Respuestas (LXXIX): ¿Por qué (a primera vista) el universo observable es más grande de lo que su edad le debería permitir?

Hace un par de semanas, Roberto López-Herrero preguntaba por Twitter cómo es posible que el universo observable tenga un radio de 46.500 millones de años luz, si el Big Bang ocurrió hace 13.800 millones de años.

Se trata de una duda que a todos los aficionados a la astronomía nos ha atormentado en algún momento de nuestras vidas: el universo se ha estado expandiendo desde que tuvo lugar el Big Bang pero, incluso suponiendo que las galaxias se hubieran estado moviendo a la velocidad de la luz, sólo podrían haber recorrido 13.800 millones de años luz en cualquier dirección durante todo este tiempo. Por tanto, siguiendo este razonamiento, el diámetro del universo actual no podría superar los 27.600 millones de años luz.

Pero, por supuesto, eso no es así: sabemos que el universo observable tiene un diámetro de 93.000 millones de años luz.

¡Y eso sólo puede significar que el universo se ha estado expandiendo a velocidades superiores a la de la luz! ¡Maldita sea! ¿No  decías hace una semana que es imposible que un objeto se mueva a la velocidad de la luz? ¿Cómo puede ser que haya galaxias que han movido incluso más rápido? ¿No será que el Big Bang no es más que una gran patraña? 

Pues no, voz cursiva, no es una patraña. Para entender lo que está pasando, empecemos por hablar de la expansión del universo.

Hace un siglo que los astrónomos utilizan la espectroscopia (hablaba de ella en esta otra entrada) para medir la velocidad y la dirección del movimiento de los cuerpos celestes lejanos. Pero, durante el proceso, han descubierto algo muy curioso: todas las galaxias que se han observado se están alejando de nosotros como si, miraras adónde miraras, el universo entero estuviera huyendo de la Vía Láctea.

¿Todas las galaxias se alejan de nosotros? ¿Seguro?

Bueno, vale, voz tiquismiquiscasi todas. De los miles de millones de galaxias que hay en el universo observable, sólo 100 de las más cercanas se mueven en nuestra dirección.

El caso es que este fenómeno se convirtió en uno de los pilares fundamentales de la teoría del Big Bang (de la que hablaba en esta otra entrada) pero, además, un astrónomo llamado Edwin Hubble descubrió un detalle aún más interesante en 1929: las galaxias no sólo se están alejando, sino que encima lo hacen a mayor velocidad cuanto más lejos están de nosotros.

Esta es la llamada Ley de Hubble y refleja el hecho de que la velocidad de recesión de las galaxias aumenta en 70 km/s por cada 3,26 millones de años luz que nos separan de ellas. Teniendo en cuenta lo enormes que son las distancias cósmicas, no es de extrañar que las galaxias más lejanas, que están a miles de millones de años luz, se alejen de nosotros a velocidades abrumadoras.

Velocidad de recesión de varias galaxias según su distancia. Gráfico obtenido con datos del telescopio espacial Hubble. (Fuente)

Por ejemplo, en el gráfico superior podéis ver que las galaxias más cercanas (los puntos de la izquierda) tienen velocidades de recesión de unos pocos miles de kilómetros por segundo (km/s), mientras que las más extremas (a la derecha), que están a una distancia de 1.600 millones de años luz, se alejan a casi 30.000 km/s o, lo que es lo mismo, un 10% de la velocidad de la luz.

Aun así, aunque esta cifra pueda dar vértigo, hay galaxias tan distantes que no sólo se alejan de nosotros a la velocidad de la luz, sino que incluso la superan. De hecho, de momento el récord se lo lleva GN-z11, una galaxia que se aleja de nosotros a una velocidad 2,3 veces superior a la de la luz.

¿Ves? ¿Por qué se mueve tan rápido? ¿Qué fuente de energía infinita está utilizando? ¿Es cosa de los extraterrestres? ¡Esto no hay por dónde cogerlo!

Calma, calma, voz cursiva. Intentemos aclararlo.

Mucha gente piensa que el universo se está expandiendo porque, hace 13.800 millones de años, una gigantesca explosión lanzó un al espacio un montón de material que se ha estado desparramando por el cosmos desde entonces, alejándose de un punto central y evolucionando hasta convertirse en las galaxias que vemos hoy en día.

Pero esta idea es incorrecta: primero, porque el Big Bang no fue una explosión, sino un proceso de inflación y, segundo, porque no sólo dio lugar a la materia que vemos hoy en día, sino también al espacio en la que se encuentra. Y es el espacio, no la materia, el motor que impulsa el crecimiento del universo: el propio espacio es lo que se ha estado hinchando durante 13.800 millones de años, arrastrando consigo la materia que contiene.

O sea, que la materia no es la causa de la expansión del universo, sino que simplemente se deja llevar por el espacio mientras éste se expande. Y aquí viene la parte importante de la entrada de hoy: aunque la materia no puede alcanzar la velocidad de la luz, no hay nada que impida que el espacio se estire a velocidades iguales a la de la luz o incluso superiores.  Por tanto, las galaxias lejanas que se están moviendo a una velocidad superior a la de la luz no incumplen ninguna ley física, porque ellas mismas no se mueven, sino que el espacio que las separa las empuja mientras crece.

Si esta ilustración no os ha sido demasiado útil, a una escala mayor, la expansión del universo tiene más o menos esta pinta:

Técnicamente, la pregunta de Roberto ya estaría respondida: como el espacio en sí mismo no está sometido a las mismas limitaciones que la materia, su expansión ha podido alejar las galaxias más remotas de nosotros a velocidades superiores a la de la luz durante los 13.800 millones de años que han pasado desde el Big Bang, permitiendo que el universo observable alcance su radio actual de unos 46.500 millones de años luz.

Bueno, sí, técnicamente ya has hecho tu trabajo, pero a mí aún me quedan muchas preguntas. Por ejemplo, ¿Cómo podemos ver esas galaxias que se alejan a una velocidad superior a la de la luz? ¿Y qué es eso del universo “observable”? ¿Acaso hay una parte del universo que no podemos observar?

A ese tipo de cosas me refería, voz cursiva. Pero, aunque me sabe muy mal hacer esto, tendré que abordar esas cuestiones en la siguiente entrada porque me he dado cuenta de que el texto se estaba alargando demasiado (que ya es decir en este blog).

¡¿Qué?! ¡¿Pero si para cuando la escribas ya me habré olvidado de lo que acabo de leer?!

No te preocupes, que no tardaré en publicarla porque tengo el artículo prácticamente terminado. Mientras tanto, te ofrezco una serie de opciones que te podrían ayudar a matar el gusanillo de la divulgación.

 

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 🙂

 

51 pensamientos en “Respuestas (LXXIX): ¿Por qué (a primera vista) el universo observable es más grande de lo que su edad le debería permitir?”

  1. Voy a hacer un poco de Voz Cursiva porque hay algo que no me cuadra mucho.

    Entiendo perfectamente que el espacio pueda “estirarse” a mas velocida que la luz y con ello arrastra la materia que lo contiene (las galaxias). Pero aqui si que entiendo que la materia se esta moviendo a mayor velocidad que la luz, es como si yo fuera en un tren que se mueve a 299.999 km/s y yo andara/corriera hacia delante 2 km/s.
    Quien me observara desde fuera del tren me veria a una velocidad de 300.001 km/s

    Asi que la materia esta siendo empujada por el espacio que se expande, pero ese “empuje” ¿no hace se muevan a mayor velocidad dque la luz desde nuestro punto de vista?

    1. Si, lo hacen, pero como dice Jordi en el artículo, no incumplen ninguna ley física, ya que no se mueven a través del espacio a mayor velocidad que la luz, sino que es el propio espacio quien lo hace llevándolas consigo, y para ese fenómeno, que sepamos, no hay ningún límite de velocidad.

    2. Si tú vas en un tren a 299.999 km/h y te desplazas a 2 km/s dentro de él, un observador externo te vería prácticamente parado dentro del tren, ya que según la relatividad general, tu tiempo se ralentiza con respecto al de él, y por tanto tu velocidad que en ningún caso superaría la velocidad de la luz.

      Con la inflación del espacio, lo que aumenta es el propio espacio. No es que se desplacen las galaxias, es que aumenta la distancia entre ellas.

    3. A mi corto entender el ejemplo que planteas del tren no es del todo explicativo y lo que en realidad ocurriría sería que todo el tren se mueva hacia donde se mueva tu estás en el primer vagón caminando y yo en el ultimo y el vagón cafetería se multiplicase creando más espacio entre nosotros a razón de 299.999 vagones de 1 km de longitud, pero el tren sigue siendo el mismo.
      Por esto digo que lo del ejemplo del tren es muy bonito pero para empezar a explicar la teoría general de la relatividad, pero esto ya son pasos más avanzados, creo, repito que soy un simple ignorante que se las da de que entiende algo de esto.
      Saludos.

    4. No soy erudito en la materia, pero pienso que según la relatividad de Einstein, si vivieras en esas galaxias, sería la via láctea la que se mueve a velocidades superiores a luz, y si medis la velocidad ese lugar será 300.000 Km/s también.

    5. Creo que precisamente será lo que comentará en la proxima entrada de blog, yo también lo he pensado y aún no entiendo como cuadrar el que veamos una galaxia que se aleja a mayor velocidad que la de la luz, yo pensaba que el concepto de “universo observable” era porque precisamente se alejaba a mayor velocidad que la luz y por ello, no podiamos verlo.

    6. Más bien es como si tú y yo estuvieramos en un mismo tren, y tú, por ley, sólo puedieras moverte por el tren, como mucho, atravesando un vagón cada hora.
      Ahora imagina que empiezas a alejarte de mí a esa velocidad, pero además, se están creando de la nada vagones entre tú y yo. Te mueves a la velocidad máxima y sin embargo te alejas de mí más rápido aún. Que te alejes de mí más rápido de lo permitido no significa que te estés moviendo más rápido de lo permitido.

    7. Yo creo que en el ejemplo que propones, un observador de fuera del tren, te vería exactamente a 300.000km/s. La luz que te llegaría no viaja más rápido en ningún caso, no?
      Por otro lado, si se pudiera “contraer” el espacio entre la materia, ¿no sería una buena forma de viajar por el universo a velocidades mayores que la luz?

    8. Esa es una buena pregunta que surge cuando empiezas con relatividad especial. Pero la respuesta es no, no supera la velocidad de la luz. Eso es porque tendemos a pensar que las velocidades se suman de manera normal, pero eso es solo una aproximación para bajas velocidades. En realidad lo hacen de la utilizando la ecuación “Lorentz velocity addition” https://en.wikipedia.org/wiki/Velocity-addition_formula Así que en tu caso del tren, para uno que te viera desde fuera te vería con una velocidad con más 9 después de la coma, algo así como 299.999,99 km/s (No he hecho este calculo específico, pero para que te hagas una idea).

    9. Tu entiéndelo como un surfista que coje una hola la tabla de surf no tiene movimiento alguno ni capacidad para tenerlo pero gracias al movimiento del mar se impulsa a gran velocidad sobre la superficie pues ese es el mismo concepto además lo puedes comprobar muy simple con un globo y pegarle trocitos de papel mientras el globo está en su primera posición los trocitos de papel están muy unidos ahora de repente estira el globo veras que los trocitos se alejan unos de otros sin que tú los toques bien as expandido el material que los contiene no los trozos en si pues eso pasa con el universo

    10. Las galaxias no se mueven arrastradas por la expansión del espacio, lo que ocurre es que es el espacio intergalactico lo que aumenta la distancia al crecer entre galaxias, pero sin empujar, simplemente apareciendo.
      O eso he entendido yo.

    11. Efectivamente. Desde nuestro punto de vista. Lo que se sabe es que no se puede mover un objeto a mayor velocidad que la de la luz por el espacio. Pero lo que se “mueve” porque en realidad no se mueve, sino que se estira para todas partes es el espacio. Como cuando estiras un chicle que recién masticas. Los pedacitos sin disolver conservan su tamaño pero se alejan entre si.

    12. Imagina que las galaxias estuviesen pintadas en un globo como si fueran puntos. Cuando llenas el globo de aire un observador en uno de sus puntos vería como todos los puntos a su alrededor se alejan de el. Pero un observador externo vería que no son los puntos los que se mueven a través de la superficie del globo, sino que por el contrario es la expansión del globo lo que hace moverse a los puntos unos de otros. Los puntos no viajan en el tiempo ya que su velocidad relativa con respecto a la superficie del globo es, en el caso del globo nula, y en el caso de las galaxias inferior a la velocidad de la luz.

  2. Lo que no entienden es sencillo, la expansión del espacio no va ha la velocidad de la luz, sino que mientras mas espacio nos separa de un objeto mas cantidad de espacio se expandirá, es decir como si halaras algo elástico, no hay un punto o linea exacta donde se estire (hablando de que el objeto sea hecho de material totalmente elástico), sino que todo se estira.

  3. ¿Se puede “observar” una fuente de luz que haya estado viajando 40 mil millones de años?
    ¿Qué “motor” hace que el espacio se expanda así?

  4. Pero entonces… si la luz viaja a 300.000km/s como puede llegar hasta nosotros la luz de esas galaxias que se estan “moviendo” si su velocidad de expansion supera la de la luz?

  5. Al hilo de la expansión del Universo hay una cosa que no entiendo: si el espacio vacío, entre galaxias aumenta con aceleración, ello ¿no debería ocurrir en todo el espacio, incluso dentro de una galaxia o dentro de un sistema solar o dentro de una masa como la tierra, o cualquier materia, como nosotros? Sí de una forma infinitesimal, por lo de las distancias, pero entiendo que no debería haber (¿o sí?) discontinuidad en el espacio “fuera” o “dentro de la materia (espacio entre partículas elementales)” en lo relativo a la expansión.
    Es decir nosotros mismos nos estaríamos expandiendo.¿A una velocidad indetectable?

    1. Según la balanza, me estoy expandiendo considerablemente… no digo a velocidad de la luz, pero…
      Broma aparte, creo que dentro de nuestro “vecindario” galáctico, en realidad nos vamos acercando a un mismo punto de atracción.

  6. Me ha recordado a la nave espacial de Futurama.
    Ella no se mueve, se mueve el espacio dónde ella está, para poder conseguir esas velocidades.. jeje!

    Genial artículo, espero con ganas la continuación 😉

  7. Hola, una pregunta. Si una galaxia se aleja de nosotros (o realmente el espacio entre nosotros y la galaxia se expande) a una velocidad > 2x luz, como podemos observar esta galaxia?

    1. No podemos, recuerda que observar el universo distante, es observar el pasado, lo que se ve son los fotones que esa galaxia emitió antes de que superara la velocidad de la luz, una vez que la supera, desaparece a nuestra vista, ya que sus luz nunca llegará.

  8. Yo, con esto de la expansión del espacio tengo una inquietud. Decís que el espacio se expande alejando a las galaxias unas de otras. Ok, de acuerdo. Pero… ¿También lo hace entre las estrellas de una misma galaxia? ¿Entre los planetas? ¿Se expande en todo momento y escala? Es decir, el espacio mismo entre los átomos, o entre los electrones, ¿está también expandiéndose ahora mismo? ¿Dentro de nuestros propios cuerpos?

    1. Buenas Carleto,

      Te intento explicar lo que yo comprendo…
      Según la teoría, existen dos fuerzas relacionadas con la expansión del universo, la gravedad y la energía oscura. La gravedad todo el mundo sabe como funciona, y de la energia oscura lo único que se conoce es que es la responsable de la expansión del espacio que ha comentado Jordi, y que esa expansión se esta acelerando (desde hace “poco”), pero no sabemos nada más. Pues bien, según lo que tengo entendido, entre galaxias, la energía oscura ( la expansión del espacio) es mas fuerte que la fuerza de la gravedad entre las galaxias, y por tanto, las galaxias se alejan unas de otras. En cambio, como tu comentas, entre estrellas de la misma galaxia, planetas y demás, la gravedad gana a la expansión del espacio y, por tanto, la galaxia se mantiene unida gravitacionalmente sin separarse, aunque se cree espacio en los diferentes cuerpos. Supongo que en la siguiente entrada Jordi lo explicara mucho mejor 🙂

      Espero haberte ayudado y si alguien ve algún error que haya cometido, por favor, comentadlo 🙂

  9. Entonces, ¿qué es realmente el Espacio?, ¿de qué se compone para que en el floten las galaxias?, ¿cómo puede algo inconsistente(espacio) llevarse o empujar las estrellas que a su vez llevan su propia velocidad?

  10. Sigo sin entender. Si una galaxia se aleja de la nuestra a mayor velocidad que la de la luz, eso significa que esa galaxia ha salido de nuestro campo de observación, es decir, no es observable desde nuestra galaxia

  11. “GN-z11, una galaxia que se aleja de nosotros a una velocidad 2,3 veces superior a la de la luz.” Se expande la materia a una vez la velocidad de la luz… junto con el espacio una nueva velocidad de la luz… y el punto tres de dónde sale? Falta una variable que la hace acelerar en este pico sumado.

  12. Otra manera de verlo es dibujar puntos en la superficie de un globo a medio hinchar… cuando lo sigas hinchando verás que los puntitos se separan; los puntos no se mueven pero el espacio entre ellos aumenta. De todas maneras me surgen muchas dudas y no tengo la base suficiente, así que voy a tener que seguir leyendo. La física es dificil de entender cuando no concuerda con nuestro “sentido común”.

  13. Excelente hace un tiempo comente un blog http://eltamiz.com/2008/01/15/la-dualidad-onda-corpusculo/
    tratando de hacer encajar esto que aquí se afirma con lo que el blog afirma sobre la dualidad Onda Corpúsculo, mi comentario está un poco sesgado porque yo no soy científico pero extraigo un pedazo de él.

    “¿Porque el Universo se acelera? Porque mientras mas largo esta una galaxia del observador no se comporta como materia se comporta como onda y conforme se aleja de nosotros su longitud de onda aumenta hasta acercarse al de la luz que es mas rápida que la materia.
    Uniéndolo con lo que acabo de leer aquí, tiene sentido porque con las distancias que existen en el Universo las ondículas son “miopes” o incapaces de vernos”.

  14. Hay algo que me despista en esta explicación… ¿De qué está hecho el espacio que presuntamente se expande si no es de materia? ¿Es que puede existir algo que no esté hecho de materia (o anti materia, claro)?
    Gracias por el blog, ¡es genial! 🙂

      1. El vacío absoluto no existe.
        La luz, el calor o cualquier onda electromagnética no está hecha de materia y existe, el estar hecho de materia no es ningún requisito para existir.

  15. Pero si nosotros nos alejamos en una dirección a la velocidad de la luz y otra galaxia hace lo mismo en otro sentido. Para nosotros se está aalejando al doble de la velocidad de la luz

  16. Está bien, pero parece faltar ‘algo’. Pareciera que, simultanea a la dilatación del espacio-tiempo (parece mismo que así sea), la ‘regla’ con que lo medimos se estuviera contrayendo. “El hombre (que también se estaría retrayendo) es la medida de todas las cosas” y bla, bla, bla… Eso pareciera adquirir sentido en la asunción de que los movimientos habidos posteriormente al Big Bang muestraran algo inexorable en el Universo: la concentración de la materia inducida por las cuatro fuerzas fundamentales. Se nota que, todavía, hay mucho por descobrir, por saber, antes que una explicación ‘pacífica’ fuese – siquiera – propuesta. Aún no logtamos salir de la fase de desarrollo ‘fuerza bruta’ de la ciencia física: proponemos y verificamos, a ver si encaja.

  17. Si el espacio se estira, llegarà a un limite y entonces se encogerà, mejor digamos que se expande a velocidades exponenciales de la cual no hay vuelta a atras, pero nos acompañan unas 100 galaxias en la misma direcciòn y esto puede conducirnos a un choque multiple

  18. Si las galaxias de nuestro universo observable se alejan a mayor velocidad entre sí cuando más alejadas están; y si cuanto más alejadas están son del universo más primitivo (o más antiguas).
    el universo está decelerando su expansión. Si acelerara, estarían alejándose entre sí a menor velocidad que nuestras galaxias más cercanas.¿Alguién me puede decir donde está el fallo ?

  19. A raíz de tu gran explicación, me surge otra pregunta (no tengo cursiva):
    ¿Cómo puede ser observable una galaxia que está en una región del universo que se expande mayor velocidad que la de la luz? Se supone que, en ese caso, la luz, o cualquier radiación que emita, viaja por el espacio a una velocidad inferior a la que aumenta éste. Por lo tanto, no sería capaz de surcarlo para llegar hasta nosotros y no podríamos detectarlo. ¿no?

  20. “Previously, the team had estimated GN-z11’s distance by determining its color through imaging with Hubble and NASA’s Spitzer Space Telescope. Now, for the first time for a galaxy at such an extreme distance, the team used Hubble’s Wide Field Camera 3 to precisely measure the distance to GN-z11 spectroscopically by splitting the light into its component colors” …sólo se ha conseguido precisar mejor su posición ,ningún ser humano puede visionar objetos “superluminicos” ,solo podrá determinar su posición a través del límite en esta dimensión tridimensional de la velo. luz ,(relatividad general para partículas de tamaño entre -21 y +21 en la constante de Planck) dado que los fotones enviados colapsan la decoherencia cuántica de los electrones en el espacio/tiempo ,enviandolos en coherencia cuántica para así determinar su posición y tiempo relativo …no hay la inflación y no hay el big bang ,sólo son hipótesis matemáticas como muchas otras …

  21. La verdad me ha dejado boquiabierto lo de que el espacio también se expande. Y a raíz de esto me surgen más y más dudas (entiendo que no seré el único).

    Seguramente la que más me inquieta es: Que hay después de ese espacio que se expande? La nada? Un muro? Pero ese muro debe ocupar también espacio?! Ays creo que se me recalienta el cerebro…

    Un saludo!

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