Edwin Hubble y la expansión acelerada del universo

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por Julio García. 

Uno de los astrofísicos que han dejado una de las huellas más profundas en nuestra comprensión del Universo tal vez sea  el estadounidense Edwin Hubble (1889-1953), a quien se le considera el padre de la astrofísica observacional.

Recordemos que la astrofísica es una rama de la ciencia que se puede dividir en teórica y empírica. En lo que respecta a la parte teórica, los científicos tienden a hacer especulaciones sobre el universo. Por ejemplo, pueden afirmar que este tiende a expandirse aunque no tengan elementos concretos para poder comprobar eso que afirman (hoy está más que comprobado que el universo se expande).

Edwin Hubble se planteó la idea del universo en expansión pero, en su momento, no tenía pruebas de que esto realmente sucedía.

De hecho, comenzó estudiando leyes en la Universidad de Oxford y posteriormente abandonó la carrera con tal de dedicarse de lleno a la astronomía. Así, al volver de sus servicios después de la primera Guerra Mundial, en 1919, comenzó a trabajar en el observatorio del Monte Wilson, donde tenía acceso a un telescopio de 254 metros. En aquel entonces, este era el telescopio más potente del mundo.

Su trabajo consistía en observar nebulosas que son objetos que son nubes de gas y polvo formadas mayormente por helio e hidrógeno y que, al juntarse lo suficiente, llegan a formar estrellas.

Uno de los primeros científicos en darse cuenta de que las estrellas tenían un corrimiento hacia el rojo fue William Huggins, quien registró el corrimiento hacia el rojo de la estrella Sirio. ¿En qué consiste exactamente este corrimiento?

 

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El astrofísico Edwin Hubble.

Recordemos que la luz tiende a comportarse en forma de ondas. Cuando un objeto se acerca a otro, a la velocidad que sea, se dice que se produce un corrimiento hacia el azul. Y, cuando un objeto se aleja de otro, se dice que tiende a un corrimiento hacia el rojo. Esto es fácil de imaginar porque el mismo fenómeno se observa con el sonido. Si nos paramos en una carretera y vemos que a lo lejos se acerca un vehículo a gran velocidad, pronto nos daremos cuenta que el sonido se tornará cada vez más agudo conforme el vehículo se acerca hacia nosotros. Cuando el vehículo pasa por el punto en donde nos encontramos y luego se aleja, inmediatamente seremos conscientes de que el sonido será cada vez más grave debido a que las ondas se hacen más largas. Esto mismo sucede con la luz: cuando se acerca a nosotros, las longitudes de onda son más cortas y el color se tornará en azul, mientras que cuando la fuente de luz se aleja de nosotros, las ondas se harán más largas y se tornarán cada vez más rojas.

En 1929 Edwin Hubble publicó un análisis de la velocidad radial de las nebulosas que observaba.  Aunque algunas de estas nebulosas extragalácticas se acercaban a la Tierra, la mayoría se alejaban y encontró algo verdaderamente interesante: conforme estas nebulosas se alejaban más rápido se movían. Concluyo entonces que las galaxias se alejan unas de otras y que el espacio que hay entre ellas también se expande. La velocidad de expansión es cada vez más rápida conforme las galaxias se van alejando unas de otras.

El descubrimiento de Hubble de que el universo se expande es considerado uno de los momentos más importantes de la historia de la ciencia. Hay que señalar, sin embargo, que ya desde 1915 Albert Einstein se había planteado el tema de la expansión del universo aunque siempre llegara a negarlo porque creía en un universo inalterable y que no cambiaba. De hecho propuso una constante cosmológica con la que intentaba zanjar el problema de la expansión. Años más tarde, el gran físico alemán reconocería que la negación de la expansión del universo habría sido el mayor error de su vida.

Hoy por hoy ya no cabe la menor duda de que el universo se expande y que lo hace a velocidades cada vez más aceleradas. Lo que los científicos aún no se explican del todo es qué es aquello que produce la expansión. Hablan de que entre los planetas, las estrellas y las galaxias existe una sustancia desconocida llamada energía oscura que es la responsable de producir la expansión. Ahora bien: ¿será esta expansión eterna? ¿llegará un punto en el que se detenga? Una de las teorías más aceptadas, y tal vez de las más acertadas, es que el universo se seguirá expandiendo eternamente hasta que exista una muerte térmica. Esta muerte térmica llegará cuando las estrellas dejen de producir el suficiente combustible para seguir brillando y produciendo energía.

Sinceramente creo que los seres humanos ya no estaremos aquí para ver esto, pero el hecho de saber qué pasará con nuestro universo es una de las cuestiones que siempre nos dejarán intrigados. Tal vez sea una pregunta tan profunda como ¿por qué el universo existe? ¿por qué estamos nosotros en la existencia?, etc.

 

 

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El vacío cuántico le da poder a la energía oscura para que el universo se expanda

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Los cosmólogos creen que algo así como tres cuartas partes del Universo están hechas de una misteriosa energía oscura la cual explicaría la expansión acelerada que tiene el cosmos. 

Pese a que desconocen todavía de que está formada esta fuerza, presentan algunas soluciones. Una de estas soluciones tiene que ver con la quintaesencia, que es agente invisible, gravitatorio, que en lugar de atraer los objetos tiende a repelerlos y esto hace que la expansión del universo sea acelerada. Desde el mundo clásico y hasta la Edad Media, este término se ha referido al éter o al quinto-elemento de la naturaleza junto a la TIerra, el Fuego, el Agua y el Aire. Otra posibilidad es la presencia de energía o de un campo invisible cuya densidad se incrementa con el tiempo causando una exponencial aceleración cósmica.

De todo esto se sabe también que la velocidad de expansión podría alcanzar velocidades tan grandes, en el futuro, que serían capaces de romper las fuerzas nucleares de los átomos, y con esto, llegaría el fin del Universo en unos 20,000 millones de años. 

Ahora, científicos de la Universidad de Barcelona y de la Academia de Atenas han utilizado los mismos datos de satélite para demostrar que para comprender el comportamiento de la energía oscura, para que pueda existir, no es necesario recurrir a la quintaesencia o a la energía fantasma.

“Nuestro estudio teórico demuestra que la ecuación del estado de la energía oscura puede puede simular un campo de quintaesencia, sin serlo en realidad, de tal manera que cuando vemos estos efectos en las observaciones que han realizado los satélites WMAP y Planck, lo que estamos viendo es en realidad un espejismo”, afirma Joan Solá, uno de los autores, de la Universidad de Barcelona.

Añade que “lo que nosotros pensamos que está sucediendo es un efecto dinámico del vacío cuántico, un parámetro que podemos calcular”.

Hay que mencionar también que el concepto de vacío cuántico no tiene que ver con la clásica noción de nada absoluta, de ahí que este investigador se atreva a afirmar que “nada está más lleno que el vacío”. 

También proponen que la energía oscura es un tipo de energía vacío-dinámico-cuántico que actúa en la aceleración del universo. Esta propuesta contradice el modelos estático o la llamada constante cosmológica.

En conclusión, y de acuerdo con lo que los autores de este estudio proponen, la explicación de la existencia de un vacío cuántico dinámico es la más simple y natural si la compramos con las otras teorías que se han propuesto sobe el tema.  

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

 

Los agujeros negros supermasivos son la clave para entender el universo

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Hace no mucho tiempo, los científicos revelaron que el universo se expande a una velocidad mucho más rápida de lo que se creía. El hallazgo hizo que, en 2011, a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, se les concediera el Premio Nobel de Física.

Pese a este importantísimo descubrimiento, todavía sigue siendo un dolor de cabeza para los físicos medir la velocidad de esta aceleración sobre distancias muy grandes.

Pero, recientemente, un equipo internacional de físicos de diversas universidades, han desarrollado un método con el potencial de medir distancias de millones de años luz con un alto grado de precisión. El método utiliza un cierto tipo de agujeros negros activos [agujeros negros supermasivos] que se encuentran en el centro de muchas galaxias como la nuestra.

Y es que la posibilidad de medición de distancias muy grandes se traduce en dar testimonio de lo que sucedía en el universo cuando este se formó y con lo que también es posible estimar su velocidad de expansión en una edad muy temprana.

Este nuevo sistema de medición toma en cuenta la radiación emitida por el material que rodea a un agujero negro antes de que éste material sea devorado. En la medida en que el material es absorbido, comienza a calentarse y luego emite una gran cantidad de radiación que es de miles de veces la energía producida por una galaxia que contenga 100 mil millones de estrellas. Por esta razón, las explosiones energéticas que suceden alrededor de los agujeros negros pueden ser observadas con mucha facilidad desde lugares remotos como la Tierra.

En este sentido, utilizar la radiación para medir distancias es un método que se utiliza con mucha frecuencia en astronomía, pero hasta ahora los agujeros negros nunca habían sido utilizados para medir estas distancias.

Gracias a la combinación de medidas de la cantidad de energía que es emitida desde la vecindad de un agujero negro, con la cantidad de energía que de este llega a la Tierra, los científicos pueden inferir la distancia a la que se encuentra uno de estos devoradores galácticos, así como el tiempo en la historia del universo en que dicha energía fue emitida.

Por otro lado, obtener una medida precisa de la radiación que fue emitida depende de las propiedades del agujero negro estudiado. Para el tipo de agujeros negros que se utilizaron en este nuevo trabajo, la cantidad de radiación emitida mientras el objeto atraía materia hacia su interior, es proporcional a su masa. Por consiguiente, métodos establecidos desde hace mucho tiempo para medir esta masa, pueden ser utilizados ahora para estimar la cantidad de radiación que está implicada en todo el proceso.

La viabilidad de esta teoría fue probada utilizando las propiedades conocidas de los agujeros negros que se encuentran en nuestro propio vecindario: a unos ¡cientos de millones de años luz!

Para el profesor Netzer de la Universidad de Tel aviv, desde donde se llevaron a cabo las parte de las observaciones [también participó el Observatorio de París]  su sistema les dará a los astrónomos una herramienta muy importante para medir distancias que se encuentren mucho más lejos y sirviendo como complemento al método existente que utiliza las explosiones de estrellas supernovas para medir la velocidad de expansión del universo.

La habilidad de medir distancias lejanas tiene el potencial de revelar algunos de los más grandes misterios del universo, que tiene una edad aproximada de 13,800 millones de años. “Cuando estamos mirando distancias de miles de años luz, estamos observando hacia el pasado”, explica. “La luz que hoy podemos ver fue producida por primera vez cuando el universo era mucho más joven”.

Uno de estos grandes misterios es la llamada energía oscura: la fuente de energía más significativa del universo presente. Esta energía, que se manifiesta como un tipo de anti-gravedad, se cree que contribuye a la expansión acelerada del universo.

Por lo tanto, el objetivo final es comprender de qué está compuesta la energía oscura y responder a preguntas clave sobre si dicha energía siempre ha estado presente en la misma cantidad y si su volumen podría cambiar en el futuro.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy.

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Un observatorio de la NASA ha medido con precisión la expansión del universo

Astrónomos que han hecho uso del telescopio Spitzer de la NASA, han logrado una de las mediciones más precisas que hasta ahora se tienen sobre la llamada constante de Hubble, que es una ecuación que sirve para determinar a qué velocidad se expande el universo.

La constante de Hubble lleva este nombre porque, en los años 20 del siglo pasado, el astrónomo Edwin P. Hubble (1889-1953) asombró al mundo al confirmar que nuestro universo se expande desde que explotó hace unos 13,700 millones de años. A finales de los 90, los investigadores descubrieron que dicha expansión era cada vez más acelerada y determinar la velocidad de expansión es crucial para entender la edad y el tamaño del universo.

A diferencia del Telescopio Hubble que mira el cosmos en ondas visibles y en ondas infrarrojas cortas, el telescopio Spitzer tomó ventaja de su capacidad para poder observar ondas largas infrarrojas y así poder determinar que la constante de Hubble es ahora de 74.3 por segundo por mecaparsec. Un megaparsec equivale a tres millones de años luz.

“Nuevamente, el telescopio Spitzer está haciendo ciencia más allá de los límites para los que fue diseñado”, afirmó uno de los investigadores, Michael Werner, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, quien también comentó: “primero, el telescopio Spitzer nos sorprendió con su habilidad para estudiar la atmósfera de los exoplanetas y ahora, además, se ha convertido en una herramienta cosmológica muy valiosa”.

El telescopio Spitzer /NASA.

Adicionalmente, los resultados de Spitzer fueron combinados con información publicada por la Sonda Wilkinson de Anisotropía de Microondas (WMAP) de la NASA, para obtener una medida independiente de la energía oscura: uno de los más grandes misterios del universo. De hecho, se cree que la materia oscura le está ganando la batalla a la gravedad, dejándola de lado en este proceso de expansión.

“Este es un inmenso rompecabezas. Y es excitante saber que podemos ser capaces de utilizar al telescopio Spitzer para resolver problemas fundamentales de la cosmología como la velocidad precisa con la que el universo se expande en este momento, así como medir la cantidad de materia oscura desde otro ángulo”, dijo Wendy Freedman de los Observatorios del Instituto Carnegie para la Ciencia de Pasadena, California.

Por su parte, Glenn Wahlgren, científica del programa Spitzer de la NASA, comentó que la visión infrarroja, con la que se puede observar a través del polvo interestelar y que provee mejores vistas de las llamadas estrellas variables cefeidas, nos puede ayudar a mejorar nuestras mediciones de la constante de Hubble utilizando a estas estrellas.

En este sentido, las Cefeidas son como peldaños vitales para determinar la escala cósmica de distancias: un conjunto de objetos con distancias perfectamente conocidas que, cuando se combinan con la velocidad a la que los objetos se alejan de nosotros, revelan la tasa de expansión del universo.

Así, las Cefeidas resultan objetos cruciales porque sus distancias desde la Tierra se pueden medir con extraordinaria precisión. De hecho, en 1908, Henrietta Leavitt descubrió estos pulsos estelares a un ritmo directamente relacionado con su brillo intrínseco.

La Gran Nube de Magallanes / http://www.pirulocosmico.blogspot.mx/

Para visualizar cómo esto es importante, imagine a alguien que camina alejándose de usted con una vela. Cuanto más lejos se encuentre, más tenue será y entonces su brillo aparente revelará su distancia. El mismo principio se aplica a las Cefeidas que podrían ser las velas estándar del cosmos. Porque midiendo qué tan brillantes aparecen en el cielo, y comparando esto con el brillo conocido como si estuvieran cerca, los astrónomos pueden calcular su distancia con respecto a la Tierra.

Spitzer observó 10 cefeidas en nuestra propia galaxia y 80 en un grupo local vecino llamado La Gran Núbe de Magallanes. Sin la presencia de polvo cósmico que les bloqueara la visibilidad, el equipo de investigación fue capaz de obtener medidas más precisas del brillo aparente de estas estrellas y, por consiguiente, de sus distancias  Esta información, sin lugar a dudas, abre el camino para una nueva y mejor estimación de la tasa de expansión de nuestro universo.

“Hace justamente una década, utilizar las palabras precisión y cosmología en la misma sentencia no era posible, debido a que el tamaño y la edad del universo no se conocían con precisión. Ahora podemos hablar de una precisión de unos cuantos puntos porcentuales, cuando en el pasado se hablaba de hasta dos puntos, por lo que es algo verdaderamente extraordinario”, afirmó Wendy Freedman.

El estudio ha aparecido publicado en la revista Astrophysical Journal.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Jet Propulsion Laboratory.

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Noticias relacionadas: 

Proponen nueva teoría sobre el origen de la materia y la energía oscura.

 

 

El peor error de mi vida: Einstein, Hubble y la expansión del universo

por Julio García.

Que el universo se expande es una verdad que prácticamente ha dejado de ser puesta en entredicho por físicos y astrónomos. Sin embargo, aún hoy en día, nos seguimos preguntando por qué el universo se rige por las leyes que lo hacen ser como es y no por otro conjunto de valores.

En el primer cuarto del siglo XX, la noción de un universo en expansión resultaba contradictoria respecto a las teorías que en ese entonces se formulaban sobre cómo estaba constituida la realidad que regía los cielos, las estrellas y los planetas. En 1915, Albert Einstein (1879-1955), había propuesto una constante cosmológica para darle sentido a su famosa Teoría de la Relatividad General, que se basa en el hecho de que la fuerza gravitatoria que actúa sobre la materia no solamente influye directamente sobre la materia misma, sino que tiende a deformar (como si se tratase de una cama elástica que se deforma en función del peso que contiene), el espacio tiempo que roda al conjunto de los cuerpos.

Pero que la gravedad actuara sobre la materia y deformara el espacio y el tiempo que lo rodea no dejaba satisfecho a Einstein por varias razones: ¿cómo explicar que las galaxias estén alejadas unas de otras, que el universo sea tan inconmensurable, si la fuerza de gravedad tiende a atraer todo? ¿No debería el universo reducirse a un punto? ¿O será más bien que el universo es estático?

Para lograr que sus teorías concordaran, para que la fuerza de gravedad no redujera al universo a un punto y toda la materia colapsase sobre sí misma, Einstein propuso una constante cosmológica con la que declaró que el universo era estático, pese a que muchos, después de esta declaración, se seguían preguntando: ¿vivimos realmente en un universo rígido e inamovible?

En 1929, un astrónomo estadounidense doctorado en física de nombre Edwin Hubble (1889-1953), mientras realizaba investigaciones en el telescopio más potente de ese entonces, el telescopio Hooker del observatorio Monte Wilson de Pasadena, California, se dio cuenta que las galaxias que observaba registraban un comportamiento muy particular: tenían un corrimiento hacia el rojo. Como explicábamos en nuestro artículo anterior, y de acuerdo con el efecto Doppler, cuando la luz presenta un corrimiento hacia el rojo en el conjunto del espectro electromagnético, significa que los objetos se alejan respecto al sitio en donde se encuentra el observador, por tanto, el conjunto de galaxias que observaba Hubble, no solamente se estaban moviendo, sino que se estaban alejando unas de otras.

Es importante destacar también que los efectos de dicha expansión solamente se observan a escalas de distancias muy grandes. Por ejemplo, el conjunto de galaxias formado por el Grupo Local, al que pertenece la Vía Láctea, Andrómeda y otra treintena de galaxias más pequeñas, presenta una tendencia de acercamiento. Se cree, que dentro de 3,000 y 5,000 millones de años, Andrómeda colisionará con nuestra galaxia, ya que ésta última se acerca a una velocidad aproximada de 500,000 km/h, esto debido a la acción de
la gravedad.

Ahora bien: ¿contradecían estas observaciones, esta verdad empírica implacable, las nociones de Einstein respecto al hecho de que habitamos un universo estático? Evidentemente sí. Lo que Hubble acababa de demostrar era que si las galaxias se alejan unas de otras a velocidades increíbles, entonces, inevitablemente, el universo también se expande en todas direcciones, como un globo que se infla. Si el universo se está expandiendo, debió de tener un principio (¿tendrá su ocaso?), cuando toda la materia era equiparable con una sopa homogénea, extremadamente caliente, donde era imposible distinguir entre materia y energía.

La Ley de Hubble señala también que el “corrimiento hacia el rojo de una galaxia es proporcional a la distancia a la que se encuentra”, por tanto, entre más alejada se encuentre una galaxia con respecto a otra, mayor será la velocidad con la que se aleja: mayor será, pues, la velocidad a la que se expande el universo.

Con el descubrimiento de Hubble sobre la expansión del universo, a partir del alejamiento que experimentan las galaxias a gran escala, la constante cosmológica planteada por Einstein dejaba de tener sentido. Poco tiempo después de estos hallazgos, el genio alemán consideraba su propia propuesta de un universo estático como “el peor error de mi vida”.

Sin embargo, la propuesta de una constante cosmológica por Einstein no está considerada del todo errada hoy en día si nos planteamos las siguientes interrogantes: ¿qué produce en realidad la expansión del universo?, ¿qué mueve a las galaxias para que se alejen unas de otras a velocidades cada vez más aceleradas?, ¿podría existir alguna fuerza, aún desconocida y exótica, que haga colapsar los efectos de atracción de la gravedad cuando hacemos referencia a cúmulos o racimos de galaxias en el conjunto del
universo?

Para darle sentido a esta pléyade de preguntas, y muchas más que puedan surgirnos, actualmente se baraja la hipótesis sobre la existencia de un tipo de energía oscura, que estaría presente en todo el universo en proporciones mucho mayores que la materia ordinaria de la que estamos conformados todos los seres humanos, estrellas, planetas, moléculas y átomos que nos rodean, cuya sola presencia estaría ejerciendo un tipo de “presión” negativa para contrarrestar los efectos “positivos” y de atracción de la gravedad. Aunque todavía no hay consenso al respecto, algunos físicos creen que el total de energía oscura en el universo es de un 70%. Pero, ¿cómo se formó este tipo de energía?, ¿pudo estar presente desde el origen del universo mismo? Todavía nadie lo puede responder.

Pero lo que sí es muy cierto es que, en aquellos años, por un lado los descubrimientos de Hubble sobre un universo que se expande, que privilegia la noción de lo dinámico sobre lo estático, y que abre la posibilidad de que las cosas, animadas e inanimadas, tiendan a evolucionar desde un principio y hacia un final en el tiempo, y, por otro el otro, al conjunto de nociones establecidas por Einstein sobre el comportamiento de los objetos a través de la gravedad, que tienden a deformar el espacio tiempo que los rodea, dieron pie a una nueva era para la física y la cosmología. Tiempos dorados aquellos donde, sin duda, se replanteó la manera en que los seres humanos concebimos y entendemos a la realidad en el siglo XXI.