¿Qué significa realmente el concepto de “universo observable”?

En la última entrada estuve explicando cómo es posible que las galaxias más lejanas se estén alejando de nosotros a velocidades superiores a la de la luz si, en principio, ningún objeto que tenga masa puede igualar o superar esa velocidad. Y, por supuesto, quedaron algunas dudas en el aire que creo que la voz cursiva dejó apuntadas en algún lado.

Sí… Las tengo por aquí… Eh… ¿Cómo podemos detectar una galaxia que se aleja a una velocidad superior a la de la luz? ¿Y qué es eso del universo “observable”? ¿Es que hay partes del universo que no podemos observar? ¿Cómo podemos saber qué tamaño tiene el universo? 

Estupendo. Intentemos resolver el entuerto hablando un poco sobre los conceptos de volumen de Hubble y universo observable.

Como vimos en la entrada anterior, el espacio se expande de tal manera que la velocidad con la que las galaxias se alejan de nosotros aumenta cuanto mayor es la distancia que nos separa de ellas. Y, de hecho, si te alejas lo suficiente en cualquier dirección, terminas encontrando galaxias que se están alejando de nosotros a la velocidades iguales o superiores a la de la luz.

Esto significa que, desde nuestro punto de vista, podemos separar el espacio que nos rodea en dos regiones: una más “cercana” donde las cosas se alejan de nosotros a velocidades inferiores a la de la luz y otra “lejana” en la que lo hacen a velocidades superiores. En la frontera entre las dos se encuentra el llamado límite de Hubble, la franja del espacio en la que las cosas se alejan de nosotros a la misma velocidad que la luz.

Pero, ojo, que aquí llega un dato interesante: no podemos ver la luz emitida actualmente por los objetos que se encuentran más allá de nuestro volumen de Hubble (la esfera delimitada por el límite que tiene el mismo nombre) porque, en esta región, el espacio se expande tan deprisa que ni siquiera la luz es lo suficientemente rápida como para poder avanzar hacia nosotros a través de él. Es como si una persona normal se montara en la cinta de correr de Usain Bolt y le subiera la velocidad al máximo: por muy rápido que corra, la cinta siempre se moverá más deprisa y le arrastrará en la dirección contraria.

Dentro del volumen de Hubble, en cambio, el espacio se expande a velocidades sublumínicas, de modo que la luz que se propaga por su interior se puede sobreponer a esa expansión, avanzar hacia la Vía Láctea y llegar hasta nuestros ojos. Sabiendo esto, se puede concluir que toda la luz que vemos en el cielo ha sido emitida por:

a) Objetos que se encuentran dentro del volumen de Hubble.

b) Objetos que ahora mismo están mucho más allá de límite de Hubble pero que, en algún momento del pasado, estuvieron lo suficientemente cerca de él como para que su luz cruzara la frontera. En este caso, la luz ha podido propagarse por nuestro volumen de Hubble hasta llegar a nuestros ojos, incluso aunque el objeto que la emitió nunca haya estado en él.

No entiendo esta segunda posibilidad. ¿No decías que, más allá de la frontera de Hubble, el espacio se expande tan rápido que la luz no puede abrirse paso hasta nosotros?

Y así es, voz cursiva, pero faltaban un par de detalles por mencionar.

En la entrada anterior comentaba que el universo no surgió a partir de una explosión que desparramó material en todas las direcciones a través de un espacio ya existente. En su lugar, el Big Bang no sólo dio lugar a la energía que se convertiría en las galaxias que vemos hoy en día a nuestro alrededor, sino también al propio espacio que la contiene. Y lo curioso es que la estructura actual del universo ya estaba más o menos determinada durante los primeros momentos de su existencia y, a medida que el espacio se ha expandido, las regiones con una mayor densidad energética simplemente se han separado entre ellas y han evolucionado hasta dar lugar a los grupos de galaxias actuales.

En este sentido, la posición relativa entre los grupos de materia que hay dentro de nuestro volumen de Hubble no ha cambiado demasiado con el tiempo… Y tampoco lo ha hecho la posición relativa de las cosas que están fuera de él.

Pero, por otro lado, también hay que tener en cuenta que el volumen de Hubble también se ha estado hinchando mientras el universo se expande. En otras palabras, la distancia a la que las galaxias se alejaban de la nuestra a una velocidad igual o superior a la de la luz era menor en el pasado. Por tanto, aunque nunca podremos ver el aspecto actual  de muchas galaxias porque están demasiado lejos del límite de Hubble, hay cosas que se encontraban lo suficientemente cerca de esa frontera en el pasado como para que la luz que emitían pasara a nuestra región sublumínica del universo en algún momento de la historia.

Y, por supuesto, miles de millones de años después, esa luz llega hasta nosotros en la actualidad para enseñarnos el aspecto que tenían los objetos que la emitieron en el pasado remoto.

Y aquí llega otro dato bonito, voz cursiva.

El universo se volvió transparente unos 300.000 años después del Big Bang y, por primera vez, la luz podía propagarse libremente por el espacio. Mientras el universo se expandía, parte de esa luz primigenia emitida por objetos que se alejaban de nuestra región del espacio a la velocidad de la luz logró cruzar la frontera hacia nuestra creciente esfera de Hubble.

Durante los siguientes 13.800 millones de años, el espacio en expansión ha estado estirando esos rayos de luz mientras se se propagaban a través de él, aumentando su longitud de onda hasta convertirlos en ondas de radio. Y, curiosamente, hoy en día podemos observar esa luz que inundó el espacio 300.000 años después de que tuviera lugar el Big Bang porque, miremos donde miremos, desde todas las direcciones del cielo nos llega esa señal de radio que refleja cómo estaba distribuida la materia cuando el universo se volvió transparente.

Los astrónomos llaman radiación de fondo de microondas a esta señal de radio omnipresente en el cielo y, representada en un mapa en dos dimensiones, tiene esta pinta:

(Fuente)

Vaya… ¿Y qué ha sido de la materia que emitió esa primera luz?

Buena pregunta, voz cursiva: esa materia se ha estado alejando de nosotros a velocidades superiores a las de la luz desde que fue emitida, hace casi 13.800 millones de años, evolucionando por su cuenta y dando lugar a galaxias con sus propias nebulosas, estrellas y planetas.

De hecho, la materia que emitió la radiación de fondo de microondas se ha estado alejando tan deprisa de nosotros que se estima que, en la actualidad, se encuentra a unos 46.500 millones de años luz de distancia.

Espera, eso es…

Justamente lo que piensas, voz cursiva: ese es el radio del llamado universo observable que, como puedes ver, se corresponde con el diámetro del volumen que se cree ocupa en la actualidad toda esa materia que emitió la radiación de fondo de microondas hace 13.800 millones de años y que, aunque no podemos ver su aspecto actual, ha estado convirtiéndose en planetas, estrellas y galaxias.

En este enlace tenéis una versión más elaborada de un esquema parecido.

Vale, creo que empiezo a pillarlo. Pero, ¿cómo sabemos que la materia que emitió el fondo de microondas se encuentra actualmente a esa distancia, si no podemos ver la luz que está emitiendo actualmente?

Pues por el estiramiento que ha sufrido por el camino la luz que emitió en el pasado.

Tomemos el ejemplo de la galaxia GN-z11 que comenté en la entrada anterior. Cuando los astrónomos apuntan sus telescopios más potentes hacia este objeto, ven este churro:

La galaxia GN-z11. (Fuente)

Sabiendo el ritmo al que se expande el espacio con la distancia, se puede estimar el estiramiento que ha sufrido la luz de esta galaxia mientras atravesaba el espacio (su corrimiento al rojo, que explicaba en esta entrada). Con esta técnica se ha calculado que la luz de GN-z11 fue emitida hace 13.400 millones de años, así que en la foto vemos el aspecto que tenía GN-z11 por aquel entonces.

Pero, además, el corrimiento al rojo también permite estimar la velocidad a la que se alejaba de nosotros esta galaxia y, basados en este dato, los astrónomos han podido calcular que, hoy en día, GN-z11 se encuentra a una distancia de unos 32.000 millones de años luz. Y, por supuesto, su forma actual no se parecerá demasiado a la imagen de ella que vemos en el cielo, porque ha estado evolucionado y cambiado durante 13.400 millones de años, igual que todo el amasijo amorfo que aparece en el mapa de la radiación de fondo de microondas.

Vale, vale. Mi concepto del universo está creciendo demasiado rápido pero, aun así, me ha queda una duda. ¿Qué hay tras el universo observable? Es decir, ¿qué hay más allá de esa distancia que ha alcanzado el material más viejo del que tenemos información? 

Agárrate, voz cursiva, porque la respuesta a esta pregunta podría hacer que te cayeras de la silla: más allá de la frontera del universo observable hay… Aún más universo.

Venga, no me tomes el pelo. ¿No hay un vacío inmenso o una barrera energética teórica algo así?

No, no, va en serio: el universo observable sólo es una pequeña fracción del el universo entero, que es aún mayor. Me explico.

Hay que tener en cuenta que el concepto de universo observable no es una medida absoluta, sino que simplemente determina cuál es la mayor distancia de la que tienes alguna información desde una posición determinada del espacio. Y no es una medida absoluta porque, en realidad, todas las galaxias se están alejando de nosotros y entre ellas por igual, por muy lejos que estén. Por tanto, vayas donde vayas, siempre te parecerá que tú estás en el centro del universo observable y que el resto de las cosas se están alejando de ti.

En este vídeo de MinutePhysics (que tiene subtítulos en castellano) explican gráficamente este concepto:

Esto significa que cada punto del espacio tiene su propio universo observable a su alrededor. E igual que, desde nuestro punto de vista, muchas galaxias están tan lejos de nosotros que se alejan a velocidades superiores a las de la luz, somos nosotros quienes se están alejando a esa velocidad desde su perspectiva. De hecho, habrá otras regiones suficientemente lejanas del universo en las que somos nosotros quienes se encuentran más allá de su límite de Hubble y la única señal que tengan de nosotros sea una mota diminuta en su propio mapa de la radiación de fondo de microondas.

O sea que, simplificando, el universo observable es el volumen de espacio que nos rodea del que podemos deducir información sobre su posición actual.

¡AGH! ¿Y QUÉ SIGNIFICA ESO? ¿HAY MUCHO MÁS UNIVERSO TRAS ESA FRONTERA? ¿EL ESPACIO TIENE UN LÍMITE? ¿ES INFINITO? ¡NO ME DEJES CON LA INTRIGA!

Bueno, me temo que esas preguntas habrá que responderlas en otra entrada… Peeeeero, si te has quedado con ganas de más, tengo un par de libros que te pueden interesar.

 

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, en el que hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

29 pensamientos en “¿Qué significa realmente el concepto de “universo observable”?”

  1. El artículo abre más preguntas que las que responde. Por ejemplo: si dos objetos en el espacio se pueden alejar , el uno del otro, a mayor velocidad que la de la luz, ¿significa eso que la infomación se puede mover entre dos puntos del universo a mayor velocidad que “c”?

  2. He escuchado varias veces decir que el espacio es infinito, pero si todo surgió de un único punto tras el big bang, no es lógico pensar que tiene un límite, aunque sea siempre creciente debido a la expansión?

    1. Lo que pasa es que como todos los puntos del universo son el centro, no tiene sentido hablar de límites, no existen. Imagina que caminas sobre una esfera y avanzas hacia adelante esperando buscar cuándo termina. Nunca terminará, estarás dando vueltas a la esfera indefinidamente y nunca encontrarás un final definido. Puedes volver a pasar por el mismo punto, eso sí. Esa distancia sería longitud de la circunferencia de la esfera, el tamaño de “tu universo”. Al menos así lo entiendo yo. Un saludo.

      1. Creo que sería conveniente distinguir entre infinito e ilimitado. La imagen de la esfera puede explicarnos cómo un cuerpo, aunque finito, carece de límites. Creo que Oscar se pregunta por las dimensiones del espacio: ¿Son las dimensiones del espacio finitas o infinitas? Incluso Einstein se planteó la pregunta.

  3. Hola
    Me ha gustado mucho tu explicación del universo, he aprendido cosas que no sabía. Las preguntas que haces ” con la voz en cursiva” es una buena idea, porque son esas preguntas que nos hacemos los lectores y no nos atrevemos a preguntar.
    Muchas gracias

    1. pues esa una de las cosas que hacen los fisicos desde que se invento la astronomia lo que pasa es que el universo es inimaginablemente grande y asombroso asi que la tarea es bien dificil

    2. Si, y si lo haces, te sale que el centro del Universo eres tú. Sea el lugar que sea en el cosmos, siempre verás las galaxias alejándose igualmente en todas direcciones desde el punto de vista del observador.

  4. Si dos objetos se mueven en sentidos opuestos a una velocidad cercana a la luz es normal que ambos observen que el otro se mueve a una velocidad superior a C no?

  5. genial entrada, pero yo siempre he pensado que los agujeros negros supermasivos son los que dan forma a nuevos universos, algo asi como cuando metemos una bola de billar super pesada en una media, la estirara tanto que al final la terminara desgarrando, la media es el espacio tiempo y la bola de billar son trillones de toneladas de materia supercomprimida, al final rompe el tejido espacio tiempo generando un bing bang en otra dimension, en ese orden ideas solo somos un bing bang de millones que se han producido y millones que se siguen produciendo pero no tenemos como detectarlos.

  6. Tengo entendido que para que nos llegue fotones, de alguna manera, el objeto que la emitió debió estar dentro de la burbuja de Hubble. Jordi, me gustaría que me haga saber si estoy equivocado. Si no, me parece que hay una parte del escrito que no trasmite esa idea. Gracias.

  7. Pero ¿no se supone que la velocidad incremente de forma asintótica?. Es decir, al acercarse el límite del diametro de Hubble (H), la velocidad empieza a aumentar en forma asintotica, es decir, aumenta la masa, disminuye el paso del tiempo, pero la velocidad, solo aumenta marginalmente.
    El impulso aumenta sin límite, porque llega a un punto, en el que aumenta la masa, en vez de la velocidad.
    Si por ejemplo, tenemos un punto a 0.8H en dirección sur, va, en teoría a 0.8c de velocidad, y si observamos al norte hasta 0.8H, en teoría va 0.8c. Entonces ¿Norte va 1.6c con respecto a Sur?,¿Sur no ve a Norte?, sí, si lo ve, pero no a 0.8H, sino 0.9H, y su velocidad sería 0.9c.
    Desde el punto de vista de Sur, nosotros tenemos un punto de vista distorsionado, tanto del tiempo como de la velocidad de Norte. Desde el punto de vista de Sur, Norte no está tan lejos, está lejos, ni va tan rápido. Así, que en teoría no existe un horizonte observable.
    Nosotros asumimos que la Ley de Hubble, funciona de forma lineal, y así será en distancias de 0.4H, pero ya en 0.5H, observamos una distorsión, que llamamos energía oscura ¿no será solo una corrección relativista necesaria a la Ley de Hubble?

  8. Podríamos ver apagarse una galaxia mientras atraviesa el horizonte de Hubble? Como superficie el horizonte de hubble se identifica como el fondo de microondas? No podría ocurrir que el fondo de microondas abandonase la zona observable? Muchas gracias, la explicación es genial

  9. Imagino que no se puede decir que haya un centro, un lugar concreto donde se produjese el Big Bang pero esa es mi duda. Si se sabe en que dirección se está expandiendo cada punto del universo ¿no se podría averiguar un centro del que proceda todo? Es decir, si una bolsa de canicas explota yo puedo saber donde se produjo la explosión viendo la trayectoria de las canicas aunque no haya visto la explosión (equiparando explosión con inflación). A menos que todo se aleje de nosotros como si la tierra estuviese en el centro de esa expansión, en ese caso ¿por que es así?

  10. ¿HAY MUCHO MÁS UNIVERSO TRAS ESA FRONTERA? ¿EL ESPACIO TIENE UN LÍMITE? ¿ES INFINITO? ¡NO ME DEJES CON LA INTRIGA!
    Me identifico mucho

  11. Estimado Jordi. Me pregunto si las velocidades extaordinariamente superiores a la luz de las galaxias más alejadas, podrían tener una explicación que se base en un giro basculante de la Vía lactea o del grupo al que pertenece; imperceptible en nuestro entorno, pero acresentado al infinito?. Eso también explicaría las diferentes velocidades en función a la distancia.

  12. Una preguntita, si la edad del universo esta calculada en unos 14 mil millones de años como puede haber cosas que se encuentren a el doble o el triple de ésa distancia en años luz,¿ Significa que viajan al doble de la velocidad de la luz o significa que el llamado big bang es relativo nuestro universo observable? Gracias y perdón por mi ignorancia.

  13. imgagino que ya se habra contestado por ahi pero…si el big bang fue desde un punto y todas las galaxias y materia salieron de ese punto, se podria calcular DONDE esta ese punto por las trayectorias de galaxias y estrellas? y de ser asi y supongo que ya se haya hecho se encuentra en el universo observable ese punto ?

  14. …muy interesante los conceptos descritos por usted de volumen de Hubble y universo observable….me gustaría apuntar algo más… sí,para que un objeto sea superlumínico tiene que carecer prácticamente de masa/energía para así superar esa velocidad ,la velo.luz ,y no puede ser observado …esto amplia nuestro concepto de relatividad general, dado que en la ecuación la masa/energía sería negativa dando como resultado una velocidad negativa también …esto quiere decir que la partícula/longitud de onda superlumínica esta presente antes mucho antes de poder detectarla ó colapsarla en cualquier longitud de onda …viaja en un estado “cuántico de decoherencia” ,incluso para nuestra percepción viaja instantáneamente a cualquier momento del presente ó del pasado espacio tridimensional temporal… esto ya fue teorizado matemáticamente hace mucho tiempo ,en la cual se denominan “taquiones” a las partículas superlumínicas y “retardones” a todo lo demás que posee masa/energía positiva y su velo. límite es la velo luz …mi humilde hipótesis es : _ la partículas superlumínicas también existen dentro de nuestro espacio tridimensional en grandes paquetes como “energía oscura” ,”masa oscura” y en pequeños depósitos duales convergiendo en los átomos y a gran escala más allá de los horizontes de sucesos de las singularidades espaciales …todo procede de la indestructible energía/partícula superlumínica ,que contiene toda la información imaginable .En algún ó algunos momentos se rasgo el entramado espacial y entró materia superlumínica un espacio burbuja gelatinoso tridimensional como el nuestro ,con las características de relatividad general que conocemos ,convirtiéndose en materia “retardon” ,dejando un fondo de radiación que se expande desde ese preciso instante ,lo que llaman Big Bang …pero no hubo solo uno sólo ,esto no sería posible ,esto sucede “muy a menudo” …hay muchos fondos de radiación ,(multiversos burbuja gelatina) creando más espacio y mas materia “retardon” rodeados por sus universos observables y a su vez por espacio superlumínico convergiendo sobre ellos ,por esto coincido con usted en que “cada punto del espacio tiene su propio universo observable a su alrededor”…la metáfora de nuestro espacio tridimensional de relatividad general en contraste con un espacio superlumínico es … lanzar un objeto a la velo.máxima al agua y ver como cambia su velo .límite debido a medio en el cuál se encuentra …

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