Quizás el descubrimiento más grande sobre el Universo que hicimos a fines del siglo pasado, cuando descubrimos una de las verdades cósmicas más extrañas: las galaxias distantes no solo vuelan lejos de nosotros a medida que avanza el tiempo, sino que también vuelan cada vez más rápido. El descubrimiento de la expansión acelerada del Universo como parte del Proyecto de Cosmología de Supernova con la ayuda del Equipo de Búsqueda de Supernovas High-z le valió a los científicos el Premio Nobel de Física. Si bien este es uno de los fenómenos más extraños e inusuales del universo.
El hecho es que el Universo no siempre aceleró, alejándose de nosotros. Durante miles de millones de años, la expansión se ha ralentizado y, para alguien que viviera hace diez mil millones de años, podría parecer que se está contrayendo. ¿Que pasó?
En la década de 1920, se presentaron cuatro pruebas, tres observables y una teórica, de que el universo se estaba expandiendo. Aquí están:
1. Descubrió que las nebulosas espirales en el cielo nocturno eran galaxias reales, o "universos insulares", que contenían miles de millones de estrellas y estaban ubicadas mucho más allá de la Vía Láctea.
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2. La medición de los cambios de rojos y azules de estas galaxias por Vesto Slifer mostró la rapidez con que estas galaxias se alejan de nosotros (desplazamiento al rojo) o se acercan a nosotros (desplazamiento al azul), y la gran mayoría siguió el primer escenario.
3. Edwin Hubble y su asistente Milton Humason llevaron a cabo mediciones de la distancia a cada una de estas galaxias. Combinados con las observaciones de Slipher, revelaron una relación clara: cuanto más lejos estaba la galaxia, más rápido parecía alejarse de nosotros.
4. Finalmente, un poderoso salto teórico dado por la teoría general de la relatividad de Einstein: la comprensión de que el Universo, que está lleno de galaxias de aproximadamente la misma densidad en todas las direcciones, debe ser inestable a menos que se expanda o se contraiga.
Esto condujo a una imagen del universo de 1929: era más caliente, más denso y se expandía más rápido en el pasado, y luego se volvió más frío, menos denso y se expandió más lentamente con el tiempo.
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Esto es bastante lógico desde el punto de vista del Big Bang. Imagínese el Big Bang como el pistoletazo de salida de una gran carrera espacial, una carrera entre la expansión inicial en un lado, que fue muy rápida al principio, y la gravedad en el otro lado, que lo une todo. Es fácil imaginar tres opciones diferentes, cada una de las cuales da como resultado un ritmo diferente del universo:
1. Gran compresión. Quizás la tasa de expansión inicial fue bastante alta, pero la fuerza de gravedad fue más fuerte. La expansión debería ralentizarse y detenerse. El universo debe alcanzar su tamaño máximo y comenzar a encogerse. Y finalmente, debe colapsar nuevamente, volviendo al estado anterior al Big Bang.
2. Gran congelación. Este es el escenario opuesto al anterior: en el que la expansión comienza rápidamente y la gravedad la frena, pero no lo suficiente. La expansión dura para siempre, la gravedad la frena todo el tiempo, pero no puede detenerla. Este escenario se conoce como la Muerte por Calor del Universo: La Gran Helada.
3. Universo crítico. También existe la posibilidad de que se encuentre en el medio, cuando la velocidad de expansión y la gravedad se igualen entre sí, y la velocidad de expansión disminuirá con el tiempo. Una partícula menos, una partícula más en el Universo, y obtienes el primer o segundo escenario. Pero esta partícula no existe. El escenario del "universo crítico" conduciría a la muerte por calor más lenta posible.
Durante miles de millones de años, pareció que la opción crítica ganaría. Verás, cuando vives en el universo y miras diferentes galaxias, no solo puedes medir la tasa actual de expansión, sino que al observar las galaxias más distantes, también puedes medir la tasa de expansión al comienzo de la historia del universo.
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Esta imagen muestra galaxias que ya son inalcanzables para nosotros.
Durante miles de millones de años, unos siete mil millones para ser exactos, parecía que vivíamos en un universo crítico. La expansión comenzó en la era de la radiación (fotones y neutrinos), y luego todo se enfrió lo suficiente como para que comenzara la era de la materia (tanto ordinaria como oscura). A medida que el universo continuó expandiéndose, la densidad de la materia disminuyó y disminuyó a medida que el volumen de materia aumentaba y la masa permanecía igual.
Pero en algún momento, la densidad de la materia cayó a un valor tan bajo que surgió otro contribuyente más sutil a la densidad de energía del Universo: la energía oscura. En aproximadamente siete mil millones de años, el valor de la materia oscura alcanzó varios por ciento de la densidad de energía total, y cuando el universo tenía 7.800 millones de años, la densidad de la energía oscura había alcanzado un valor importante: el 33% de la densidad de energía total en el universo. Esto es importante porque esa cantidad de energía oscura es necesaria para que la tasa de expansión comience a aumentar.
Desde entonces, hace unos 6 mil millones de años, la densidad de la materia comenzó a disminuir, mientras que la energía oscura se mantuvo constante. Actualmente, la materia oscura representa aproximadamente el 68% de la energía total del Universo, y la materia se ha reducido al 32% en total (27% de materia oscura y 5% de materia ordinaria). Con el tiempo, en el futuro, la densidad de la materia seguirá cayendo, mientras que la densidad de la energía oscura se mantendrá constante, la energía oscura será cada vez más frecuente.
Densidad de energía en el Universo en diferentes momentos de su pasado
Para las galaxias individuales, esto significará que una galaxia que comenzó a alejarse de nosotros en el momento del Big Bang más rápido que otras demostrará una disminución obvia en la velocidad (desde nuestro punto de vista) en los primeros 7.800 millones de años. Entonces, la tasa de desaceleración dejará de caer y permanecerá sin cambios durante algún tiempo. Entonces comenzará a crecer y la galaxia comenzará a alejarse de nosotros incluso más rápido que antes, ya que el espacio entre nosotros y las galaxias distantes se está expandiendo a una velocidad tremenda. En algún momento, y esto da miedo porque se aplica al 97% de las galaxias de nuestro universo visible, todas las galaxias fuera de nuestro grupo local se alejarán a una velocidad superior a la de la luz, quedando fuera de nuestro alcance debido a limitaciones físicas.
En amarillo está el tamaño actual del universo visible: 46 mil millones de años luz; El tamaño que podemos alcanzar es en rosa: 14.5 mil millones de años luz
Por lo que sabemos, el universo siempre ha tenido la cantidad de energía oscura que ahora tiene inherente al cosmos mismo. Pero tomó 7.8 mil millones de años, o toda la historia del Universo mil quinientos millones de años antes de que se formara nuestro sistema solar, para que la densidad de la materia descendiera a un nivel tal que la energía oscura se hiciera cargo de la expansión del universo. Desde entonces, todas las galaxias fuera de nuestro grupo local se han ido alejando de nosotros y continuarán retrocediendo hasta que desaparezca la última. El universo se ha estado expandiendo durante los últimos seis mil millones de años, y si hubiéramos aparecido antes, es posible que no hubiéramos ido más allá de estas tres opciones que ofrece nuestra intuición. En el mejor de los casos, solo podríamos adivinar qué es exactamente el universo. Y esa sería nuestra mayor recompensa.
