“El espacio es alto. Positivamente alto. Simplemente no creerás lo enorme, enorme y alucinantemente alto que es. Quiero afirmar, puedes pensar que queda un dilatado camino por recorrer hasta impresionar a la química, pero eso es una miseria para el espacio. ” —Douglas Adams, La enseñanza del autoestopista esteral
Observatorios como el Telescopio Hubble y el Telescopio Espacial James Webb ofrecen a la humanidad el poder de ver cosas más lejanas que nunca. Cuando miramos profundamente con destino a el Paraíso noctámbulo, incluso miramos con destino a a espaldas en el tiempo. En comparación con el universo en su conjunto, la Tierra es conveniente muchacha, tiene 4.500 millones de abriles. Los científicos llegaron a esta signo gracias a la evidencia de la datación radiométrica, que mide la tasa de desintegración radiactiva en rudimentos con vidas medias conocidas. Rocas lunares, circones antiguos, meteoritos: todos dicen lo mismo: la Tierra tiene 4.500 millones de abriles.
Pero desde donde se encuentra la Tierra en el universo observable, nuestra visión se extiende a más de 13 mil millones de abriles en el pasado. Remotamente de nuestro reunión nave, los astrónomos han enemigo galaxias tan pobres en metales y tan profundamente desplazadas al rojo que parecen haberse formado menos de 300 millones de abriles posteriormente del Big Bang, el eclosión de nuestro universo conocido.
¿Cuánto tiempo hace que existe el universo? Los científicos estiman que el universo tiene 13.800 millones de abriles, con una incertidumbre de más o menos sólo el dos por ciento.
¿Pero cómo lo sabemos?
Velas estereotipado y la escalera de distancia cósmica
En 1924, al observar el Paraíso noctámbulo a través del que entonces era el telescopio más alto del mundo, cosmólogos como Edwin Hubble y Georges Lemaître informaron que casi todas las galaxias se estaban alejando de la Tierra. Por otra parte, cuanto más remotamente estaban las galaxias, más más rápido se estaban alejando.
Observaciones posteriores realizadas por el telescopio espacial homónimo de Hubble y el JWST han confirmado esta relación entre distancia y velocidad. No sólo la mayoría de las galaxias se están alejando de la Tierra, sino que incluso se están alejando unas de otras, con una velocidad proporcional a la distancia entre ellas.
Edwin Hubble basó sus cálculos de distancia en una “vela estereotipado” cosmológica señal variables cefeidas: estrellas cuyo brillo está válido y directamente relacionado con su período de pulsación. Las variables cefeidas son un peldaño importante en la escalera de distancias cósmicas, un sistema que utilizan los astrónomos para construir una observación sobre otra para sacar conclusiones lógicas sobre cosas mucho más lejanas de lo que nuestros telescopios pueden resolver. Los astrónomos de la antigua Grecia ya habían descubierto que para dos estrellas del mismo tipo, la más distante será más pequeña en el Paraíso, pero no sabían lo que sabemos ahora: algunos tipos de estrellas son más grandes que otras en un momento determinado. brillo. Como conocemos la verdadera brillantez de las variables cefeidas, podemos calcular con precisión su distancia. Eso nos permite evaluar la distancia a objetos muy lejanos.
La luz de nuestro propio sol tiene una distancia de onda más corta cuando se emite desde el banda del disco solar que viaje con destino a nosotros, y una distancia de onda más larga en el banda que viaje en dirección opuesta a la Tierra. Este engendro, conocido como sorpresa Doppler, es el mismo que cambia el sonido de una sirena cuando se acerca y se aleja. Hubble y sus contemporáneos notaron que las estrellas y galaxias en rotación cuyo movimiento propio las mueve en relación con la Tierra incluso muestran este sorpresa, estirando o aplastando la distancia de onda de su luz dependiendo de si se acercan o se alejan. Cuanto más pronunciado es el desplazamiento Doppler, más rápido se mueve poco.
Con suficientes mediciones de distancia y velocidad de recesión, los cosmólogos pueden calcular la velocidad a la que se expande el espacio-tiempo: H0. Pero si las galaxias se están alejando más, deben ocurrir comenzado más juntas. A medida que sus caminos convergen, podemos ver dónde y cuándo comenzaron en primer emplazamiento. A partir de ahí, los científicos pueden retroceder el tiempo cósmico, haciendo retroceder el temporalizador para estimar la etapa máxima del universo.
El fondo cósmico de las microondas
El tiempo comienza para nosotros en el momento del Big Bang, cuando en una minúscula fracción de segundo, una arranque de magnitud incomprensible arrojó al extranjero una enorme cantidad de materia y energía. Durante los primeros picosegundos posteriormente del Big Bang, las leyes de la física eran muy diferentes de las de nuestro situación de remisión. A medida que la sopa de gluones primordial se expandía con destino a fuera, se enfriaba, pero para ello tuvo que traspasar los límites del universo observable.
Los cosmólogos utilizan una variedad de métodos para calcular la etapa del universo, construyendo modelos matemáticos para sustentar la teoría en las observaciones directas. Este maniquí pertenece a la encomienda Planck de la ESA para estudiar el fondo cósmico de microondas.
Crédito: ESA – C. Carreau
Luego del Big Bang, durante los primeros 380.000 abriles aproximadamente, el universo era tan caliente y denso que era efectivamente opaco. Como el núcleo de una sino, los electrones estaban tan apretados que los fotones no podían ir a ninguna parte. A medida que el universo se enfrió y expandió, de repente, los fotones pudieron encontrar caminos con destino a el extranjero.
El propio espacio-tiempo liberó los fotones en una titánica arranque de radiación, cuyos últimos rastros vemos como el fondo cósmico de microondas: el brillo cada vez más tenue de la radiación residual que quedó del Big Bang posteriormente de todo este tiempo.
Una pequeña fracción del CMB está polarizada: vibra en una dirección preferida. Esto es resultado del extremo combate de esta luz con los electrones, adaptado antiguamente de iniciar su alucinación cósmico. Por esta razón, la polarización del CMB retiene información sobre la distribución de la materia en el Universo temprano, y su patrón en el Paraíso sigue el de las pequeñas fluctuaciones observadas en la temperatura del CMB.
Crédito: Colaboración ESA/Planck
Algunos fotones del CMB están polarizados, lo que significa que a medida que se alejan de su fuente, vibran en una dirección “preferida”. Los patrones de polarización informan a los astrónomos sobre la última interacción entre esos fotones y los electrones que los atraparon hace mucho tiempo, porque en los lugares donde había más electrones, la materia estaba más densamente concentrada.
Problemas e incógnitas
Todo lo inicial nos lleva a creer que tenemos una idea conveniente sólida sobre la etapa del universo. A medida que la tecnología de nuestros telescopios mejoría, la incertidumbre en nuestros modelos disminuye. Pero como ausencia es acomodaticio en cosmología, existen algunas discrepancias.
1. La tensión del Hubble
La luz parece obedecer a una especie de final de velocidad cósmica abreviada como doque era una parte integral de la teoría de la relatividad de Einstein. Sin confiscación, el propio espacio-tiempo puede no estar sujeto al mismo final de velocidad. El universo tiene 13,8 mil millones de abriles, pero el radiodifusión del universo observable no es de 13,8 mil millones de abriles luz. En cambio, el universo observable es poco 46,5 mil millones de abriles luz de diámetro. Esto se debe a que el tejido del espacio-tiempo se ha expandido desde que la luz que vemos dejó sus fuentes distantes. Su tasa de expansión nos indica su etapa, pero nuestros métodos principales para evaluar esa tasa arrojan respuestas diferentes.
El maniquí de cosmología predominante, llamado maniquí lambda-CDM (lambda para la constante cosmológica; CDM para la materia oscura fría; hablaremos más sobre esto en un momento), impone un final superior para la etapa del universo: 14.500 millones de abriles, como mayor. En este maniquí, la materia y la energía oscuras son cruciales para explicar la estructura del universo en las escalas más grandes. Pero el maniquí incluso debe tener en cuenta el fondo cósmico de microondas y el cambio en la tasa de expansión del universo. Ahí está el problema. Diferentes fuentes de observación incluso dan títulos sutilmente diferentes para la etapa del universo. Esta discrepancia es un problema cosmológico conocido como tensión de Hubble.
Aún así, la diferencia es muy pequeña. Por ejemplo, la encomienda Planck de la Agencia Espacial Europea, un telescopio espacial osado para observar el fondo cósmico de microondas, arrojó datos que apuntan a una etapa de 13.787 millones de abriles. Mientras tanto, el plan Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA calculó que el universo tiene 13.772 millones de abriles.
2. Ampliación del espacio-tiempo frente a 'luz cansada'
El universo tiene que ser al menos tan antiguo como lo más antiguo que hay en él. Las galaxias más antiguas observadas están profundamente desplazadas al rojo (z = 11 o más), y puede haberse formado unos pocos cientos de abriles posteriormente del Big Bang. La luz de estos objetos ha viajado más de 13 mil millones de abriles luz para impresionar hasta nosotros.
Para que el universo tenga más de 14 mil millones de abriles, tendríamos que descartar la mayoría de las suposiciones del maniquí lambda-CDM, que por lo demás se ajusta a la evidencia observacional. Sin confiscación, un artículo de 2023 calcula que la etapa del universo es aproximadamente el doble: 26.700 millones de abriles. ¿Qué da?
La método del artículo se sostén en un engendro llamado “luz cansada”, que el físico Fritz Zwicky propuso en 1929 para explicar el desplazamiento al rojo de fotones procedentes de fuentes distantes.
Fotones de una fuente en movimiento. remotamente de nosotros parecen cambiar en su camino con destino a aquí. Su distancia de onda aumenta, lo que vemos como un cambio de color con destino a el rojo. Mientras tanto, la luz de una fuente que se acerca a la Tierra parece desplazarse con destino a el extremo del espectro de decano energía y “más garzo”.
La cosmología coetáneo explica este corrimiento al rojo como producto de la expansión del espacio mismo, lo suficientemente rápido como para estirar la distancia de onda de un fotón que se mueve a través de él. En el siglo transcurrido desde el noticia auténtico de Hubble, miles de estudios que investigaron millones de estrellas y galaxias confirmaron sus observaciones y las de sus colegas y fundamentaron la teoría de la relatividad más allá de toda duda bastante. Pero la “luz cansada” de Zwicky propone que los fotones pierden energía a medida que viajan a través del espacio-tiempo.
Rajendra Gupta, físico de la Universidad de Ottawa y autor del artículo sobre la “luz cansada” de 2023, reconoce que la teoría de la luz cansada entra en conflicto con las observaciones. Sin confiscación, dijo Gupta, “al permitir que esta teoría coexista con el universo en expansión, es posible reinterpretar el corrimiento al rojo como un engendro híbrido, en emplazamiento de puramente correcto a la expansión”. En otras palabras, no sabemos lo que no sabemos.
materia oscura
La incertidumbre en nuestras mediciones de la etapa de nuestro universo y el hecho de que exista la tensión de Hubble no invalidan nuestras mediciones. Nos muestran que nuestros grandes modelos necesitan poco de fusión. Cabal al frente de la fila está el maniquí lambda-CDM. La materia oscura sigue siendo un heroína indeterminado, y ese es otro problema.
Todavía se debate acaloradamente cómo la materia oscura figura en el gran esquema de las cosas, o si existe poco llamado materia oscura o energía oscura, en primer emplazamiento. Algunos astrónomos han propuesto un sistema de dinámica newtoniana modificada como alternativa a la fría materia oscura, o incluso modelos más exóticos que incluyen la cosmología de branas, que está relacionada con la teoría de cuerdas. Aún así, comprender la materia oscura requerirá evidencia extraordinaria: muchas observaciones de partículas candidatas a materia oscura y algunos modelos físicos nuevos y brillantes para explicarlas.
Que la materia oscura funcione como teoría incluso afectará nuestras expectativas sobre el comportamiento a dilatado plazo del universo. El ritmo al que se expande el universo tiene implicaciones para su destino final: asesinato por calor, un gran desgarro, un eventual colapso en una nueva singularidad que lo abarque todo o poco completamente diverso.
Si el universo se expande a un ritmo constante, en permanencia con la pesadez, podría durar para siempre. Sin confiscación, los humanos no podrían verlo. Interiormente de unos dos billones de abriles, todas las galaxias más allá de nuestro supercúmulo nave estarán tan remotamente que no podremos verlas: más allá del horizonte cósmico. Si la materia oscura reemplazara a la pesadez, provocando que la tasa de expansión del universo aumentara aún más, se aceleraría esa límite de tiempo de dos billones de abriles. Si, por el contrario, la pesadez prevaleciera sobre la energía oscura, todo lo que se ha expandido en el universo tal como lo conocemos algún día volvería a caer sobre sí mismo en un “Big Crunch”.
Felizmente, tenemos tiempo suficiente para averiguarlo.
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