La constante de Hubble es una ley del campo de la física en donde se estable que el universo está en una eterna expansión y lo que trata de determinar dicha ley es la velocidad de este acto. En el artículo de hoy, hablaremos a mayor detalle sobre todo lo referente a esta ley y el modo de calcularla.
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¿Para qué sirve la constante de Hubble?
La constante de Hubble es una ley física en la que se establece que una galaxia tiene un corrimiento al rojo. Las galaxias poseen un espectro de luz visible, el cual posee diversas tonalidades de color, el corrimiento ocurre cuando estas ondas de luz se desplazan hacia el rojo, el cual es el límite de la radiación lumínica.
Este evento en el espacio se ha explicado que ocurre de manera proporcional a la distancia de la galaxia, es decir, existe una distancia entre dos galaxias y cuanto mayor es, más parece que se va alejando de ella. Mientras este distanciamiento aparente va sucediendo, la luz emitida por cualquiera de ellas se desplaza también.
Dicha observación sobre el distanciamiento de las galaxias se considera la primera prueba empírica del postulado de que el Universo se expande y, esta teoría sirve como el soporte clave para lo que se conoce como La Gran Explosión o la teoría del Big Bang.
Esta teoría expone que en un inicio, antes de que el Universo fuera un campo lleno de galaxias, planetas, estrellas, constelaciones y otros objetos celestes, no había nada más, hasta que ocurrió una explosión en el mismo. Los creadores de esta hipótesis postulan que por medio de esta explosión el Universo empezó a existir.
El planteamiento que sostiene la constante de Hubble es que la velocidad con la cual las galaxias se alejan entre ellas, es proporcional a la distancia existente con ellas mismas. Lo que indica que a mayor distancia de la galaxia, su velocidad va en aumento.
Asimismo, si se compara la velocidad del distanciamiento de una galaxia alejada con una cercana a nuestro planeta, se puede observar que esta última se aleja con menor rapidez, que aquella que se encuentra más distante de la Tierra.
Hoy en día esta constante plantea que durante la historia del universo, existen momentos en los cuales el distanciamiento de las galaxias y el corrimiento al rojo suceden de manera proporcional. Sin embargo, no expone si esta expansión se acelera, detiene o permanece de manera constante.
En el año 2006, se realizó una investigación para poner a prueba la constante de Hubble con una galaxia cercana a nuestro planeta. Dando dos resultados importantes: el primero de estos determinó la edad supuesta de la Tierra a 13.781,306 millones de años y el segundo es que la velocidad promedio en que una galaxia se aleja de nosotros es de 70 km por segundo.
Historia
Todo comienza con Edwin Hubble, uno de los astrónomos más importantes de los Estados Unidos para el momento. El mismo basó gran parte de su trabajo en el área de la astronomía en el Observatorio Monte Wilson, el telescopio más potente del mundo para el momento.
Entre los descubrimientos más destacados del astrónomo está lo que denominó estrellas variables cafeidas. La particularidad de estas es su brillo o luminiscencia, dado que pueden cambiar de temperatura haciendo que resplandezcan con mayor o menor intensidad.
Las observaciones que realizó de las mismas en las nebulosas (regiones del espacio en donde hay una mayor concentración de objetos celestes y partículas de polvo espacial), fueron las que dieron entrada para sus suposiciones de la distancia entre los objetos espaciales.
Posteriormente, en el año 1920 Hubble combinó sus propias mediciones con las del astrónomo Vesto Slipher en su trabajo sobre el ya explicado corrimiento rojo. Esto se dio a causa de las observaciones acerca de los alejamientos relativos de las galaxias que estudió.
Hubble descubrió que la relación entre ambas medidas investigadas ocurría de manera directa, lo que significaba que cuanto más lejos se encuentre una galaxia de la Tierra, mayor es el corrimiento al rojo. A esta proporción de las medidas denominó Constante de Hubble (H0).
A pesar que en los alejamientos de las galaxias había cierta dispersión relativa, Hubble logró trazar una tendencia lineal de 46 que escogió para su investigación, y determinó un valor para la constante de Hubble de 500 km por segundo.
Dicho valor fue mucho más elevado que el estimado en la actualidad, esto se debió a errores en la calibración de las distancias. Para el año 1958, se obtuvo la primera verdadera estimación del valor de H0, tomando como promedio una velocidad de 75 km por segundo.
En 1929, Hubble realizó un análisis acerca de la velocidad de las galaxias y nebulosas que había estudiado con respecto a su distanciamiento con la Tierra. Entre los resultados encontró que algunas de estas tendían a acercarse más al planeta.
Sin embargo, la gran mayoría de ellas mostraba un corrimiento al rojo, que solo podía ser explicado bajo el supuesto de que se alejaban de nosotros. Adicional a esto, también descubrió que había una relación directa entre la velocidad y el acercamiento de parte de las otras nebulosas.
Estos descubrimientos, sirvieron como sustento a la hipótesis de Hubble como única explicación al por qué de estos alejamientos entre las galaxias, el Universo se estaba expandiendo. Lo que hasta el día de hoy, sigue estando bajo estudio.
La constante y el universo
Durante el siglo XX, una de las prioridades en el campo de la astronomía, fue el cálculo de la constante de Hubble. Como ya se mencionó, los primeros cálculos que hizo el astrónomo fueron por medio de 46 galaxias, dando una velocidad de distanciamiento muy elevada, indicando que la Tierra tiene 2.000 millones de años.
Dicho valor no tenía una validez científica, dado que los restos de objetos celestes mostraron unos 4.500 millones de años. En 1956, otro astrónomo llamado Allan Sandage calculó que la velocidad de distancia era de 180 km por segundo. Dos años después, volvió a medir, dando un valor promedio de 75 km, muy cercano al valor que se conoce hoy en día.
Sin embargo, durante la época de los 70 los cálculos acerca de la velocidad de las galaxias rondaban entre los 50 y 100 km por segundo. A partir de estas suposiciones, se estima que la edad de la Tierra debe rondar desde los 10.000 millones de años hasta los 20.000 millones de años, aproximadamente.
Los resultados arrojados por cada astrónomo eran diferentes y tan alejados entre ellos, que era difícil llegar un acuerdo. Pero cabe añadir que los errores en las mediciones de la constante de Hubble estaban asociados a problemas en los instrumentos, y no al cálculo numérico.
A raíz de esto, el astrónomo se propuso crear su propio telescopio para garantizar que los cálculos realizados por su constante fueran lo más exactos posibles, este lo llamó Hubble Space Telescope Key Project.
En 2001 se volvieron a hacer las mediciones a través del instrumento de medición inventado por Hubble, en esta oportunidad los cálculos de la constante arrojaron un valor para la velocidad de 72 km por segundo, dictaminando entonces que la Tierra tenía 10.000 millones de años, lo cual seguía siendo insuficiente.
Sin embargo, se observaron además supernovas lejanas (explosiones estelares que se pueden manifestar de forma repentina) que revelan un segundo factor a tomar en consideración a la hora de explicar la expansión del Universo y este factor es la presencia de energía oscura.
La misma, tal como lo indica su nombre, es un tipo de energía que está presente en todo el espacio y que genera una presión que tiende a acelerar el proceso de la expansión del Universo, siendo entonces, una fuerza de gravedad.
En otras palabras, la expansión está atada no solamente a la velocidad en que las galaxias se distancian, sino que también está influenciada por la aceleración dada por esta clase de energía. De este modo, la edad aproximada de la Tierra es de 14.000 millones de años, lo que está de acuerdo con la edad de las estrellas más antiguas.
En la actualidad, se han realizado diversos estudios que ponen en contraste la constante de Hubble, los datos obtenidos desde el 2003 hasta el 2006, indican una estabilidad de la velocidad de distancia que ronda entre los 70 y 74 km por segundo, dejando la edad terrestre, tal como la hemos mencionado.
Expresión matemática de la ley de Hubble
La constante de Hubble al ser una ley de la física, consta de una fórmula matemática para realizar los cálculos para los cuales fue diseñada. En este sentido, la misma se expresa de la siguiente manera:
Z= ʎ1 – ʎ2/ ʎ3 = H0/ c . D
- Z: Es valor que le corresponde al corrimiento al rojo. El mismo es un número adimensional, es decir, no tiene unidades físicas que lo representen. Tiene que ver con las longitudes de la onda de luz desde su punto de emisión, hasta el de recepción.
- D: Se entiende como la distancia actual en la que se encuentra la galaxia.
- H0: Como ya se sabe, es la constante de Hubble que se ha observado en el primer momento.
- C: Hace referencia a la velocidad de la luz.
Otro dato a tener en consideración para llevar a cabo el cálculo de esta ley, es el valor dado por la relación entre la velocidad y la distancia. Este se expresa de la siguiente manera:
v= H0. D
De esta manera, v se entiende como la velocidad que tiene la galaxia al alejarse de otro objeto a causa de la expansión del Universo. Esta relación puede derivarse si se tiene la suposición de que el Universo se expande o contrae y si este es homogéneo, es decir que todas sus observaciones en cualquier punto son las mismas.
Estrictamente hablando, tanto v como D no son observables, dado que estamos hablando de luz, y al momento en que esta es emitida su tamaño va cambiando. No obstante, para las galaxias que se encuentran cercanas, v y D no suelen tener grandes modificaciones, por lo que v se puede estimar empleando v=Z . c.
Por otro lado, para las galaxias que se encuentran más alejadas, ni v o D se pueden calcular por medio de Z sin antes especificar un modelo en el que se exprese cómo va cambiando la Constante de Hubble con el tiempo.
Si se emplea dicha constante para realizar cálculo de las distancias, la velocidad utilizada solo puede ser aquella que se deba a la expansión del Universo. Asimismo, existen otras galaxias cuyos movimientos suelen ser muy aleatorios y poseen una velocidad relativa, por lo que esta fórmula debe emplearse de la mejor manera para evitar errores de cálculo.
Medición de la constante de Hubble
Antes de entrar en la medición existe un valor temporal el cual debe ser explicado, el mismo se expresa como q y su fórmula matemática se constituye de la siguiente forma:
q= -H-2 (dH/dt + H2)
Por muchos años, se tenía la suposición de que q era positiva, indicando que la expansión venía dada por los cambios vistos en cuanto a las ondas gravitacionales. Lo que significaría que la edad del Universo es menor, vista como: 1/H (que es de unos 14.000 millones de años).
Para realizar los cálculos correctos por medio de esta constante, es importante que la misma permanezca igual, lo que como ya hemos explicado, presentó un gran problema y debate desde sus inicios. Durante la segunda parte del siglo XX, la estimación más acertada para H0 era de 50 km por segundo.
Sin embargo, dados los hallazgos determinados entre los años 1990 y 1996, el valor promedio al cual los científicos debían ajustarse al utilizar esta constante, es de 70 km por segundo. Esto surge una vez que la Constante de Hubble fue implementada para explicar la expansión del Universo, estando de acuerdo con el planteamiento de la teoría del Big bang.
Vale la pena mencionar, que a través del telescopio ingeniado por Hubble, las mediciones realizadas a las distancias de las galaxias fueron más precisas, y en este caso, la Ho empleada fue de 72 km por segundo.
La cual es consistente con la ya empleada en el efecto Siunyáiev-Zeldóvich (fenómeno en el que la radiación del espacio interactúa con las partículas de electrones libres, generando así cambios de temperatura) de muchas agrupaciones galácticas teniendo una exactitud similar.
La constante de Hubble también ha sido implementada para otras teorías astronómicas que han tenido concordancia con sus supuestos, entre ella está la teoría de la radiación de fondo de microondas, que en esencia no es más que una hipótesis acerca de las ondas de luz que se emiten en el Universo.
En esta situación, el H0 empleado para realizar los cálculos fue de 71 km por segundo, a pesar de ser menor que el dado, los resultados obtenidos no se vieron alterados o con errores en la medición, este estudio se llevó a cabo en el año 2006.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información brindada haya sido de gran ayuda. Le hacemos la invitación a leer también: Edwin Hubble y Polvo Cósmico
