, 13,8 miles de millones de años, desde el Big Bang,
2- El hecho de que la velocidad de la luz, la velocidad máxima que cualquier señal o partícula puede viajar en el Universo, es finita y constante
3- Y el hecho de que la propia estructura del espacio se ha extendido y expandido desde el Big Bang.
La línea de tiempo de nuestra historia del Universo observable. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team
Lo que vemos hoy es el resultado de esas tres condiciones, combinadas con la distribución inicial de la materia y la energía, que operan bajo las leyes de la física para influir en toda la historia de nuestro Universo. Si queremos saber cómo era el Universo en cualquier momento anterior, lo único que tenemos que hacer es observar cómo es el Universo hoy en día, medir todos los parámetros relevantes y calcular cómo era en el pasado. Hay mucho que tenemos que observar y medir para llegar allí, pero las ecuaciones de Einstein, aunque sean difíciles, son al menos directas. (Los resultados obtenidos son dos ecuaciones conocidas como las ecuaciones de Friedmann, y resolverlas es una tarea que todos los estudiantes de postgrado en cosmología se familiarizan íntimamente). Y, sinceramente, hemos hecho algunas mediciones increíbles sobre el Universo.
Mirando hacia el polo norte de la galaxia de la Vía Láctea, podemos ver en las profundidades del espacio. Lo que se mapea en esta imagen son cientos de miles de galaxias, donde cada píxel de la imagen es una galaxia única. Crédito de la imagen: SDSS III, data release 8
Sabemos lo rápido que se está expandiendo hoy. Sabemos cuál es la densidad de la materia en todas partes. Sabemos cuánta estructura se forma en todas las diferentes escalas, desde los cúmulos globulares hasta las galaxias enanas, hasta las galaxias más grandes, hasta los grupos y racimos y los filamentos a gran escala. Sabemos cuánto del Universo es materia normal, materia oscura, energía oscura, así como componentes mucho más pequeños como neutrinos, radiación e incluso agujeros negros. Y sólo a partir de esa información, extrapolando hacia atrás en el tiempo, podemos descifrar cuán grande era el Universo y qué tan rápido se estaba expandiendo en cualquier momento de su historia cósmica.
Una gráfica del tamaño / escala del Universo observable vs. el paso del tiempo cósmico. Esto se muestra en una escala log-log, con algunos hitos importante de tamaño / tiempo están identificados. Crédito de la imagen: E. Siegel
Hoy, nuestro Universo observable se extiende por aproximadamente 46.1 miles de millones de años luz en todas las direcciones desde donde estamos. Esa es la distancia que si, en el instante del Big Bang, la ubicación original en el espacio de una partícula imaginaria que viajando a la velocidad de la luz estaría hoy si nos llegara a alcanzar ahora, 13,8 miles de millones de años más tarde. En principio, ahí es donde cualquier onda gravitacional que sobresalga de la inflación cósmica — el estado anterior al Big Bang que lo estableció y proporcionó sus condiciones iniciales — se originaría desde allí.
Las ondas gravitatorias generadas por la inflación cósmica son la señal más lejana en el tiempo que la humanidad puede concebir para detectar potencialmente, las cuales se originan desde el final de la inflación cósmica y el comienzo mismo del Big Bang. Crédito de la imagen: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, related) — Funded BICEP2 Program; modifications by E. Siegel
Pero hay otras señales que quedan del Universo también. Cuando el Universo tenía unos 380.000 años de antigüedad, la radiación sobrante del Big Bang dejó de esparcir partículas libres, cargadas, formando átomos neutros. Estos fotones, una vez formados átomos neutros, continúan desplazándose al rojo con el Universo en expansión, y se pueden ver con un microondas o un radio telescopio / antena hoy en día. Pero debido a la rapidez con la que el Universo se expandió en las primeras etapas, la "superficie" que vemos este resplandor sobrante — el fondo cósmico de microondas — ya está a sólo 45.2 miles de millones de años luz de distancia. ¡La distancia desde el principio del Universo hasta donde el Universo está a los 380.000 años de edad ya es de 900 millones de años luz!
La luz que percibimos como el fondo de microondas cósmico es en realidad fotones sobrantes del Big Bang, liberados en el instante en que se dispersaron por última vez de electrones libres. A pesar de que la luz viaja por 13.8 millones de años antes de llegar a nosotros, la expansión del espacio hace que la ubicación sea, en la actualidad, 45,2 miles de millones de años luz de distancia. Crédito de la imagen: E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian
Es mucho, mucho más lejano desde donde encontramos la galaxia más distante jamás descubierta en el Universo. Mientras que las simulaciones y los cálculos indican que las primeras estrellas pueden haberse formado cuando el Universo tenía entre 50 y 100 millones de años, y las primeras galaxias alrededor de 200 millones de años, no hemos sido capaces de ver hasta ese momento todavía. (Aunque esperemos que con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb el año que viene, lo haremos pronto!) El récord cósmico actual, que se muestra a continuación, es una galaxia desde cuando el Universo tenía 400 millones de años: sólo el 3% de su edad actual . Sin embargo, esa galaxia, GN-z11, se encuentra a sólo 32 mil millones de años luz de distancia: unos 14 mil millones de años luz de la "orilla" del Universo observable.
La galaxia más distante jamás encontrada: GN-z11, en el campo GOODS-N como imagen profunda (pero no la más profunda jamás) por Hubble. Crédito de la imagen: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University)
La razón de esto? La tasa de expansión ha ido cayendo de manera tremenda con el tiempo. En el momento en que la galaxia Gz-11 existió en el estado en que lo vemos, el Universo se expandía 20 veces más rápido de lo que es hoy. Cuando se emitió el fondo cósmico de microondas, el Universo se expandía 20.000 veces más rápido de lo que es hoy. Y en el momento del Big Bang, según nuestro conocimiento, el Universo se expandía unas 10 ^ 36 veces más rápido, o sea, 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (un sextillóni) veces más rápido de lo que es hoy. La tasa de expansión del Universo ha ido disminuyendo enormemente con el tiempo.
Esto es increíblemente bueno para nosotros! El equilibrio entre la tasa de expansión inicial y la cantidad total de energía en el Universo en todas sus formas está perfectamente equilibrado, hasta los límites de la calidad de nuestras observaciones. Si el Universo tuviera incluso un poco de materia o radiación en las primeras etapas, habría retrocedido hace miles de millones de años y no existiríamos. Si el Universo tuviera un poco de materia o radiación poco antes, se habría expandido demasiado rápido para que las partículas se encontraran e incluso formaran átomos, estructuras mucho menos complejas como galaxias, estrellas, planetas y humanos. La historia cósmica que el Universo nos cuenta es de un equilibrio extraordinario, y uno en donde realmente llegamos a existir.
El intrincado equilibrio entre la tasa de expansión y la densidad total en el Universo es tan precaria que incluso una diferencia de 0.00000000001% en cualquier dirección haría al Universo completamente inhóspito a cualquier vida, estrellas o potencialmente incluso moléculas existentes en cualquier momento. Crédito de la imagen: Ned Wright’s Cosmology tutorial
Si nuestras mejores teorías actuales son correctas, las primeras galaxias verdaderas se habrán formado en algún punto entre 120 y 210 millones de años de edad. Eso corresponde a una distancia entre nosotros de entre 37 y 35 mil millones de años luz, situando la distancia desde la más lejana de todas las galaxias hasta el borde del Universo observable de 9 a 11 mil millones de años luz de hoy. Eso es increíblemente lejos, y apunta a un hecho increíble: el Universo se expandía extremadamente rápido en las primeras etapas, y se expande a un ritmo mucho más lento hoy. ¡Ese primer 1% de la edad del Universo es responsable de aproximadamente el 20% de la expansión total del Universo!
La historia de nuestro Universo está llena de una serie de acontecimientos fantásticos, pero como la inflación terminó y el Big Bang caliente se produjo, la tasa de expansión ha estado cayendo precipitadamente, y la desaceleración de su tasa de descenso como la densidad sigue bajando. Crédito de la imagen: Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modifications by E. Siegel
La expansión del Universo es lo que estiró la longitud de onda de la luz (y provocó el "desplazamiento hacia el rojo" que vemos), y esa rápida expansión es la razón por la que existe una diferencia tan grande entre el fondo cósmico de microondas y la galaxia más lejana. Pero el tamaño del Universo de hoy es evidencia de algo más increíble: los increíbles efectos que la progresión del tiempo tiene. A medida que el tiempo continúa, el Universo continuará expandiéndose más y más, y con el tiempo que es alrededor de diez veces su edad actual, las distancias se habrán expandido tanto que ninguna galaxia más allá de nuestro grupo local será visible, incluso con el equivalente del Hubble Telescopio Espacial. Disfrute de todo lo que podemos ver hoy acerca de la gran variedad de lo que está presente en todas las escalas cósmicas. ¡No será para siempre!
{i} Un sextillón, en la escala numérica larga usada tradicionalmente en español, equivale a 1036, esto es un millón de quintillones.
Envíe sus preguntas de Ethan a startswithabang arroba gmail punto com!
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