¿Cómo interpretar la distancia de las galaxias y la expansión espacial?
Si la literatura dice que una galaxia distante está a 11 mil millones de años luz de nosotros, es necesario saber lo que el autor quiere expresar:
La luz de esta galaxia requiere 11 Se necesitan mil millones de años para llegar a nuestro planeta, y eso es lo único que se puede determinar midiendo el efecto de corrimiento al rojo de las galaxias. Cuando se emitió la luz, hace 11 mil millones de años, la galaxia estaba muy cerca de nosotros, quizás a sólo unos pocos miles de millones de años luz de distancia. Cuando la luz de la galaxia finalmente llegue a la Tierra, la distancia entre ella y nosotros puede ser de más de 20 mil millones de años luz. Esta afirmación de 11 mil millones de años luz es una expresión muy descuidada.
Algunos podrían negarlo: ¿20 mil millones de años luz? El universo tiene sólo 13.800 millones de años. ¿Cómo puede estar esta galaxia tan lejos de nosotros? Einstein nos dijo que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. ¿Cómo podría recorrer una distancia de 20 mil millones de años luz en 13,8 mil millones de años? Esto es realmente desconcertante.
1. Expansión espacial del corrimiento al rojo de la línea espectral
A principios del siglo XX, los astrónomos ya tenían mucha experiencia en la medición de la velocidad radial de las estrellas. Descubrieron que en cualquier dirección del espacio, la frecuencia de la luz de las estrellas observada desde la Tierra es menor y el color es más rojo. Todas las nebulosas espirales parecen retroceder, alejándose de nosotros a velocidades extremadamente altas.
Nadie pudo explicarlo en su momento, hasta que el científico estadounidense Edwin Hubble resolvió el misterio a finales de los años 1920. En 1924, Hubble había demostrado que aquellas galaxias espirales no formaban parte de la Vía Láctea, sino galaxias extragalácticas muy alejadas de la Vía Láctea, que contenían miles de millones de estrellas. En 1929, Hubble hizo el sorprendente descubrimiento de que cuanto más lejos están las galaxias de nosotros, más rápido se alejan. Las galaxias cercanas se están alejando de nosotros a un ritmo relativamente estable, mientras que las galaxias distantes se alejan a un ritmo más rápido. Esta es la razón del efecto de corrimiento al rojo de las líneas espectrales.
En aquel momento, Hubble no sabía exactamente a qué distancia estaban estas galaxias, pero llegó a una conclusión razonable: el corrimiento al rojo de las líneas espectrales no significa que esas galaxias realmente se estén alejando de nosotros. El universo mismo se está expandiendo en todas direcciones.
Imagínate un tren de ondas de luz emitidas por una galaxia lejana. Tiene una frecuencia y una longitud de onda específicas. Durante millones o incluso miles de millones de años, este tren de ondas de luz acelera hacia la Tierra en el espacio. Si nuestro universo fuera estático, esta onda de luz tendría exactamente la misma longitud de onda cuando llegara a la Tierra que cuando partiera. Pero el universo no es estático, el espacio se está expandiendo. Por lo tanto, el espacio a través del cual viajan las ondas de luz también se expande al mismo tiempo, y las ondas de luz se van alargando gradualmente, produciendo un color rojizo.
Cuanto más viaja una onda de luz a través del espacio en expansión, más se estira. Por lo tanto, la luz de galaxias distantes tarda más en viajar y tendrá un mayor efecto de corrimiento al rojo que la luz de galaxias cercanas. Esto es lo que descubrió el Hubble. Los cosmólogos utilizan ahora el corrimiento al rojo de una galaxia como medida indirecta de su distancia.
2. Ley de Hubble y Constante de Hubble
Medir el corrimiento al rojo de las líneas espectrales de una galaxia es en realidad una medida de la velocidad de la galaxia alejándose de la Vía Láctea. El estudio de los desplazamientos hacia el rojo de las líneas espectrales proporcionará pistas importantes para mapear la disposición de las galaxias en el universo.
Hubble ha dominado el método de determinar la distancia de las galaxias extragalácticas, por lo que puede estudiar más a fondo la relación entre las galaxias extragalácticas y la distancia. Relacionó los desplazamientos al rojo de estas galaxias con sus distancias y posiciones y los dibujó en un mapa del territorio del espacio.
Se puede encontrar que la velocidad V de la galaxia extragaláctica alejándose de la Tierra es proporcional a la distancia D de la galaxia. Hubble concluyó que la relación entre la velocidad de recesión de la galaxia y la distancia de la galaxia es casi una H constante. En ese momento, Hubble calculó que era 500, en km/s/Mpc, donde Mpc es un millón de pársecs (1pc=3,26 luz- años) .
En otras palabras, las observaciones de Hubble significan que la galaxia a 3,26 millones de años luz de distancia se aleja de la Tierra a una velocidad de 500 km/s. Esta es la famosa relación de distancia de corrimiento al rojo, llamada Ley de Hubble:
V = H x D, H es la constante de Hubble.
El descubrimiento del Hubble es considerado por los círculos académicos como una prueba directa de la expansión del universo. Más tarde, con el avance de los métodos y la tecnología de observación, la precisión de la medición de la constante de Hubble se volvió cada vez más precisa.
Medir la constante de Hubble se ha convertido en uno de los objetivos científicos clave de la comunidad astronómica.
Por ejemplo, en 2001, la astrónoma estadounidense Wendy Freeman calibró con precisión la relación estrella-período-luminosidad de la variable Cefeida y obtuvo la constante de Hubble de 72 km/s/Mpc, con un error del 10%. En 2016, el equipo H0LiCOW publicó la constante de Hubble basándose en datos de lentes gravitacionales. El resultado fue 71,9 km/s/Mpc, con un error del 3,8%. En 2018, un equipo internacional completó una medición utilizando el Hubble y el telescopio espacial Gaia. La última constante de Hubble medida fue 73,52+-1,62 km/s/Mpc. Esta es la medición más reciente y más precisa de la constante de Hubble.
El corrimiento al rojo de las galaxias, como medida de distancia, es el método más práctico para medir galaxias distantes. Hubble señaló que la cantidad de desplazamiento hacia el rojo está relacionada con la distancia: Z=HxD/c, que es otra expresión de la ley de Hubble, donde Z es la cantidad de desplazamiento hacia el rojo, c es la velocidad de la luz, D es la distancia y H es la constante de Hubble. Por lo tanto, siempre que se mida con precisión el corrimiento al rojo Z de la línea espectral de la galaxia, se puede calcular la distancia de la galaxia. Este método puede medir distancias de hasta decenas de miles de millones de años luz.
Por ejemplo, el espectro del objeto distante z8_GND_5296 realizado por el Telescopio Espacial Hubble en 2013 confirmó que su corrimiento al rojo cosmológico es de 7,51, lo que se encuentra a unos 29 mil millones de años luz de la Tierra, lo que corresponde a 700 millones de años. después del Big Bang. La distancia máxima medida actualmente con este método es de unos 46 mil millones de años luz, que es el radio del universo actualmente observable.
3. ¿Qué significa la distancia de una galaxia?
¿Qué significa la distancia entre galaxias medida por los astrónomos? Supongamos que una galaxia emitió una columna de ondas de luz hace mucho tiempo, cuando estaba a 5 mil millones de años luz de la Vía Láctea. Cuando esta luz finalmente llegue a la Tierra, la distancia podría ser ahora de 10 mil millones de años luz. En última instancia, esto se debe a que el universo se expande constantemente al mismo tiempo.
El problema es que el corrimiento al rojo de una galaxia no nos da ninguna información sobre su distancia original, ni tampoco sobre su distancia actual. La única información que podemos obtener del corrimiento al rojo es cuánto tiempo le tomó a la luz de la galaxia viajar a través del espacio en expansión. No tiene ni 5 mil millones ni 10 mil millones de años, sino algo intermedio, alrededor de 7 mil millones de años.
Entonces, ¿cómo deberíamos expresar la distancia de esta galaxia?
Estrictamente hablando, esta galaxia está tan lejos que las ondas de luz que emite viajan a través del universo en expansión durante 7 mil millones de años antes de llegar a nosotros. ?Esto suena muy extraño. Para hacer la expresión más concisa, los astrónomos dirían que esta galaxia está a 7 mil millones de años luz de la Tierra. ?Después de todo, 7 mil millones de años de tiempo de viaje es la única información que podemos medir. Pero esta es obviamente una aproximación muy descuidada, que no establece claramente la verdadera distancia actual de la galaxia a nosotros.
Debido a que la velocidad de la luz es limitada, también existe un límite en la distancia que podemos ver en el espacio. Si el universo nació hace 13.800 millones de años, este sería también el tiempo de viaje más largo para la luz. El espacio es probablemente infinito, pero sólo podemos observar una pequeña parte de él: una región esférica con la Vía Láctea en su centro y un radio de 13.800 millones de años luz. Esto es lo que llamamos el Universo Observable. La superficie de esta esfera es el horizonte cósmico.
Cabe mencionar que con la expansión del espacio, el radio real de nuestro horizonte cosmológico actual es de aproximadamente 46 mil millones de años luz, es decir, el radio real del universo observable actual ha alcanzado los 46 mil millones de luz. -años.
Debido a que la velocidad de la luz es tan lenta, el horizonte cosmológico es un límite fundamental a nuestra capacidad de observación. A medida que pasa el tiempo, el universo observable continúa creciendo, y su radio aumenta 1 año luz cada año. Desafortunadamente, debido a la expansión acelerada del espacio, eventualmente el crecimiento del universo observable no podrá alcanzar la expansión del espacio y podremos ver cada vez menos galaxias. Con el tiempo, cada galaxia del universo se convertirá en una isla con vecinos "invisibles".