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El inicio del Todo: El Big Bang

A partir de medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años.

El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogéneamente de una energía muy densa con una temperatura y presión enorme. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.

Aproximadamente 10-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas.

Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.

El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.

Pero…¿Dónde ocurrió el Big Bang? Hemos descrito bastante resumidamente el Big Bang, pero ahora nos hacemos la gran pregunta, donde ocurrió, hay alguna dirección privilegiada en el Universo, algún punto desde donde viene, sabemos que todo se expande pero… desde que punto. La respuesta a estas preguntas es la siguiente:

  • El Big Bang no ocurrió en ningún punto en el espacio, ocurrió en un punto en el tiempo (hace 13.800 millones de años), por tanto no hay un centro del Universo. En todos los puntos del espacio en el que nos encontremos sí observamos las galaxias que nos rodean vemos que se alejan siempre desde donde lo observemos. Por tanto podemos decir que somos el centro del Universo observable, todo se aleja desde nuestro punto de observación, pero si por ejemplo se pudiera llegar a una de las galaxias que observo que se aleja y observar desde allí como se mueve el resto ocurriría que esa galaxia volvería a ser el centro del Universo observable, todo se alejaría de ella. Por tanto el Big Bang no tiene un punto de inicio tiene un punto en el tiempo.

¿El Universo es finito o infinito?

La teoría del Universo en expansión dice que el Universo podría expandirse para siempre, cosa que corresponde a un Universo ‘plano’. Y ese es probablemente el modelo del Universo al que nos sentimos más cercanos en la actualidad. Pero también podría ser finito, porque podría ser que el Universo tenga un volumen muy grande ahora, pero finito, y que ese volumen aumente, por lo que solo en el futuro infinito será realmente infinito…

Pero claro no sabemos si el Universo es finito o no. Para dar un ejemplo, imaginemos la geometría del Universo en dos dimensiones como un plano. Es plano, y un plano normalmente es infinito. Pero puedes tomar una hoja de papel ,una hoja de papel ‘infinita’, y puedes enrollarla y hacer un cilindro, y puedes enrollar el cilindro de nuevo y hacer una forma toroidal. La superficie del toroide también es especialmente plana, pero es finita. Así que hay dos posibilidades para un Universo plano: uno infinito, como un plano, y otro finito, como un toroide, que también es plano.

Plano es solo una analogía bidimensional. Lo que queremos decir es que el Universo es ‘Euclidiano’, lo que significa que las líneas paralelas siempre se mueven paralelas, y que los ángulos de un triángulo suman 180º. Ahora, el equivalente bidimensional de eso es un plano, una hoja infinita de papel. En la superficie de ese plano podéis dibujar líneas paralelas que nunca se encontrarán. Una geometría curva sería una esfera. Si dibujáis líneas paralelas en una esfera, estas líneas se encontrarán en un punto determinado, y si dibujáis un triángulo, sus ángulos suman más de 180º. Entonces la superficie de la esfera no es plana. Es un espacio finito pero no es plano, mientras que la superficie de un toroide es un espacio plano.

En la actualidad con nuestros datos del Fondo Cósmico de Microondas podemos probar que el Universo es plano, aún no sabremos si es finito o infinito.

Si el Universo es finito, eso significa que en una geometría bidimensional sería como un toroide. Ahora, pensemos en un toroide. En tal Universo, la luz que viaja sobre la superficie de un toroide puede tomar dos caminos: puede ir por los lados pero también puede ir en línea recta. Esto significa que si el Universo es como un toroide, la luz puede tener diferentes caminos para llegar al mismo punto. Puedes tener un camino largo y un camino corto. Significaría que cuando se mide el fondo cósmico de microondas se verán patrones extraños en el cielo, porque la luz de lejos no nos habría llegado en línea recta debido a la topología del Universo. Entonces, la esperanza sería, eventualmente, buscar esos patrones extraños en el cielo y sabríamos sí es finito.

 Si el Universo fuera finito sería 100 veces más grande que el horizonte, que es la distancia que ha recorrido la luz desde el Big Bang. Eso correspondería al tamaño de la ‘rosquilla’ del toro. Por otro lado, si el Universo fuera realmente infinito, no veríamos ninguna señal de esos patrones peculiares que hemos hablado antes. Lo que realmente podríamos decir en ese caso es que el Universo es más grande que cierto tamaño. Pero si fuera finito podría ser medible.

Podría ser tan grande como 100 veces el horizonte. Eso significa que el Universo sería tanto como 100 mil millones de parsecs, unos 300 mil millones de años luz, si pudiéramos medir la topología…

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Se buscan Exploradores de la energía oscura

Se está realizando una intensa búsqueda en galaxias distantes para medir la energía oscura en nuestro universo local mediante un experimento que realiza el telescopio Hobby-Eberly (HETDEX) y puedes colaborar en esa enorme tarea.

La Energía Oscura es el término misterioso y curioso que usan los astrónomos para explicar por qué las galaxias se expanden unas de otras a un ritmo creciente. Se busca usando galaxias distantes para crear el mapa tridimensional más grande del universo jamás producido. El mapa permitirá a los astrónomos de HETDEX medir a que velocidad se expandió el universo en diferentes momentos de su historia. 
Varias explicaciones para la energía oscura predicen diferentes cambios en la tasa de expansión, por lo que al proporcionar medidas exactas de la expansión, el mapa HETDEX eliminará algunas de las ideas que no sean correctas. En esa impresionante tarea podemos ayudar para identificar las señales que provienen de galaxias distantes. Estas galaxias están a 10 mil millones de años luz de distancia y se esperan descubrir millones de ellas, Esto lo podemos hacer desde el proyecto llamado: Dark Energy Explorers y ayudar a descubrir nuevas galaxias y la energía oscura.
Es muy sencilla la colaboración de cualquier persona, tan solo tiene que entrar en el proyecto que está en la siguiente página:

  https://www.zooniverse.org/projects/erinmc/dark-energy-explorers 

Panel de trabajo del programa, os recomendamos que sigáis el tutorial, y seguro que se contribuye al mapa tridimendional.

Aunque la materia oscura constituye la mayor parte de la materia del universo, solo representa aproximadamente una cuarta parte de la composición. El universo está dominado por la energía oscura.

Después del Big Bang, el universo comenzó a expandirse, los científicos pensaron que fruto de esa expansión se quedaría sin energía, disminuyendo la velocidad a medida que la gravedad atraía los objetos dentro de ella. Pero los estudios de supernovas distantes revelaron que el universo de hoy se está expandiendo más rápido de lo hacia en el pasado, no más lento, lo que indica que la expansión se está acelerando. Esto solo sería posible si el universo contiene suficiente energía para superar la gravedad: la energía oscura

Como nos dice la famosa ecuación de Einstein, E = mc 2 , la energía y la masa son intercambiables. Los estudios de la tasa de expansión del cosmos sugieren que la energía oscura es, con mucho, la mayor parte del contenido de energía de masa del Universo, superando con creces tanto la materia normal como la materia oscura: parece que la energía oscura constituye casi el 70% del Universo conocido.

Si bien los astrónomos han podido avanzar en el camino hacia la comprensión de cómo funciona la energía oscura y qué hace, su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.

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La galaxia más lejana del Universo observable

El telescopio espacial Hubble rompió en 2016 el récord de distancia cósmica mediante la medición de la galaxia más lejana jamás vista en el universo. Esta galaxia muy brillante, llamada GN-z11, envió su luz hace 13,4 mil millones de años, sólo 400 millones de años después del Big Bang. GN-z11 se encuentra en la dirección de la constelación de la Osa Mayor.

Esta animación muestra la ubicación de la galaxia GN-Z11. El vídeo comienza en la Osa Mayor, a continuación, se acerca al campo Norte de galaxias, y termina con una imagen de la galaxia GN-z11.  Esta se muestra tal y como era hace 13,4 mil millones de años, cuando el universo tenía sólo el tres por ciento de su edad actual. Créditos: NASA, ESA y G. Bacon (STScI), P. Oesch (Universidad de Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Universidad de Yale), y G. Illingworth (Universidad de California, Santa Cruz).
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La combinación de imágenes del Hubble y Spitzer revelan que  GN-z11 es 25 veces más pequeña que la Vía Láctea y que tiene sólo uno por ciento de la masa de nuestra galaxia. Sin embargo, la “recién nacida” GN-z11 está creciendo rápidamente, formando estrellas a una velocidad 20 veces mayor que nuestra galaxia en la actualidad.

En 2020 un equipo de astrónomos utilizando el telescopio Keck I dedujeron que la galaxia GN-z11 es tan distante que define el límite mismo del propio universo observable. Debido a la expansión del universo, a pesar de que la galaxia GN-z11 tiene 13,4 mil millones de años, su luz ha viajado 32 mil millones de años luz para llegar hasta nosotros. 

La observación se hizo en luz ultravioleta , ya que esa es el área del espectro electromagnético en las que se encontran las firmas químicas desplazadas al rojo. El telescopio espacial Hubble detectó la firma varias veces en el espectro de GN-z11. Sin embargo, incluso el Hubble no puede resolver las líneas de emisión ultravioleta en el grado que se necesita. Así los astrónomos de este último estudio usaron a el espectrógrafo terrestre más actualizado hasta el momento llamado MOSFIRE, que está montado en el telescopio Keck I en Hawái.

MOSFIRE capturó las líneas de emisión de GN-z11 en detalle, lo que permitió al equipo hacer una estimación mucho mejor de su distancia de lo que era posible a partir de datos anteriores.  Los astrónomos usan un valor conocido como el número de corrimiento al rojo denotado por z. 

Para saber más:

https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00153.html

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El anillo de Einstein más completo observado en nuestro Universo

La galaxia estrecha que se curva elegantemente alrededor de su compañera esférica en la siguiente imagen es un ejemplo alucinante de un fenómeno muy extraño y raro. La imagen, tomada con el telescopio espacial Hubble, muestra el objeto GAL-CLUS-022058s, que está ubicado en la constelación de Fornax. GAL-CLUS-022058s es el más grande y uno de los anillos de Einstein más completos jamás descubiertos en nuestro Universo. El objeto ha sido apodado como el «anillo fundido«. ⁠

Créditosde la imagen: @europeanspaceagency / @hubbleesa & NASA, S. Jha⁠. Reconocimiento: L. Shatz⁠


Einstein teorizó por primera sobre estos anillos en su famosa teoría general de la relatividad, la forma inusual de este objeto puede explicarse mediante un proceso llamado lente gravitacional, que hace que la luz que brilla desde lejos sea doblada y atraída por la gravedad de un objeto entre su fuente y el observador. La gravedad provoca una desviación de la luz por el campo gravitacional de un cuerpo masivo. En este caso, una galaxia dobla la luz que emana de una galaxia que está directamente detrás de ella, enfocando la luz que de otro modo sería divergente en un anillo visible.En este caso, la luz de la galaxia de fondo se ha distorsionado en la curva que vemos por la gravedad del cúmulo de galaxias que se encuentra frente a ella. La alineación casi exacta de la galaxia de fondo con la galaxia elíptica central del cúmulo, vista en el medio de esta imagen, ha deformado y ampliado la imagen de la galaxia de fondo a su alrededor en un anillo casi perfecto.

Esta animación muestra cómo la gravedad de una galaxia masiva en primer plano puede desviar la luz de una galaxia más distante. Si las dos galaxias se alinean correctamente, el resultado es una imagen muy distorsionada de la galaxia distante conocida como anillo de Einstein. La parte de la imagen de radio del video es de la galaxia SDP.81, que fue captada por ALMA como parte de la Campaña Long Baseline del telescopio. Crédito: NRAO / AUI / NSF; ALMA (NRAO / ESO / NAOJ); Dana Berry / SkyWorksCrédito: NRAO / AUI / NSF; ALMA (NRAO / ESO / NAOJ); Dana Berry / SkyWorks
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