TAMAÑO DEL UNIVERSO
Esta es probablemente una de las
preguntas más fascinantes que podemos plantear. Una primera respuesta ha
llegado durante miles de años por el dogma, cerca de 6000 años, de la Biblia,
que sin embargo marca el período de recolección proto-histórica
de la humanidad. Otra edad se deriva por el estudio del radio-carbono en la
tierra, que llega a 50.000 años. Isótopos con tiempos de decaimiento más largos
permiten establecer la fecha de la roca más antigua de la Tierra en alrededor
de 4 mil millones de años. Estas estimaciones son límites inferiores. Solo
mediciones astronómicas pueden dar valores más realistas.
En primer lugar, una edad bien
definida del Universo tiene sentido en el contexto de un universo en expansión
(sería problemático si el universo fuera estacionario). Sin embargo, podemos
aplicar la misma técnica de medición con isótopos radioactivos a las estrellas
de la galaxia, ya que hay isótopos que tienen un tiempo de decaimiento que
exceden los 40 mil millones de años. Para las estrellas más antiguas de la
galaxia, pertenecientes a los cúmulos globulares del halo, se estima una edad
de unos 14 mil millones de años. La teoría de la evolución estelar confirma
ampliamente esta estimación. Pero, ¿y la edad del Universo en su conjunto?
Si extrapolamos la ley de Hubble
descrita para objetos cercanos, suponiendo una constante de Hubble que no
variara con la época cósmica, obtendríamos un valor menor de lo que se obtiene
por otras técnicas de medición. Este resultado implica que la expansión del
Universo no ha sido constante. Por lo que para conocer con precisión la edad
del Universo, necesitamos saber la historia de su expansión. Actualmente,
tenemos tres líneas de evidencia que sugieren un origen bien definido a partir
de un estado denso y caliente:
1. el
desplazamiento al rojo cosmológico
2. la
radiación cósmica de fondo
3. y
la nucleosíntesis de los elementos
La composición química del
Universo primitivo era de hidrógeno, helio y pequeñas trazas de litio. La nucleosíntesis de elementos más pesados siguió de la
generación de las primeras estrellas que se formaron con esta composición
primordial, y la teoría de la evolución estelar define una escala temporal
precisa. Sin embargo, hay otras limitaciones que surgen a partir de la
necesidad de explicar la relativa homogeneidad e isotropía del Universo.
La teoría del Big Bang ha sido modificada por una fase especial de expansión
superlumínica (es decir, que ocurre mucho más rápido la velocidad de la luz)
para explicar la similitud de las regiones del espacio muy distantes. De este
modo, el Universo disfrutó de una fase "tranquila," y la expansión se
desaceleró frenada por la atracción gravitacional de la masa que el Universo
mismo contiene.
Por debajo de un corrimiento al
rojo z ~ 1 el Universo empezó a acelerar de nuevo. Esto fue deducido usando las
Supernovas (cuya luminosidad intrínseca se conoce con gran precisión) que
aparecieron más débiles de lo esperado (por lo que están más lejos) en el caso
de una desaceleración continua.
La estimación actual de la edad
del Universo incluye la información de la radiación cósmica de microondas, y
las distancias de las supernovas y otro indicador de distancias para
reconstruir la historia de la expansión del Universo y obtener un valor
"de concordancia" de 13.8 mil millones de años (Gyr).
Este valor está todavía sujeto a cambios porque nuevas campañas de observación
y nuevos estudios están siendo ideados para reconstruir la historia de la expansión
del Universo en detalle.
También se necesita la
verificación de los supuestos y de los asuntos fundamentales sobre los que se
basa la cosmología Λ-"cold dark
matter": el origen de la energía asociada con la
constante cosmológica que está impulsando la expansión en edades cósmicas
recientes, así como su ecuación de estado.
La noción del tamaño del Universo
no es obvia. Éste se expande a una velocidad que está cambiando con la época
cósmica. Solo para mantenernos a nosotros mismos en un terreno firme, podemos
considerar que ninguna señal puede viajar más rápido que la velocidad de la
luz. Hemos estimado la edad del Universo como 13,8 Gyr.
Sabemos que el tiempo que necesita la luz para viajar hacia nosotros desde el
origen debe ser el mismo valor. Pero esto no es realmente el tamaño físico del
Universo.
Durante la época inflacionaria se
cree que, durante casi un instante justo después del Big Bang
el Universo se puede haber expandido a un ritmo de expansión mucho mayor que la
velocidad de la luz. Después de la fase inflacionaria la expansión del Universo
se redujo a una tasa mucho más lenta; pero esta tasa estaba lejana de ser
constante. La desaceleración y aceleración del Universo estaba gobernada por la
fuerza de atracción de la gravedad y la fuerza de repulsión asociada con la
llamada energía oscura.
Para tener una estimación
razonable del tamaño del Universo debemos considerar lo que los astrofísicos
llaman la distancia "comóvil." Básicamente,
es la distancia que se tendría si una cadena de observadores estuvieran de
acuerdo para medir la distancia de las galaxias cercanas al mismo tiempo (claro
que solamente es una idea conceptual que no puede realizarse en la práctica).
En términos matemáticos, la expansión del Universo significa que las coordenadas
están aumentando en un factor de escala que es una función del tiempo. La
distancia comóvil se calcula eliminando el efecto del
factor de escala que depende del tiempo. La estimación de la distancia comóvil claramente depende de la geometría del Universo, la
cual es fijada por las fuerzas que gobiernan su expansión.
En realidad, su tamaño es de
cerca 14.2 billones de parsec (Gpc), lo que
corresponde a 46.3 mil millones de años luz, mucho más grande que el tiempo de
viaje de la luz. Se puede decir que el Universo es una esfera de este radio.
Estamos en la condición de ver la luz emitida por las fuentes dentro de este
ámbito, pero no más allá.
El radio de 14.2 Gpc puede ser considerado como un horizonte, más allá del
cual hay una región no observable del Universo que no podemos conocer.
El Universo total es 250 veces
mayor que el tamaño del universo visible.
A partir de ahí, se ha calculado
un radio para el Universo observable de unos 46.000 millones de años, es decir,
92.000 millones para su diámetro. Y eso lo que podemos ver, que lo mismo la
parte inobservable es mucho mayor.
Así, el Universo visible se
puede considerar como una esfera perfecta con la Tierra en el centro, y un
diámetro de unos 93.000 millones de años luz.
Aunque el tamaño aparente del universo
es de 13.700 millones de años luz, este tamaño es relativo, proveniente de un
pasado más denso. La distancia comóvil del universo,
es decir, teniendo en cuenta su expansión, sitúa el extremo observable a unos
46.500 millones de años luz desde nuestro planeta. Por lo que, de punta a
punta, el Universo observable tendría casi 93.000 millones de años luz. ¿Y qué
hay más allá?
No lo sabemos...todavía.
© 2012 Javier De
Lucas