Universo en expansión

Teoría del Universo en Expansión

Hay muchas pruebas que corroboran la teoría de un universo en expansión. Una prueba importante se obtuvo observando galaxias lejanas. Edwin Hubble observó en 1929 que los cuerpos celestes distantes en todas las direcciones, sin excepción, se alejaban de la Tierra. Descubrió que, a medida que aumentaba la distancia a la Tierra, ¡también aumentaba la velocidad de recesión! Esta observación ayuda a validar el modelo del universo en expansión.

Los cálculos realizados con modelos cosmológicos muestran que los puntos que hoy se encuentran a gran distancia entre sí estaban muy próximos hace 13.800 millones de años. Dos puntos del espacio que antes sólo estaban separados por 10 m poco después del big bang, ¡ahora estarían separados por miles de millones de años luz!

Fig. 2. Edwin Hubble demostró que los cuerpos celestes distantes se alejan de la Tierra. Esa observación confirmó la teoría del universo en expansión, Creative Commons

Causas del universo en expansión

En 1998, los investigadores informaron de que habían detectado la expansión cósmica con un nivel de precisión mejor que nunca y descubrieron que ¡la expansión se estaba acelerando! Esta aceleración sugiere que el universo se expande más rápidamente debido a un factor no identificado que actúa en contra de la gravedad. Este factor fue bautizado como "energía oscura". Contrariamente a su nombre, la energía oscura no está necesariamente relacionada con la materia oscura, aunque ninguna de las dos interactúa con el espectro electromagnético y, por tanto, no puede verse.

Mientras que la energía oscura separa las galaxias, la materia oscura las une. Ahora sabemos que el 68% del universo está formado por energía oscura, mientras que la materia oscura constituye el 27%. Además, el 5% restante del universo sólo está formado por la materia normal que conocemos.

La energía oscura

El Big Bang creó toda la materia y energía del universo. Las galaxias se formaron a partir de estos materiales. Desde el Big Bang, todas las galaxias se han ido alejando unas de otras. En condiciones normales, el ritmo de expansión no debería aumentar, sino ralentizarse debido a que la gravedad obliga a las galaxias a volver unas hacia otras y el universo debería encogerse. Como cuando una pelota lanzada al aire es frenada por la gravedad, invierte su dirección y vuelve a caer a la Tierra.

Las mediciones muestran que, en realidad, la velocidad de expansión del universo disminuyó hasta hace aproximadamente 5.000 millones de años, ¡y después, extrañamente, empezó a aumentar! La disminución inicial de la velocidad de expansión del universo puede atribuirse al efecto de la gravedad. Sin embargo, a medida que el universo se expande, el efecto de la fuerza de gravedad disminuye a medida que los objetos del universo se alejan.

Se ha sugerido la existencia de energía oscura para explicar este extraño aumento de la velocidad de expansión del universo. A diferencia de la gravedad, el efecto de la energía oscura no disminuye a medida que el universo se expande. El universo, por tanto, tiene una tasa de expansión creciente, ya que la energía oscura está haciendo que el universo acelere en su expansión más deprisa de lo que la fuerza de la gravedad puede compactarlo.

La energía oscura es un tipo de energía que se supone que es la razón por la que las galaxias se alejan unas de otras y el Universo se expande. Actualmente, incluso con tecnología avanzada, no podemos ver la energía oscura. Aún no comprendemos lo que es. Sin embargo, la mayoría de los astrónomos aceptan la existencia de la energía oscura porque, aunque no sea visible a simple vista, ¡su efecto sobre las galaxias y el cosmos sí puede observarse!

Modelo del Universo en expansión

Fig. 3. En la imagen, vemos cuatro escenarios para la expansión del universo. El tiempo transcurre en sentido ascendente y el cuadrado amarillo representa el presente. NASA/ESA

Los astrónomos desarrollaron simulaciones especulativas de la evolución futura del universo antes incluso de haber comprendido la energía oscura o de tener una estimación fiable de cuánta materia hay en el cosmos. Había cuatro escenarios, como se muestra en la imagen superior. En los cuatro casos, el cuadrado amarillo representa el presente y, en cada caso, la constante de Hubble es idéntica a su valor actual. La dirección vertical se utiliza para medir el tiempo. La tasa de crecimiento se ralentiza con el tiempo en los dos primeros universos de la izquierda, denominados universo desacelerador.

Cuando observamos el primer modelo desacelerador, vemos que la expansión acabará por ralentizarse, detenerse y retroceder, para finalmente implosionar. Según el físico John Wheeler, un big crunch significa que la materia, la energía, el espacio y el tiempo quedarían aplastados hasta desaparecer. Es lo contrario del Big Bang, es una implosión. Es el Big Crunch.

Además, el modelo del universo en reposo afirma que el universo se expande a un ritmo constante, que es la constante de Hubble. Por último, pero no por ello menos importante, según el modelo de universo acelerado de la extrema derecha (del que actualmente tenemos más pruebas), el universo se expande rápidamente ahora y lo hará para siempre.

Analogía del globo que se infla

Para comprender mejor la teoría del universo en expansión, veamos la analogía del globo que se infla.

Fig. 4. La analogía del globo hinchable es útil para explicar la teoría del universo en expansión. Sin embargo, sigue sin ser suficiente, ya que existen muchas discrepancias debido a la naturaleza de la expansión del globo. Pixabay

Gracias a los modelos cosmológicos actuales y a cuidadosas observaciones, sabemos que el Universo está acelerando su expansión. Esto puede hacer que la gente se pregunte en qué se está expandiendo el Universo. Porque eso es lo intuitivo: si inflas un globo y lo expandes, se expande dentro de la habitación en la que está. Si el Universo también se expande, debe estar expandiéndose hacia una habitación o espacio que lo contiene, ¿no?

Imagina que hay hormigas viviendo en un globo. El universo de estas hormigas consta de 2 dimensiones: Pueden ir adelante-atrás y derecha-izquierda; sin embargo, no pueden salir ni entrar de la superficie del globo. Si inflas el globo soplando aire en su interior, la distancia entre las dos hormigas de la superficie aumentará constantemente. Si estas hormigas se observaran mutuamente, se darían cuenta de que se alejan cada vez más la una de la otra, y nosotros, como observadores externos, podríamos observar y comprobar esta expansión.

El punto crítico aquí es que, aunque las hormigas de la superficie, como resultado de una observación cuidadosa, pueden comprender que su universo (la superficie del globo) se está expandiendo y pueden calcular correctamente el ritmo de esta expansión, no podrían comprender fácilmente por qué. (Porsupuesto, esta analogía no es perfecta, ya que un globo sigue siendo técnicamente un objeto tridimensional que se expande en un espacio tridimensional, a diferencia del universo en expansión). No te preocupes si todo esto te parece un poco confuso, ya que ni siquiera los científicos más brillantes comprenden realmente la ciencia de la cosmología.

Efectos del Universo en Expansión

• A medida que el Universo se expande, las galaxias se alejan más unas de otras. Cuanto más rápido se mueve una estrella o galaxia respecto al observador, mayor es su velocidad de alejamiento. Todas las demás galaxias (excepto unas pocas selectas que están lo bastante cerca de la Vía Láctea, donde la fuerza gravitatoria es fuerte) se alejan de nosotros.
• Cuando el calor y la energía se distribuyen uniformemente en el Universo debido a la expansión, se produce el "Gran Enfriamiento" o "Gran Congelación". La temperatura última y final del Universo apenas superará el cero absoluto, pero esto no ocurrirá hasta dentro de billones de años.
• Si la energía oscura acelera la expansión del universo, la distancia entre los cúmulos de galaxias aumentará a un ritmo más rápido. Los antiguos fotones entrantes (incluidos los rayos gamma) se estirarán hasta longitudes de onda extremadamente largas y energías bajas debido al corrimiento al rojo, lo que sería imposible de detectar incluso por los equipos más sensibles.
• A medida que el universo se expanda, se reducirá el número de galaxias capaces de producir nuevas estrellas. El suministro de gas y polvo necesario para la creación de estrellas se dispersará demasiado, con lo que la formación estelar disminuirá con el tiempo. El universo se oscurecerá gradual e inevitablemente a medida que las estrellas más viejas acaben muriendo.