Los cosmólogos son intelectuales que viajan en el tiempo. Al observar miles de millones de años atrás, estos científicos son capaces de rastrear la evolución del Universo con muchos detalles. Hace 13.8 mil millones de años ocurrió el Big Bang. Fracciones de segundo más tarde, el joven Universo se expandió exponencialmente durante un período de tiempo increíblemente corto llamado “inflación”. Durante los eones siguientes, nuestro cosmos ha crecido de manera tan enorme que ya no podemos ver el otro lado de él.

¿Pero cómo es esto posible? Si la velocidad de la luz marca el límite de velocidad cósmica, ¿cómo pueden haber regiones del tiempo-espacio cuyos protones se han ido para siempre lejos de nuestro alcance? Y aún si están allá, ¿cómo sabemos que existen?

El Universo en expansión

Como todo lo demás en la física, nuestro Universo se esfuerza por existir en su estado más bajo de energía posible. Pero alrededor de 10-36 segundos después del Big Bang, algunos cosmólogos creen que el cosmos se encontró a sí mismo en un estado de “falso vacío de energía”, un punto bajo que realmente no era un punto bajo. Buscando el verdadero nadir del vacío de energía, durante una fracción de minuto en ese momento, se considera que el Universo se expandió por un factor de 1050.

Desde ese tiempo, nuestro universo ha continuado su expansión, pero a un paso mucho más lento. Hemos encontrado evidencia de esta expansión en la luz de objetos distantes. Mientras los fotones emitidos por una estrella o galaxia se propagan a través del Universo, la extensión del espacio hace que pierdan energía. Una vez los fotones llegan a nosotros, sus longitudes de onda se han corrido al rojo de acuerdo con la distancia que han recorrido.

Es por esto que los cosmólogos hablan del corrimiento al rojo como una función entre la distancia en el tiempo y el espacio. La luz de estos objetos distantes ha viajado por tanto tiempo que, cuando finalmente la vemos, estamos viendo los objetos como eran miles de millones de año atrás.

El volumen de Hubble

La luz corrida al rojo nos permite ver objetos como galaxias que existieron en un pasado lejano, pero no podemos ver todos los eventos que ocurrieron en nuestro Universo durante su historia. Como el cosmos se está expandiendo, la luz de algunos objetos todavía está muy lejos de nosotros para ser posible verlos.

La física en esta frontera se basa, en parte, en un pedazo de espacio-tiempo que nos rodea llamado el volumen de Hubble. Acá en la Tierra definimos el volumen Hubble al medir el parámetro de Hubble (H 0 ), un valor que relaciona la aparente recisión en la velocidad de objetos distantes hacia su corrimiento al rojo. Fue calculado por primera vez en 1929, cuando Edwin Hubble descubrió que aparentemente galaxias lejanas se movían lejos de nosotros a un ritmo que era proporcional a su corrimiento al rojo en su luz.

Dividiendo la velocidad de la luz por H 0 , obtenemos el volumen de Hubble. Esta burbuja esférica encierra una región en la cual todos los objetos se alejan del observador central, a una velocidad menor que la velocidad de la luz. Correspondientemente, todos los objetos por fuera del volumen de Hubble se alejan del centro más rápido que la velocidad de la luz.

Sí, más rápido que la velocidad de la luz. ¿Cómo es eso posible?

La magia de la relatividad

La respuesta tiene que ver con la diferencia entre la relatividad especial y la relatividad general. La relatividad especial requiere lo que llamamos un “sistema de referencia inercial”, o dicho de manera más simple, un fondo. De acuerdo con esta teoría, la velocidad de la luz es la misma cuando se compara en todos los sistemas de referencia inercial. Bien si un observador está sentado quieto en un banco de un parque en la Tierra, o si está pasando por Neptuno en un cohete futurista de alta velocidad, la velocidad de la luz es la misma. Un fotón siempre se aleja del observador a unos 300 millones de metros por segundo, y él nunca podrá alcanzarlo.

La relatividad general, sin embargo, describe el tejido mismo del espacio-tiempo. En esta teoría, no hay un sistema de referencia inercial. El espacio-tiempo no se está expandiendo con respecto a nada fuera de él, por lo cual la velocidad de la luz como un límite en la velocidad no es aplicable. Sí, las galaxias por fuera de la esfera de Hubble se alejan de nosotros a una velocidad mayor que la velocidad de la luz, pero las galaxias por sí mismas no están rompiendo ningún límite cósmico de velocidad. Para un observador en una de esas galaxias, nada viola la relatividad especial. Es este espacio entre nosotros y esas galaxias lo que rápidamente está aumentando y se está extendiendo de manera exponencial.

El Universo observable

Ahora, hacia la siguiente bomba: el volumen de Hubble no es lo mismo que el Universo observable.

Para entender esto, consideremos que mientras el Universo envejece, la luz distante tiene más tiempo para llegar a nuestros detectores acá en la Tierra. Podemos ver objetos que han acelerado más allá de nuestro actual volumen de Hubble porque la luz que vemos hoy fue emitida cuando ellos estaban en él.

Hablando de manera estricta, nuestro Universo observable coincide con algo que llamamos el horizonte de partículas, que marca la distancia a la luz más lejana que podemos ver en este momento, fotones que han tenido tiempo suficiente para permanecer o acercarse a nuestra esfera de Hubble.

¿Y cuál es esta distancia? Un poco más que 46 mil millones de años en todas las direcciones, dando al Universo observable un diámetro de aproximadamente 93 mil millones de años-luz, algo así como unos 800 mil millones de billones de kilómetros.

Nota: el horizonte de partículas no es lo mismo que el horizonte de sucesos cósmico. El horizonte de partículas engloba todos los eventos en el pasado que actualmente podemos ver. Por otra parte, el horizonte de sucesos cósmico define la distancia en la cual un futuro observador podrá ver la entonces antigua luz que las esquinas de nuestro espacio-tiempo están emitiendo en la actualidad.

En otras palabras, el horizonte de partículas trata con la distancia a objetos pasados cuya luz antigua podemos ver hoy. El horizonte de sucesos trata con la distancia que la luz de nuestra actualidad podrá alcanzar mientras las regiones más lejanas del Universo aceleran lejos de nosotros.

Energía oscura

Debido a la expansión del Universo, hay regiones del cosmos que nunca podremos ver, aún si esperamos de manera infinita a que su luz llegue hasta nosotros. Pero ¿qué sucede con esas áreas justo afuera de la frontera de nuestro volumen de Hubble actual? Si la esfera se está expandiendo, ¿nunca podremos ver esos objetos fronterizos?

Esto depende de cuál región se está extendiendo de manera más rápida, el volumen de Hubble o las partes del Universo que están afuera de él. Y la respuesta a esta pregunta depende de dos cosas: primero, si el H 0 está incrementando o decreciendo, y segundo, si el Universo está acelerando o desacelerando. Estos dos ritmos están íntimamente relacionados, pero no son lo mismo.

De hecho, los cosmólogos creen que actualmente estamos viviendo un momento en el cual el H 0 está decreciendo, pero debido a la energía oscura, la velocidad de expansión del Universo está aumentando.

Esto puede sonar como contra intuitivo, pero mientras el H 0 decrece a un ritmo menor que el ritmo de expansión del Universo aumenta, el movimiento general de las galaxias lejos de nosotros todavía ocurre a un paso acelerado. En este momento en el tiempo, algunos cosmólogos creen que la expansión del Universo sobrepasará el más modesto crecimiento del volumen de Hubble.

Aunque nuestro volumen de Hubble se esté expandiendo, la influencia de la energía oscura parece proveer un límite estricto al siempre creciente Universo observable.

Nuestras limitaciones terrestres

Los cosmólogos creen haber manejado de manera correcta nuestras preguntas más profundas, tales como el cómo se verá nuestro Universo observable y cómo cambiará la expansión del cosmos. Pero finalmente, los científicos solamente pueden teorizar las respuestas a estas preguntas sobre el futuro basados en el entendimiento actual del Universo. La escala de tiempo cosmológica es tan inimaginablemente larga que es imposible decir algo concreto sobre cómo se comportará el Universo en el futuro. Los modelos actuales se ajustan increíblemente bien a la información que poseemos hoy, pero la verdad es que ninguno de nosotros vivirá el tiempo suficiente para ver si las predicciones realmente encajan con lo que suceda.

¿Decepcionante? Sin duda. Pero vale la pena el esfuerzo para ayudar a que nuestros cerebros puedan entender una ciencia tan profunda. Una realidad que, como es usual, es más extraña que la ficción.

Fuente: Universe Today