Expansión del universo: el asombroso comportamiento de las galaxias 

A partir del Big Bang, se ha llegado a la conclusión de que de forma constante, la expansión del Universo ocurre todo el tiempo, sin embargo, científicos determinaban como cierto el hecho de que esta velocidad cada vez era más pequeña, gracias a la atracción entre galaxias distantes, a pesar de que esto en realidad no era así.

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Qué es la expansión del Universo

La expansión del Universo, o el Universo en expansión acelerada, son nombres que se le fueron asignados a el hecho de que el Universo se expande en espacio a una velocidad cada vez mucho mayor.

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El descubrimiento de este fenómeno fue todo menos esperado para los científicos astrofísicos que estudian el origen del Universo y la física cuántica, pues se consideraba en ese momento, que el Universo si estaba en expansión gracias a la explosión del Big Bang, sin embargo, esta expansión iba en decadencia en cuanto a su velocidad, esto debido a la atracción que existe entre dos galaxias distantes de manera mutua.

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Un ejemplo fácil y claro para explicar sería con un globo con muchos puntos impresos en él. Si infla el globo, el espacio que hay entre todos los puntos parece expandirse, y estos se alejan unos de otros, sin embargo, el lugar en que está posicionado el punto sobre el hule es el mismo siempre, solo que este se va alejando de otros puntos expandiéndose.

Algo que también habría que tener en cuenta es que en esta analogía, es que el globo ya posee todo el espacio en su superficie, simplemente lo que hace es expandirse, sin embargo el globo no agrega más hule a su superficie para hacerse más grande. Lo mismo sucede con el Universo, los puntos serían todas las galaxias que existen en él, el hule sería la materia o energía oscura que existe, y el espacio ya lo poseería el Universo, simplemente lo que sucede es que se expande a velocidades exponenciales y de forma aparentemente infinita. (Visitar artículo: El Universo es infinito)

Ley de Hubble

La ley de Hubble es una ley física que postula que el corrimiento al rojo de una galaxia del espacio distante, es proporcional a la distancia a la que está. Esta ley es considerada como una de las principales pruebas observacionales de la Expasión del Universo y asimismo como una prueba fundamental para la comprobación de la teoría del Big Bang o la Gran Explosión.

El Universo que vemos posee estas dimensiones debido a una expansión acelerada que provocaron que las primeras galaxias que emitieron su luz cerca de otras hace más de 13 mil millones de años, estén muchísimo más alejadas unas de otras, estando determinada esta distancia por la Ley de Hubble y la constante de expansión del Universo.

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También conocida como la Constante de Hubble o la Constante de la proporcionalidad, que es debida a la inercia acelerada con la que se va extendiendo o estirando el espacio exterior, la cual se ha calculado de ser aproximada a los 70 kilómetros por segundos. (Visitar artículo: ¿Quién creó o cómo surgió el universo? )

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Es ley permite no solo calcular la distancia, si no también con ella se pueden tomar diversas estimaciones de la edad de nuestro Universo, ya que la constante anteriormente mencionada, se iguala con la unidad de velocidad entre la distancia  que le separa.

Para el cálculo de la constante de proporcionalidad, Hubble estuvo realizando diversos cálculos, donde muchas veces intentó, y basándose en los resultados de los corrimiento al rojo de unas 46 galaxias, con unos 500 k/s/Mpc, dando como resultado una cantidad de solo 2 mil millones de años, lo cual sería sumamente corto para unas galaxias ya perfectamente formadas debido a los estudios realizados en la Tierra con sus isótopos que sugerían que el planeta Tierra tiene más de 4 mil 500 millones de años.

Luego Sandage la redujo a 180 K,/s/Mpc, sin éxito. Dos años más tare el mismo Sandage intenta con un 75 km/s/Mpc, una carga muy cercana al valor de la constante de Hubble para la actualidad. Sin embargo se llegó a la conclusión de que el número variaba entre los 50 km/s/Mpc y los 100 Km/s/Mpc, donde cada uno tiene una duración de 10 mil millones de años y 20 mil millones de años respectivamente.

Expansión del Universo 

Radio de Hubble

El Universo observable, que como su nombre lo indica es tan solo aquella parte del Universo que podemos alcanzar a observar desde la Tierra, tiene un diámetro de unos 100 mil millones de años luz, y se cree que esta es sólo una pequeña y diminuta parte de lo que en realidad compone el Universo.

Esto se debe a que si se toma la Constante de Hubble y se tiene un objeto lo suficientemente alejado de la Vía Láctea para que así no fuera afectado por la interacción gravitatoria, este cuerpo se estaría alejando a una velocidad superior a la de la luz, por lo tanto, en un lugar más cercano a ese, a una distancia determinada, el cuerpo se alejará a la misma velocidad exacta de la velocidad de la luz, de modo que justo a partir de ese lugar en específico la luz de esos cuerpos no podría llegarnos, ya que se aleja a la misma velocidad de la Luz.

Ese conjunto de puntos que marcan esa distancia alrededor del planeta Tierra, es decir, el espacio en la que la Ley de Hubble logra determinar que la velocidad de expansión del Universo es igual a la velocidad de la Luz es denominado el Radio de Hubble y tiene un diámetro aproximado de unos 14 mil millones de años luz.

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Energía y Materia Oscura

Según los conocimientos actuales, el Universo estaría compuesto por un aproximado de un 5% de átomos, un 25% de materia oscura, estos dos encargados de la atracción de gravedad y por ende frenar la expansión del Universo por esta interacción y un 70% de energía oscura, que sería la encargada de acelerar al Universo en su expansión.

Sin embargo, poco se conoce sobre qué son las materias oscuras y las energías oscuras. Dos grupos se encontraban investigando sobre esto, el primero, conformado por Saul Perlmutter y el segundo de Brian Schmidt y Adam Reiss, los cuales publicaron y protagonizaron conferencias con los resultados de que en realidad el Universo no se frenaba si no que estaba acelerándose. 

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La explicación más sencilla que puede haber para hablar sobre la energía oscura es que es una propiedad del Espacio, por lo que con la expansión del Universo, no se diluiría como una nebulosa, por ejemplo, si no que se crearía más y más, por ser parte fundamental de ella, y de esta manera el Universo se expandiría más rápido, creando una cadena. Einstein fue el primero de muchos en observar que el espacio vacío en realidad no es la nada, lo que muchos antes consideraban, si no que tiene diferentes elementos sorprendentes y de las cuales aún se están investigando. 

Otras explicaciones de este elemento, se atribuyen a que es un fluido o una dinámica de fluidos que llena absolutamente todo el Espacio y que trabaja con efectos contrarios a los que tiene la materia común. 

En cuanto a la Materia Oscura, se puede entender de muchas maneras, sin embargo, poco se sabe de qué es exactamente, y más sobre lo que no es. Pues la Materia Oscura es de cierto modo oscura, ya que no se encuentra en forma de estrellas, galaxias, planetas, asteroides, etc, tampoco son las nebulosas o nubes oscuras, y tampoco es anti materia ya que observaríamos rayos gamma dispararse constantemente. 

Documental: Universo en permanente expansión

Supernova

Las supernovas son fenómenos estelares que ocurre cuando una estrella, la cual es un astro que logra producir su propio brillo mediante la combustión y la fusión nuclear de hidrógeno se le acaba el combustible, es decir, el hidrógeno. Dependiendo de la masa que haya logrado la estrella podrán suceder 3 cosas o se presentarán 3 situaciones:

  1. Que la estrella se apague y colapse sobre si misma, consumiendose y contrayendose hasta convertirse en una estrella enana blanca, lo que podría suceder a estrellas que tan solo poseen una masa de 1.44 comparadas a la del Sol.
  2. Que la estrella se hinche y muera en una espectacular y grandiosa explosión conocida como la supernova y que luego se contraiga en una estrella de neutrones, lo que suele suceder a estrellas que tengan 3 veces la masa del Sol
  3. Y por último que la estrella o la Supernova, termine su vida contrayéndose tan solo unos pocos kilómetros para luego convertirse en un agujero negro compuesto de masa estelar. Este fenómeno ocurre normalmente con estrellas que tienen una masa mucho más superior de 3 masas solares.

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Cuando surge una explosión de supernova, este fenómeno puede causar que brille aproximadamente a 10 mil millones de soles y se logran producir cuando la estrella en cuestión es capaz de formar un núcleo de hierro.

Tipos de Supernovas

Las Supernovas se pueden clasificar de acuerdo a la naturaleza de los elementos o compuestos químicos que le conforman y que a su vez conformaban anteriormente a la estrella, e incluso a la curvatura de la luz y la forma que esta misma posee. Ellas pueden clasificarse principalmente por dos tipos: 

  1. Tipo I: Supernovas que no poseen líneas de rastro de emisión de hidrógeno, y las cuales la forma de la curva de la luz presenta agudos máximos y luego tienden a desvanecerse al paso del tiempo gradualmente. 
  2. Tipo II: Son las contrarias al tipo I pues poseen fuertes y marcadas líneas de rastro de emisión de hidrógeno y poseen mil millones de luminosidades solares a comparación de 10 mil millones que son las que poseen las supernovas de Tipo I. 

Además existen subdivisiones para las supernovas, las de tipo I se clasifican por su composición o espectro:

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  • Ia: Tienen líneas de absorción de Silicio bastante fuertes, y si brillo disminuye cuando su espectro está siendo dominado por las líneas de hierro y cobalto 
  • Ib: No presentan líneas de Silicio, pero pueden poseer líneas fuertes de Helio, además, después de un determinado tiempo, los espectros no muestran ninguna líneas de emisión de elementos de masa intermedia como lo son el Oxígeno y el Calcio. 
  • Ic: No poseen líneas de Helio ni de Silicio pero se observan rastros de elementos de masa intermedia, sobre todo Oxígeno y Calcio. 

Las de Tipo II se sub-dividen según su curva de luz así: 

  • II-L: La curva de luz son parecidas a las de Tipo I, sin embargo su caída de brillo después del punto máximo es más brusca. 
  • II-P: La curva de luz logra mantener un brillo constante tras el punto máximo y tan sólo se observa un decaimiento en él después de pasados algunos meses. 

Medir distancias a partir de las Supernovas

Las Supernovas tienen una suprema importancia en cuanto a la Expansión del Universo se refiere ya que son de gran ayuda si se quiere medir distancias. Las estrellas Cefeidas son gigantes pulsantes que logran poseer una relación de periodo y luminosidad sumamente precisa, la cual ha sido calibrada por expertos y de hecho, se utulizan para inferir distancias de hasta incluso 10 Mpc (1 megapársec, Mpc, equivale a 3,26 millones de años luz). 

Para poder determinar, calcular o medir cualquier distancia de la expansión del Universo, son necesarios patrones de luz que puedan identificarse a distancias 100 veces mayores, y es por ello que las supernovas son utilizadas, sobretodo las de tipo Ia.

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Teoría de la Expansión del Universo

La teoría de la Expansión del Universo fue propuesta en 1924 por el científico Edwin Hubble, tras localizar a otras galaxias fuera del Grupo Local en donde se encuentra la Vía Láctea y Andrómeda, con las que pudo calcular la distancia a estas por medio de la luz que recibíamos de ellas.

Científicamente se declaraba que Ediwn Hubble observó que todas y cada una de las galaxias, expecto las que estaban más cercanas a nosotros, mostraban una desviación hacia el color rojo de su espectro, lo que significaba que el objeto que emite esa luz se aleja constantemente de donde se realiza el cálculo, es decir, se aleja de nosotros, o de la Vía Láctea.

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De esta manera Hubble concluyó dos simples propuestas, la primera, que casi todas las galaxias se alejan de nosotros, y la segunda, que la magnitud hacia su desviación hacia el rojo, es directamente proporcional a la distancia en que se encuentran, lo que quiere decir que cuando más lejos está localizada una galaxia, con más velocidad, aceleración o simplemente intensidad, se alejará de nosotros.

De esta manera este científico descubre la Teoría de la Expansión del Universo, postulando que el universo se está expandiendo y lo hace cada vez con una proporcionalidad mayor entre distancia y velocidad, es decir, a mayor distancia de la Vía Láctea, mayor velocidad de alejamiento.

De aquí es que surgen una de las bases de comprobación del Big Bang, pues, según esta teoría, en un principio todo estaba unido en un pequeño espacio, lo que era nuestro Universo para el momento, y debido a la gravedad y el poco espacio que había para la cantidad de materia, todo colapsó, generando una gran explosión hacia afuera y separándose todo por grandes distancias.

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Historia y descubrimiento

Durantecientos de años, se consideró del Universo tal como si fuera una tela de fondo, a gran distancia e inamovible, donde simplemente los objetos estaban colgados, como las estrellas o las galaxias, incluso el tiempo y el espacio eran consideradas cosas distintas, algo que en la actualidad, para los físicos es algo inconcebible.

En 1920, fue cuando Vesto Slipher, Carl Wirtz, Knut Lundmark, Georges Lemaitre y Edwin Hubble, descubrieron, mediante diversas investigaciones, que el Universo en realidad estaba en expasión, demostrando que las galaxias lejanas a la nuestra se alejaban cada vez mas.

Incluso Einstein, al cual no le convencía la teoría de un Universo en expasión, le incomodaba además que no pudiera conocer todas las variantes dentro del Universo, al existir la Teoría de la Relatividad, la cual fue propuesta por el mismo, y la Mecánica cuántica, la cual incorporaba el Principio de Incertidumbre de Heisenberg, la que dictamina que no se puede saber de forma precisa, la velocidad y la posición de una partícula al mismo tiempo, por lo que podría actuar como onda o partícula al mismo tiempo.

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A partir de esto fue cuando Albert Einstein se dió cuenta que en su propia teoría, las ecuaciones podrían albergar un Universo que estuviera en movimiento, ya fuera de contracción o expulsión, es por esto que añade a ellas la Constante Cosmológica.

Agregando un efecto repulsivo a los cuerpos de manera que pudiera contrastar con la fuerza atractiva que generaba la interacción de la fuerza de la gravedad, al acercar cada vez más las galaxias entre si, como es el caso de la Vía Láctea, nuestra galaxia y Andrómeda, una galaxia espiral vecina, la cual es la más cercana a nosotros y que gracias a la atracción podrían sufrir una colisión entre unas y otras.

Con la Constante Cosmológica, Eistein permitía una solución estática y que no era variable para el Universo y el Cosmos como tal, sin embargo, al pasar los años, este se arrepintió y declaró que incorporarla a sus fórmulas había sido el mayor error de su vida y su carrera.

Ya para 1929, Edwin Hubble tuvo la posibilidad de medir la velocidad de las galaxias, y determinó por calculos y observación que estas se alejaban ya que su luz disminuía con el paso del tiempo, además, utilizando la observación, pudo notar que las velocidades parecían ser mayores a medida que la luz de las galaxias eran más tenues, lo que para él significaba que definitivamente que la Expansión del Universo era real y que ocurría de una manera constante y cada vez más rápida.

El descubrimiento que se le escapó a Einstein

 Modelos de expansión del Universo

Existen varios tipos de modelos posibles de nuestro Universo, así como un posible esquema de qué sucederá a la Vía Láctea y a todo lo que conocemos dentro de un par de años, tan sólo conociendo que el Universo se expande sin saber si en realidad es infinito o finito. 

Universo Desacelerado

En la gráfica se logra apreciar el Modelo de un Universo desacelerado, y allí se muestra cómo la galaxia alcanza su actual tamaño y de qué manera podría terminar, ya sea por medio del Big Crunch, es decir, una contracción suprema de los cuerpos, o expandiéndose indefinidamente manteniendo su tamaño actual. 

Universo de Costa

El Universo de Costa es el que tarda mucho más tiempo en alcanzar el estado actual del Universo en comparación con los Universos Desacelerados, sin embargo, mantendría su expansión eternamente, es el que se refiere al número 2 en la gráfica. 

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Universo Acelerado

Por último, el Universo Acelerado, el número 3 de la gráfica, se refiere a un Universo mucho más viejo que los dos anteriores, donde el Universo ha tardado millones de años en alcanzar su estado actual y cuya tasa de expansión actual se va incrementando debido a toda la fuerza de repulsión existente que logra alejar cada vez más y aún a las galaxias. 

Algunos de estos modelos de universo o de expansión del Universo podría significar que la fuerza de expansión o la energía oscura podría de alguna forma vencer la fuerza de gravedad que afecta a la mayoría de los cuerpos en el Universo y así lograr modificarlos tanto para expandirlos eternamente como para contraerlos y terminar este Universo tal cómo empezó, con una explosión en un espacio pequeño donde estuviera acumulada gran cantidad de materia pero poco espacio, como si un globo estuviese desinflándose. 

¿Qué es la Enegía Oscura? 

Universos livianos, pesados y balanceados

Estos tipos de Universo se basan en posibles soluciones o finales para la extensión del Universo basándose en 3 simples posibilidades, un Universo Pesado, el cual dejaría de expandirse debido al peso de la gravedad sobre los materiales por los cuales está compuesto, ocasionando que se curve sobre si mismo y que sea finito en el espacio y finito en el tiempo, convirtiéndolo en un Universo que tiene principio, el cual sería el Big Bang y un final, el cual es conocido como el Big Crunch.

La segunda posibilidad es la de un Universo Liviano, es aquel que pudiera optar por una forma de malla, infinita en el tiempo e infinita en el espacio. Y por último existiría un Universo Balanceado, también llamado muchas veces el Universo Justo, donde la basa sería balanceada, de manera equilibrada y como su nombre lo indica, justa, no siendo ni infinita ni finita, sin encontrarse lejos o cerca.

Estas soluciones son determinadas según la cantidad de materia u objetos de cielo profundo con el que el Universo pueda contar, y según este, la expasión del Universo, debería desminuir su velocidad, no deternerse ni desacelerarse por completo si no dejar de tomar rapidez exponencialmente, detenerse un poco y luego empezar un proceso reverso.

Contracción y expansión

Cuando de expansión y contracción del Universo se habla, se debe a que el mismo Universo se ve sometido a una constante corriente de expansión y contracción, la primera ocasionada por lo que ya hemos explicado, lo relacionado a la Ley de Hubble, la constante de proporcionalidad y la Energía Oscura, y el segundo punto debido a dos cosas: 

  • Las estrellas, al momento de su muerte o colapso, producen una supernova, fenómenos de luz que son estudiados comúnmente por los científicos de la Física para medir las distancias lejanas a la Vía Láctea gracias a la luz.

Cuando ocurre una supernova pueden haber 3 posibilidades, donde todas y cada una de ellas involucra una contracción tanto máxima como parcial del cuerpo estelar, de manera que este se convierte en un cuerpo estelar enano, como una estrella blanca enana o en una explosión de miles de millones de soles de luminosidad. 

  • Por otro lado, la contracción también se puede referir a la interacción de la Gravedad entre los cuerpos que se encuentran muy cercanos a otros, por lo que este impide que la expansión afecte las distancias entre los cuerpos de un sistema y que se mantengan funcionando de la manera que lo hacen comúnmente, incluso siendo capaces de acercarse entre ambos o alejarse. 

La expansión del Universo desde telescopios (ESA)

Por qué no aumenta la distancia entre el Sol y la Tierra

Si bien el espacio entre las galaxias lejanas y la Vía Láctea o Galaxia del Sol, se ve aumentada debido a la Expansión del Universo, la distancia entre la Tierra y el Sol, así como de los demás planetas e incluso de la Luna, no se ve afectada debido a que la fuerza de atracción gravitatoria es muchísimo más fuerte a esa fuerza que logra expandir el Universo. 

De esta manera, la Gravedad, logra mantener en una posición y distancia exacta los cuerpos, e incluso logra totalmente lo contrario, su aproximación entre ellos, y no el alejamiento, tal como sucede con la Vía Láctea y Andrómeda, ambas ubicadas en el Grupo Local, se ven atraídas entre ellas por la gravedad, incluso presentando una posibilidad de colisión dentro de algunos millones de años. 

En donde si aplica el hecho de que la expansión del Universo actúe, sería en relación de la Vía Láctea con estrellas que incluso se encuentren fuera del Gran Cúmulo de Virgo, muy separadas del rango gravitatorio de nuestra galaxia, sin embargo esto no sucederá nunca en el Sistema

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