La expansión del universo | Letras Libres
artículo no publicado

La expansión del universo

El primero en percatarse de la expansión del universo fue Edwin Hubble, quien observó que las nebulosas planetarias se estaban alejando de la Tierra. 

La teoría del Big Bang, propuesta por el ruso George Gamow a mediados del siglo XX, pretende explicar el origen y la evolución del universo. En ella se postula que el espacio-tiempo (universo y tiempo) se crearon hace 13 mil 700 millones de años a partir de un punto sumamente pequeño, denso y caliente, denominado “singularidad”. A partir de ese punto el universo se ha ido expandiendo y conforme lo ha hecho se ha ido enfriando, formado estrellas, galaxias, planetas, lunas, etc.

El término de Big Bang (gran explosión) fue utilizado por primera vez por Fred Hoyle durante una entrevista con la BBC en la que, precisamente, se burlaba de los postulados de Gamow.

Esquema de la teoría del Big Bang

El primero en percatarse de la expansión del universo fue Edwin Hubble, quien observó que las galaxias que rodean a la Via Láctea se estaban alejando de la Tierra.  A partir de esas observaciones, Georges Lemaitre (cura, astrónomo y profesor de física belga) encontró que había una relación directamente proporcional entre la distancia de objetos estelares muy lejanos y su velocidad radial de alejamiento (relación conocida como la ley de Hubble). Esto es, mientras más lejos está un objeto, este se aleja a mayor velocidad de nosotros. Efecto que solo se logra en un universo que se expande a una velocidad constante.

Tras resolver las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, Lemaitre propuso1 que el universo no era estático sino que estaba en expansión. Las reacciones no se hicieron esperar. Einstein, que toda su vida  creyó que el universo era estático, agregó una constante (constante cosmológica) a la solución que Lemaitre había encontrado para poder defender su hipótesis2.

Lemaitre y Einstein

La llamada “gran explosión” en realidad no fue tal, simplemente el universo comenzó a expandirse. Durante una explosión se tiene una diferencia de temperatura enorme entre dos regiones cercanas, contrario a ello nuestro universo mantiene una temperatura casi uniforme3 de de 2.7 grados Kelvin (equivalente a -270 grados centígrados).

Imagen de la radiación microonda cósmica de fondo que muestra la temperatura del universo.

La única fuerza que puede frenar la expansión del universo es la fuerza de atracción gravitacional de este mismo4. Dependiendo de qué fuerza es mayor (expansión o gravitacional) se determina la cinemática del universo. Si hay poca masa, el universo  se expandirá por siempre; si hay mucha, el universo se frenará y, eventualmente, comenzará a colapsarse.

En el universo, además de la materia visible  existe la denominada “materia oscura”5 que no podemos observar pero sí sentir. Hoy en día el cálculo de la suma total de estas materias (visible + obscura) es mucho menor al valor necesario para poder frenar la expansión del universo. Por tanto, el universo se expandirá por siempre.

Esquema de la expansión del universo.

La teoría del Big Bang es de las pocas propuestas teóricas que ha logrado explicar perfectamente la Radiación Microonda Cósmica de Fondo (RMCF). En 1964, trabajando en la construcción de una antena para los laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron de modo accidental la presencia de la RMCF. Por más que intentaron que la señal obtenida con su antena quedara sin ruido, siempre había un ligero zumbido que además resultaba ser siempre el mismo, independientemente de hacia dónde se apuntara el telescopio. Este ruido resultó ser la RMCF, producto de los primeros fotones (sumamente calientes) que fueron emitidos al poco tiempo de haberse creado el universo y que con el paso del tiempo se han ido enfriando y se reciben desde cualquier parte del universo en todo momento. Si uno prende la televisión o el radio en una frecuencia con, aparentemente,  pura estática, al menos 1% de dicha estática corresponde a un fotón de la RMCF6.

En 1978 Penzias y Wilson, fueron galardonados con el premio Nobel  por este  descubrimiento. 

Los nuevos satélites se han mejorado notablemente el poder de resolución de la RMCF.

Por último, la expansión continua del universo produce un efecto llamado Doppler. Este  efecto es el cambio aparente la longitud de onda que un objeto en movimiento emite. Si el objeto se acerca hacia el observador, la longitud de onda observada se percibe de  mayor tamaño (aplicado al espectro electromagnético - luz - el observador vería que la fuente de luz que se acerca es de color7 azul); por el contrario si la fuente se aleja, la longitud de onda observada sería menor (y el observador vería la fuente de luz de un color8 rojizo). Debido a que las galaxias observadas en el universo están corridas hacia el rojo se confirma el hecho de que el universo se está expandiendo.

Video del efecto Doppler en el espacio.

http://www.youtube.com/watch?v=Kg9F5pN5tlI

[1] Lemaitre, G. (1927.) Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, Vol. 47, p. 49, April 1927

[2] La constante cosmológica está directamente relacionada con la “energía obscura” (que en realidad no es una forma de energía). Actualmente parece que el borde del universo no solo se expande, sino que cada vez se acelera más. Este fenómeno es atribuido a la constante cosmológica.

[3] El diferencial de temperatura en el universo es menor a 0.0001 grados centígrados.

[4] La fuerza gravitacional que frena la expansión del universo es generada por todos los objetos masivos que hay dentro de este.

[5] Estudiando la forma en la que las galaxias espirales rotan se ha calculado que hay 10 veces más materia oscura que visible.

[6] El problema es que la RMCF no se puede diferenciar del ruido.

[7 y 8] La longitud de onda  determina el color (el rango visible va del rojo hasta el violeta).  Longitudes de onda chicas, producen colores que tienden hacia el rango del azul (la longitud de onda de 470nm produce el azul); longitudes de onda grandes producen colores que tienden hacia el rango del rojo (por ejemplo 656 nm genera el color rojo).