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La Crisis Cósmica – midiendo distancias.

Sabemos que el Universo se expande.
En un principio se supuso que lo hacía con velocidad constante. Eso hacía que los objetos se alejen entre sí con velocidades respecto de ellos (por ejemplo respecto a Nosotros) que aumentaban linealmente con la distancia. La variación de la velocidad de recesión con la distancia es conocida como Constante de Hubble (H0).
Ésta está íntimamente relacionada con la evolución de Universo, en particular con su edad. Una variación en el valor de H0, tiene fuertes repercusiones en Cosmología.
Sucede que se encontró que las galaxias lejanas, escapan con mayor velocidad que la esperada según H0. Luego, habría una aceleración de la velocidad de alejamiento con la distancia. Eso implica la existencia de una energía obscura, lo que mereció el Nobel de Física de 2011 (https://www.investigacionyciencia.es/noticias/premio-nobel-a-la-energa-oscura-9897). Esta energía recibe ese nombre por ser de origen desconocido hasta ahora y sería la responsable de la aceleración en la expansión del Universo (https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Así las cosas, hay que medir H0 para saber cómo varía con la distancia y saber cómo es la aceleración en la expansión Universal.

Es aquí donde comienza La Crisis Cósmica.
Medir un valor de H0 implica medir la velocidad y la distancia de un objeto lejano. No hay mayor problema en medir su velocidad. Sólo hay que obtener un espectro de su luz y observar cómo varía al rojo (https://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_astron%C3%B3mica). El tema en discordia viene con la medición de la distancia.

expanding universe distance ladder

Ilustración crédito de JPL-CALTECH/NASA.

Ésta se mide en MegaParsecs (Mpc), es decir en millones de parsecs (Pc), donde un Pc es la distancia bajo la cual se observa el radio de la órbita Terrestre (igual a 1 UA) bajo un ángulo de 1 segundo de arco (1”). Recordemos que en 1° hay 3600”, luego 1 Pc equivale a 206265 UA.

Las diferentes técnicas arrojaron valores muy distintos. Si bien algunos se parecen, en general hay mucha dispersión. Los valores van desde 67,4 Km./seg./Mpc. a 76,5 Km./seg./Mpc.).
Por un lado están los que piensan que todo es debido a un error de medición. Que los métodos utilizados involucran medidas de cantidades que no son invariantes con la distancia. Para ellos, la energía obscura no existe. Por otro lado están lo que defienden su existencia; y en el medio, los que aceptan a la energía obscura pero descreen de algunas técnicas y se inclinan por otras.

Todo se basa en la medición de cantidades que no varían con la distancia.

Algunos usan “candelas”, objetos de luminosidad propia o intrínseca conocida. Así, observando la luminosidad aparente disminuida por la distancia y sabiendo la intrínseca, se puede obtener la distancia. Para eso se ha usado supernovas de tipo Ia, las que fueron descalificadas por algunos por asegurar que su brillo propio es función de la distancia (https://paolera.wordpress.com/2020/01/14/la-energia-obscura-podria-no-existir-2/).
Otros usaron variables de tipo Cefeidas y de tipo Mira
También se usan estrellas gigantes rojas. Es sabido que éstas tienen el mismo máximo brillo propio en su evolución. En este aspecto se ha argumentado que éstas pueden ver su brillo atenuado por perturbaciones en sus capas exteriores producidas por objetos planetarios asimilados por ellas en su crecimiento (https://paolera.wordpress.com/2020/04/09/las-gigantes-rojas-pueden-indigestarse-de-planetas/).

También se han usado las observaciones del fondo de micro-ondas producido en el nacimiento de Universo. Utilizando el Observatorio Plank, podemos ver como era el Universo y compararlo con cómo es Hoy (https://es.wikipedia.org/wiki/Planck_(sat%C3%A9lite) ).
Las lentes gravitacionales son útiles para medir H0.
Éstas están producidas por una gran masa que genera el efecto de lente convergente y produce varias imágenes de objetos más distantes. Observado las variaciones en la posición de estas imágenes virtuales, podemos saber el alejamiento de la fuente gravitatoria (http://www.astronoo.com/es/articulos/lente-gravitacional.html).

Estas técnicas, y otras que involucran radiación de determinada frecuencia por parte de nubes de gas sometidas a la gravedad de agujeros negros, son las que compiten por el verdadero valor de H0.
La ganadora determina la edad y evolución del Universo.

Referencias y Fuentes:

pdp.

La energía obscura podría no existir.

Artículo retocado el 9/abr/2020 a las 15:30 HOA.
Sabemos que el Universo se expande, pero aún hay dudas de cómo lo hace.
El principio Cosmológico decía que lo hacía con velocidad constante. Así, los objetos se alejaban con velocidades que aumentaban linealmente con la distancia.

Según las teorías de evolución estelar, la supernovas de tipo Ia (SN Ia) tienen una determinada luminosidad propia. Entonces, observando la luminosidad aparente de una SN Ia y sabiendo cual es la propia, se puede calcular la distancia a ella, y por lo tanto, al sistema estelar donde reside.
Así se midieron distancias a galaxias lejanas y, midiendo su velocidad de alejamiento, se encontró que éstas se alejaban más rápido que lo esperado. De esta manera, existía una variación de la velocidad de alejamiento esperada con la distancia, ya no había una variación lineal sino una aceleración de la velocidad con la distancia (relación no lineal) . Eso dio paso a la teoría de un Universo con expansión acelerada.

File:Evolucion Universo CMB Timeline300 no WMAP.jpg

Ilustración de la expansión Universal crédito: de NASA, Ryan Kaldari. Adaptatción al Español: Luis Fernández García. Wiping WMAP: Basquetteur

Esa aceleración no tenía un origen conocido por lo que se comenzó a hablar de una energía obscura como la causa de esa aceleración.
Esto mereció el Premio Nobel de Física (porque no hay Nobel en Astronomía) en el año 2011.

De esta manera, la luminosidad de las SN Ia se convirtió en el principal apoyo de la expansión acelerada del Universo y de la existencia de la energía obscura.

Pero estudios realizados en galaxias cercanas de tipo elípticas, mostró una correlación del 99,5% entre la luminosidad de las SN Ia y la edad de la población estelar más abundante o representativa de sus galaxias hospedantes. Recordemos que las galaxias lejanas se muestran más jóvenes por la distancia que tiene que recorrer su luz hasta llegarnos. Por ese “tiempo de retrospectiva”, las progenitoras de las SN Ia de esas galaxias eran jóvenes (en cuanto a la población a la que pertenecían) cuando estallaron. Luego, si hay una correlación entre luminosidad de SN Ia y la población (o edad) estelar más abundantes de su galaxia, y a ésta se la observa más joven con la distancia; entonces, por transitividad, hay relación entra la luminosidad de las SN Ia y la distancia. Teniendo en cuenta esta evidencia, la expansión Universal no sería acelerada y no existiría la energía obscura. Todo sería resultado de la no invariancia de la luminosidad propia de las SN Ia con la distancia, lo contrario a lo que se venía suponiendo.

Así se desmorona el principal soporte de la existencia de la energía obscura que implicaba una expansión acelerada del Universo. Debido a que otras evidencias a favor de la energía obscura resultan circunstanciales frente a las implicaciones de la supuesta invariancia de la luminosidad de las SN Ia, esta idea podría quedar descartada.
Luego, la energía obscura no existiría.

Carl Sagan dijo que teorías extraordinarias necesitan evidencias extraordinarias (extraordinary claims require extraordinary evidence), y para algunos, esa evidencia se desmoronó y no hay otras que las reemplacen.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Inestabilidades en el espacio-tiempo de Friedman explicarían el efecto de la energía obscura.

El aumento en las distancias a objetos lejanos nos indica que el Universo está en expansión.
Einstein supuso un Universo estático por lo que consideró la existencia de una constante cosmológica en sus ecuaciones.
Esa constante fue eliminada por el mismo Einstein cuando se encontró que existía una expansión, oportunidad en la que reconoció que se había equivocado. Cuando se observó una aceleración en esa expansión, la constante volvió, claro que con “otro aspecto”.
Es lógico hallar una expansión si el Universo nació de una gran explosión. Pero la gravedad debería estar frenándola, y a cambio, se observa que se expande cada vez más rápido. Esa expansión acelerada es producto de una energía de origen desconocido por lo que se la llama energía obscura.

Video: The Universal Balance of Gravity and Dark Energy Predicts Accelerated Expansion.

Publicado el 16 may. 2016

Se mostraron varios modelos con el fin de explicar lo que sucede.

Se llegó a considerar un Universo en rotación, donde la aceleración centrífuga vencía a la gravitatoria provocando un aceleración resultante en el alejamiento de los objetos lejanos (pdp, 9/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/).

El espacio-tiempo de Friedman (https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9trica_de_Friedman-Lema%C3%AEtre-Robertson-Walker), es un modelo que describe nuestro Universo considerándolo homogéneo e isótropo (iguales propiedades en todas direcciones). Con algunas variaciones de esas ecuaciones, se desarrolló un modelo con raíces en la Termodinámica conocido como Universo Cardassiano. Si bien reproduce lo observado, no tiene sólidas bases teóricas que lo respalden (pdp, 29/may./2017, El modelo Cardassiano de Universo, https://paolera.wordpress.com/2017/05/29/el-modelo-cardassiano-de-universo/).

Ahora, para noviembre del 2017, se piensa que las ecuaciones de originales de Einstein son correctas y no es necesaria la constante relacionada con la aceleración en la expansión.
El Universo se expande en un espacio-tiempo de Friedman que no es estable.
En ese modelo de espacio-tiempo, se supone que la materia está distribuida uniformemente (homogéneo), lo que no sería tan así.
De esta manera, cualquier variación en la densidad de materia o en el curso de un cuerpo (galaxia), provocará una “inestabilidad local” que dará como resultado un “empuje” asociado a una aceleración en la expansión. Curiosamente, y en teoría, se encontró que en esas inestabilidades locales aparecen aceleraciones comparables a las que se dan en el marco de la energía obscura. Bajo este punto de vista, la energía obscura no es necesaria para producir la aceleración en la expansión observada.

Referencia:

Fuente:

pdp.

El modelo Cardassiano de Universo.

En un Universo en expansión acelerada, los modelos tratan de explicarlo de la manera más sencilla posible.
Primero se estableció la existencia de la energía obscura como la responsable de esa expansión acelerada. También se conjeturó con un modelo rotacional de Universo, donde la aceleración en la expansión está relacionada con la aceleración centrífuga (pdp, 09/mar./2017, La energíoa obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/). También se teorizó sobre la posibilidad de que pequeñas fluctuaciones en el tramado del espacio – tiempo, terminen generando una lenta y acelerada expansión (pdp, 17/may./2017, Pequeñas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían explicar la naturaleza de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2017/05/17/pequenas-fluctuaciones-del-espacio-tiempo-podrian-explicar-la-naturaleza-de-la-energia-obscura/).

Pero hay un modelo Cardassiano de Universo.

En él, se tiene en cuenta un Universo dominado por la materia. Con algunas variaciones en las ecuaciones conocidas (ecuación de Friedmann), explica la aceleración en la expansión sin necesidad de la energía obscura ni de una constante cosmológica. Si bien reproduce los datos observados de una manera llamativa, aún carece de una sólida base teórica. Aunque nuestro Universo observable es una versión en tres dimensiones de un modelo de branas de 11 dimensiones (una de ellas es el tiempo), el modelo Cardassiano se aplica aún en el caso de Universos planos. Este modelo tiene sus raíces relacionadas con la termodinámica y se está trabajando para hallar las ecuaciones dinámicas derivadas de la naturaleza de los movimientos observados (Wikipedia, Principio de acción, https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_de_acci%C3%B3n).

Cardassiano.jpg

Imagen de un macho Cardassiano publicada en Memory Alfa Wiki

Aún no sé si el nombre de este modelo tiene o no relación con los Cardassianos, la especie humanoide del cuadrante Alfa en la serie Star Treck (Memory Alfa Wiki, Cardassianos, http://es.memory-alpha.wikia.com/wiki/Cardassianos).

Fuentes:

pdp.

Pequeñas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían explicar la naturaleza de la energía obscura.

La energía obscura es la responsable de que el Universo esté acelerando su expansión.
Se ha buscado muchos orígenes de ésta, incluso se propuso un modelo de Universo en rotación para explicarla. En ese modelo, la aceleración centrífuga sería la responsable de la aceleración observada en la expansión (pdp, 09/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/).

universo

Gráfico de las componentes del Universo publicado en Taringa.net

Las dos grandes ramas de la Física no logran explicar su origen. Por un lado, la Relatividad se encarga del estudio de los escenarios donde hay grandes energías donde existen las partículas. Por otro, la cuántica que estudia esas partículas, su naturaleza y propiedades.
Como ambas se desarrollan en diferentes escalas, no se llevan bien a la hora de analizar problemas en común. Por eso es que no se dispone de una teoría cuántica de la gravitación y sí de una relativística.

La energía del vacío, es una energía de origen cuántico que existe incluso en ausencia de la materia (Wikipedia, Energía del vacío, https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_del_vac%C3%ADo). Así, se la relaciona con la obscura, pero hay ciertas incoherencias.
La energía de vacío tiene características tales que, de ser responsable de la aceleración de la expansión universal, ésta sería más pronunciada que lo observado. Pero claro, no hay otra posible responsable de esta forma de expandirse que tiene el Universo.

Hay una teoría que en un principio ofrece una explicación.
Si el Universo pasara por fluctuaciones u oscilaciones aleatorias en su tramado del espacio-tiempo a escalas muy pequeñas, subatómicas, de miles de millones de veces menores que las dimensiones del electrón; éstas tendrían implicaciones a escalas mayores.
Haciendo los cálculos pertinentes, esas oscilaciones en expansión y contracción, junto con la gravedad y la energía del vacío, terminan arrojando un movimiento neto de expansión lenta pero acelerada con magnitudes coherentes con las observadas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Slipher, el hombre casi hace un descubrimiento en dos oprtinudades.

Vesto Melvin Slipher (1875-1969), foto crédito: Lowell Observatory

Vesto Slipher [1] fue un hombre que casi encuentra algo importante en dos oportunidades.
Percival Lowell [2] estaba obsesionado con la vida en Marte y con los canales marcianos hechos por los supuestos habitantes de ese Planeta. Así es como le encargó a Slipher que observara unas nebulosas espirales, las que suponían que eran estrellas en formación (hoy en día se sabe que son galaxias como la nuestra). Slipher encontró que se movían muy rápido para ser objetos de nuestra galaxia. También advirtió que las más débiles (lejanas) se movían con mayor rapidez.
Más tarde, Edwin Hubble [3] mide sus distancias y encuentra la ley que hoy lleva su nombre, según la cual, los objetos se alejan más rápido con la distancia.
Slipher casi encuentra la expansión Universal.

Foto del descubrimiento de Plutón crédito de Lowell Observatory.

En la búsqueda del Planeta X, se le encargó a Slipher que tomara imágenes del cielo y que las repita luego de unos días. La idea era hallar un objeto pequeño moviéndose entre las estrellas. Lowell calculó que debería estar en la constelación de Geminis.
Slipher se tomó ese trabajo, el que pronto pasó a Clyde Tombaugh [4] quien consideraba que había que ser más minucioso en la revisión de las imágenes que lo que era Slipher.
Así fue cómo el 18 de febrero de 1930, Tombaugh descubre Plutón, en las imágenes revisadas por Slipher.
De esta manera, Slipher casi descubre Plutón.

Referencias:

  1. https://es.wikipedia.org/wiki/Vesto_Melvin_Slipher
  2. https://es.wikipedia.org/wiki/Percival_Lowell
  3. https://es.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hubble
  4. https://es.wikipedia.org/wiki/Clyde_Tombaugh

Fuente:

pdp.