Por qué el Universo es mayor de lo que piensas

Por Arturo Quirantes, el 11 octubre, 2016. Categoría(s): Astronomía

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Mira, no creo que hayan hecho noventa mil millones de años-luz para venir aquí a pelear

Cuando el capitán Steven Hiller intentó calmar a su novia en Independence Day con esas palabras, muchos aficionados a la astronomía pusieron el grito en el cielo. ¿Cómo es eso posible un tamaño tan grande si el Universo sólo tiene 13.800 millones de años de edad? Velocidad es igual a distancia dividido por tiempo, así que los fotones que conforman el Universo que vemos sólo pueden haber recorrido 13.800 millones de años-luz y el capitán Hiller es un cateto ignorante, ¿verdad?

Bueno, resulta que es algo más complicado.

Lo primero que hemos de tener en cuenta es que, en realidad, las galaxias no están alejándose de nosotros porque una gran explosión las haya lanzado gran velocidad. Lo que hizo el Big Bang fue expandir el propio espacio. Inevitablemente nos hemos de remitir al típico ejemplo bidimensional. Imaginemos que las galaxias son puntitos pintados con rotulador sobre la superficie de un globo. Conforme inflamos el globo los puntitos se alejan entre sí, y una bacteria astrofísica (o quizá globofísica) en uno de esos puntitos vería que los demás puntitos se alejan de él tanto más rápido cuanto más lejos se encuentren.

Ahora imaginemos que la velocidad de la luz en ese universo globo es de un milímetro por hora. Mediciones cuidadosas de la constante de Hubble arrojan un valor de diez horas para la edad del globo. Eso sitúa el diámetro del universo observable por las bacterias en diez milímetros. Pero el globo puede ser mucho más grande. Lo que resulta es que hay zonas que las bacterias astrofísicas no pueden observar porque se encuentran demasiado lejos.

En nuestro Universo sucede algo similar. Una galaxia emite luz en un momento dado, y mil millones de años después la detectamos nosotros, pero para entonces la expansión del Universo ha alejado esa galaxia de nosotros, digamos cien millones de años-luz más. Eso significa que la distancia de la galaxia a nosotros es igual a 1.100 millones de años-luz. Tenemos, por tanto, que tener en cuenta la expansión del Universo.

Al principio se creyó que el Universo se iban expandiendo de forma más o menos uniforme, pero resulta que no. Al comienzo hubo un intervalo de tiempo llamado época inflacionaria, de una brevedad extrema, en la que el espacio aumentó en 26 órdenes de magnitud: es decir, se hizo cien millones de millones de millones de millones de veces mayor. Luego la expansión del Universo se frenó, y hará unos 5-6 mil millones de años volvió a acelerarse. Es decir, no solamente el Universo sigue creciendo de tamaño, sino que esa expansión es cada vez más rápida. El responsable de esta aceleración es algo que no sabemos que es, así que lo llamamos energía oscura.

¿Podemos calcular todo ese efecto de expansión para corregir los datos y averiguar dónde está el límite del Universo que podemos ver? En principio sí, pero no es nada fácil, porque esto ya no es el típico problema de “dos trenes salen de sendas estaciones, uno a 100 km/h y el otro…” Permítame darle unas pinceladas.

En principio, para saber si un objeto se aleja o acerca de nosotros utilizamos el llamado desplazamiento al rojo, denotado con la letra z y que llamaré “redshift” por su nombre en inglés (no es que yo sea anglófilo, es que así escribo menos). El valor z viene determinado experimentalmente por la diferencia relativa entre la frecuencia emitida y la observada. Es decir, si la frecuencia en el sonido una ambulancia que se va varía en un 10% respecto a su valor en reposo, tendríamos un redshift z de 0,1. Como esas frecuencias están relacionadas con las velocidades de la onda y de la fuente, podemos a partir de ahí obtener la velocidad del objeto que produce la onda. Eso es lo que hace la DGT para averiguar la velocidad de los coches y, en su caso, poner multas por exceso de velocidad.

Cuando estamos en el caso relativista, más concretamente en el relativista especial, la relación redshit-velocidad es más compleja, pero no mucho, sólo hay que currárselo un poquito más. Valores de z que tienden a infinito darían velocidades para el objeto emisor (por ejemplo, una galaxia que emite luz) cada vez más cercanas a la de la luz. La cosa se complica más a poco que pensemos un poco. Por ejemplo, cuando z nos proporciona la velocidad de la galaxia, ¿esa velocidad es la que tenía la galaxia cuando emitió los fotones, o cuando éstos llegaron hasta nosotros? ¿Y qué pasa si entre la galaxia y nosotros hay otros objetos, o si el campo gravitatorio cambia fuertemente? Hay que recordar que vivimos en un Universo regido por la relatividad general

Puede darse incluso el caso de que la galaxia se aleje de nosotros con una velocidad superior a la de la luz, ya que esa “velocidad” se debe no a que la galaxia se mueva realmente, sino a que el propio espacio se va expandiendo. Volviendo al ejemplo del universo globo, supongamos que las bacterias determinan que la velocidad máxima de los cuerpos con masa es de medio milímetro por hora. De repente una bacteria astrofísica mide dos puntitos en el globo y concluye que éstos se están alejando a un milímetro por hora. ¡El límite de la velocidad de la luz se ha violado!

En realidad no es así, porque una cosa es lo que hacen las partículas en el globo y otra cosa es lo que hace el globo en sí. Esto es algo difícil de asumir, ya que estamos acostumbrados a que el espacio es algo inmutable e inamovible, algo así como el teatro en el que suceden los acontecimientos. Lo que Einstein nos vino a decir es que, por el contrario, el espacio es un actor en la obra, cambiando de forma y tamaño según la distribución de masa del Universo.

Si cree usted que meterse a estudiar Relatividad General hará que le estalle la cabeza tranquilo, ya somos dos. Felizmente hay gente muy lista que lo hace, y ellos nos pueden hacer los cálculos pertinentes. Los datos observacionales más recientes fueron proporcionados por la sonda Planck, diseñada para cartografiar la radiación cósmica de microondas. Se trata de la primera luz que podemos ver, de modo que resulta útil para determinar el tamaño del Universo. A partir de ahí, se ha calculado un radio para el Universo observable de unos 46.000 millones de años, es decir, 92.000 millones para su diámetro. Y eso lo que podemos ver, que lo mismo la parte inobservable es mucho mayor.

Eso significa que el capitán Stephen Hiller tenía razón en parte cuando intentaba calmar a su novia. Me refiero al tamaño del Universo. En principio los alienígenas podían haber recorrido 90.000 millones de años-luz para llegar hasta aquí, aunque no entiendo por qué hacer un viaje tan largo habiendo tantas galaxias en el camino. Por supuesto, se equivocó en lo de pelear, pero por fortuna eso también tiene arreglo. Basta con una nave capturada, un virus de ordenador y un par de puros para convencer a los invasores de que les conviene quedarse en el otro rincón del Universo. Con la Tierra no se juega.



Por Arturo Quirantes, publicado el 11 octubre, 2016
Categoría(s): Astronomía

 

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