Si el Universo se está expandiendo, Por que nosotros no lo estamos?
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando que lo descubras.
Si el Universo se está expandiendo, podemos entender por que las galaxias se alejan de nosotros tal y como ellas lo hacen. Pero entonces por que no están las estrellas, los planetas e incluso los átomos expandiéndose también?. Crédito de la imagenaucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Original de Ethan Siegel, MAR 11, 2017
Las opiniones son exclusivas del autor original
Una de las más grandes sorpresas de la ciencia del siglo XX fue el descubrimiento de que el Universo mismo se está expandiendo. Las galaxias distantes se alejan de nosotros más rápido que las que se encuentran más cerca, de hecho la misma fabrica del espacio tiempo está siendo estirada. En las más grandes escalas, las densidades de materia y energía del Universo están disminuyendo desde hace miles de millones de años, y continuará así por el tiempo que queda. Y si miramos a distancias lo suficientemente grandes, hallaremos galaxias que están siendo empujadas tan rápidamente por la expansión que nada que le enviemos las alcanzará nunca, nada incluso a la velocidad de la luz. Pero no se crea una paradoja aquí? Esto es lo que Kent Hudson quiere saber:
[size =12]“Si el Universo se está expandiéndose a un indice que excede a la velocidad de la luz, por que no parece afectar a nuestro sistema solar y en las distancias planetarias desde el sol, etc.? Y por que las distancias relativas de las estrellas en nuestra galaxia no parecen estar incrementando… o lo están?[/size]
La intuición de Kent es correcta, y si el sistema solar, y las distancias estelares no se están incrementando en la medida en que el Universo se expande. Entonces que es lo que se está expandiendo en el Universo? Discutamoslo.
La concepción original del espacio, fue gracias a Newton, era fijo, absoluto y sin cambios. Era un estado en donde las masas podían existir y atraerse. Crédito de la imagen: Amber Stuver, desde su blog, Living Ligo
Cuando Newton concibió por primera vez el Universo, el se imaginó un espacio cuadriculado. Este era absoluto, fijo, una entidad llena de masas que gravitacionalmente se atraían unas a las otras. Pero cuando Einstein apareció, el reconoció que esta cuadricula imaginaria no estaba fija, no era absoluta y no era como Newton la había imaginado. Por el contrario, esta cuadricula era como una fabrica, y la fabrica misma era curvada distorsionada y forzada a desarrollarse junto con el tiempo por la presencia de la materia y la energía. Además la materia y la energía contenida en él determinaba como la fabrica del espacio-tiempo estaba curvada.
la deformación del espacio tiempo, en la Relatividad General, por las masas gravitatorias. Crédito de la imagen: LIGO/T. Pyle.
Pero si todo el Universo en el comienzo junto con su espacio-tiempo poseía toda la masa dentro de este, todo él inevitablemente debería colapsar hasta formar un colosal agujero negro, implosionando todo el Universo. A Einstein no le gustaba esta idea, de modo que agregó un “arreglo” en la forma de una constante cosmológica. Si se trataba de un término extra – esta energía adicional permeaba el espacio vacío – esta podría repeler todas las otras masas y así mantener a un Universo estático. Esta podría prevenir que el Universo colapsara. Mediante la adición de esta energía adicional, Einstein podría hacer que el Universo existiera cerca de un constante estado por toda la eternidad.
Pero no todos estaban tan casados con esta idea de que el Universo necesitaba de una constante para ser estático. Una de las primeras soluciones fue alcanzada por el físico Alexander Friedmann. El mostró que si no se agregaba esta extra constante cosmológica, y así se tenía un Universo lleno de cualquier cosa energética – materia, radiación, polvo, fluidos, etc. – había dos posibles soluciones: Una para un Universo que se estaba contrayendo, y otra para un universo expandiéndose.
El modelo del “pan leudándose” para un Universo expandiéndose, en donde las distancias relativas se incrementan en la medida en que el espacio se expande. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team. NASA / WMAP science team.
Las matemáticas nos dicen de estas soluciones posibles, pero usted necesitará ver al Universo físico para hallar cual de las dos lo describe. Entonces esto sucedió en la década de 1920s, gracias al trabajo de Edwin Hubble. Hubble fue el primero en descubrir que las estrellas individuales podrían medirse en otras galaxias, determinando con ello su distancia. Mediante la combinación de estas medidas junto al trabajo realizado por Vesto Sliper, el cual mostró que esos objetos tienen sus señales atómicas corridas, un increíble resultado emergió de todo esto.
Un punteo de la aparente indice de expansión del Universo (eje y) contra la distancia (eje x) es consistente con un Universo que se expande más veloz en el pasado, pero que aun se está expandiendo hoy. Esta es la versión moderan de, extendidas miles de veces más allá del trabajo original de Hubble. Crédito de imagen: La última información está basada en la investigación de Ned Wright. Betoule et al. (2014)
Tanto si toda la relatividad esta equivocada, nosotros eramos el centro del Universo y todas las cosas están moviéndose simétricamente alejándose de nosotros, o la relatividad esta correcta, Friedmann esta acertado, y una galaxia entre más lejos de nosotros esté, en promedio, más veloz retrocede desde nuestra perspectiva. Como una caída en picada, el Universo en expansión paso de ser una simple idea a ser una idea fundamental para describir nuestro Universo.
La forma en que la expansión trabaja es un poco contra intuitiva. Es la fabrica del espacio mismo está siendo estirada junto al tiempo, y así todos los objetos en el espacio están siendo arrastrados lejos unos de otros. En la medida en que un objeto está más lejos de otro, más estirado está el espacio, de modo que más velozmente parece alejarse uno de otro. Si todo el Universo estuviera lleno uniformemente y igualmente lleno de materia, esta materia simplemente sería menos densa y usted podría ver todo expandiéndose de todo en la medida en que transcurre el tiempo.
Las fluctuaciones frías (mostradas en azul) en la CMB (fondo cósmico de microondas) son inherentemente más frías, pero por el contrario representa regiones donde la atracción gravitacional es mayor debido a una mayor densidad de materia, mientras que los puntos calientes (en rojo) son solo más calientes debido a que la radiación en la región está en una atracción gravitacional menor. A lo largo del tiempo, las regiones más densas se formarán estrellas y galaxias y cúmulos, mientas que las regiones menos densas serán menos propensas a hacer esto. Crédito de la imagen: E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian
Pero el Universo no es perfectamente homogéneo y uniforme. Tiene regiones mas densas, con planetas, estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Estas regiones menos densas, son como grandes vacíos cósmicos donde virtualmente no hay objetos masivos en su extensión. La razón para esto es que hay otros fenómenos físicos que juegan un papel paralelo en la expansión del Universo. En las pequeñas escalas, como en el caso de un animal y más pequeño el electromagnetismo y las fuerzas nucleares dominan. En las escalas grandes, como en el caso de planetas, sistemas solares y galaxias, la fuerza gravitatoria domina. La gran competencia en las más grandes escalas de todo – en las escalas de todo el Universo – esta entre la expansión del Universo y la atracción gravitatoria de toda la materia y energía presente en él.
En las más grandes escalas, el Universo se expande y las galaxias se alejan unas de otras. Pero en las pequeñas escalas, la gravedad le gana a la expansión, liderando la formación de estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
En las más grandes escalas de todo, la expansión gana. Las galaxias más distantes están alejándose tan rápido que ninguna señal que enviemos, incluso a la velocidad de la luz, las alcanzará alguna vez. Los súper cúmulos del Universo – esas largas estructuras filamentarias alinean galaxias y se extienden sobre miles de millones de años luz – están siendo estiradas y desarmadas por la expansión del Universo. En el relativamente corto término, ellas cesarán de existir. E incluso el más cercano gran cúmulo al que pertenece de la Vía Láctea el Gran Cúmulo de Virgo, a solo 50 millones de años luz, nunca formaremos parte de él. A pesar de que la atracción gravitacional es más de mil veces más poderoso que nuestra propia expansión del Universo, está nos llevará a todos a separarnos.
Una gran colección de muchas miles de galaxias constituye nuestro más cercano vecindario, pero la Vía Láctea está a 100.000.000 de años luz. El cúmulo Virgo mismo permanecerá unido, pero la Vía Láctea continuará siguiendo la expansión alejándose de él en la medida en que el tiempo pase. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Andrew Z. Colvin.
Pero hay también cosas en la pequeña escala en las que la expansión ha estado afectando, al menos localmente. El cúmulo de Virgo mismo permanecerá unido gravitatoriamente. La Vía láctea y el grupo local de galaxias permanecerán juntas, y eventualmente podría fusionarse bajo su propia gravedad. La Tierra permanecerá orbitando al Sol a la misma distancia, la Tierra misma permanecerá del mismo tamaño, y los átomos que la constituyen no se expandirán. Por que? Debido a que la expansión del Universo solo afecta en donde ninguna otra fuerza – sea gravitatoria, electromagnética o nuclear – no tiene un efecto. Si alguna fuerza puede exitosamente mantener un objeto unido, incluso la expansión del Universo no puede realizar un cambio.
las órbitas de los,planetas en el sistema TRAPPIST-1 estaran inalterados durante la expansión del Universo, debido al elace de la fuerza de gravedad que sobrepasa cualquier efecto de la expansión. Crédito de la imagen: ESO/M. Gillon et al.
La razón para esto es sutil. Y esta relacionada con el hecho de que la expansión misma no es una fuerza, si no un índice. El espacio está expandiéndose en todas las escalas, pero la expansión solo afecta las cosas acumulativamente. Hay una cierta velocidad en la que el espacio se expandirá entre dos puntos, pero si esta velocidad es menor que la velocidad de escape entre dos objetos – si hay una fuerza amarrándolos – no hay un incremento en la distancia entre ellos. Y si n hay incremento en la distancia, tal impulso para expandirse no tiene efecto. En cualquier instante, es más que contrarrestado, y así este nunca tiene el efecto aditivo que se muestra entre los objetos que no están unidos. Como un resultado de esto, es estable, los objetos podrán sobrevivir sin cambios por la eternidad en un Universo expandiéndose.
Si esta unido por la gravedad, el electromagnetismo, o cualquier otra fuerza, los tamaños son estables, se mantendrán juntos, los objetos no cambiaran en la medida en que el Universo se expande. Si usted puede soportar la expansión cósmica usted permanecerá unido para siempre. Crédito de la imagen: NASA, of Earth and Mars to scale
Siempre que el Universo conserve sus propiedades que medimos hoy, este permanecerá para siempre_ La energía obscura puede existir y causa que las galaxias distantes aceleren alejándose de nosotros, pero el efecto de la expansión a través de distancias fijas nunca se incrementará. Solo en el caso de un “Big Rip” – gran desgarramiento – cósmico – cuya evidencia apunta lejos de nosotros, no a nosotros-- esta conclusión cambiará.
La fabrica del espacio mismo estará expandiéndose en todas partes, pero no tendrá un efecto medible en todo los objetos. Si alguna fuerza lo mantiene juntos lo suficientemente fuerte, la expansión del Universo no tendrá efecto en él. Es solo en las más grandes escalas del todo, donde las fuerzas de amarre entre los objetos es demasiado débil y será vencida por el indice de Hubble, y así la expansión lo afectará. Como el astrofísico Richard Price una vez lo propuso “Si su cintura se está expandiendo no le eche la culpa a la expansión del Universo.”
Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang.
Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando que lo descubras.
Si el Universo se está expandiendo, podemos entender por que las galaxias se alejan de nosotros tal y como ellas lo hacen. Pero entonces por que no están las estrellas, los planetas e incluso los átomos expandiéndose también?. Crédito de la imagenaucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Original de Ethan Siegel, MAR 11, 2017
Las opiniones son exclusivas del autor original
Una de las más grandes sorpresas de la ciencia del siglo XX fue el descubrimiento de que el Universo mismo se está expandiendo. Las galaxias distantes se alejan de nosotros más rápido que las que se encuentran más cerca, de hecho la misma fabrica del espacio tiempo está siendo estirada. En las más grandes escalas, las densidades de materia y energía del Universo están disminuyendo desde hace miles de millones de años, y continuará así por el tiempo que queda. Y si miramos a distancias lo suficientemente grandes, hallaremos galaxias que están siendo empujadas tan rápidamente por la expansión que nada que le enviemos las alcanzará nunca, nada incluso a la velocidad de la luz. Pero no se crea una paradoja aquí? Esto es lo que Kent Hudson quiere saber:
[size =12]“Si el Universo se está expandiéndose a un indice que excede a la velocidad de la luz, por que no parece afectar a nuestro sistema solar y en las distancias planetarias desde el sol, etc.? Y por que las distancias relativas de las estrellas en nuestra galaxia no parecen estar incrementando… o lo están?[/size]
La intuición de Kent es correcta, y si el sistema solar, y las distancias estelares no se están incrementando en la medida en que el Universo se expande. Entonces que es lo que se está expandiendo en el Universo? Discutamoslo.
La concepción original del espacio, fue gracias a Newton, era fijo, absoluto y sin cambios. Era un estado en donde las masas podían existir y atraerse. Crédito de la imagen: Amber Stuver, desde su blog, Living Ligo
Cuando Newton concibió por primera vez el Universo, el se imaginó un espacio cuadriculado. Este era absoluto, fijo, una entidad llena de masas que gravitacionalmente se atraían unas a las otras. Pero cuando Einstein apareció, el reconoció que esta cuadricula imaginaria no estaba fija, no era absoluta y no era como Newton la había imaginado. Por el contrario, esta cuadricula era como una fabrica, y la fabrica misma era curvada distorsionada y forzada a desarrollarse junto con el tiempo por la presencia de la materia y la energía. Además la materia y la energía contenida en él determinaba como la fabrica del espacio-tiempo estaba curvada.
la deformación del espacio tiempo, en la Relatividad General, por las masas gravitatorias. Crédito de la imagen: LIGO/T. Pyle.
Pero si todo el Universo en el comienzo junto con su espacio-tiempo poseía toda la masa dentro de este, todo él inevitablemente debería colapsar hasta formar un colosal agujero negro, implosionando todo el Universo. A Einstein no le gustaba esta idea, de modo que agregó un “arreglo” en la forma de una constante cosmológica. Si se trataba de un término extra – esta energía adicional permeaba el espacio vacío – esta podría repeler todas las otras masas y así mantener a un Universo estático. Esta podría prevenir que el Universo colapsara. Mediante la adición de esta energía adicional, Einstein podría hacer que el Universo existiera cerca de un constante estado por toda la eternidad.
Pero no todos estaban tan casados con esta idea de que el Universo necesitaba de una constante para ser estático. Una de las primeras soluciones fue alcanzada por el físico Alexander Friedmann. El mostró que si no se agregaba esta extra constante cosmológica, y así se tenía un Universo lleno de cualquier cosa energética – materia, radiación, polvo, fluidos, etc. – había dos posibles soluciones: Una para un Universo que se estaba contrayendo, y otra para un universo expandiéndose.
El modelo del “pan leudándose” para un Universo expandiéndose, en donde las distancias relativas se incrementan en la medida en que el espacio se expande. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team. NASA / WMAP science team.
Las matemáticas nos dicen de estas soluciones posibles, pero usted necesitará ver al Universo físico para hallar cual de las dos lo describe. Entonces esto sucedió en la década de 1920s, gracias al trabajo de Edwin Hubble. Hubble fue el primero en descubrir que las estrellas individuales podrían medirse en otras galaxias, determinando con ello su distancia. Mediante la combinación de estas medidas junto al trabajo realizado por Vesto Sliper, el cual mostró que esos objetos tienen sus señales atómicas corridas, un increíble resultado emergió de todo esto.
Un punteo de la aparente indice de expansión del Universo (eje y) contra la distancia (eje x) es consistente con un Universo que se expande más veloz en el pasado, pero que aun se está expandiendo hoy. Esta es la versión moderan de, extendidas miles de veces más allá del trabajo original de Hubble. Crédito de imagen: La última información está basada en la investigación de Ned Wright. Betoule et al. (2014)
Tanto si toda la relatividad esta equivocada, nosotros eramos el centro del Universo y todas las cosas están moviéndose simétricamente alejándose de nosotros, o la relatividad esta correcta, Friedmann esta acertado, y una galaxia entre más lejos de nosotros esté, en promedio, más veloz retrocede desde nuestra perspectiva. Como una caída en picada, el Universo en expansión paso de ser una simple idea a ser una idea fundamental para describir nuestro Universo.
La forma en que la expansión trabaja es un poco contra intuitiva. Es la fabrica del espacio mismo está siendo estirada junto al tiempo, y así todos los objetos en el espacio están siendo arrastrados lejos unos de otros. En la medida en que un objeto está más lejos de otro, más estirado está el espacio, de modo que más velozmente parece alejarse uno de otro. Si todo el Universo estuviera lleno uniformemente y igualmente lleno de materia, esta materia simplemente sería menos densa y usted podría ver todo expandiéndose de todo en la medida en que transcurre el tiempo.
Las fluctuaciones frías (mostradas en azul) en la CMB (fondo cósmico de microondas) son inherentemente más frías, pero por el contrario representa regiones donde la atracción gravitacional es mayor debido a una mayor densidad de materia, mientras que los puntos calientes (en rojo) son solo más calientes debido a que la radiación en la región está en una atracción gravitacional menor. A lo largo del tiempo, las regiones más densas se formarán estrellas y galaxias y cúmulos, mientas que las regiones menos densas serán menos propensas a hacer esto. Crédito de la imagen: E.M. Huff, the SDSS-III team and the South Pole Telescope team; graphic by Zosia Rostomian
Pero el Universo no es perfectamente homogéneo y uniforme. Tiene regiones mas densas, con planetas, estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Estas regiones menos densas, son como grandes vacíos cósmicos donde virtualmente no hay objetos masivos en su extensión. La razón para esto es que hay otros fenómenos físicos que juegan un papel paralelo en la expansión del Universo. En las pequeñas escalas, como en el caso de un animal y más pequeño el electromagnetismo y las fuerzas nucleares dominan. En las escalas grandes, como en el caso de planetas, sistemas solares y galaxias, la fuerza gravitatoria domina. La gran competencia en las más grandes escalas de todo – en las escalas de todo el Universo – esta entre la expansión del Universo y la atracción gravitatoria de toda la materia y energía presente en él.
En las más grandes escalas, el Universo se expande y las galaxias se alejan unas de otras. Pero en las pequeñas escalas, la gravedad le gana a la expansión, liderando la formación de estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias. Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
En las más grandes escalas de todo, la expansión gana. Las galaxias más distantes están alejándose tan rápido que ninguna señal que enviemos, incluso a la velocidad de la luz, las alcanzará alguna vez. Los súper cúmulos del Universo – esas largas estructuras filamentarias alinean galaxias y se extienden sobre miles de millones de años luz – están siendo estiradas y desarmadas por la expansión del Universo. En el relativamente corto término, ellas cesarán de existir. E incluso el más cercano gran cúmulo al que pertenece de la Vía Láctea el Gran Cúmulo de Virgo, a solo 50 millones de años luz, nunca formaremos parte de él. A pesar de que la atracción gravitacional es más de mil veces más poderoso que nuestra propia expansión del Universo, está nos llevará a todos a separarnos.
Una gran colección de muchas miles de galaxias constituye nuestro más cercano vecindario, pero la Vía Láctea está a 100.000.000 de años luz. El cúmulo Virgo mismo permanecerá unido, pero la Vía Láctea continuará siguiendo la expansión alejándose de él en la medida en que el tiempo pase. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Andrew Z. Colvin.
Pero hay también cosas en la pequeña escala en las que la expansión ha estado afectando, al menos localmente. El cúmulo de Virgo mismo permanecerá unido gravitatoriamente. La Vía láctea y el grupo local de galaxias permanecerán juntas, y eventualmente podría fusionarse bajo su propia gravedad. La Tierra permanecerá orbitando al Sol a la misma distancia, la Tierra misma permanecerá del mismo tamaño, y los átomos que la constituyen no se expandirán. Por que? Debido a que la expansión del Universo solo afecta en donde ninguna otra fuerza – sea gravitatoria, electromagnética o nuclear – no tiene un efecto. Si alguna fuerza puede exitosamente mantener un objeto unido, incluso la expansión del Universo no puede realizar un cambio.
las órbitas de los,planetas en el sistema TRAPPIST-1 estaran inalterados durante la expansión del Universo, debido al elace de la fuerza de gravedad que sobrepasa cualquier efecto de la expansión. Crédito de la imagen: ESO/M. Gillon et al.
La razón para esto es sutil. Y esta relacionada con el hecho de que la expansión misma no es una fuerza, si no un índice. El espacio está expandiéndose en todas las escalas, pero la expansión solo afecta las cosas acumulativamente. Hay una cierta velocidad en la que el espacio se expandirá entre dos puntos, pero si esta velocidad es menor que la velocidad de escape entre dos objetos – si hay una fuerza amarrándolos – no hay un incremento en la distancia entre ellos. Y si n hay incremento en la distancia, tal impulso para expandirse no tiene efecto. En cualquier instante, es más que contrarrestado, y así este nunca tiene el efecto aditivo que se muestra entre los objetos que no están unidos. Como un resultado de esto, es estable, los objetos podrán sobrevivir sin cambios por la eternidad en un Universo expandiéndose.
Si esta unido por la gravedad, el electromagnetismo, o cualquier otra fuerza, los tamaños son estables, se mantendrán juntos, los objetos no cambiaran en la medida en que el Universo se expande. Si usted puede soportar la expansión cósmica usted permanecerá unido para siempre. Crédito de la imagen: NASA, of Earth and Mars to scale
Siempre que el Universo conserve sus propiedades que medimos hoy, este permanecerá para siempre_ La energía obscura puede existir y causa que las galaxias distantes aceleren alejándose de nosotros, pero el efecto de la expansión a través de distancias fijas nunca se incrementará. Solo en el caso de un “Big Rip” – gran desgarramiento – cósmico – cuya evidencia apunta lejos de nosotros, no a nosotros-- esta conclusión cambiará.
La fabrica del espacio mismo estará expandiéndose en todas partes, pero no tendrá un efecto medible en todo los objetos. Si alguna fuerza lo mantiene juntos lo suficientemente fuerte, la expansión del Universo no tendrá efecto en él. Es solo en las más grandes escalas del todo, donde las fuerzas de amarre entre los objetos es demasiado débil y será vencida por el indice de Hubble, y así la expansión lo afectará. Como el astrofísico Richard Price una vez lo propuso “Si su cintura se está expandiendo no le eche la culpa a la expansión del Universo.”
Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang.