medición de expansión y cambio de velocidad de expansióneditar
cuando un objeto está retrocediendo, su luz se estira (corrido al rojo). Cuando el objeto se acerca, su luz se comprime (blueshifted).,
en principio, la expansión del universo podría medirse tomando una regla estándar y midiendo la distancia entre dos puntos cosmológicamente distantes, esperando un cierto tiempo, y luego midiendo la distancia nuevamente, pero en la práctica, las reglas estándar no son fáciles de encontrar en escalas cosmológicas y las escalas de tiempo sobre las cuales una expansión medible sería visible son demasiado grandes para ser observables incluso por múltiples generaciones de humanos. La expansión del espacio se mide indirectamente., La teoría de la relatividad predice fenómenos asociados con la expansión, notablemente la relación de corrimiento al rojo versus distancia conocida como la Ley de Hubble; formas funcionales para mediciones cosmológicas de distancia que difieren de lo que se esperaría si el espacio no se expandiera; y un cambio observable en la densidad de materia y energía del universo visto en diferentes tiempos retrospectivos.
la primera medida de la expansión del espacio vino con la realización del Hubble de la relación velocidad vs.corrimiento al rojo., Más recientemente, comparando el brillo aparente de velas estándar distantes con el corrimiento al rojo de sus galaxias anfitrionas, la tasa de expansión del universo se ha medido para ser H0 = 73.24 ± 1.74 (km/s)/Mpc. Esto significa que por cada millón de pársecs de distancia del observador, la luz recibida desde esa distancia es cosmológicamente desplazada al rojo por unos 73 kilómetros por segundo (160.000 mph). Por otro lado, asumiendo un modelo cosmológico, por ejemplo, el modelo Lambda-CDM, uno puede inferir la constante de Hubble del tamaño de las fluctuaciones más grandes vistas en el fondo cósmico de microondas., Una constante de Hubble más alta implicaría un tamaño característico más pequeño de las fluctuaciones del CMB, y viceversa. La colaboración de Planck mide la tasa de expansión de esta manera y determina H0 = 67.4 ± 0.5 (km/s)/Mpc. Hay un desacuerdo entre las dos mediciones, la escala de distancia es independiente del modelo y la medición del CMB depende del modelo ajustado, lo que sugiere una nueva física más allá de nuestros modelos cosmológicos estándar.
el parámetro Hubble no se cree que sea constante a través del tiempo. Hay fuerzas dinámicas que actúan sobre las partículas en el universo que afectan la tasa de expansión., Anteriormente se esperaba que el parámetro de Hubble disminuyera a medida que pasaba el tiempo debido a la influencia de las interacciones gravitacionales en el universo, y por lo tanto hay una cantidad observable adicional en el universo llamada el parámetro de desaceleración que los cosmólogos esperaban que estuviera directamente relacionado con la densidad de materia del universo. Sorprendentemente, el parámetro de desaceleración fue medido por dos grupos diferentes para ser menor que cero (en realidad, consistente con -1), lo que implicó que hoy en día el parámetro de Hubble converge a un valor constante a medida que pasa el tiempo., Algunos cosmólogos han llamado caprichosamente al efecto asociado con el » universo acelerado «el»tirón cósmico». El Premio Nobel de Física 2011 fue otorgado por el descubrimiento de este fenómeno.
en octubre de 2018, Los científicos presentaron una nueva tercera vía (dos métodos anteriores, uno basado en corrimientos al rojo y otro en la escala de distancia cósmica, dieron resultados que no están de acuerdo), utilizando información de eventos de ondas gravitacionales (especialmente aquellos que involucran la fusión de estrellas de neutrones, como GW170817), para determinar la constante de Hubble, esencial para establecer la tasa de expansión del universo.,
medir distancias en el espacio expandidoeditar
a escalas cosmológicas, el universo actual es geométricamente plano, lo que significa que las reglas de la geometría euclidiana asociadas con el quinto postulado de Euclides se mantienen, aunque en el pasado el espacio-tiempo podría haber sido altamente curvado. En parte para acomodar tales geometrías diferentes, la expansión del universo es inherentemente relativista general; no puede ser modelada solo con la relatividad especial, aunque tales modelos existen, están en contradicción fundamental con la interacción observada entre la materia y el espacio-tiempo vista en nuestro universo.,
Las imágenes de la derecha muestran dos vistas de diagramas de espacio-tiempo que muestran la geometría a gran escala del universo según el modelo cosmológico ΛCDM. Se omiten dos de las dimensiones del espacio, dejando una dimensión del espacio (la dimensión que crece a medida que el cono se hace más grande) y una del tiempo (la dimensión que procede «arriba» de la superficie del cono)., El extremo circular estrecho del diagrama corresponde a un tiempo cosmológico de 700 millones de años después del big bang, mientras que el extremo ancho es un tiempo cosmológico de 18 mil millones de años, donde se puede ver el comienzo de la expansión acelerada como un splaying hacia afuera del espacio-tiempo, una característica que finalmente domina en este modelo. Las líneas de cuadrícula púrpura marcan el tiempo cosmológico a intervalos de mil millones de años desde el big bang. Las líneas de cuadrícula cian marcan la distancia de comoving a intervalos de mil millones de años luz en la era actual (menos en el pasado y más en el futuro)., Tenga en cuenta que el rizado circular de la superficie es un artefacto de la incrustación sin significado físico y se hace puramente para hacer que la ilustración sea visible; el espacio en realidad no se enrolla alrededor de sí mismo. (Un efecto similar se puede ver en la forma tubular de la pseudosfera.)
la línea marrón en el diagrama es la línea del mundo de la tierra (o, en tiempos anteriores, de la materia que se condensó para formar la Tierra). La línea amarilla es la línea del mundo del Cuásar más distante conocido., La línea roja es la trayectoria de un haz de luz emitido por el cuásar hace unos 13 mil millones de años y que llega a la Tierra en la actualidad. La línea naranja muestra la distancia actual entre el cuásar y la Tierra, alrededor de 28 mil millones de años luz, que es, notablemente, una distancia mayor que la edad del universo multiplicada por la velocidad de la luz: ct.
de acuerdo con el principio de equivalencia de la relatividad general, las reglas de la relatividad especial son localmente válidas en pequeñas regiones del espacio-tiempo que son aproximadamente planas., En particular, la luz siempre viaja localmente a la velocidad c; En nuestro diagrama, esto significa, de acuerdo con la Convención de construir diagramas de espacio-tiempo, que los haces de luz siempre hacen un ángulo de 45° con las líneas de la cuadrícula local. No se deduce, sin embargo, que la luz viaja una distancia ct en un tiempo t, como ilustra la línea roja del mundo. Si bien siempre se mueve localmente en c, su tiempo en tránsito (aproximadamente 13 mil millones de años) no está relacionado con la distancia recorrida de ninguna manera simple, ya que el universo se expande a medida que el haz de luz atraviesa el espacio y el tiempo., De hecho, la distancia recorrida es inherentemente ambigua debido a la escala cambiante del universo. Sin embargo, podemos señalar dos distancias que parecen ser físicamente significativas: la distancia entre la Tierra y el cuásar cuando se emitió la luz, y la distancia entre ellos en la era actual (tomando un trozo del cono a lo largo de la dimensión que hemos declarado como la dimensión espacial)., La distancia anterior es de aproximadamente 4 mil millones de años luz, mucho más pequeña que ct porque el universo se expandió a medida que la luz viajaba la distancia, la luz tuvo que «correr contra la cinta de correr» y por lo tanto fue más lejos que la separación inicial entre la Tierra y el cuásar. La última distancia (mostrada por la línea naranja) es de aproximadamente 28 mil millones de años luz, mucho más grande que ct., Si la expansión pudiera detenerse instantáneamente hoy, tomaría 28 mil millones de años para que la luz viajara entre la Tierra y el cuásar, mientras que si la expansión se hubiera detenido en el momento anterior, habría tomado solo 4 mil millones de años.,
la luz tardó mucho más de 4 mil millones de años en llegar a nosotros, aunque fue emitida desde solo 4 mil millones de años luz de distancia, y, de hecho, la luz emitida hacia la Tierra en realidad se estaba alejando de la Tierra cuando se emitió por primera vez, en el sentido de que la distancia métrica a la Tierra aumentó con el tiempo cosmológico durante los primeros mil millones de años de su tiempo de viaje, y también lo que indica que la expansión del espacio entre la Tierra y el cuásar en los primeros tiempos era más rápida que la velocidad de la luz., Nada de este comportamiento sorprendente se origina de una propiedad especial de la expansión métrica, sino simplemente de principios locales de relatividad especial integrados sobre una superficie curva.
topología del espacio expandidoeditar
una representación gráfica de la expansión del universo desde el Big Bang hasta la actualidad, con la época inflacionaria representada como la expansión dramática de la métrica vista a la izquierda. Esta visualización puede ser confusa porque parece como si el universo se estuviera expandiendo en un espacio vacío preexistente con el tiempo., En cambio, la expansión creó, y continúa creando, todo el espacio y el tiempo conocidos.
con el tiempo, el espacio que compone el universo se está expandiendo. Las palabras «espacio» y «universo», a veces usadas indistintamente, tienen significados distintos en este contexto., Aquí ‘ espacio ‘es un concepto matemático que representa la variedad tridimensional en la que nuestras posiciones respectivas están incrustadas, mientras que’ universo ‘ se refiere a todo lo que existe, incluyendo la materia y la energía en el espacio, las extra-dimensiones que pueden estar envueltas en varias cuerdas, y el tiempo a través del cual tienen lugar varios eventos. La expansión del espacio se refiere solo a esta variedad 3-D; es decir, la descripción no involucra estructuras tales como dimensiones adicionales o un universo exterior.,
la topología última del espacio es a posteriori-algo que en principio debe observarse-ya que no hay restricciones que puedan simplemente razonarse (en otras palabras, no puede haber restricciones a priori) sobre cómo el espacio en el que vivimos está conectado o si se envuelve en sí mismo como un espacio compacto., Aunque ciertos modelos cosmológicos como el universo de Gödel incluso permiten líneas de mundo extrañas que se cruzan con ellos mismos, en última instancia, la pregunta de si estamos en algo como un «universo Pac-Man» donde si viajamos lo suficientemente lejos en una dirección nos permitiría simplemente terminar de vuelta en el mismo lugar como ir todo el camino alrededor de la superficie de un globo (o un planeta como la Tierra) es una pregunta observacional que está limitada como medible o no medible por la geometría global del universo., En la actualidad, las observaciones son consistentes con el universo siendo infinito en extensión y simplemente conectado, aunque estamos limitados en distinguir entre propuestas simples y más complicadas por horizontes cosmológicos., El universo podría ser infinito en extensión o podría ser finito; pero la evidencia que conduce al modelo inflacionario del universo temprano también implica que el «universo total» es mucho más grande que el universo observable, y por lo tanto cualquier borde o geometrías o topologías exóticas no serían directamente observables ya que la luz no ha alcanzado escalas en las que tales aspectos del universo, si existen, todavía están permitidos. A todos los efectos, es seguro asumir que el universo es infinito en extensión espacial, sin borde o conexión extraña.,
independientemente de la forma general del universo, la pregunta de en qué se está expandiendo el universo no requiere una respuesta de acuerdo con las teorías que describen la expansión; la forma en que definimos el espacio en nuestro universo de ninguna manera requiere espacio exterior adicional en el que pueda expandirse, ya que una expansión de una expansión infinita puede ocurrir sin cambiar la extensión infinita de la expansión. Todo lo que es cierto es que la variedad de espacio en el que vivimos simplemente tiene la propiedad de que las distancias entre los objetos se hacen más grandes a medida que pasa el tiempo., Esto solo implica las consecuencias observacionales simples asociadas con la expansión métrica explorada a continuación. No se requiere ningún» exterior » o incrustación en el hiperespacio para que ocurra una expansión. Las visualizaciones a menudo vistas del universo creciendo como una burbuja en la nada son engañosas en ese sentido. No hay razón para creer que hay algo «fuera» del universo en expansión en el que el universo se expande.,
incluso si la extensión espacial general es infinita y, por lo tanto, el universo no puede hacerse «más grande», todavía decimos que el espacio se está expandiendo porque, localmente, la distancia Característica entre los objetos está aumentando. A medida que crece un espacio infinito, permanece infinito.
densidad del Universo durante la expansióneditar
a pesar de ser extremadamente denso cuando era muy joven y durante parte de su expansión temprana, mucho más denso de lo que normalmente se requiere para formar un agujero negro, el universo no volvió a colapsar en un agujero negro., Esto se debe a que los cálculos comúnmente utilizados para el colapso gravitacional generalmente se basan en objetos de tamaño relativamente constante, como las estrellas, y no se aplican a un espacio en rápida expansión como el Big Bang.
efectos de la expansión en escalas pequeñaseditar
la expansión del espacio a veces se describe como una fuerza que actúa para separar los objetos. Aunque esta es una descripción precisa del efecto de la constante cosmológica, no es una imagen precisa del fenómeno de expansión en general.,
Animación de una expansión de pan de pasas modelo. Como el pan se duplica en anchura (profundidad y longitud), las distancias entre las pasas también se duplican.
además de ralentizar la expansión general, la gravedad causa la acumulación local de materia en estrellas y galaxias. Una vez que los objetos están formados y unidos por la gravedad, «abandonan» la expansión y no se expanden posteriormente bajo la influencia de la métrica cosmológica, no habiendo ninguna fuerza que los obligue a hacerlo.,
no hay diferencia entre la expansión inercial del universo y la separación inercial de objetos cercanos en un vacío; la primera es simplemente una extrapolación a gran escala de la segunda.
una vez que los objetos están unidos por la gravedad, ya no se alejan unos de otros. Por lo tanto, la galaxia de Andrómeda, que está unida a la galaxia de la Vía Láctea, en realidad está cayendo hacia nosotros y no se está expandiendo. Dentro del Grupo Local, las interacciones gravitacionales han cambiado los patrones inerciales de los objetos de tal manera que no hay expansión cosmológica teniendo lugar., Una vez que uno va más allá del grupo Local, la expansión inercial es medible, aunque los efectos gravitacionales sistemáticos implican que partes cada vez más grandes del espacio eventualmente caerán fuera del «flujo del Hubble» y terminarán como objetos atados, no en expansión hasta las escalas de supercúmulos de galaxias. Podemos predecir tales eventos futuros conociendo la forma precisa en que el flujo del Hubble está cambiando, así como las masas de los objetos a los que estamos siendo atraídos gravitacionalmente., Actualmente, el grupo Local está siendo atraído gravitacionalmente hacia el Supercluster Shapley o el «Gran Atractor» con el que, si la energía oscura no actuara, eventualmente nos fusionaríamos y ya no veríamos expandirse lejos de nosotros después de ese tiempo.
una consecuencia de la expansión métrica debido al movimiento inercial es que una «explosión» local uniforme de la materia en un vacío puede ser descrita localmente por la geometría FLRW, la misma geometría que describe la expansión del universo como un todo y también fue la base para el universo Milne más simple que ignora los efectos de la gravedad., En particular, la relatividad general predice que la luz se moverá a la velocidad c con respecto al movimiento local de la materia explosiva, un fenómeno análogo al arrastre de cuadros.
La situación cambia un poco con la introducción de la energía oscura o una constante cosmológica. Una constante cosmológica debido a una densidad de energía del vacío tiene el efecto de agregar una fuerza repulsiva entre objetos que es proporcional (no inversamente proporcional) a la distancia. A diferencia de la inercia, «tira» activamente de los objetos que se han agrupado bajo la influencia de la gravedad, e incluso de los átomos individuales., Sin embargo, esto no causa que los objetos crezcan constantemente o se desintegren; a menos que estén muy débilmente atados, simplemente se asentarán en un estado de equilibrio que es ligeramente (indetectablemente) más grande de lo que habría sido de otra manera. A medida que el universo se expande y la materia en él se adelgaza, la atracción gravitacional disminuye (ya que es proporcional a la densidad), mientras que la repulsión cosmológica aumenta; por lo tanto, el destino final del universo ΛCDM es un vacío cercano que se expande a un ritmo cada vez mayor bajo la influencia de la constante cosmológica., Sin embargo, el único efecto localmente visible de la expansión acelerada es la desaparición (por corrimiento al rojo) de galaxias distantes; objetos unidos gravitacionalmente como la Vía Láctea no se expanden y la galaxia de Andrómeda se está moviendo lo suficientemente rápido hacia nosotros que todavía se fusionará con la Vía Láctea en 3 mil millones de años, y también es probable que la supergalaxia fusionada que se forma finalmente caiga y se fusione con el cercano cúmulo de Virgo. Sin embargo, las galaxias que se encuentran más lejos de esto se alejarán a una velocidad cada vez mayor y se desplazarán hacia el rojo fuera de nuestro rango de visibilidad.,
expansión métrica y velocidad de la lighteditar
al final del período inflacionario temprano del universo, toda la materia y energía en el universo se estableció en una trayectoria inercial consistente con el principio de equivalencia y la teoría general de la relatividad de Einstein y es entonces cuando la forma precisa y regular de la expansión del universo tuvo su origen (es decir, la materia en el universo se está separando porque se separaba en el pasado debido al campo de inflaton).,
mientras que la relatividad especial prohíbe que los objetos se muevan más rápido que la luz con respecto a un marco de referencia local donde el espacio-tiempo puede ser tratado como plano e inmutable, no se aplica a situaciones donde la curvatura del espacio-tiempo o la evolución en el tiempo se vuelven importantes. Estas situaciones son descritas por la relatividad general, que permite que la separación entre dos objetos distantes aumente más rápido que la velocidad de la luz, aunque la definición de «distancia» aquí es algo diferente de la utilizada en un marco inercial., La definición de distancia utilizada aquí es la suma o integración de las distancias locales de comoving, todo hecho en el tiempo local apropiado constante. Por ejemplo, las galaxias que están más allá del radio del Hubble, aproximadamente a 4,5 gigaparsecs o 14,7 mil millones de años luz, lejos de nosotros tienen una velocidad de recesión que es más rápida que la velocidad de la luz. La visibilidad de estos objetos depende de la historia de expansión exacta del universo., La luz que se emite Hoy desde galaxias más allá del horizonte cosmológico de eventos más distante, alrededor de 5 gigaparsecs o 16 mil millones de años luz, nunca nos alcanzará, aunque todavía podemos ver la luz que estas galaxias emitieron en el pasado. Debido a la alta tasa de expansión, también es posible que una distancia entre dos objetos sea mayor que el valor calculado multiplicando la velocidad de la luz por la edad del universo. Estos detalles son una fuente frecuente de confusión entre los aficionados e incluso entre los físicos profesionales., Debido a la naturaleza no intuitiva del tema y lo que algunos han descrito como elecciones «descuidadas» de redacción, ciertas descripciones de la expansión métrica del espacio y los conceptos erróneos a los que tales descripciones pueden conducir son un tema de discusión en curso dentro de los campos de la educación y la comunicación de conceptos científicos.
factor de Escalaeditar
en un nivel fundamental, la expansión del universo es una propiedad de la medición espacial en las escalas medibles más grandes de nuestro universo., Las distancias entre puntos cosmológicamente relevantes aumentan a medida que pasa el tiempo, lo que lleva a efectos observables descritos a continuación. Esta característica del universo se puede caracterizar por un solo parámetro que se llama el factor de escala que es una función del tiempo y un solo valor para todo el espacio en cualquier instante (si el factor de escala fuera una función del espacio, esto violaría el principio cosmológico). Por convención, el factor de escala se establece como unidad en el momento presente y, debido a que el universo se está expandiendo, es más pequeño en el pasado y más grande en el futuro., La extrapolación en el tiempo con ciertos modelos cosmológicos dará lugar a un momento en que el factor de escala fue cero; nuestra comprensión actual de la cosmología establece este tiempo en 13.799 ± 0.021 millones de años atrás. Si el universo continúa expandiéndose para siempre, el factor de escala se acercará al infinito en el futuro. En principio, no hay razón para que la expansión del universo deba ser monótona y hay modelos en los que en algún momento en el futuro el factor de escala disminuye con una contracción concomitante del espacio en lugar de una expansión.,
otros modelos conceptuales de expansióneditar
la expansión del espacio a menudo se ilustra con modelos conceptuales que muestran solo el tamaño del espacio en un momento particular, dejando implícita la dimensión del tiempo.
en el «modelo de hormiga en una cuerda de goma» uno imagina una hormiga (idealizada como puntiaguda) arrastrándose a una velocidad constante sobre una cuerda perfectamente elástica que se estira constantemente., Si estiramos la cuerda de acuerdo con el factor de escala ΛCDM y pensamos en la velocidad de la hormiga como la velocidad de la luz, entonces esta analogía es numéricamente precisa: la posición de la hormiga a lo largo del tiempo coincidirá con la trayectoria de la línea roja en el diagrama de incrustación anterior.
en el «modelo de lámina de goma» se reemplaza la cuerda con una lámina de goma plana bidimensional que se expande uniformemente en todas las direcciones. La adición de una segunda dimensión espacial plantea la posibilidad de mostrar perturbaciones locales de la geometría espacial por curvatura local en la hoja.,
en el «modelo de globo» la hoja plana es reemplazada por un globo esférico que se infla a partir de un tamaño inicial de cero (que representa el big bang). Un globo tiene una curvatura gaussiana positiva, mientras que las observaciones sugieren que el universo real es espacialmente plano, pero esta inconsistencia puede eliminarse haciendo que el globo sea muy grande para que sea localmente plano dentro de los límites de la observación. Esta analogía es potencialmente confusa, ya que sugiere erróneamente que el big bang tuvo lugar en el centro del globo., De hecho, los puntos fuera de la superficie del globo no tienen ningún significado, Incluso si fueron ocupados por el globo en un momento anterior.
en el «modelo de pan de pasas» uno imagina una hogaza de pan de pasas expandiéndose en el horno. El pan (espacio) se expande como un todo, pero las pasas (objetos ligados gravitacionalmente) no se expanden; simplemente crecen más lejos el uno del otro.