Los números de Hubble. ¿Cómo se expande el universo?

Autor: 

Alexander Pérez Cabrera estudiante de la Universidad de La Habana
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19 Noviembre 2021
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Crédito de fotografía: 

tomado de https://www.xataka.com/espacio/esta-imagen-profunda-universo-tomada-espacio-hazana-instituto-astrofisica-canarias-iac

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Alexander Pérez Cabrera, estudiante del colegio universitario de la Universidad de La Habana en la especialidad de Física (mención en texto escrito en el concurso de divulgación científica “Físicamente hablando”.)

Muchos conocemos sobre la popular Teoría del Big Bang, la cual plantea que el universo surgió a partir de una concentración de toda la energía del universo en un espacio extremadamente reducido y esto provocó su sobrecalentamiento, lo que a su vez conllevó una gran explosión de donde surgió toda la materia y energía que da forma al cosmos hoy en día.

Si bien no se sabe exactamente cómo y por qué tuvo lugar el Big Bang, se tiene certeza de que ocurrió, ya que las observaciones realizadas durante todo el siglo XX y lo que va del XXI han arrojado una y otra vez que el universo se encuentra en expansión, lo cual es consecuencia directa de una explosión enorme. Pero, ¿qué ha permitido afirmar a los observadores que el universo se expande?

Las primeras observaciones

Edwin Hubble (1889–1953) trabajó gran parte de su vida en la astronomía observacional, en el Observatorio del Monte Wilson, donde se encontraba el telescopio más potente del mundo en aquel momento.

Hubble trabajaba observando las variables Cefeidas, estrellas que pulsan radialmente (contrayéndose y expandiéndose) con periodos comprendidos entre varios días y varios meses produciendo así cambios periódicos en su brillo. A partir de sus observaciones calculaba las distancias a estas estrellas. Sorprendentemente, estos objetos resultaron estar a distancias fuera de la Vía Láctea. Las variables Cefeidas se encuentran en lo que se pensaba en aquel momento eran nebulosas espirales y Hubble demostró que eran galaxias, incluso organizó un sistema de clasificación de galaxias que se emplea hoy en día: la secuencia de Hubble.

Corrimiento al rojo debido al efecto Doppler. Importante especificar que no es necesario que la longitud de onda se acerque al rojo o al azul para que ocurra el corrimiento. El corrimiento al rojo ocurre cuando la longitud de onda aumenta cualquiera que sea su valor y el corrimiento al azul consiste en justamente lo contrario. [3]

En la década de 1920 Hubble se dió cuenta de lo siguiente: mientras más alejados se encontraban los objetos, presentaban un mayor corrimiento al rojo [1], lo cual le permitió deducir, mediante un análisis a partir del fenómeno conocido como efecto Doppler, que había una dependencia lineal entre la distancia a una galaxia y la velocidad a la que se desplaza.

Las observaciones de Hubble concluyeron en el postulado de lo que en aquel momento se denominó Ley de Hubble: Mientras más alejadas se encuentren las galaxias unas de otras más rápido continúan alejándose. De esta manera quedó comprobado por primera vez que la Tierra se encuentra dentro de un universo en expansión.

En nuestros días esta máxima se conoce como Ley de Hubble-Lemaître para rendir honores al primero en teorizar la idea de un Big Bang y un universo en expansión, el sacerdote, matemático y físico belga Georges Lemaître (1894–1966), profesor de Física de la Universidad Católica de Lovaina. Los resultados observacionales de Hubble, a fin de cuentas, son una confirmación de la hipótesis de Lemaître.

¿Galaxias más rápidas que la luz?

Según la Teoría Especial de la Relatividad publicada en 1905 por Albert Einstein, una de las máximas fundamentales en la naturaleza es que la velocidad de la luz es un valor absoluto e insuperable por cualquier otro cuerpo que se mueva por las coordenadas del espacio-tiempo.

Sin embargo, según la Ley de Hubble-Lemaître, las galaxias se pueden alejar unas de otras a una velocidad indefinida, superando incluso la velocidad de la luz. ¿Contradice esto la Teoría Especial de la Relatividad? La respuesta es no.

Primeramente veamos que la Teoría General de la Relatividad, también publicada por Albert Einstein pero en 1915, predice naturalmente un universo en expansión (Einstein no era partidario de esta idea hasta que las observaciones de Hubble le convencieron de que así era, incluso visitó a Hubble en 1931 en su famoso viaje al Monte Wilson, para agradecerle por establecer las bases observacionales de la cosmología moderna).

Albert Einstein y Edwin Hubble. Einstein agradeció a Hubble por establecer las bases observacionales de la cosmología moderna [4]

La expansión métrica del espacio [2] explica que las galaxias no son las que se alejan entre sí, según sugiere la Ley de Hubble-Lemaître, sino que quien se expande no es más que el tejido del universo, el espacio-tiempo. O sea, las galaxias están contenidas en las coordenadas del espacio-tiempo, y son estas coordenadas las que se expanden y las galaxias lo hacen con ellas, tal como si el espacio-tiempo fuera la superficie de un globo que está siendo inflado y las galaxias fueran puntos dibujados en este globo (esta analogía es algo tosca, ya que hay que tener en cuenta que el globo tiene una superficie bidimensional mientras el espacio-tiempo es tetradimensional). En resumen, donde en un momento se mide una distancia determinada, en un momento posterior se mide una mayor distancia.

Las velocidades de las galaxias dentro de las coordenadas de espacio-tiempo, y de todos los cuerpos existentes en él, nunca superarán la velocidad de la luz, cumpliéndose así el postulado de la Teoría Especial de la Relatividad. Son las coordenadas de espacio-tiempo las que se alejan unas de otras a velocidades indefinidas.

La “constante” de Hubble

La formulación matemática de la Ley de Hubble-Lemaître puede ser dada por V(r)=Ho×r, donde V(r) es la velocidad de una galaxia medida desde un determinado punto, r es la distancia a dicho punto y Ho es la denominada constante de Hubble.

¿Qué significado tiene la constante de Hubble? En sus inicios fue considerada una constante de proporcionalidad en la formulación matemática de la Ley de Hubble-Lemaître. Sin embargo, los modelos cosmológicos relativistas en los que se basa el Big Bang sugieren que la constante de Hubble no es realmente una constante, sino un parámetro que varía lentamente con el tiempo. Por esta razón muchos autores se refieren a la constante de Hubble como parámetro de Hubble. Mediante las ecuaciones de la Teoría General de la Relatividad y los modelos de expansión métrica del espacio se demuestra que la constante de Hubble está matemáticamente relacionada con la edad del universo. Es decir, la constante de Hubble puede considerarse constante solo por un tiempo.

Durante el siglo XX una de las prioridades de la cosmología fue el cálculo de la constante de Hubble, asunto que ha generado muchos debates y discusiones. Los primeros cálculos realizados por el propio Hubble arrojaron un resultado simplemente inaceptable, ya que predecía que la edad del universo era menor que la edad de la Tierra. Muchos científicos de la segunda mitad del siglo XX han considerado que el valor numérico de Ho está entre 50 y 90 (km/s)/Mpc. Según las mediciones se han obtenido valores medios entre 50 y 90, por lo que el valor aproximado más aceptado es de 70 (km/s)/Mpc, lo cual significa que dos cuerpos alejados a un megapársec (3,26 millones de años luz) se alejan a una velocidad de 70 kilómetros por segundo.

Curiosamente, las mediciones que en la actualidad se consideran más precisas fueron las realizadas por el telescopio espacial Hubble en 2001, a partir de la radiación de fondo de microondas, midiendo un valor medio de 72 (km/s)/Mpc con una incertidumbre de 11 por ciento. En fin, a ambos Hubble, al científico y al telescopio, le debemos gran parte de nuestros conocimientos sobre el cosmos.

 

 

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