¿Se puede ver la película de la expansión cósmica?
Avi Loeb afirma que en una o dos décadas podremos deducir la expansión cósmica en tiempo real y ver cómo ha cambiado y cambia en el tiempo.
|
Avi Loeb está últimamente en medio de la polémica desde que le ha dado por defender posturas indefendibles, como que Oumuamua sea una nave alienígena. También ha publicado recientemente un libro en el que se mete gratuitamente contra mucha gente del mundo de la investigación. Pero antes de estas veleidades, este astrofísico tenía una buena reputación.
Ahora, este investigador tiene una sección fija en Scientific American y el otro día publicó un artículo interesante sobre la posibilidad de observar la expansión cósmica en tiempo real.
Como todos sabemos, el Universo está en expansión y esto empezó con el Big Bang. Las galaxias se alejan unas de otras y lo podemos observar a través de la ley de Hubble. La velocidad a la que las galaxias se alejan de nosotros es proporcional a la distancia a la que se encuentran. Cuando más lejos están, a más velocidad se alejan de nosotros. Además, debido a la expansión, la luz emitida por las galaxias, cuando viaja hacia nosotros, sufre un corrimiento al rojo, un alargamiento de la longitud de onda que nos permite, precisamente, ver la ley de Hubble.
Como dice Loeb, lo que observamos del Universo se asemeja a una excavación arqueológica esférica centrada en nosotros. Debido a la velocidad finita de la luz, cuanto más profundo miramos en el espacio, cuanto más lejos miramos, más antigua es la capa que descubrimos. De este modo, un telescopio potente nos permite mirar más atrás en el tiempo y es similar a una máquina del tiempo que nos da imágenes antiguas de fuentes distantes que se muestran tal y cómo se veían hace un tiempo cuando se emitió su luz.
Pero, en definitiva, lo que tenemos son instantáneas de una película en la que el Universo se expande a lo largo del tiempo cósmico. En principio, si dejamos que pase tiempo, veremos la misma fuente en una edad posterior. ¿Se puede observar ese efecto?
Además tenemos el fondo cósmico de radiación, la luz que se liberó a los 400 000 años tras el Big Bang y cuya longitud de onda ha sido alargada ahora hasta la gama de las microondas. Pero este fondo cósmico de microondas (FCM) cambia con el tiempo. Es decir, las propiedades de este fondo varían. ¿Podemos notar con nuestros instrumentos las pequeñas variaciones asociadas a lo largo de las décadas si vigilamos bien el FCM?
El problema es que este cambio cósmico ocurre muy lentamente, pues se da en una escala de tiempo que es cien millones de veces más larga que una vida humana. En principio, sólo vemos fotogramas de una película a cámara muy lenta, pero, ¿podríamos ver la película si esperamos el tiempo suficiente? Allan Sandage razonó en 1962 que sería muy difícil medir tales cambios a través de observaciones de galaxias distantes a lo largo de las décadas de carrera de un astrónomo.
Loeb propuso en un artículo de 1998 que sí se podría ver la evolución en la tasa de expansión de los objetos a distancias cosmológicas.
Para ello propuso la observación de quasares, que son centros galácticos muy energéticos y brillantes que están muy lejos de nosotros o, lo que es lo mismo, que se formaron al principio del universo.
La línea de visión que tenemos hasta esos objetos distantes atraviesa numerosas nubes de hidrógeno. Cada una de estas nubes imprime una característica concreta de absorción en el espectro (la correspondiente a la transición Lyman-alfa del hidrógeno) observado de la luz proveniente quasar en un tiempo cósmico distinto. En el espectro de un objeto así hay un bosque de lineas espectrales de absorción y cada una de esas lineas proporciona distintos corrimientos al rojo medidos a lo largo de cada línea de visión. Esto ofrece una muestra estadística mucho mejor para medir la pequeña deriva del corrimiento al rojo en cada época cósmica. Es decir, cómo ha cambiado la expansión del Universo a lo largo del tiempo.
«Al vigilar las ligeras desviaciones en los muchos corrimientos al rojo marcados por el rico bosque de líneas de absorción durante un período de décadas, uno podría potencialmente detectar la evolución de la tasa de expansión del universo en tiempo real», dice Loeb.
Este cambio de velocidad está ahora justo por debajo de la sensibilidad de los mejores espectroscopios, los mismos que se usan para detectar planetas mediante velocidad radial por Doppler. Pero esto podría mejorar y permitirnos medir el efecto.
Si finalmente tenemos espectroscopios aún más sensible y observamos la luz de los quasares durante unas décadas podremos ver cómo cambia la expansión en el tiempo. Una disminución en las velocidades de recesión de los sistemas que absorben luz y que se encuentran en esa línea de visión de los quasares implicaría una desaceleración cósmica, mientras que el crecimiento temporal implicaría una aceleración cósmica.
Durante la primera mitad de la historia del universo, la tasa de expansión cósmica se ralentizó debido a la atracción gravitatoria. Pero durante la segunda mitad, la radiación y la materia se diluyeron tanto que la «energía oscura» del vacío dominó y la expansión cósmica fue acelerada por la fuerza repulsiva del vacío.
«Al vigilar la expansión cósmica en tiempo real, podemos observar la desaceleración temprana en corrimientos al rojo altos y la aceleración tardía en corrimientos al rojo bajos», dice Loeb. Añade, además, que la transición entre las dos fases permitiría calibrar otros parámetros cosmológicos, como la proporción de materia oscura.
El estudio de este efecto puede proporcionar una visión directa de cómo se expande el Universo como si lo estuviéramos viendo en una sala de cine y esto debería de ser sería factible con los espectrógrafos de alta resolución planificados para la próxima generación de telescopios terrestres extremadamente grandes (ver imagen infográfica de cabecera) que estarán disponibles en una o dos décadas.
«Todo lo que nos rodea cambia, incluido el universo en general, y debemos adaptarnos sin cesar a nuevas circunstancias, incluida la soledad cósmica como resultado de la expansión acelerada», finaliza Loeb.
Copyleft: atribuir con enlace a https://neofronteras.com
Fuentes y referencias:
Artículo de Loeb en Scientific American
Preprint en ArXiv.
Imagen: ESO.
18 Comentarios
RSS feed for comments on this post.
Lo sentimos, esta noticia está ya cerrada a comentarios.
martes 11 mayo, 2021 @ 1:33 pm
Muy interesante don Neo, gracias por el artículo. Y muy contento de que la referencia al paper de Sandage que aporté hace año y medio en un comentario de https://neofronteras.com/?p=6391 haya resultado útil.
Saludos.
viernes 14 mayo, 2021 @ 5:47 pm
Gracias, Albert. Es que esta entrada la he puesto por usted, dada una conversación que tuvimos hace tiempo sobre este tema y de cuyas referencias no me acordaba. Al final es menos dramático de lo que yo creía, la verdad.
sábado 15 mayo, 2021 @ 11:48 am
Pues muchas gracias don Neo. A mí también se me quedó el gusanillo después de aquella conversación, seguí buscando y hace poco encontré en la página 33 de la Tesis Doctoral de la famosa Dra. Tamara M. Davies (2004) el pequeño capítulo titulado “Cosmological redshift evolution” que da las ecuaciones de cálculo y nombra tanto el artículo de Sandage de 1962 como éste de Loeb de 1998.
Tamara, también nombra ahí como bibliografía el interesante artículo de 1980 de Roland Rudiger “Time dependence of the cosmological redshift in Friedmann universes”
Yo me enteré de este tema gracias a aquella conversación en Neofronteras de octubre de 2018 y entonces me pareció una idea completamente impracticable a corto/medio plazo. Sin embargo hoy ya no estoy tan seguro de que sea una quimera: la óptica adaptativa de los nuevos telescopios gigantes en construcción E-ELT o Giant Magellan Telescope promete maravillas y tal vez sí pueden acortar el tiempo de espera entre 2 observaciones significativas, de miles de años como decía Sandage a un par o tres de décadas. He incluso tal vez menos si se usa interferometría de amplia base en los grandes arrays de radiotelescopios en construcción, tipo S.K.A.
En 2018 don Neo era más optimista que yo, ahora creo que hemos girado las tornas y soy yo el optimista :)
El enlace a la tesis de la Dra. Davies es:
https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0402278.pdf
Saludos.
lunes 17 mayo, 2021 @ 3:33 am
¡Menudo arxiv, amigo don Albert!, no apto para aspirantes a aficionados, así que enseguida he bajado hasta las conclusiones y, si no me he liado del todo, serían soluciones dentro del marco de la Relatividad, ¿o lo he entendido mal?
Saludos y abrazos.
lunes 17 mayo, 2021 @ 8:50 am
Sí Miguel Angel, la ciencia que llamamos Cosmología Física (la ciencia que estudia el origen y la evolución del universo en el marco de la Física) se basa en:
(1) Las Ecuaciones de Campo de la Relatividad General.
(2) El Principio Cosmológico: a gran escala el Universo es homogéneo e isótropo.
La restricción que (2) impone en (1) permite obtener
(3) las Ecuaciones de Friedman, (una pareja de ecuaciones diferenciales)
Las soluciones de las Ecuaciones de Friedman para diferentes densidades de masa y de energía conducen a distintos modelos cosmológicos.
Finalmente, la observación astronómica nos permite decidir, de entre los diversos modelos posibles, cuál es el que más concuerda con esas observaciones. Al modelo más concordante se le llama Modelo ΛCDM (Lambda-Cold-Dark-Matter)
Eso es así porque en el momento actual del universo, a 13 787 millones de años desde el inicio, los parámetros dominantes en la expansión son, Lambda por la constante cosmológica y CDM por la Materia Oscura: la contribución de esos 2 parámetros constituye el 95% del contenido energético del universo, quedando solo el ~5% para la suma de la contribución de la materia normal y la energía electromagnética.
Saludos.
jueves 20 mayo, 2021 @ 10:56 am
A mí el Principio Cosmológico no me satisface, porque solo podría cumplirse si el universo es infinito; no si tiene límites en las tres dimensiones espaciales y no me atrevo a incluir la temporal. Por ejemplo una gran plato de lentejas en el cual digamos que la escala es la lenteja, en las proximidades de una de ellas, podemos considerar que es homogéneo e isótropo, pero conforme nos acercamos a la superficie o a uno cualquiera de los límites, deja de serlo, puesto que en esas direcciones las propiedades cambian. O sea que cuando hablamos de ello en el universo, necesariamente habremos de referirnos a cientos, si no miles a MegaAl pero sea cual sea la escala, en los límites todo cambiaría. Así que hemos de hallarnos en un universo infinito.
Propongo.
jueves 20 mayo, 2021 @ 11:01 am
Pero, al igual que no concibo una singularidad sin dimensión alguna, tampoco mi mente puede aceptar la infinitud de algo, sino solo la tendencia matemática hacia el infinito, no el infinito real en sí.
Ese es el problema, que decía Hamblet.
jueves 20 mayo, 2021 @ 6:15 pm
No sé que falaz argumentación podría llevar a concluir en la errónea afirmación de que el Principio Cosmológico solo podría cumplirse si el universo es infinito.
Saludos.
viernes 21 mayo, 2021 @ 10:00 am
Hombre, Albert: Falaz, según el DRAL significa «embustero, falso», lo que lleva a una interpretación de mis palabras como malintencionadas. Creo que tratamos entre caballeros, más o menos inteligentes, más o menos cultos y más o menos educados. Yo te cuento entre los más, así que imagino que no pretendías ofenderme y por ello olvido lo de falaz.
Explico suficientemente mis razones en mis comentarios y preferiría que me contestases con argumentos razonados.
Recibe mi sincero saludo sin acritud, como acostumbraba a decir Felipe González.
viernes 21 mayo, 2021 @ 11:19 am
Buenos días Albert.
Quiero aprovechar la ocasión, para que me ayudes (si quieres), a aclar algunas ideas, a las personalmente que no consigo respuesta. Tengo la impresión de que tu preparo en cosmología es considerablemente mayor que el mío.
Partiendo del modelo Cosmológico de Singularidad Puntual Inicial, Big Bang con Inflación
Primera: ¿Se puede asegurar que el Principio Cosmológico este correcto?
Segunda: ¿Si positivo, este principio obligatoriamente exige que Nuestro Universo sea Infinito?
Tercero: Si negativo (Nuestro Universo no es infinito) ¿Cuál es el mecanismo cosmológico que posibilita su homogeneidad a gran escala? O sea que su densidad no sea menor en su borde. (superficie final última). Si es que esta existe, Si no, explicar el por qué, siendo finito no tiene una superficie última, aunque dinámica por su expansión.
Cuarto: En el Modelo de Big Bang Inflacionario, ¿cuál fue el mecanismo cosmológico que, hizo detenerse bruscamente (o no tanto) la fase de inflación. ¿De dónde vino la energía necesaria para frenar la Inflación?
Quinto: Admitiendo que, la velocidad de expansión actual de Nuestro Universo se está acelerando, (parece que esto está comprobado) ¿de dónde proviene la energía necesaria para garantizar esta aceleración?
Espero que no sea mucho pedir.
viernes 21 mayo, 2021 @ 6:23 pm
En cualquier número arbitrario de dimensiones mayor que cero existen espacios finitos e ilimitados.
Por ejemplo en 1 dimensión, una recta es un espacio unidimensional infinito e ilimitado, mientras que una circunferencia es un espacio unidimensional finito e ilimitado. Un segmento es un espacio unidimensional finito y limitado.
Por ejemplo en 2 dimensiones, un plano o un paraboloide hiperbólico son espacios bidimensionales infinitos e ilimitados, mientras que una superficie esférica es un espacio bidimensional finito e ilimitado. Un rectángulo es un espacio bidimensional finito y limitado.
Las Ecuaciones de Campo de la Relatividad General con las restricciones del Principio Cosmológico tienen soluciones 3-dimensionales infinitas e ilimitadas, (análogas a un plano o a un paraboloide hiperbólico) y TAMBIÉN soluciones finitas e ilimitadas, análogas a una superficie esférica. En cambio no proporcionan soluciones finitas y limitadas análogas a un rectángulo.
Lo que determina si nuestro universo es infinito-ilimitado o finito-ilimitado es el valor del parámetro de densidad Omega que no lo proporciona la teoría, sino que hay que medirlo. La mejor medida de la que se dispone en la actualidad es la deducida de las observaciones del satélite Planck:
Omega medido = 0.9993 +/- 0.0019
Por lo tanto, estos datos observacionales dicen 0.9974 < Omega medido < 1.0012
Si el valor de Omega real (que desconocemos) es mayor que 1, valor que como se ve no está descartado por nuestras mejores medidas, entonces estamos viviendo en un universo FINITO, ILIMITADO, que cumple tanto el Principio Cosmológico como las ecuaciones de campo de la relatividad general.
Éste es un universo 3D análogo a una superficie esférica 2D. Partiendo de un punto cualquiera (homogeneidad) y siguiendo una dirección arbitraria cualquiera (isotropía), se regresa al punto de partida, habiendo recorrido una distancia finita y sin haber chocado contra ningún límite.
Saludos.
viernes 21 mayo, 2021 @ 7:12 pm
Ah, se me olvidaba, en el ámbito de la Lógica, que es en el que intento moverme, una argumentación falaz es aquella que parece cierta pero no lo es.
Así de simple, sin segundas intenciones ni tonterías de ningún tipo.
Saludos.
viernes 21 mayo, 2021 @ 8:42 pm
Gracias Albert por la clareza de tu explicación.
Si puedes, también me gustaría explicases, las dudas que planteo en los apartados:
Tercero
Cuarto
Quinto.
Saludos.
sábado 22 mayo, 2021 @ 12:04 pm
Acepto tu 12 porque estoy seguro de que no tenías segundas intenciones ni, evidentemente, dices tonterías. Así que olvidado el tema.
Sin embargo, en tu 11, cuando llegamos, tanto en los prolegómenos -la recta material no puede tener una dimensión, por ejemplo; sólo la ideal geométrica- como en la conclusión final del universo esférico (imagino que habría servido también uno tórico, pero me atendré a tu criterio si no es así) por mucho que idealicemos y que se cumplan todas las ecuaciones imaginables, la superficie habrá de tener un espesor y, si es así, tiene límites. A mí, sinceramente, la superficie esférica sin espesor, o sea 2D, no me parece una solución posible, sino una aproximación-explicación matemática, pero no real.
Espero no incordiarte en exceso con mi insistencia y recibe mis sinceros saludos.
sábado 22 mayo, 2021 @ 12:12 pm
Amigo Eduardo: Aunque preguntas a Albert, yo me atrevo a decirte que la tercera cuestión me la responde a mí y puedes leerla. Del resto tengo mis ideas, pero, con seguridad, las suyas estarán mejor razonadas.
Un abrazo.
sábado 22 mayo, 2021 @ 12:19 pm
Es que, admirado Albert, hay cosas difícilmente aceptables. Si el universo es ahora esférico 2D, hubo de serlo siempre, también en su cuestionable singularidad. ¿Qué fue: una esfera infinitamente pequeña…?
Me resulta inimaginable.
sábado 22 mayo, 2021 @ 3:52 pm
Amigo Tomás.
Yo también pienso como tú, en que, debemos ir con cuidado, con el enfoque puramente Formal Matemático, al aplicarlo para resolver algunos de los problemas de Nuestro Universo.
Si, Albert responde mi Tercera pregunta, creo que desde un planteamiento estrictamente Formal-Matemático. Copio a continuación su respuesta:
“Las Ecuaciones de Campo de la Relatividad General con las restricciones del Principio Cosmológico tienen soluciones 3-dimensionales infinitas e ilimitadas, (análogas a un plano o a un paraboloide hiperbólico) y TAMBIÉN soluciones finitas e ilimitadas, análogas a una superficie esférica. En cambio, no proporcionan soluciones finitas y limitadas análogas a un rectángulo.
Lo que me cuesta aceptar es que diga: también soluciones finitas “E ILIMITADAS”, análogas a una superficie esférica.
Imagino (no tengo certeza, si no es así me corrija) que al considerar que no existe LIMITE en las soluciones análogas a una superficie esférica. Se refiere (gráficamente) a que, cualquier trayectoria que realicemos en la superficie esférica empezando en cualquiera de sus puntos, nunca encontraremos una barrera u obstáculo (LIMITE) que nos impida retornar al punto inicial. Cualquiera que sea este punto de partida.
Antes de seguir adelante voy a colocar aquí, de nuevo (en algún comentario anterior en esta pagina ya lo expresé). Lo que entiendo sobre el concepto de PUNTO Matemático.
Creo que es este concepto, el causante de graves problemas, por lo menos en SINGULARIDADES
Por lo que sé. Del PUNTO, matemáticamente, se dice que, no tiene ninguna dimensión. Entonces, para mí, algo que no tiene ninguna dimensión es NADA.
Por tanto, un espacio matemático por ejemplo en 3D, compuesto por infinitos puntos no puede existir, ya que por muchos infinitos NADAS que queramos incluir en él, continúa siendo NADA.
Para poder deducir las leyes con que se relacionan varias entidades, mediante instrumentos matemáticos, tenemos que identificar y atribuir posiciones y valores, a los PUNTOS, que constituyen estas relaciones. Volvemos a caer en el mismo problema, ¿Como algo que no existe puede tener posición, valor e identidad?
Con esto quiero decir que, el PUNTO MATEMÁTICO forzosamente debe tener alguna dimensión, (o en la mayoría de los casos varias), para poder operar con ellos. Aunque por comodidad (para no tener que trabajar con el incomodo de muchas cifras decimales, para determinar su pequeñez) eliminemos su dimensión.
Entonces si que podemos definir el ESPACIO MATEMÁTICO (con las dimensiones que sea, 1D…2D…3D…..ND.. como formado por infinitos PUNTOS DISCRETOS, con dimensión.
Volviendo al ejemplo de una superficie esférica en 2D, creo que forzosamente contiene un número total, LIMITADO de PUNTOS DISCRETOS. Por tanto, no puede haber un número ILIMITADO de soluciones. O sea, no pueden ser infinitas, el total de trayectorias que podemos realizar por su superficie para llegar al punto de partida. Aunque, como tenemos la libertad MATEMÁTICA de escoger el tamaño del punto con que vamos a trabajar, su número puede ser tan grande como queramos. Pero no infinito, ni cero su espesor.
Ya en Nuestro Universo, entiendo que, existe un límite para este mínimo tamaño, llamémoslo de ELEMENTO físico, que debe estar relacionado con la distancia de Planck. Puede que en algunos casos, sea esta misma.
Creo que, es por adoptar el concepto tradicional de PUNTO MATEMÁTICO sin dimensión, la causa de que, aparezcan las incomodas e incomprensibles SINGULARIDADES. Al aplicarlo en las estructuras matemáticas que tratan de resolver y entender, los fenómenos físicos extremos en Nuestro Universo Real.
Espero que alguien me corrija si estoy equivocado, ya que entiendo que este concepto, es bastante importante.
Saludos.
domingo 23 mayo, 2021 @ 10:48 am
También yo pienso, Eduardo, que las mates son magníficos auxiliares para comprender la realidad, pero no son la realidad. Muy simplemente, podemos calcular el volumen de un tronco de madera, por su circunferencia y su altura, pero nunca exactamente; y quién sabe si ese es el problema de intentar pasar de la más refinada teoría a la más vulgar práctica.
Un abrazo.