Claudio Martinez

email: isca@espacioprofundo.com.ar
Director ISCA - Instituto Superior de Ciencias Astronómicas
Coordinador de la Sección Ocultaciones - Liga Iberoamericana de Astronomía.
International Occultation Timing Association - IOTA.

La expansión del universo (el Big Bang) es un hecho del que nadie duda, que obliga a abandonar el concepto de un espacio rígido y absoluto de la física clásica y revisar nociones adquiridas sobre el tiempo y la geometría del espacio. La teoría de la relatividad general no sólo es compatible con este descubrimiento sino que además lo predice.

Pocos años después de exponer sus ideas sobre la nueva física, Albert Einstein propone, en 1917, un modelo que describe el universo como un espacio esférico con un volumen finito y sin límites, homogéneo (las leyes físicas son las mismas en todas las regiones del universo) e isótropo (el universo presenta el mismo aspecto en cualquier dirección) y por tanto sin centro ni direcciones preferentes. Estas dos últimas propiedades, homogeneidad e isotropía, fundamentan el Principio Cosmológico cuya función inicial era facilitar la resolución de las ecuaciones cosmológicas. Más tarde esta hipótesis de trabajo quedaría confirmada observacionalmente con el recuento de galaxias y sobre todo por el descubrimiento de radiación cósmica de fondo. (radiación asociada a la origen explosivo del Universo).

Podemos comprender aspectos relacionados con la expansión del universo simulando este proceso con un globo en cuya superficie representamos unos objetos igualmente distribuidos (ver arriba).

Cuando lo inflamos el volumen aumenta y también lo hace la distancia entre las figuras. Al desinflarlo invertimos los resultados. Imaginemos unos hipotéticos seres planos, que viven sobre una superficie esférica de estas características agrupándose en comunidades aisladas. Estos seres no tienen intuitivamente el concepto de la tercera dimensión, perpendicular a la superficie del globo, y consideran su ciudad localizada en el centro de un circulo plano que tiene un área finita y también bordes.

Ellos pueden descubrir que viven en un universo que no es plano estudiando sus propiedades geométricas. Pueden dibujar circunferencias de radio cada vez mayor y dividir su longitud por el diámetro. Encontrarán de esta manera un valor diferente de Pi (3,1416), que sería el resultado si el espacio fuera realmente plano. Si dibujan un triángulo, la medida de la suma de sus ángulos será mayor de 180° (Fig. a la derecha), confirmando de está manera que el espacio está curvado con una tercera coordenada. Los matemáticos de ese Universo plano llegarán a la conclusión de que viven en un mundo finito, cerrado y sin bordes, en el cada punto puede ser considerado como centro del mismo y donde la distancia mas corta entre dos puntos es una geodésica, esto es, una línea que pasa por un arco de un círculo máximo o meridiano.

Introduzcamos ahora la expansión uniforme. El proceso tiene lugar a lo largo del radio de la esfera, R, que aumenta con el tiempo y da lugar a un incremento de la superficie total, sin que esta ganancia ocurra a expensas de ninguna superficie preexistente. Como consecuencia de la expansión cada ciudad plana se aleja de las restantes una cantidad que es proporcional a R. En cualquier caso este universo sigue conservando la homogeneidad e isotropía y todas las demás propiedades que tenía en épocas anteriores.
Para trasladar esta analogía a nuestro universo de seres tridimensionales tenemos varias dificultades. En principio no podemos predecir cual es la geometría del universo, no es posible medir la suma de los ángulos de un gigantesco triángulo que tenga uno de sus vértices en el sistema solar y los otros en dos galaxias distantes. Tampoco podemos seguir las trayectorias de dos haces paralelos emitidos desde Tierra para establecer si mantienen su distancia, característica del espacio sin curvatura, convergen o divergen en algún punto distante del universo. Por consiguiente no podemos postular una geometría concreta sino que debemos trabajar con la mayor generalidad posible y ello nos obliga a introducir la curvatura del espacio, que está definida como la inversa del radio y será por consiguiente tanto más pequeña cuanto mayor sea éste. Nosotros utilizamos en la vida corriente una geometría clásica, euclidea, plana, donde la curvatura es nula (Fig. 3) y no podemos visualizar espacios curvados tridimensionales con la misma facilidad que, por ejemplo, entendemos la geometría del universo de los seres planos.
Otra dificultad tiene relación con la expansión del espacio. Desde que un rayo de luz es emitido por una galaxia distante hasta que llega al observador transcurre un largo periodo de tiempo durante el cual el universo ha modificado su volumen a causa de la expansión. La trayectoria del rayo es distinta de la que tendría en un universo estático. No podemos por tanto utilizar aisladamente intervalos espaciales construidos con las tres dimensiones que nos son familiares altura, anchura y profundidad, o temporales, como diferencias entre dos instantes. Ambos han de ser considerados conjuntamente y obliga a incorporar el tiempo como una cuarta dimensión en una entidad única que es el espacio-tiempo.
De la misma manera que en el ejemplo anterior del universo plano no podían comprender intuitivamente el espacio tridimensional, a nosotros nos ocurre lo mismo con el espacio cuadridimensional. Cuando consideramos una línea, un plano o un volumen, pasamos fácilmente de un espacio monodimensional a uno de tres dimensiones, pero nos resulta muy difícil visualizar la cuarta dimensión. Afortunadamente el tratamiento del espacio cuadridimensional está bien desarrollado por los matemáticos que proporcionan una relación para el cálculo de la distancia. En ella interviene el radio del espacio que depende del tiempo a causa de la expansión.

Los astros se ven mas rojizos cuando se alejan, y mas azules cuando se acercan. Esto no debe confundirse con el color real de las estrellas (sus colores se deben a sus temperaturas). Este cambio se denomina efecto Doppler y solo se puede medir con equipos especiales, denominados espectrógrafos. Es un leve cambio en el color no perceptible 'a ojo'. Cuando obtenemos los espectros de galaxias lejanas observamos que las líneas espectrales están desplazadas con respecto a las observadas en los laboratorios terrestres.

De esta manera se encontró que las galaxias, cuanto más lejanas están, a mayor velocidad se alejan de nosotros, con un límite en la velocidad de la luz.

Ley de Hubble

La cosmología científica nació con la ley de Hubble, la primera observación con significado puramente cosmológico. Hubble obtuvo una relación entre el desplazamiento al rojo (z) y distancia D, con una proporcionalidad llamada Constante de Hubble, que tiene una valor actualmente aceptado entre 60 y 70 km/seg por millón de parsecs (3.260.000 años luz).
Este hecho puede ser interpretado como que el Universo está en expansión.

 

 

 

Clasificación de las galaxias

La clasificación de las galaxias debida a Hubble (1925) permanece aún hoy en día como las más popular. Dentro de esta clasificación existen dos categorías principales: espirales y elípticas. Pero además se distinguen otros dos tipos: lenticulares e irregulares.