29.1: La Era del Universo
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Describir cómo estimamos la edad del universo
- Explicar cómo los cambios en la tasa de expansión a lo largo del tiempo afectan las estimaciones de la edad del universo
- Describir la evidencia de que la energía oscura existe y que la tasa de expansión se está acelerando actualmente
- Describir alguna evidencia independiente de la edad del universo que sea consistente con la estimación de la edad basada en la tasa de expansión
Para explorar la historia del universo, seguiremos el mismo camino que los astrónomos siguieron históricamente—comenzando con estudios del universo cercano y luego explorando objetos cada vez más distantes y mirando más atrás en el tiempo.
La comprensión de que el universo cambia con el tiempo llegó en las décadas de 1920 y 1930 cuando se hicieron disponibles las mediciones de los corrimientos al rojo de una gran muestra de galaxias. En retrospectiva, es sorprendente que los científicos se sintieran tan impactados al descubrir que el universo se está expandiendo. De hecho, nuestras teorías de la gravedad exigen que el universo se esté expandiendo o contrayendo. Para mostrar lo que queremos decir, comencemos con un universo de tamaño finito, digamos una bola gigante de mil galaxias. Todas estas galaxias se atraen entre sí por su gravedad. Si inicialmente estuvieran estacionarios, inevitablemente comenzarían a acercarse más y eventualmente chocarían. Podrían evitar este colapso sólo si por alguna razón se estaban alejando el uno del otro a altas velocidades. De la misma manera, solo si se lanza un cohete a una velocidad lo suficientemente alta podrá evitar caer de nuevo a la Tierra.
El problema de lo que sucede en un universo infinito es más difícil de resolver, pero Einstein (y otros) utilizó su teoría de la relatividad general (que describimos en Agujeros Negros y Espacio-Tiempo Curvo) para demostrar que ni siquiera los universos infinitos pueden ser estáticos. Como los astrónomos en ese momento aún no sabían que el universo se estaba expandiendo (y el propio Einstein no estaba dispuesto filosóficamente a aceptar un universo en movimiento), cambió sus ecuaciones introduciendo un nuevo término arbitrario (podríamos llamarlo factor fudge) llamado la constante cosmológica . Esta constante representaba una hipotética fuerza de repulsión que podía equilibrar la atracción gravitacional en las escalas más grandes y permitir que las galaxias permanecieran a distancias fijas entre sí. De esa manera, el universo podría quedarse quieto.
Alrededor de una década después, Hubble, y sus compañeros de trabajo informaron que el universo se está expandiendo, por lo que no se necesita una misteriosa fuerza de equilibrio. (Lo discutimos en el capítulo sobre Galaxias.) Se informa que Einstein dijo que la introducción de la constante cosmológica fue “el mayor error de mi vida”. Como veremos más adelante en este capítulo, sin embargo, observaciones relativamente recientes indican que la expansión se está acelerando. Ahora se están realizando observaciones para determinar si esta aceleración es consistente con una constante cosmológica. En cierto modo, puede resultar que Einstein tenía razón después de todo.
Vea esta exhibición web sobre la historia de nuestro pensamiento sobre la cosmología, con imágenes y biografías, del Instituto Americano de Física Centro para la Historia de la Física.
El tiempo del Hubble
Si tuviéramos una película del universo en expansión y corriéramos la película hacia atrás, ¿qué veríamos? Las galaxias, en lugar de separarse, se moverían juntas en nuestra película, cada vez más cerca. Eventualmente, encontraríamos que toda la materia que podemos ver hoy se concentró alguna vez en un volumen infinitesimalmente pequeño. Los astrónomos identifican esta vez con el inicio del universo. La explosión de ese universo concentrado al principio de los tiempos se llama el Big Bang (no es un mal término, ya que no se puede tener un bang más grande que uno que crea el universo entero). Pero, ¿cuándo ocurrió esta explosión?
Podemos hacer una estimación razonable del tiempo transcurrido desde que comenzó la expansión universal. Para ver cómo hacen esto los astrónomos, comencemos con una analogía. Supongamos que tu clase de astronomía decide tener una fiesta (una especie de “Big Bang”) en la casa de alguien para celebrar el final del semestre. Desafortunadamente, todos están festejando con tanto entusiasmo que los vecinos llaman a la policía, que llegan y envían a todos lejos en el mismo momento. Llegas a casa a las 2 de la mañana, todavía algo molesto por la forma en que terminó la fiesta, y te das cuenta de que olvidaste mirar tu reloj para ver a qué hora llegó la policía. Pero usas un mapa para medir que la distancia entre la fiesta y tu casa es de 40 kilómetros. Y también recuerdas que manejaste todo el viaje a una velocidad constante de 80 kilómetros/hora (ya que estabas preocupado de que los carros de la policía te siguieran). Por lo tanto, el viaje debió haber realizado:
\[ \text{time} = \frac{\text{distance}}{\text{velocity}} = \frac{40 \text{ kilometers}}{80 \text{ kilometers/hour}} = 0.5 \text{ hours} \nonumber\]
Por lo que la fiesta debió haberse roto a la 1:30 horas.
No había humanos alrededor para mirar sus relojes cuando comenzó el universo, pero podemos usar la misma técnica para estimar cuándo las galaxias comenzaron a alejarse unas de otras. (Recuerda que, en realidad, es el espacio el que se está expandiendo, no las galaxias que se mueven a través del espacio estático). Si podemos medir qué tan lejos están las galaxias ahora, y qué tan rápido se mueven, podemos averiguar cuánto tiempo ha sido un viaje.
Llamemos a la edad del universo medida de esta manera T 0. Primero hagamos un caso simple asumiendo que la expansión ha estado a un ritmo constante desde que comenzó la expansión del universo. En este caso, el tiempo que ha tardado una galaxia en moverse una distancia, d, alejándose de la Vía Láctea (recordemos que al principio las galaxias estaban todas juntas en un volumen muy pequeño) es (como en nuestro ejemplo)
\[T_0=d/v \nonumber\]
donde\(v\) esta la velocidad de la galaxia. Si podemos medir la velocidad con la que se alejan las galaxias, y también las distancias entre ellas, podemos establecer cuánto tiempo hace que comenzó la expansión.
Hacer tales mediciones debería sonar muy familiar. Esto es justo lo que el Hubble y muchos astrónomos después de él necesitaban hacer para establecer la ley del Hubble y la constante del Hubble. Aprendimos en Galaxias que la distancia de una galaxia y su velocidad en el universo en expansión están relacionadas por
\[V=H \times d \nonumber\]
donde\(H\) está la constante del Hubble. Combinar estas dos expresiones nos da
\[T_0= \frac{d}{v} = \frac{d}{(H \times d)} = \frac{1}{H} \nonumber\]
Vemos, entonces, que el trabajo de calcular esta vez ya estaba hecho para nosotros cuando los astrónomos midieron la constante del Hubble. La edad del universo estimada de esta manera resulta ser solo la recíproca de la constante del Hubble (es decir, 1/\(H\)). Esta estimación de edad a veces se llama el tiempo del Hubble. Para una constante del Hubble de 20 kilómetros/segundo por millón de años luz, el tiempo del Hubble es de unos 15 mil millones de años. La unidad utilizada por los astrónomos para la constante del Hubble es de kilómetros/segundo por millón de pársecs. En estas unidades, la constante del Hubble es igual a unos 70 kilómetros/segundo por millón de pársecs, nuevamente con una incertidumbre de alrededor del 5%.
Para que los números sean más fáciles de recordar, aquí hemos hecho algunos redondeos. Las estimaciones para la constante del Hubble están en realidad más cerca de 21 o 22 kilómetros/segundo por millón de años luz, lo que haría que la edad se acercara a los 14 mil millones de años. Pero todavía hay alrededor de un 5% de incertidumbre en la constante del Hubble, lo que significa que la edad del universo estimada de esta manera también es incierta en alrededor del 5%.
Para poner en perspectiva estas incertidumbres, sin embargo, debes saber que hace 50 años, la incertidumbre era un factor de 2. En las últimas dos décadas se han logrado avances notables para fijar la constante del Hubble.
El papel de la desaceleración
El tiempo del Hubble es la edad adecuada para el universo solo si la tasa de expansión ha sido constante a lo largo del tiempo desde que comenzó la expansión del universo. Continuando con nuestra analogía de fin de semestre-partido, esto equivale a asumir que viajó a casa desde la fiesta a un ritmo constante, cuando en realidad tal vez no haya sido así. Al principio, enojado por tener que irte, es posible que hayas conducido rápido, pero luego a medida que te calmabas y pensabas en los autos de policía en la carretera, es posible que hayas comenzado a reducir la velocidad hasta que conducías a una velocidad más socialmente aceptable (como 80 kilómetros/hora). En este caso, dado que conducías más rápido al inicio, el viaje a casa habría tardado menos de media hora.
De la misma manera, al calcular el tiempo del Hubble, hemos asumido que H ha sido constante a lo largo de todo el tiempo. Resulta que esta no es una buena suposición. Anteriormente en su pensamiento sobre esto, los astrónomos esperaban que la tasa de expansión se estuviera desacelerando. Sabemos que la materia crea gravedad, por lo que todos los objetos tiran de todos los demás objetos. Se esperaba que la atracción mutua entre galaxias ralentizara la expansión a medida que pasaba el tiempo. Esto quiere decir que, si la gravedad fuera la única fuerza que actuaba (un gran si, como veremos en la siguiente sección), entonces la tasa de expansión debió haber sido más rápida en el pasado de lo que es hoy. En este caso, diríamos que el universo ha ido desacelerando desde sus inicios.
Cuánto se ha desacelerado depende de la importancia de la gravedad para ralentizar la expansión. Si el universo estuviera casi vacío, el papel de la gravedad sería menor. Entonces la desaceleración estaría cerca de cero, y el universo se habría ido expandiendo a un ritmo constante. Pero en un universo con alguna densidad significativa de materia, la atracción de la gravedad significa que la velocidad de expansión debería ser ahora más lenta de lo que solía ser. Si usamos la tasa actual de expansión para estimar cuánto tardaron las galaxias en alcanzar sus separaciones actuales, sobreestimaremos la edad del universo, así como quizás hayamos sobreestimado el tiempo que tardó en llegar a casa del partido.
Una aceleración universal
Los astrónomos pasaron varias décadas buscando evidencia de que la expansión se estaba desacelerando, pero no tuvieron éxito. Lo que necesitaban eran 1) telescopios más grandes para que pudieran medir los desplazamientos al rojo de galaxias más distantes y 2) una bombilla estándar muy luminosa (o vela estándar), es decir, algún objeto astronómico con luminosidad conocida que produce una enorme cantidad de energía y se puede observar a distancias de mil millones de años luz o más.
Recordemos que discutimos las bombillas estándar en el capítulo sobre Galaxias. Si comparamos lo luminosa que se supone que es una bombilla estándar y qué tan tenue se ve realmente en nuestros telescopios, la diferencia nos permite calcular su distancia. El corrimiento al rojo de la galaxia en la que se encuentra una bombilla así puede decirnos qué tan rápido se mueve en el universo. Así podemos medir su distancia y movimiento de forma independiente.
Estos dos requisitos finalmente se cumplieron en la década de 1990. Los astrónomos demostraron que las supernovas de tipo Ia (ver La muerte de las estrellas), con algunas correcciones basadas en las formas de sus curvas de luz, son bombillas estándar. Este tipo de supernova ocurre cuando una enana blanca acumula suficiente material de una estrella compañera para superar el límite de Chandrasekhar y luego colapsa y explota. En el momento del máximo brillo, estas supernovas dramáticas pueden eclipsar brevemente a las galaxias que las albergan, y por lo tanto, se pueden observar a distancias muy grandes. Se pueden utilizar telescopios grandes de 8 a 10 metros para obtener los espectros necesarios para medir los desplazamientos al rojo de las galaxias anfitrionas (Figura\(\PageIndex{2}\)).
El resultado de un estudio minucioso y cuidadoso de estas supernovas en una gama de galaxias, realizado por dos grupos de investigadores, se publicó en 1998. Fue impactante y tan revolucionario que su descubrimiento recibió el Premio Nobel de Física 2011. Lo que encontraron los investigadores fue que estas supernovas tipo Ia en galaxias distantes eran más débiles de lo esperado de la ley del Hubble, dados los desplazamientos al rojo medidos de sus galaxias anfitrionas. Es decir, las distancias estimadas a partir de las supernovas utilizadas como bulbos estándar no coincidieron con las distancias medidas desde los desplazamientos al rojo.
Si el universo estuviera desacelerando, esperaríamos que las supernovas lejanas fueran más brillantes de lo esperado. La desaceleración los habría mantenido más cerca de nosotros. En cambio, estaban más desmayados, lo que al principio parecía no tener sentido.
Antes de aceptar este impactante desarrollo, los astrónomos exploraron primero la posibilidad de que las supernovas no fueran realmente tan útiles como las bombillas estándar como pensaban. Quizás las supernovas parecían demasiado débiles porque el polvo a lo largo de nuestra línea de visión les absorbió parte de su luz. O quizás las supernovas a grandes distancias fueron por alguna razón intrínsecamente menos luminosas que las supernovas cercanas de tipo Ia.
Una serie de observaciones más detalladas descartaron estas posibilidades. Luego, los científicos tuvieron que considerar la alternativa de que la distancia estimada desde el desplazamiento al rojo fuera incorrecta. Las distancias derivadas de los desplazamientos al rojo suponen que la constante del Hubble ha sido verdaderamente constante para todos los tiempos. Vimos que una forma en que podría no ser constante es que la expansión se está desacelerando. Pero supongamos que ninguna suposición es correcta (velocidad constante o desaceleración).
Supongamos, en cambio, que el universo se está acelerando. Si el universo se está expandiendo más rápido ahora que hace miles de millones de años, nuestro movimiento lejos de las supernovas distantes se ha acelerado desde que ocurrió la explosión, barriéndonos más lejos de ellas. La luz de la explosión tiene que recorrer una distancia mayor para llegar a nosotros que si la tasa de expansión fuera constante. Cuanto más viaja la luz, más leve aparece. Esta conclusión explicaría las observaciones de supernova de manera natural, y esto ahora ha sido fundamentado por muchas observaciones adicionales a lo largo de las últimas dos décadas. Realmente parece que la expansión del universo se está acelerando, noción tan inesperada que los astrónomos al principio se resistieron a considerarla.
¿Cómo puede acelerarse la expansión del universo? Si quieres acelerar tu auto, debes suministrar energía pisando el gas. De igual manera, se debe suministrar energía para acelerar la expansión del universo. El descubrimiento de la aceleración fue impactante porque los científicos aún no tienen idea de cuál es la fuente de la energía. Los científicos llaman a lo que sea que sea energía oscura, lo cual es una clara señal de lo poco que la entendemos.
Obsérvese que este nuevo componente del universo no es la materia oscura de la que hablamos en capítulos anteriores. La energía oscura es otra cosa que tampoco hemos detectado todavía en nuestros laboratorios de la Tierra.
¿Qué es la energía oscura? Una posibilidad es que sea la constante cosmológica, que es una energía asociada al vacío del espacio “vacío” mismo. La mecánica cuántica (la intrigante teoría de cómo se comportan las cosas a nivel atómico y subatómico) nos dice que la fuente de esta energía de vacío podría ser pequeñas partículas elementales que parpadean dentro y fuera de la existencia en todas partes del universo. Se han hecho diversos intentos para calcular qué tan grandes deberían ser los efectos de esta energía de vacío, pero hasta ahora estos intentos no han tenido éxito. De hecho, ¡el orden de magnitud de las estimaciones teóricas de la energía de vacío basadas en la mecánica cuántica de la materia y el valor requerido para dar cuenta de la aceleración de la expansión del universo difieren en un factor increíble de al menos 10120 (es decir, un 1 seguido de 120 ceros)! Se han sugerido otras diversas teorías, pero la conclusión es que, aunque hay pruebas convincentes de que existe la energía oscura, aún no conocemos la fuente de esa energía.
Sea cual sea la energía oscura, debemos señalar que el descubrimiento de que la tasa de expansión no ha sido constante desde el inicio del universo complica el cálculo de la edad del universo. Curiosamente, la aceleración parece no haber comenzado con el Big Bang. Durante los primeros miles de millones de años después del Big Bang, cuando las galaxias estaban muy juntas, la gravedad fue lo suficientemente fuerte como para frenar la expansión. A medida que las galaxias se alejaban, el efecto de la gravedad se debilitaba. Varios miles de millones de años después del Big Bang, la energía oscura se hizo cargo, y la expansión comenzó a acelerarse (Figura\(\PageIndex{3}\)).
La desaceleración trabaja para hacer que la edad del universo estimada por la relación simple\(T_0 = 1/H\) parezca más antigua de lo que realmente es, mientras que la aceleración funciona para que parezca más joven. Por feliz coincidencia, nuestras mejores estimaciones de cuánta desaceleración y aceleración ocurrieron conducen a una respuesta para la edad muy cercana a\(T_0 = 1/H\). La mejor estimación actual es que el universo tiene 13.800 millones de años con una incertidumbre de sólo unos 100 millones de años.
A lo largo de este capítulo, nos hemos referido a la constante del Hubble. Ahora sabemos que la constante del Hubble sí cambia con el tiempo. Es, sin embargo, constante en todas partes del universo en un momento dado. Cuando decimos que la constante del Hubble es de unos 70 kilómetros/segundo/millón de pársecs, queremos decir que este es el valor de la constante del Hubble en el momento actual.
Comparando edades
Ahora tenemos una estimación para la edad del universo a partir de su expansión. ¿Esta estimación es consistente con otras observaciones? Por ejemplo, ¿las estrellas más antiguas u otros objetos astronómicos son menores de 13.800 millones de años? Después de todo, el universo tiene que ser al menos tan antiguo como los objetos más antiguos del mismo.
En nuestra Galaxia y otras, las estrellas más antiguas se encuentran en los cúmulos globulares (Figura\(\PageIndex{4}\)), los cuales se pueden fechar utilizando los modelos de evolución estelar descritos en el capítulo Estrellas de la Adolescencia a la Vejez.
La precisión de las estimaciones de edad de los cúmulos globulares ha mejorado notablemente en los últimos años por dos razones. Primero, se han mejorado los modelos de interiores de estrellas de cúmulo globular, principalmente a través de una mejor información sobre cómo los átomos absorben la radiación a medida que avanzan desde el centro de una estrella hacia el espacio. En segundo lugar, las observaciones de los satélites han mejorado la precisión de nuestras mediciones de las distancias a estos clústeres. La conclusión es que las estrellas más antiguas se formaron hace unos 12 a 13 mil millones de años.
Esta estimación de edad ha sido confirmada recientemente por el estudio del espectro del uranio en las estrellas. El isótopo uranio-238 es radiactivo y se descompone (se transforma en otro elemento) con el tiempo. (El uranio-238 obtiene su designación porque tiene 92 protones y 146 neutrones.) Sabemos (por cómo las estrellas y las supernovas hacen elementos) cuánto uranio-238 se hace generalmente en comparación con otros elementos. Supongamos que medimos la cantidad de uranio en relación con elementos no radiactivos en una estrella muy antigua y en nuestro propio Sol, y comparamos las abundancias. Con esos datos, podemos estimar cuánto más tiempo ha estado descomponiéndose el uranio en la estrella muy vieja porque sabemos por nuestro propio Sol cuánto se descompone el uranio en 4.5 mil millones de años.
La línea de uranio es muy débil y difícil de distinguir incluso en el Sol, pero ahora se ha medido en una estrella extremadamente vieja usando el Telescopio Europeo Muy Grande (Figura\(\PageIndex{5}\)). Comparando la abundancia con la del sistema solar, cuya edad conocemos, los astrónomos estiman que la estrella tiene 12.5 mil millones de años, con una incertidumbre de alrededor de 3 mil millones de años. Si bien la incertidumbre es grande, este trabajo es una confirmación importante de las edades estimadas por estudios de las estrellas del cúmulo globular. Obsérvese que la estimación de la edad del uranio es completamente independiente; no depende ni de la medición de distancias ni de modelos de los interiores de las estrellas.
Como veremos más adelante en este capítulo, las estrellas del cúmulo globular probablemente no se formaron hasta que la expansión del universo había estado en marcha durante al menos unos cientos de millones de años. En consecuencia, sus edades son consistentes con la edad de 13.8 mil millones de años estimada a partir de la tasa de expansión.
Resumen
La cosmología es el estudio de la organización y evolución del universo. El universo se está expandiendo, y este es uno de los puntos de partida observacionales clave para las teorías cosmológicas modernas. Las observaciones modernas muestran que la tasa de expansión no ha sido constante a lo largo de la vida del universo. Inicialmente, cuando las galaxias estaban muy juntas, los efectos de la gravedad fueron más fuertes que los efectos de la energía oscura, y la tasa de expansión se ralentizó gradualmente. A medida que las galaxias se alejaban, la influencia de la gravedad en la tasa de expansión se debilitó. Las mediciones de supernovas distantes muestran que cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, la energía oscura comenzó a dominar la velocidad de expansión y provocó que se acelerara. Para estimar la edad del universo, debemos permitir cambios en la tasa de expansión. Después de permitir estos efectos, los astrónomos estiman que toda la materia dentro del universo observable se concentró en un volumen extremadamente pequeño hace 13.800 millones de años, una vez que llamamos el Big Bang.
Glosario
- Big Bang
- la teoría de la cosmología en la que la expansión del universo comenzó con una explosión primitiva (de espacio, tiempo, materia y energía)
- constante cosmológica
- el término en las ecuaciones de relatividad general que representa una fuerza repulsiva en el universo
- cosmología
- el estudio de la organización y evolución del universo
- energía oscura
- la energía que está provocando que se acelere la expansión del universo; su existencia se infiere de observaciones de supernovas distantes