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La medida más precisa de la expansión del Universo

Los miembros del equipo H0LiCOW (Lentes H0 en Wellspring de COSMOGRAIL) han usado el telescopio espacial Hubble y una técnica novedosa para medir la expansión del universo, un valor llamado constante de Hubble.

El valor obtenido representa la medición más precisa hasta ahora utilizando el llamado método de lente gravitacional, donde la gravedad de una galaxia en primer plano actúa como una lente de aumento gigantesca, amplificando y distorsionando la luz de los objetos de fondo. Este último estudio los investigadores emplearon la física exótica de las lentes gravitacionales para calcular la tasa de expansión del universo.

Probability distribution of the 6 lenses of the H0LiCOW sample presented in H0LICOW XIIIFigure credits : Martin Millon/Vivien Bonvin.

El resultado fortalece aún más una preocupante discrepancia entre la tasa de expansión calculada a partir de las mediciones del universo local y la tasa predicha por la radiación de fondo en el universo temprano, un tiempo antes de que existieran galaxias y estrellas. El nuevo estudio agrega evidencia a la idea de que pueden ser necesarias nuevas teorías para explicar lo que los científicos están encontrando.

Podéis acceder al estudio en el siguiente enlace:

https://shsuyu.github.io/H0LiCOW/site/

Créditos: NASA, ESA, S.H. Suyu (Instituto Max Planck de Astrofísica, Universidad Técnica de Munich, e Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sínica), y K.C. Wong (Instituto Kavli de la Universidad de Tokio para la Física y las Matemáticas del Universo)

¿Qué es la constante de Hubble?

El corrimiento al rojo o desplazamiento hacia el rojo (también llamado redshift, “z”) ocurre cuando la radiación electromagnética, emitida o reflejada por un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético.

rojo
Gráfico de JPL/Caltech/Planck

El corrimiento al rojo de las galaxias es la consecuencia de su alejamiento, el cual fue descubierto en los años 20 por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble. El carácter no estacionario de todo el sistema de galaxias del Universo había sido demostrado teóricamente por A. Fridman, uno de los fundadores de la cosmología moderna.

Según la ley pronosticada por la teoría de Fridman y demostrada por Hubble en sus observaciones, las galaxias se alejan de nosotros a velocidades v proporcionales a las distancias d hasta ellas, conforme más alejadas están mayor es el valor de la velocidad, para las galaxias próximas se demuestra que:

v = H d

Donde H es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Hubble) que se determina a partir de observaciones.

Esta ley es consistente con el principio cosmológico y muestra que no hay observadores privilegiados en el Universo. A causa del efecto Doppler, el alejamiento de las galaxias provoca el desplazamiento de sus lineas de emisión hacia el lado rojo del espectro. La dependencia del corrimiento al rojo z (desplazamiento de la frecuencia en el espectro electromagnético) de la velocidad de alejamiento v se expresa mediante la siguiente formula:

z = v/c     (c es la velocidad de la luz)

Sí en esa formula introducimos la ley de Hubble, obtenemos la formula básica que se utiliza para determinar las distancias hasta las galaxias y cúmulos estelares:

 z = Hd / c

Calculadora cosmológica

Aunque los seres humanos estamos familiarizados con la distancia y el tiempo, lo que se mide realmente para los objetos astronómicos es el llamado corrimiento al rojo o redshift, este como hemos visto es un desplazamiento de color que depende exactamente de cómo ha variado la densidad de nuestro universo.

Ahora es posible hacer una simple tabla relacionando el desplazamiento al rojo cosmológico observado,”z”, con los conceptos estándar de distancia y el tiempo. Así podemos hacer la tabla que podéis ver a continuación, donde el corrimiento al rojo z aparece en las primeras y últimas columnas, mientras que la correspondiente edad universal en miles de millones de años aparece en la columna central. Con una simple regla podréis saber sobre la tabla la edad del universo según su z.

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Donde:

 z – corrimiento al rojo (redshift);
• H – valor actual de la constante de Hubble, km / s / Mpc;
• r comov – distancia comóvil, MPC;
• dm – módulo de la distancia;
 age– la edad del Universo, Gyr;
• time – el tiempo al pasado, Gyr;
• size 1 “- tamaño físico de un objeto que es visto como un 1” de arco en el cielo, kpc;
• angle de 1 kpc – tamaño angular con tamaño físico 1 kpc, segundos de arco

Para saber más:

Paper-and-pencil cosmological calculator

¿Qué forma tiene el Universo?

El Universo es plano, si como lees, pero decir que es plano y dejarlo ahí no es suficiente, hay que explicarlo un poco, agárrate en un universo plano que vamos a explicarlo. De acuerdo con la teoría de la Relatividad General de Einstein, el espacio se curva con la masa. Como resultado de esto, la densidad del universo (cuánta masa se ha extendido sobre su volumen) determinará su forma.

Los astrofísicos han calculado la “densidad crítica” del universo. La densidad crítica es proporcional al cuadrado de la constante de Hubble, que se usa para medir la tasa de expansión del universo. Os explico qué es la constante de Hubble (H):

Según la ley pronosticada por la teoría de Fridman y demostrada por Hubble en sus observaciones, las galaxias se alejan de nosotros a velocidades v proporcionales a las distancias d hasta ellas, conforme más alejadas están mayor es el valor de la velocidad, para las galaxias próximas se demuestra que: v = H d donde H es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Hubble) que se determina a partir de observaciones.

Esta ley  muestra que no hay observadores privilegiados en el Universo. A causa del efecto Doppler, el alejamiento de las galaxias provoca el desplazamiento de sus lineas de emisión hacia el lado rojo del espectro. La dependencia del corrimiento al rojo z (desplazamiento de la frecuencia en el espectro electromagnético) de la velocidad de alejamiento v se expresa mediante la siguiente formula:

z = v/c     (c es la velocidad de la luz)

Sí en esa formula introducimos la ley de Hubble, obtenemos la formula básica que se utiliza para determinar las distancias hasta las galaxias y cúmulos estelares!:

 z = Hd / c

Seguimos hablando de la forma del Universo… La comparación de la densidad crítica con la densidad real puede ayudar a los científicos a comprender el cosmos. Si la densidad real del universo es menor que la densidad crítica, entonces no hay suficiente materia para detener la expansión del universo, y se expandirá para siempre. La forma resultante es curva como la superficie de una silla de montar, esto se conoce como un universo abierto.

universo forma

Diferentes formas del Universo según su densidad. Créditos: Crédito: NASA / WMAP Science team.

Si la densidad real del universo es mayor que la densidad crítica, entonces contiene suficiente masa para detener su expansión. En este caso, el universo es cerrado y finito, aunque no tiene fin, y tiene una forma esférica. Una vez que el universo deja de expandirse, comenzará a contraerse. Las galaxias dejarán de retroceder y comenzarán a acercarse cada vez más. Eventualmente, el universo sufrirá lo opuesto al Big Bang, el llamado “Big Crunch, esto se conoce como un universo cerrado

Sin embargo, si el universo contiene aproximadamente la masa suficiente para detener la expansión, la densidad real del universo será igual a la densidad crítica. La velocidad de expansión disminuirá gradualmente, durante un tiempo infinito. En tal caso, el universo se considera plano e infinito en tamaño.

Las mediciones indican que el universo es plano, lo que sugiere que también es de tamaño infinito, pero no podemos ver todo el Universo, la velocidad de la luz nos limita ver el volumen del universo visible desde el Big Bang; Debido a que el universo tiene aproximadamente 13.800 millones de años, solo puedemo ver 13.800 millones de años luz de la Tierra, es decir solo puedemos ver el Universo observable desde nuestra posición. 

Pero vivimos en un mundo en tres dimensiones, ¿cómo puedo imaginarme un Universo plano?,  cuando decimos que el universo es plano no es en el mismo sentido en que por ejemplo un trozo de papel es plano, sino que significa que la geometría del universo es tal que las líneas paralelas nunca se cruzarán. Es decir dos fotones de luz nunca se cruzarían, por ejemplo si fuera esférico y lanzara un fotón desde cada lado de la esfera se terminarán cruzando en uno de los polos de la esfera, en nuestro universo todo viene de forma paralela, por tanto el Universo es plano por el comportamiento de la luz en el espacio.

Por tanto el Universo es plano y además se está acelerando, antes hemos dicho que el ser plano e infinito implica una desaceleracion pero… la expansión no se está frenando…  se está acelerando esto es debido a la energía oscura… pero eso será otra historia en otra entrada 🙂

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Corrimiento al rojo

El corrimiento al rojo o desplazamiento hacia el rojo (también llamado redshift, “z”) ocurre cuando la radiación electromagnética, emitida o reflejada por un objeto es desplazada hacia el rojo al final del espectro electromagnético.

rojo

Gráfico de JPL/Caltech/Planck

El corrimiento al rojo de las galaxias es la consecuencia de su alejamiento, el cual fue descubierto en los años 20 por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble. El carácter no estacionario de todo el sistema de galaxias del Universo había sido demostrado teóricamente por A. Fridman, uno de los fundadores de la cosmología moderna.

Según la ley pronosticada por la teoría de Fridman y demostrada por Hubble en sus observaciones, las galaxias se alejan de nosotros a velocidades v proporcionales a las distancias d hasta ellas, conforme más alejadas están mayor es el valor de la velocidad, para las galaxias próximas se demuestra que:

v = H d

Donde H es el coeficiente de proporcionalidad (constante de Hubble) que se determina a partir de observaciones.

Esta ley es consistente con el principio cosmológico y muestra que no hay observadores privilegiados en el Universo. A causa del efecto Doppler, el alejamiento de las galaxias provoca el desplazamiento de sus lineas de emisión hacia el lado rojo del espectro. La dependencia del corrimiento al rojo z (desplazamiento de la frecuencia en el espectro electromagnético) de la velocidad de alejamiento v se expresa mediante la siguiente formula:

z = v/c     (c es la velocidad de la luz)

Sí en esa formula introducimos la ley de Hubble, obtenemos la formula básica que se utiliza para determinar las distancias hasta las galaxias y cúmulos estelares:

 z = Hd / c

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