Astronomía

¿Se están expandiendo las galaxias lejos de nosotros a una velocidad mayor que la de la luz?

¿Se están expandiendo las galaxias lejos de nosotros a una velocidad mayor que la de la luz?


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Si va al siguiente video, en este momento determinado:

https://youtu.be/Iy7NzjCmUf0?t=435

verás que el narrador dice:

"Simplemente no sabemos qué más hay ahí afuera porque la luz de estos lugares increíblemente distantes aún no ha tenido suficiente tiempo en la historia de los universos para llegar a nosotros en la Tierra. Y la luz de algunos lugares podría no llegar nunca a nosotros. . Debido a que algunas partes del espacio, muy lejos de la Tierra, se están expandiendo lejos de nosotros, más rápido que la velocidad de la luz, eso significa que la luz de estos lugares nunca, en una cantidad infinita de tiempo, llegará a la Tierra "

¿Estoy entendiendo esto correctamente? ¿Algunas partes del universo se están expandiendo más rápido que la velocidad de la luz? ¿Se ha demostrado todavía que definitivamente hay cosas más rápidas que la velocidad de la luz?

Siento que estoy entendiendo mal la declaración anterior.

PD, intente ver el video completo, serán 10 minutos bien empleados.


Te ha confundido un error sutil que parece que siempre se comete al intentar expresar la limitación de la velocidad de la luz de la relatividad en palabras.

Lo fundamental es algo llamado Simetría de Lorentz, también conocido como Invarianza de Lorentz, que es la base de la relatividad. Esta simetría es una local simetría y es una fuerte simetría del universo físico. Básicamente, lo que dice es que las leyes de la física son independientes de la velocidad. A consecuencia De esta simetría es que dos objetos no pueden cruzarse entre sí a una velocidad mayor que la de la luz. (La razón por la cual no es especialmente difícil, pero se explica mejor utilizando matemáticas en lugar de palabras).

La relatividad general no es una teoría local, es una teoría de la estructura del espacio-tiempo, pero su estructura local es la de la relatividad especial y, por lo tanto, tiene simetría de Lorentz. Una de las consecuencias sorprendentes (absolutamente sorprendente, el propio Einstein no lo creyó durante muchos años) de la Relatividad General es que el espacio-tiempo no es estable, pero debe expandirse o contraerse. Esta expansión no son las galaxias que vuelan cada vez más hacia el vacío como los pedazos de una granada de mano explotada, sino que el espacio-tiempo mismo se expande por todas partes (no hay centro de expansión) y las galaxias en todas partes más o menos se quedan quietas en el espacio. expandiendo el espacio-tiempo y siendo arrastrado con él.

Si elige dos puntos que estén lo suficientemente separados, pueden alejarse el uno del otro a una velocidad mayor que la de la luz o, alternativamente y con la misma precisión, se pueden crear más de 300.000 km de nuevo espacio entre ellos. segundo. Debido a que nada se mueve uno al lado del otro a velocidades FTL, la simetría local de Lorentz se conserva y Einstein está feliz y sus ecuaciones están satisfechas y todo va bien con el universo.

Tenga en cuenta que todo lo que he dicho está mal, pero espero que no sea engañoso. Realmente necesitas hacer los cálculos para ver qué está sucediendo realmente.

Pero el resultado es que no podemos volar a la Luna (o Marte o Alpha Centauri o donde sea) y regresar a una velocidad más rápida que la luz, pero muchas galaxias distantes, que nunca volveremos a ver o escuchar, lo han hecho. acaba de pasar c alejándose de nosotros, y más lo hacen cada año.


Y, de hecho, hay otro error en la declaración citada, que es que la declaración implica que hay algo significativo en los objetos cuya distancia de nosotros aumenta más rápido que la velocidad de la luz, como si la luz de esos objetos nunca nos alcanzaría. Esto es incorrecto, habitualmente vemos galaxias que siempre se han estado separando de nosotros a una velocidad mayor que c; se estaban separando más rápido que eso cuando se emitió la luz, y solo se han acelerado desde entonces, sin embargo, las vemos claramente. porque un modelo donde el espacio mismo se expande a ese ritmo lo hace posible. Es sutil pero rutinario.

Dicho esto, también debe mencionarse que debido a que la expansión se está acelerando, la luz emitida ahora (es decir, en esta misma edad cosmológica) de las galaxias que se están separando de nosotros más rápido que c ahora nunca podrá ser vista. Pero, de nuevo, no hay nada especial en c: la luz de las galaxias que se separan de nosotros a una velocidad inferior a c en este momento tampoco se verá nunca, solo depende de qué tan rápido vaya la aceleración a partir de aquí.


Cuando miramos hacia el Universo, vemos galaxias alejándose de nosotros cada vez más rápido. Cuanto más distante está una galaxia, más rápidamente se aleja. Debido a que el espacio en sí se está expandiendo, cuanto más lejos está una galaxia, más rápido parece estar retrocediendo. Gracias a Cassandra por la pregunta.

Casi todas las demás galaxias que podemos observar se están alejando de nosotros con la expansión del universo, según la declaración de Hubble. Vemos su luz estirada hacia el extremo rojo del espectro de luz visible (llamado corrimiento al rojo). Messier 90 es parte del cúmulo de Virgo, un grupo de más de 1.200 galaxias.


¿Se están expandiendo las galaxias lejos de nosotros a una velocidad mayor que la de la luz? - Astronomía

Las galaxias son tan grandes y están tan lejanas que nunca podrías verlas moverse con solo mirar, ¡incluso si miraste durante toda una vida a través del telescopio más poderoso!

Afortunadamente, hay una forma de detectar el movimiento de una galaxia: al examinar el espectro de luz de una galaxia, puede determinar si la galaxia se está moviendo hacia la Tierra o alejándose de ella, y qué tan rápido.

BIENVENIDO AL LABORATORIO DE ESPECTROSCOPIA VIRTUAL

En este laboratorio interactivo, investigarás por ti mismo qué tan rápido se mueven varias galaxias. Esto es lo que necesitará:

PASO 1. FACILITAR EL ESPECTROSCOPIO

Tómese unos minutos para explorar lo que realmente le muestra el espectroscopio.

Comience seleccionando el Sol en el menú desplegable etiquetado como Fuente de luz. El patrón que ve se produce al pasar la luz del Sol a través de un prisma de vidrio, o un dispositivo similar, que separa la luz en los colores que la componen.

El patrón es el familiar arco iris de colores. Tenga en cuenta que el patrón se extiende más allá del rojo, hacia una región llamada infrarrojos. Los infrarrojos no son visibles a nuestros ojos, pero pueden detectarse mediante películas fotográficas o instrumentos especiales. Es de color gris en esta imagen.

PASO 2. ¿QUÉ NOS DICEN LOS PATRONES?

Ahora seleccione la lámpara fluorescente en el menú Fuente. En lugar de un arco iris, solo vemos ciertos colores de luz. No vemos un arco iris, porque los arcoíris son producidos solo por fuentes de luz que son muy calientes. El patrón de líneas que vemos es una especie de "huella digital" que es exclusiva de los tipos particulares de moléculas de la lámpara.

PASO 3. "HUELLAS DIGITALES" UN ELEMENTO

Ahora seleccione Hidrógeno en el menú Fuente. El hidrógeno es el elemento químico más simple. El patrón que ves se produjo tomando la luz de un tubo incandescente de gas hidrógeno y pasando la luz a través de un prisma.

Hay una línea roja brillante, una línea azul más tenue y varias otras líneas muy tenues. Este patrón es característico del elemento hidrógeno. Si ve este patrón único en la luz de una fuente desconocida, entonces puede concluir que la fuente debe contener el elemento hidrógeno.

Para cada color de luz en el patrón, es fácil leer la longitud de onda de ese color: simplemente mueva el cursor a lo largo del Gráfico de emisión y centre la línea vertical en el pico correspondiente en el gráfico. La longitud de onda aparece como un número en la esquina superior derecha del gráfico. Tenga en cuenta que la línea roja del hidrógeno tiene una longitud de onda de 656 nanómetros. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, o aproximadamente una milésima parte del ancho de una sola bacteria).

El elemento hidrógeno es el elemento más común en el universo y abunda en las galaxias. Eso nos ayudará a investigar las velocidades de las galaxias.

PASO 4. EXPLORANDO EL EFECTO DOPPLER

¿Qué sucede cuando se mueve una fuente de ondas? Puedes investigar por ti mismo usando el sencillo generador de ondas a continuación. Primero vea lo que sucede cuando la fuente no se mueve. (Seleccione una velocidad de fuente de 0 y luego haga clic en el botón "Emitir ondas"). Luego experimente con diferentes velocidades para la fuente de ondas. ¿Qué sucede con la longitud de onda de las ondas cuando la fuente se mueve?

Su predicción: Basándose en sus observaciones, ¿qué predice que observará si una fuente de ondas se mueve hacia usted? ¿La longitud de onda de las ondas aparecerá más corta, más larga o igual que cuando la fuente está estacionaria? ¿Qué tal una fuente que se está alejando de ti?

Este fenómeno se denomina "efecto Doppler". Se aplica a todo tipo de ondas, como ondas de luz, ondas de sonido y ondas de agua. ¿Por qué no observas este efecto cuando andas en bicicleta por la calle, por ejemplo? (Sugerencia: para que el efecto sea notable, ¿qué tan rápido debe moverse la fuente, en relación con la velocidad de las ondas mismas?)

PASO 5. ENTENDIENDO EL "REDSHIFT"


Galaxy 1:
UGC 12915
RA: 0h 1.7m
DIC: 23d 29,7m
Ahora seleccione Galaxy 1 en el menú Fuente. Este es el patrón producido cuando la luz de esta galaxia distante pasó a través de un prisma.

Tenga en cuenta que el espectro incluye un arco iris tenue. ¿Cuál crees que es la fuente de este arcoíris? (Pista: ¿Qué hay en una galaxia?)

Además del arco iris, hay una línea roja brillante. También es posible que pueda distinguir una línea azul más tenue. Estas líneas deberían ser familiares del Paso 3: provienen del elemento hidrógeno, que es el elemento más común en el universo. El hidrógeno está presente en enormes nubes de gas que llenan parte del espacio entre las estrellas en una galaxia.

Pero hay algo inusual en estas líneas. Utilice el cursor para determinar la longitud de onda de la línea roja. (Haga esto colocando el cursor sobre el pico correspondiente a la línea roja.) Tenga en cuenta que la posición de este pico ya no es donde estaba en la muestra de laboratorio de hidrógeno en el paso 3. En cambio, el pico se ha desplazado hacia el más largo parte de la longitud de onda del espectro, que es el extremo más rojo del espectro. Este fenómeno se denomina "corrimiento al rojo".

Con base en sus experimentos con el efecto Doppler, ¿concluiría que la Galaxia 1 se está alejando de la Tierra o hacia la Tierra?


Galaxy 3:
KUG 1750 + 683B
RA: 17h 49,9m
DIC: 68 días 24,4 m
Ahora seleccione Galaxy 3 en el menú Fuente. Las líneas están desplazadas al rojo incluso más que en el Galaxy 1. Según su investigación del efecto Doppler, ¿qué le dice esto sobre la velocidad del Galaxy 3, en comparación con el Galaxy 1?

Resulta que la cantidad de corrimiento al rojo observado es proporcional a la velocidad de la fuente (para velocidades que no se acercan a la velocidad de la luz). Por ejemplo, para una galaxia que se aleja de nosotros al 10% de la velocidad de la luz, su luz se desplazará al rojo en un 10%. Entonces, para este ejemplo, la línea de hidrógeno que estaba en 656 nanómetros se desplazará al rojo en aproximadamente 65 nanómetros.

¿Puedes decir qué tan rápido Galaxy 3 se aleja de nosotros? Utilice el espectroscopio para medir el corrimiento al rojo de esta galaxia. Primero determine la longitud de onda de la línea roja de hidrógeno y luego compárela con la longitud de onda de esta línea en la muestra de laboratorio de gas hidrógeno. ¿Cuánto se ha cambiado la línea? ¿Qué fracción de la longitud de onda original es esta? ¿Qué fracción de la velocidad de la luz se mueve la galaxia?

¡Felicidades! Una cosa es medir la velocidad de un automóvil o de un campo de béisbol. ¡pero acabas de medir la velocidad de una galaxia desde millones de billones de millas de distancia!

Imágenes de galaxias. Puede obtener imágenes de galaxias que están todas a la misma escala, en el Digital Sky Survey del Space Telescope Science Institute.

Velocidades de las galaxias. Puede comparar sus resultados con las mediciones publicadas de los astrónomos, en la Base de datos extragaláctica (NED) de la NASA.


4 respuestas 4

Permítanme presentarles una perspectiva ligeramente diferente a Luboš, aunque estoy diciendo básicamente lo mismo. Desde nuestra ubicación actual podemos definir un área del espacio llamada cono de luz futuro. Esta es la región del espacio-tiempo que está conectada a nosotros por el movimiento a menor o igual que la velocidad de la luz. Si dibujamos un diagrama de espacio-tiempo, entonces el cono de luz se ve así:

Todo lo que esté dentro de nuestro cono de luz futuro siempre permanecerá dentro de nuestro cono de luz futuro. Aparte, esta es la razón por la que nada puede caer en un agujero negro. en nuestras coordenadas porque cruzar el horizonte de sucesos lo llevaría fuera de nuestro cono de luz. En cambio, vemos que el objeto se congela en el horizonte de eventos.

Pero volviendo al universo: su argumento de que:

Nunca se puede observar que un objeto se mueva más rápido que la luz

es cierto para todo en nuestro cono de luz futuro, pero las partes del universo que se mueven más rápido que la luz en relación con nosotros, y que nunca veremos, nunca estuvieron en nuestro cono de luz (pasado). Esto básicamente porque el Big Bang no fue una explosión hacia afuera desde un solo punto (como se muestra engañosamente en la mayoría de los documentales de televisión).

Sin embargo, como dice Luboš, si esperamos lo suficiente, incluso las galaxias más distantes eventualmente entrarán en nuestro cono de luz. Probablemente vamos. Esto siempre es cierto para una expansión en desaceleración, e incluso es cierto para la expansión acelerada siempre que $ dot $ aumente más lentamente que $ a $. Consulte el documento Expanding Confusion para conocer los detalles sangrientos.

Soy consciente de que mi respuesta puede sonar sorprendente, demasiado simple para ser verdad, pero por favor respire hondo antes de votar en contra. La respuesta tiene poco que ver con la relatividad.

En SR es el objeto en movimiento el que se acorta, pero el espacio es estable. En tal universo, incluso si un cuerpo se aleja a 2,3,30 c, su luz nos alcanzará en algún momento, y el tiempo es corto, ya que es simplemente D / C. Esto se debe a que una vez que se descarga el fotón, lo que hacen las fuentes es absolutamente irrelevante.

En un universo donde el espacio no es estable pero se extiende (FLRW), la situación es diferente porque D está aumentando. Entonces podría parecer obvio que la luz, en ciertas condiciones, nunca podría llegar a nosotros. No es tan:

Es contraintuitivo, pero no importa qué tan rápido se estire D, la luz siempre nos alcanzará, y encontrará una buena explicación matemática aquí, por supuesto que en algunos casos llevará mucho tiempo. Este no es el caso aquí, ya que la tasa más rápida reconocida es de aproximadamente $ pi $ C.

Esto es lo que concede lubos Motl, sólo como codicilo:

Quizás también deberíamos señalar que en un futuro lejano, cualquier galaxia (o el lugar donde vivía antes de quedarse sin energía) finalmente será visible desde la Tierra.

Por una oscura razón, los cosmólogos adoran hacer que las cosas simples parezcan complicadas.

Lamento decir que no puedo estar de acuerdo con las respuestas anteriores. Creemos, pero no lo sabemos con certeza, que la luz de algunas galaxias nunca nos llegará. Esto no tiene nada que ver con el hecho de que se están alejando de nosotros a una velocidad superior a la de la luz. Más bien, se supone que estas galaxias, como nosotros, no se mueven en relación con el marco especial del universo: aquel en el que grandes cúmulos de galaxias están estacionarios. Parece que se alejan de nosotros porque el universo se está expandiendo. Y, si hay "energía oscura" (como pensamos actualmente) y esa energía oscura persiste el tiempo suficiente, entonces la expansión del universo se acelerará cada vez más con el paso del tiempo. Es esta aceleración de la expansión del universo la que implica que nunca nos llegará la luz de galaxias suficientemente distantes.

Y, de hecho, no se sabe si la luz de galaxias suficientemente distantes nunca nos llegará. Hay (al menos) dos posibles razones para esto: a) estamos equivocados acerca de los detalles de la energía oscura b) el universo no es infinito pero realmente es finito: algo como (digamos) la superficie de una esfera o rosquilla, cerrada en sí mismo. Si este es el caso, tal vez veamos todas las galaxias. Simplemente no veremos todas las imágenes repetidas de cada galaxia, mientras sigues dando vueltas alrededor de la rosquilla.

La velocidad relativa entre dos objetos solo está restringida dentro de la teoría especial de la relatividad. Estas restricciones solo están garantizadas para aplicarse en la relatividad general, la teoría del espacio curvo que necesita para la teoría del Big Bang, si el espacio que rodea a los objetos es el espacio-tiempo plano de Minkowski, o al menos puede ser aproximado por el espacio-tiempo plano de Minkowski.

En la práctica, significa que se garantiza que la relatividad especial se mantendrá localmente, en regiones muy pequeñas del espacio-tiempo que siempre son casi planas si son lo suficientemente pequeñas. Es por eso que la velocidad relativa de dos objetos que pasan uno junto al otro no puede exceder los $ c $. La relatividad especial también se aplicaría (aproximadamente) en regiones mucho más grandes del espacio-tiempo si fueran (casi) planas, si la curvatura de Riemann fuera cero (o pequeña) en todas partes.

Pero si considera las galaxias distantes que se están alejando muy rápidamente, en comparación con la velocidad de la luz o más rápido, alejándose de nosotros debido a la expansión de todo el Universo, entonces la condición de la planitud del espacio-tiempo entre las dos galaxias, nuestro y la de ellos, se viola explícitamente. Es por eso que la restricción de la relatividad especial ya no se mantiene.

Quizás también deberíamos señalar que en un futuro lejano, cualquier galaxia (o el lugar donde vivía antes de quedarse sin energía) finalmente será visible desde la Tierra. Eso es porque el Universo está envejeciendo y, por lo tanto, podemos ver más.


Astronomía elemental (107)

Lo que es verdaderamente notable es que el corrimiento al rojo (z) es también la proporción de la velocidad (v) de recesión a la velocidad de la luz (c). Entonces, para encontrar la velocidad v de recesión de una galaxia, solo necesitamos multiplicar z por la velocidad de la luz c.

z = v / c que es lo mismo que v = z c

Ejemplo: Para el supercúmulo de galaxias conocido como BAS11, el corrimiento al rojo (el cambio en la longitud de onda dividido por la longitud de onda normal) se midió como un pequeño cambio de z = 0.07. Dado que v = z c, entonces 0.07 = v / c, y la velocidad de recesión del cúmulo de galaxias es una enorme v = 0.07 co 21,000 km / s.

Redshift para el supercúmulo de galaxias BAS11
El patrón de las líneas espectrales sigue siendo el mismo, pero sus longitudes de onda aumentan y las líneas cambian al rojo.

Edwin Hubble comparó los desplazamientos al rojo con las distancias de las galaxias cercanas que pudo medir en ese momento, y descubrió que cuanto más lejos estaba la galaxia de nosotros, más rápido se alejaba. Hoy en día, utilizando la ley del cuadrado inverso con supernovas de Tipo Ia, el efecto se ha estudiado con alta precisión. Encontramos que las galaxias retroceden unos 70 km / seg más rápido por cada megaparsec más distantes que están. Esto se escribe 70 km / s / Mpc. (Recuerde que un parsec equivale a 3,26163 años luz. "Mega" significa un millón, por lo que 1 megaparsec equivale a 3261,630 años luz. Los megaparsec se utilizan para simplificar las matemáticas).

Este 70 km / s / Mpc se llama la constante de Hubble y se escribe simplemente como H. Existe cierta incertidumbre sobre el valor exacto de H, pero aproximadamente 71 km / s / Mpc es la mejor medida que tenemos hasta la fecha. Usamos H = 70 km / s / Mpc para simplificar las cosas.

Ejemplo: Para el supercúmulo de galaxias BAS11, ya hemos medido la velocidad (v) de recesión del cúmulo de galaxias en 21.000 km / s. Usamos H = 70 km / s / Mpc, para encontrar la distancia en megaparsecs (Mpc). Para BAS11 obtenemos

21000 km / s = 70 km / s / Mpc x D

COMPARANDO DISTANCIAS DE GALAXIAS CON LA LEY DE HUBBLE

Ahora estás midiendo el Universo

No importa en qué dirección miremos
CUANTO MÁS DISTANTE ESTÁ LA GALAXY, MÁS RÁPIDO SE RECEDE




Panorama de 1,5 millones de galaxias a medida que aparecen en el cielo, codificadas por colores mediante "corrimiento al rojo". Las galaxias azules son las fuentes más cercanas (z menos de 0.01), las verdes están a distancias moderadas (z de 0.01 a 0.04) y las rojas son las más distantes vistas en una encuesta que usa luz infrarroja que cubre z out a 0.1.


Físicos que viajan en el tiempo estudiando & # 039cosmic dawn & # 039 y el nacimiento de las galaxias

La formación de estrellas por primera vez, el "amanecer cósmico", se produjo entre 250 y 350 millones de años después del Big Bang.

Lo sabemos gracias a un nuevo estudio dirigido por investigadores de la UCL y la Universidad de Cambridge.

Examinaron seis de las galaxias más distantes conocidas actualmente.

La luz de estas galaxias ha tardado la mayor parte de la vida del universo en llegar hasta nosotros.

El equipo descubrió que la distancia de estas galaxias a la Tierra correspondía a un tiempo de "mirar hacia atrás" de hace más de 13 mil millones de años, cuando el universo tenía solo 550 millones de años.

Al analizar imágenes de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, los investigadores calcularon la edad de estas galaxias en un rango de 200 a 300 millones de años, lo que permite una estimación de cuándo se formaron sus estrellas por primera vez.

El autor principal, el Dr. Nicolas Laporte, de la Universidad de Cambridge, que inició el proyecto mientras estaba en la UCL, dijo: “Los teóricos especulan que el universo fue un lugar oscuro durante los primeros cientos de millones de años, antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias.

“Ser testigo del momento en que el universo se bañó por primera vez en la luz de las estrellas es una búsqueda importante en astronomía.

Nuestras observaciones indican que el amanecer cósmico ocurrió entre 250 y 350 millones de años después del comienzo del universo y, en el momento de su formación, galaxias como las que estudiamos habrían sido lo suficientemente luminosas para ser vistas con el Espacio James Webb. Telescopio.'

El telescopio espacial James Webb (JWST) es el próximo reemplazo de la NASA para el telescopio espacial Hubble.

El JWST, cuyo lanzamiento está previsto para noviembre, será lo suficientemente sensible como para observar el nacimiento de galaxias directamente.

Los investigadores analizaron la luz de las estrellas de las galaxias, observando un marcador en su distribución de energía que indicaba la presencia de hidrógeno atómico en sus atmósferas estelares.

Esto proporcionó una estimación de la edad de las estrellas que contienen.

La firma del hidrógeno aumenta en fuerza a medida que la población estelar envejece, pero disminuye cuando la galaxia tiene más de mil millones de años.

Los investigadores dicen que la dependencia de la edad surge porque las estrellas más masivas que contribuyen a esta señal queman su combustible nuclear más rápidamente y, por lo tanto, mueren primero.

El coautor, el Dr. Romain Meyer, UCL Physics & amp Astronomy y el Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, dijo: 'Este indicador de edad se usa para fechar estrellas en nuestro propio vecindario en la Vía Láctea, pero también se puede usar hasta la fecha galaxias extremadamente remotas, vistas en un período muy temprano del universo.

"Con este indicador podemos inferir que, incluso en estos primeros tiempos, nuestras galaxias tienen entre 200 y 300 millones de años".

Los investigadores estimaron el corrimiento al rojo de cada galaxia, lo que indica su distancia cosmológica y, por lo tanto, el tiempo retrospectivo en el que se están observando.

Desde 1929, cuando Edwin Hubble descubrió que el universo se está expandiendo, se ha sabido que la mayoría de las otras galaxias se están alejando de nosotros.

La luz de estas galaxias se desplaza a longitudes de onda más largas (y esto significa más rojas); en otras palabras, se desplaza al rojo.

El coautor, el profesor Richard Ellis, de Física y Astronomía de la UCL, dijo: “Durante la última década, los astrónomos han empujado las fronteras de lo que podemos observar hasta una época en la que el universo tenía solo el 4% de su edad actual.

“Sin embargo, debido a la transparencia limitada de la atmósfera terrestre y las capacidades de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, hemos llegado a nuestro límite.

“Ahora esperamos ansiosos el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, que creemos tiene la capacidad de presenciar directamente el amanecer cósmico.

“La búsqueda para ver este momento importante en la historia del universo ha sido un santo grial en astronomía durante décadas. Dado que estamos hechos de material procesado en estrellas, esto es, en cierto sentido, la búsqueda de nuestros propios orígenes ".


Contenido

Se desconoce el tamaño de todo el universo, y su extensión podría ser infinita. [19] Algunas partes del universo están demasiado lejos para que la luz emitida desde el Big Bang haya tenido tiempo suficiente para alcanzar la Tierra o los instrumentos espaciales y, por lo tanto, quedar fuera del universo observable. En el futuro, la luz de galaxias distantes habrá tenido más tiempo para viajar, por lo que se podrán observar regiones adicionales. Sin embargo, debido a la ley de Hubble, las regiones suficientemente distantes de la Tierra se están expandiendo más rápido que la velocidad de la luz (la relatividad especial evita que los objetos cercanos en la misma región local se muevan más rápido que la velocidad de la luz entre sí, pero no existe tal restricción para los objetos distantes cuando el espacio entre ellos se está expandiendo (ver usos de la distancia adecuada para una discusión) y, además, la tasa de expansión parece acelerarse debido a la energía oscura.

Suponiendo que la energía oscura permanece constante (una constante cosmológica invariable), de modo que la tasa de expansión del universo continúa acelerándose, hay un "límite de visibilidad futuro" más allá del cual los objetos Nunca entrar en nuestro universo observable en cualquier momento del futuro infinito, porque la luz emitida por objetos fuera de ese límite nunca podría llegar a la Tierra. (Una sutileza es que, debido a que el parámetro de Hubble disminuye con el tiempo, puede haber casos en los que una galaxia que se aleja de la Tierra un poco más rápido que la luz emite una señal que finalmente llega a la Tierra. [13] [20] ) Este límite de visibilidad futura se calcula a una distancia de combates de 19 mil millones de parsecs (62 mil millones de años luz), asumiendo que el universo seguirá expandiéndose para siempre, lo que implica el número de galaxias que teóricamente podemos observar en el futuro infinito (dejando de lado el problema que algunos pueden ser imposibles de observar en la práctica debido al desplazamiento al rojo, como se analiza en el siguiente párrafo) es solo mayor que el número actualmente observable por un factor de 2,36. [nota 2]

Aunque, en principio, más galaxias serán observables en el futuro, en la práctica, un número creciente de galaxias se desplazarán extremadamente al rojo debido a la expansión en curso, tanto que parecerán desaparecer de la vista y volverse invisibles. [21] [22] [23] Una sutileza adicional es que una galaxia a una distancia comoviva dada se define como que se encuentra dentro del "universo observable" si podemos recibir señales emitidas por la galaxia en cualquier edad en su historia pasada (digamos, una señal enviada desde la galaxia solo 500 millones de años después del Big Bang), pero debido a la expansión del universo, puede haber una edad posterior en la que una señal enviada desde la misma galaxia nunca pueda llegar a la Tierra en ningún punto del futuro infinito. (así, por ejemplo, es posible que nunca veamos cómo se veía la galaxia 10 mil millones de años después del Big Bang), [24] a pesar de que permanece en la misma distancia de comovimiento (la distancia de comovimiento se define como constante con el tiempo, a diferencia de la distancia adecuada , que se utiliza para definir la velocidad de recesión debida a la expansión del espacio), que es menor que el radio comovivo del universo observable. [ aclaración necesaria ] Este hecho se puede utilizar para definir un tipo de horizonte de sucesos cósmicos cuya distancia a la Tierra cambia con el tiempo. Por ejemplo, la distancia actual a este horizonte es de aproximadamente 16 mil millones de años luz, lo que significa que una señal de un evento que ocurre en el presente puede eventualmente llegar a la Tierra en el futuro si el evento está a menos de 16 mil millones de años luz de distancia, pero el La señal nunca llegará a la Tierra si el evento está a más de 16 mil millones de años luz de distancia. [13]

Tanto los artículos de investigación populares como los profesionales en cosmología a menudo usan el término "universo" para significar "universo observable". [ cita necesaria ] Esto se puede justificar sobre la base de que nunca podremos saber nada mediante la experimentación directa sobre cualquier parte del universo que esté desconectada causalmente de la Tierra, aunque muchas teorías creíbles requieren un universo total mucho más grande que el universo observable. [ cita necesaria ] No existe evidencia que sugiera que el límite del universo observable constituye un límite en el universo como un todo, ni ninguno de los modelos cosmológicos principales propone que el universo tenga algún límite físico en primer lugar, aunque algunos modelos proponen que podría ser finito pero ilimitado, [nota 3] como un análogo de dimensión superior de la superficie 2D de una esfera que es finita en área pero no tiene borde.

Es plausible que las galaxias dentro de nuestro universo observable representen solo una fracción minúscula de las galaxias en el universo. De acuerdo con la teoría de la inflación cósmica introducida inicialmente por sus fundadores, Alan Guth y D. Kazanas, [25] si se supone que la inflación comenzó alrededor de 10 a 37 segundos después del Big Bang, entonces con la suposición plausible de que el tamaño del El universo antes de que ocurriera la inflación era aproximadamente igual a la velocidad de la luz multiplicada por su edad, lo que sugeriría que en la actualidad el tamaño del universo entero es al menos 3 × 10 23 (1,5 × 10 34 años luz) veces el radio del universo observable. . [26]

Si el universo es finito pero ilimitado, también es posible que el universo sea menor que el universo observable. En este caso, lo que consideramos galaxias muy distantes en realidad pueden ser imágenes duplicadas de galaxias cercanas, formadas por luz que ha circunnavegado el universo. Es difícil probar esta hipótesis experimentalmente porque diferentes imágenes de una galaxia mostrarían diferentes épocas en su historia y, en consecuencia, podrían parecer bastante diferentes. Bielewicz y col. [27] afirman establecer un límite inferior de 27,9 gigaparsecs (91 mil millones de años luz) en el diámetro de la última superficie de dispersión (ya que esto es solo un límite inferior, ya que todo el universo es posiblemente mucho más grande, incluso infinito). Este valor se basa en el análisis de círculos coincidentes de los datos de 7 años de WMAP. Este enfoque ha sido cuestionado. [28]

La distancia combinada desde la Tierra hasta el borde del universo observable es de aproximadamente 14,26 gigaparsecs (46,5 mil millones de años luz o 4,40 × 10 26 m) en cualquier dirección. El universo observable es, por tanto, una esfera con un diámetro de unos 28,5 gigaparsecs [29] (93 mil millones de años luz o 8,8 × 10 26 m). [30] Suponiendo que el espacio es aproximadamente plano (en el sentido de ser un espacio euclidiano), este tamaño corresponde a un volumen comovivo de aproximadamente 1,22 × 10 4 Gpc 3 (4,22 × 10 5 Gly 3 o 3,57 × 10 80 m 3) . [31]

Las cifras citadas anteriormente son distancias ahora (en tiempo cosmológico), no distancias en el momento en que se emitió la luz. Por ejemplo, la radiación cósmica de fondo de microondas que vemos en este momento fue emitida en el momento del desacoplamiento de fotones, que se estima que ocurrió unos 380.000 años después del Big Bang, [32] [33] que ocurrió hace unos 13.800 millones de años. Esta radiación fue emitida por materia que, en el tiempo intermedio, se ha condensado principalmente en galaxias, y ahora se calcula que esas galaxias están a unos 46 mil millones de años luz de nosotros. [11] [13] Para estimar la distancia a esa materia en el momento en que se emitió la luz, primero podemos notar que de acuerdo con la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker, que se utiliza para modelar el universo en expansión, si en el presente recibimos luz con un corrimiento al rojo de z, entonces el factor de escala en el momento en que se emitió originalmente la luz viene dado por [34] [35]

Los resultados de nueve años de WMAP combinados con otras mediciones dan el corrimiento al rojo del desacoplamiento de fotones como z = 1 091 .64 ± 0.47, [36] lo que implica que el factor de escala en el momento del desacoplamiento de fotones sería 1 ⁄ 1092.64. So if the matter that originally emitted the oldest cosmic microwave background (CMBR) photons has a present distance of 46 billion light-years, then at the time of decoupling when the photons were originally emitted, the distance would have been only about 42 million light-years.

The light-travel distance to the edge of the observable universe is the age of the Universe divided by the speed of light, 13.8 billion light years. This is the distance that a photon emitted shortly after the Big Bang, such as one from the cosmic microwave background, has travelled to reach observers on Earth. Because spacetime is curved, corresponding to the expansion of space, this distance does not correspond to the true distance at any moment in time. [37]


Hubble Reveals Universe Is Expanding Faster Than Expected

This illustration shows the three steps astronomers used to measure the universe’s expansion rate to an unprecedented accuracy, reducing the total uncertainty to 2.4 percent. Credits: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

Using NASA’s Hubble Space Telescope, astronomers reveal that the universe is expanding 5 percent to 9 percent faster than expected.

“This surprising finding may be an important clue to understanding those mysterious parts of the universe that make up 95 percent of everything and don’t emit light, such as dark energy, dark matter and dark radiation,” said study leader and Nobel Laureate Adam Riess of the Space Telescope Science Institute and Johns Hopkins University, both in Baltimore, Maryland.

The results will appear in an upcoming issue of The Astrophysical Journal.

Riess’ team made the discovery by refining the universe’s current expansion rate to unprecedented accuracy, reducing the uncertainty to only 2.4 percent. The team made the refinements by developing innovative techniques that improved the precision of distance measurements to faraway galaxies.

The team looked for galaxies containing both Cepheid stars and Type Ia supernovae. Cepheid stars pulsate at rates that correspond to their true brightness, which can be compared with their apparent brightness as seen from Earth to accurately determine their distance. Type Ia supernovae, another commonly used cosmic yardstick, are exploding stars that flare with the same brightness and are brilliant enough to be seen from relatively longer distances.

By measuring about 2,400 Cepheid stars in 19 galaxies and comparing the observed brightness of both types of stars, they accurately measured their true brightness and calculated distances to roughly 300 Type Ia supernovae in far-flung galaxies.

The team compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They used these two values to calculate how fast the universe expands with time, or the Hubble constant.

The improved Hubble constant value 45.5 miles per second per megaparsec. (A megaparsec equals 3.26 million light-years.) The new value means the distance between cosmic objects will double in another 9.8 billion years.

This refined calibration presents a puzzle, however, because it does not quite match the expansion rate predicted for the universe from its trajectory seen shortly after the Big Bang. Measurements of the afterglow from the Big Bang by NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the European Space Agency’s Planck satellite mission yield predictions which are 5 percent and 9 percent smaller for the Hubble constant, respectively.

“If we know the initial amounts of stuff in the universe, such as dark energy and dark matter, and we have the physics correct, then you can go from a measurement at the time shortly after the big bang and use that understanding to predict how fast the universe should be expanding today,” said Riess. “However, if this discrepancy holds up, it appears we may not have the right understanding, and it changes how big the Hubble constant should be today.”

Comparing the universe’s expansion rate with WMAP, Planck, and Hubble is like building a bridge, Riess explained. On the distant shore are the cosmic microwave background observations of the early universe. On the nearby shore are the measurements made by Riess’ team using Hubble.

“You start at two ends, and you expect to meet in the middle if all of your drawings are right and your measurements are right,” Riess said. “But now the ends are not quite meeting in the middle and we want to know why.”

There are a few possible explanations for the universe’s excessive speed. One possibility is that dark energy, already known to be accelerating the universe, may be shoving galaxies away from each other with even greater — or growing — strength.

Another idea is that the cosmos contained a new subatomic particle in its early history that traveled close to the speed of light. Such speedy particles are collectively referred to as “dark radiation” and include previously known particles like neutrinos. More energy from additional dark radiation could be throwing off the best efforts to predict today’s expansion rate from its post-Big Bang trajectory.

The boost in acceleration could also mean that dark matter possesses some weird, unexpected characteristics. Dark matter is the backbone of the universe upon which galaxies built themselves up into the large-scale structures seen today.

And finally, the speedier universe may be telling astronomers that Einstein’s theory of gravity is incomplete.

“We know so little about the dark parts of the universe, it’s important to measure how they push and pull on space over cosmic history,” said Lucas Macri of Texas A&M University in College Station, a key collaborator on the study.

The Hubble observations were made with Hubble’s sharp-eyed Wide Field Camera 3 (WFC3), and were conducted by the Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES) team, which works to refine the accuracy of the Hubble constant to a precision that allows for a better understanding of the universe’s behavior.

The SH0ES team is still using Hubble to reduce the uncertainty in the Hubble constant even more, with a goal to reach an accuracy of 1 percent. Current telescopes such as the European Space Agency’s Gaia satellite, and future telescopes such as the James Webb Space Telescope (JWST), an infrared observatory, and the Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), also could help astronomers make better measurements of the expansion rate.

Before Hubble was launched in 1990, the estimates of the Hubble constant varied by a factor of two. In the late 1990s the Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale refined the value of the Hubble constant to within an error of only 10 percent, accomplishing one of the telescope’s key goals. The SH0ES team has reduced the uncertainty in the Hubble constant value by 76 percent since beginning its quest in 2005.


A Massive Protocluster of Merging Galaxies in the Early Universe

An artist's impression of the protocluster of galaxies SPT2349-56, a group of over a dozen interacting galaxies in the early Universe. Astronomers have observed the protocluster in optical, infrared, and millimeter radiation, and determined that several member galaxies are "submillimeter galaxies," among the most luminous, rapidly star-forming galaxies known.

Submillimeter galaxies (SMGs) are a class of the most luminous, distant, and rapidly star-forming galaxies known and can shine brighter than a trillion Suns (about one hundred times more luminous in total than the Milky Way). They are generally hard to detect in the visible, however, because most of their ultraviloet and optical light is absorbed by dust which in turn is heated and radiates at submillimeter wavelengths - the reason they are called submillimeter galaxies. The power source for these galaxies is thought to be high rates of star formation, as much as one thousand stars per year (in the Milky Way, the rate is more like one star per year). SMGs typically date from the early universe they are so distant that their light has been traveling for over ten billion years, more than 70% of the lifetime of the universe, from the epoch about three billion years after the big bang. Because it takes time for them to have evolved, astronomers think that even a billion years earlier they probably were actively making stars and influencing their environments, but very little is known about this phase of their evolution.

SMGs have recently been identified in galaxy protoclusters, groups of dozens of galaxies in the universe when it was less than a few billion years old. Observing massive SMGs in these distant protoclusters provides crucial details for understanding both their early evolution and that of the larger structures to which they belong. CfA astronomers Emily Pass and Matt Ashby were members of a team that used infrared and optical data from the Spitzer IRAC and Gemini-South instruments, respectively, to study a previosly identified protocluster, SPT2349-56, in the era only 1.4 billion years after the big bang. The protocluster was spotted by the South Pole Telescope millimeter wavelengths and then observed in more detail with Spitzer, Gemini, and the ALMA submillimeter array.

The protocluster contains a remarkable concentration of fourteen SMGs, nine of which were detected by these optical and infrared observations. The astronomers were then able to estimate the stellar masses, ages, and gas content in these SMGs, as well as their star formation histories, a remarkable acheievment for such distant objects. Among other properties of the protocluster, the scientists deduce that its total mass is about one trillion solar-masses, and its galaxies are making stars in a manner similar to star formation processes in the current universe. They also conclude that the whole ensemble is probably in the midst of a colossal merger.

Referencia: "Optical and near-infrared observations of the SPT2349-56 proto-cluster core at z = 4.3," K. M. Rotermund, S. C. Chapman, K. A. Phadke, R. Hill, E. Pass, M. Aravena, M. L. N. Ashby, A. Babul, M. Bethermin, R. Canning, C. de Breuck, C. Dong, A. H. Gonzalez, C. C. Hayward, S. Jarugula, D. P. Marrone, D. Narayanan, C. Reuter, D. Scott, J. S. Spilker, J. D. Vieira, G. Wang and A. Weiss, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 502, 1797, 2021.


The bending of spacetime reveals secrets

With decades of observations and millions of galaxies captured in surveys, experts have many theories regarding how galaxies form, and how the universe evolves. This field is called cosmology.

Thanks to Albert Einstein, we know the gravitational force of massive objects in space causes space to bend. This has been observed through a phenomena known as “lensing”, where vast amounts of matter are concentrated in one area within objects such as black holes, galaxies or galaxy clusters.

Their gravity distorts spacetime, acting as a giant lens to reveal warped images of more distant objects behind them. Using lensing, astronomers have developed ways to find and study distant galaxies that would otherwise be hidden from view.

A set of galaxy-galaxy lenses. The massive foreground galaxy’s gravity distorts spacetime, acting as a lens that reveals a warped image of a distant background galaxy.
Rebecca Allen

These observations continue to drive our understanding of galaxy evolution. They’re challenging our theories of when and how galaxies form and grow.

One 2018 discovery made by a group of researchers, including myself, revealed a set of massive and already evolved galaxies from when the universe was only about one-sixth of its current age. They would have had to form and grow at an extremely rapidly to fit our current models of galaxy growth.

In a upcoming investigation, Swinburne Professor Karl Glazebrook will lead my team and I to become some of the first astronomers granted access to Nasa’s James Webb Space Telescope to study these early galaxies.

One of the massive quiescent galaxies which our team will investigate. While extremely large, its older stars and distance make it appear as a tiny red nugget among the much brighter and closer galaxies.
Rebecca Allen , Author provided

The authors do not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and have disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.