Así es como las galaxias lejanas se alejan de nosotros a velocidades superiores a la de la luz

lejos de nosotros y más su luz aparece corrida hacia el rojo. Una galaxia que se mueve con el Universo en expansión estará incluso a un número mayor de años luz, hoy, que el número de años (multiplicado por la velocidad de la luz) que tardó la luz emitida por ella en llegar a nosotros. Pero sólo podemos entender los corrimientos al rojo y al azul si los atribuimos a una combinación de efectos debidos tanto al movimiento (relativismo especial) como al tejido en expansión del espacio (relatividad general). Larry McNish, del Centro RASC de Calgary

Si miras hacia el Universo lejano, encontrarás galaxias que están a millones, miles de millones o incluso decenas de miles de millones de años luz. Por término medio, cuanto más lejos esté una galaxia de ti, más rápido parecerá alejarse de ti. Esto se pone de manifiesto al observar los colores de las estrellas presentes en la galaxia, así como las líneas de emisión y absorción inherentes a la propia galaxia: parecerán estar sistemáticamente desplazadas hacia el rojo.

Al final, empezarás a ver galaxias que están tan lejos que la luz que emiten estará tan gravemente desplazada hacia el rojo que parecerá que se acercan, alcanzan e incluso superan la velocidad de la luz más allá de cierta distancia. El hecho de que esto sea lo que realmente vemos puede hacer que se cuestione todo lo que creía saber sobre la relatividad, la física y el Universo. Sin embargo, lo que ves es real; esos corrimientos al rojo no son una mentira. Esto es lo que hace que esas galaxias lejanas se desplacen tan severamente, y lo que realmente significa para la velocidad de la luz.

El paso del tiempo será sensiblemente diferente para el viajero frente a la persona que permanece en un marco de referencia constante. Sin embargo, sólo se pueden comparar relojes (tiempo) y reglas (distancia) entre observadores situados en el mismo evento (o conjunto de coordenadas espaciales y temporales) en el Universo; los observadores separados por cualquier distancia tienen que contar también con las propiedades no planas y no estáticas del espaciotiempo. Paradoja de los gemelos, vía http://www.twin-paradox.com/

La idea de la relatividad es algo que la mayoría de la gente cree entender, pero es importante tener cuidado por la facilidad con que se puede malinterpretar la teoría de Einstein. Sí, es cierto que hay una velocidad máxima para los objetos del Universo: la velocidad de la luz en el vacío, c, o 299.792.458 m/s. Sólo las partículas con masa cero pueden moverse a esa velocidad; cualquier cosa que tenga una masa real y positiva sólo puede moverse más despacio que la velocidad de la luz.

Pero cuando hablamos de estar limitados por la velocidad de la luz, estamos haciendo implícitamente una suposición de la que la mayoría no nos damos cuenta: estamos hablando de un objeto que se mueve en relación con otro en el mismo evento en el espaciotiempo, lo que significa que están en la misma ubicación espacial en el mismo momento del tiempo. Si tienes dos objetos con coordenadas espaciotemporales diferentes entre sí, hay otro factor que entra en juego y que no se puede ignorar en absoluto.

y el Sol en nuestro Sistema Solar, deben ser tenidos en cuenta para cualquier observación que una nave espacial u otro observatorio haría. Los efectos de la relatividad general, incluso los más sutiles, no pueden ignorarse en aplicaciones que van desde la exploración espacial hasta los satélites GPS, pasando por una señal luminosa que pase cerca del Sol. NASA/JPL-Caltech, para la misión Cassini

Además del movimiento relativista especial, que se produce en relación con la coordenada del espaciotiempo que estás ocupando en ese momento, también hay un efecto que sólo aparece cuando empiezas a pensar en términos de relatividad general: la curvatura y la evolución del propio espaciotiempo.

Mientras que la relatividad especial sólo tiene lugar en un espacio no curvo y estático, el Universo real tiene materia y energía en él. La presencia de materia/energía significa que los objetos en nuestro espaciotiempo no pueden ser estáticos e inmutables, sino que verán evolucionar sus posiciones espaciales con el tiempo a medida que el propio tejido del espaciotiempo evoluciona. Si te encuentras cerca de una gran masa, como una estrella o un agujero negro, el espacio se curvará de forma que experimentarás una aceleración hacia esa masa. Esto ocurre incluso en ausencia de movimiento con respecto al tejido del propio espacio; el espacio se comporta como un río que fluye o una pasarela en movimiento, arrastrando todos los objetos a medida que fluye.

En el agujero negro de Schwarzschild, el espacio fluye como una pasarela en movimiento o como una cascada, dependiendo de cómo se quiera visualizar. En el horizonte de sucesos, aunque corrieras (o nadaras) a la velocidad de la luz, no habría forma de superar el flujo del espaciotiempo, que te arrastra hacia la singularidad del centro. Sin embargo, fuera del horizonte de sucesos, otras fuerzas (como el electromagnetismo) pueden superar con frecuencia la atracción de la gravedad, haciendo que incluso la materia en descenso pueda escapar. Andrew Hamilton / JILA / Universidad de Colorado

En un Universo lleno de materia de forma aproximadamente uniforme, especialmente en las escalas más grandes, los cambios que experimenta el espaciotiempo se aplican a escalas de todo el Universo observable. En concreto, un Universo lleno de forma homogénea (la misma en todos los lugares) e isotrópica (la misma en todas las direcciones) no puede permanecer estático, sino que debe expandirse o contraerse.

Cuando Alexander Friedmann dedujo por primera vez en 1922 las ecuaciones que exigían esta solución, se le prestó poca atención. Cinco años más tarde, de forma totalmente independiente, Georges Lemaître dio con la misma solución, que envió inmediatamente al propio Einstein. Al recibirla, Einstein no pudo encontrar ningún fallo en el trabajo, pero no pudo aceptar su conclusión, declarando famosamente: «sus cálculos son correctos, pero su física es abominable». Pero su física no era abominable; era la clave para descifrar el Universo.

brillando a través de las nubes interestelares. Las estrellas variables se presentan en muchas variedades; una de ellas, las variables Cefeidas, pueden medirse tanto dentro de nuestra propia galaxia como en galaxias situadas a una distancia de hasta 50-60 millones de años luz. Esto nos permite extrapolar distancias desde nuestra propia galaxia a otras mucho más lejanas en el Universo. Otras clases de estrellas individuales, como una estrella en la punta de la AGB o una variable RR Lyrae, pueden utilizarse en lugar de las Cefeidas, dando resultados similares y el mismo enigma cósmico sobre la tasa de expansión. La NASA, la ESA y el equipo del Hubble Heritage

Alrededor de la misma época -en las décadas de 1910 y 1920- los astrónomos acababan de obtener la capacidad técnica para realizar dos mediciones clave sobre objetos débiles y distantes.

1. Utilizando la técnica de la espectroscopia, en la que la luz de un objeto puede dividirse en sus longitudes de onda individuales, los astrónomos pudieron identificar la firma segura de átomos específicos: líneas de absorción y emisión que se producen en longitudes de onda específicas. Basándose en el desplazamiento sistemático de esas líneas espectrales, ya sea hacia el rojo o hacia el azul por el mismo factor global, los astrónomos podrían medir el desplazamiento total hacia el rojo (o hacia el azul) de un objeto lejano, como una galaxia.
2. Al identificar las propiedades específicas de un objeto lejano que nos hablan de sus propiedades intrínsecas, como el brillo intrínseco de una estrella o el tamaño real de una galaxia, así como el brillo aparente o el diámetro angular aparente, los astrónomos podrían entonces inferir la distancia a ese objeto.

los objetos que observamos muestran las firmas espectrales de absorción o emisión de determinados átomos, iones o moléculas, pero con un desplazamiento sistemático hacia el extremo rojo o azul del espectro luminoso. Cuando se combinan con las mediciones de distancia de Hubble, estos datos dieron lugar a la idea inicial del Universo en expansión: cuanto más lejos está una galaxia, mayor es el desplazamiento hacia el rojo de su luz. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Al combinar ambos conjuntos de observaciones, algo que los científicos empezaron a hacer hacia finales de la década de 1920, surgió un patrón claro: cuanto más lejos se medía la distancia de una galaxia, mayor era su desplazamiento al rojo. Esto era sólo una tendencia general, ya que las galaxias individuales parecían tener corrimientos al rojo y al azul adicionales superpuestos a esta tendencia general, pero la tendencia general seguía siendo clara.

Específicamente, los corrimientos al rojo y al azul «extra» que aparecen son siempre independientes de la distancia, y corresponden a velocidades que van desde decenas a cientos hasta unos pocos miles de kilómetros por segundo, pero no más rápido. Sin embargo, al observar galaxias que están al doble de distancia que una galaxia más cercana, el corrimiento al rojo medio es el doble que el de las galaxias más cercanas. A 10 veces la distancia, el corrimiento al rojo es 10 veces mayor. Y esta tendencia continúa hasta donde estemos dispuestos a mirar, de millones a decenas de millones a cientos de millones a miles de millones de años luz de distancia.

expansión del Universo, seguida de observaciones posteriores más detalladas, pero también inciertas. El gráfico de Hubble muestra claramente la relación desplazamiento al rojo-distancia con datos superiores a los de sus predecesores y competidores; los equivalentes modernos van mucho más allá. Nótese que las velocidades peculiares siempre están presentes, incluso a grandes distancias. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Como puede verse, la tendencia es que esta relación -entre el corrimiento al rojo medido y la distancia- continúa para distancias extraordinarias. La relación entre el desplazamiento al rojo y la distancia, conocida durante generaciones como ley de Hubble (recientemente revisada como ley de Hubble-Lemaître) pero descubierta de forma independiente tanto por Lemaître como por Howard Robertson antes de que Hubble la publicara, ha sido una de las relaciones empíricas más sólidas jamás descubiertas en astronomía.

La interpretación estándar de esta tendencia, incluyendo los desplazamientos al rojo y al azul adicionales que son inherentes a cada objeto individual, es que hay dos partes en los desplazamientos al rojo y/o al azul de cada objeto.

1. El componente que se debe a la expansión general del Universo, la relación entre el desplazamiento al rojo y la distancia, es responsable de la mayor parte del desplazamiento al rojo, especialmente a grandes distancias.
2. El componente que se debe al movimiento de cada galaxia individual a través del espacio, que explica las perturbaciones «extra» por encima de la línea de tendencia principal, se debe al movimiento relativista especial en relación con el tejido en expansión del espacio.

regiones poco densas (azul/negro) del Universo cercano a nosotros. Las líneas y flechas ilustran la dirección de los flujos de velocidad peculiares, que son los empujes y tirones gravitatorios de las galaxias que nos rodean. Sin embargo, todos estos movimientos están incrustados en el tejido del espacio en expansión, por lo que un corrimiento al rojo o azul medido/observado es la combinación de la expansión del espacio y el movimiento de un objeto distante observado. Cosmografía del Universo Local – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Los movimientos relativistas especiales son fáciles de entender: provocan un desplazamiento de la longitud de onda de la luz del mismo modo que un camión de helados en movimiento provoca un desplazamiento de la longitud de onda del sonido que llega a tu oído. El camión de helados que se mueve hacia ti tendrá sus ondas sonoras que llegan a ti de forma comprimida y más aguda, análoga a un desplazamiento azul de la luz. Cuando se aleja de ti, hay más espacio entre cada cresta de la onda, por lo que el sonido es más grave, análogo a un desplazamiento hacia el rojo.

Pero la expansión del espacio desempeña un papel más importante, sobre todo a grandes escalas. Si se imagina el tejido del espacio como una bola de masa, con pasas a lo largo de ella (que representan estructuras ligadas gravitatoriamente, como las galaxias), entonces cualquier pasa verá que las pasas cercanas retroceden lentamente de forma omnidireccional. Pero cuanto más lejos esté una pasa, más rápido parecerá que se aleja, aunque las pasas no se muevan con respecto a la masa. La masa se está expandiendo al igual que el tejido del espacio, y todo lo que podemos hacer es ver el corrimiento al rojo total.

Universo, donde las distancias relativas aumentan a medida que el espacio (masa) se expande. Cuanto más lejos estén dos pasas entre sí, mayor será el corrimiento al rojo observado en el momento de recibir la luz. La relación entre el desplazamiento al rojo y la distancia predicha por el Universo en expansión se confirma en las observaciones, y ha sido consistente con lo que se sabía desde la década de 1920. NASA / WMAP Science Team

Si se mide el valor de la tasa de expansión, se encontrará que se puede expresar en términos de velocidad por unidad de distancia. Por ejemplo, a partir de la escala de distancias cósmicas, obtenemos un valor de H0, la tasa de expansión, que es de 73 km/s/Mpc. (Donde un Mpc equivale a unos 3,26 millones de años-luz.) Utilizando el fondo cósmico de microondas o las características de la estructura a gran escala se obtiene un valor similar pero ligeramente inferior: 67 km/s/Mpc.

De cualquier manera, hay una distancia crítica en la que la velocidad de recesión aparente de una galaxia superará la velocidad de la luz: alrededor de una distancia de 13 a 15 mil millones de años-luz. Más allá, las galaxias parecen retroceder más rápido que la luz, pero esto no se debe a un movimiento superlumínico real, sino al hecho de que el propio espacio se está expandiendo, lo que hace que la luz de los objetos distantes se desplace al rojo. Cuando examinamos los sofisticados detalles de esta relación, podemos concluir inequívocamente que la explicación del «movimiento» no se ajusta a los datos.

Explicación del corrimiento al rojo/distancias (línea punteada) y las predicciones de la relatividad general (sólida) para las distancias en el Universo en expansión. En definitiva, sólo las predicciones de la relatividad general coinciden con lo que observamos. Usuario de Wikimedia Commons Redshiftimprove

El Universo realmente se está expandiendo, y la razón por la que vemos la luz de los objetos distantes tan gravemente desplazada al rojo se debe al tejido en expansión del espacio, no al movimiento de las galaxias a través del espacio. En realidad, las galaxias individuales se mueven típicamente a través del espacio a velocidades relativamente lentas: entre el 0,05% y el 1,0% de la velocidad de la luz, no más.

Pero no hay que mirar a distancias muy grandes -100 millones de años luz es totalmente suficiente- antes de que los efectos del Universo en expansión sean innegables. Las galaxias más lejanas visibles para nosotros se encuentran ya a más de 30.000 millones de años luz, ya que el Universo sigue expandiéndose y estirando esa luz ultradistante antes de que llegue a nuestros ojos. A medida que pasamos de la era del Hubble a la del James Webb, esperamos alejar aún más esa frontera. Sin embargo, por muy lejos que lleguemos a ser capaces de ver, la mayoría de las galaxias del Universo estarán siempre fuera de nuestro alcance.

Las porciones observables del Universo, que son lo que son gracias a la expansión del espacio y los componentes de energía del Universo. El 97% de las galaxias de nuestro Universo observable están contenidas fuera del círculo magenta; son inalcanzables para nosotros hoy, incluso en principio, aunque siempre podemos verlas en su pasado debido a las propiedades de la luz y el espaciotiempo. E. Siegel, basado en el trabajo de los usuarios de Wikimedia Commons Azcolvin 429 y Frédéric MICHEL

Todas las galaxias del Universo más allá de una cierta distancia parecen alejarse de nosotros a velocidades superiores a la de la luz. Incluso si emitiéramos un fotón hoy, a la velocidad de la luz, nunca llegará a ninguna galaxia más allá de esa distancia específica. Esto significa que cualquier evento que ocurra hoy en esas galaxias no será nunca observable por nosotros. Sin embargo, no es porque las galaxias en sí se muevan más rápido que la luz, sino porque el propio tejido del espacio se está expandiendo.

En los 7 minutos que le ha llevado leer este artículo, el Universo se ha expandido lo suficiente como para que otros 15.000.000 de estrellas hayan cruzado ese umbral de distancia crítica, convirtiéndose en inalcanzables para siempre. Sólo parece que se mueven más rápido que la luz si insistimos en una explicación puramente relativista especial del corrimiento al rojo, un camino insensato en una época en la que la relatividad general está bien confirmada. Pero lleva a una conclusión aún más incómoda: de los 2 billones de galaxias que contiene nuestro Universo observable, sólo el 3% de ellas son actualmente alcanzables, incluso a la velocidad de la luz.

Si queremos explorar el máximo de Universo posible, no podemos permitirnos el lujo de retrasarnos. Con cada momento que pasa, otra oportunidad de encontrar vida inteligente se escapa para siempre de nuestro alcance.

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