¿Cuál es la Edad del Universo?

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Hola a todos. el universo tiene 13.700 millones de años. pero la respuesta a la pregunta no es tan fácil como parece, ¿cómo sabemos que tan viejo es el universo?

Hasta hace más o menos 100 años, se tenía la firme creencia de que el universo era eterno, siempre había estado ahí y siempre lo estaría, su estado era estático. Esta creencia condujo a Einstein a incorporar en sus ecuaciones de la relatividad general, la constante cosmológica, como un mecanismo para evitar el colapso del universo a causa de la gravedad, predicho en la solución de sus ecuaciones y garantizar así su invariabilidad, tal como las observaciones parecían indicarlo.

Sin embargo, cuatro científicos, de manera independiente, propondrían que el universo no estaba en un estado estacionario y que, por el contrario, se estaba expandiendo, sus trabajos, inicialmente ignorados, serían luego reivindicados, pasando a consagrarse como el modelo cosmológico actualmente aceptado.

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Alexander Friedmann, quien definió, basado en los enunciados de la Relatividad General, las ecuaciones que permiten describir la geometría del universo y que además predicen la expansión del mismo.

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Georges Lemaître, quien fue el primero en proponer, basado en datos experimentales de Vesto Slipher y Carl Wilhelm Wirtz, la expansión del universo, además de la “Hipótesis del Átomo Primigenio”, la cual sería luego llamada teoría del Big-Bang.

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Howard P. Robertson quien, junto a Arthur Geoffrey Walker, basados en la relatividad general, también propusieron la teoría de un universo en expansión, además de predecir el corrimiento al rojo de la luz² proveniente de los objetos que se alejasen de nosotros, y desarrollarían una métrica que coincidía con los resultados también obtenidos por Friedman y Lemaître.

El modelo cosmológico desarrollado independientemente por estos científicos es conocido como Modelo o Métrica FLRW (Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker) y describe un universo en expansión, homogéneo e isotrópico.

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Posteriormente Edwin Hubble, tras observar las hasta entonces llamadas nebulosas galácticas y al estudiar su espectro y corrimiento al rojo, pudo determinar que se encontraban más lejos de lo que se creía y que se estaban alejando de nosotros, lo que lo llevo a indicar que eran galaxias iguales a la vía láctea y no objetos dentro de ella.

Las observaciones de Hubble permitieron corroborar la teoría del Big-bang de Lemaître y poner fin a la idea de un universo estático, consecuente a esto, Hubble pudo calcular usando los datos obtenidos de sus observaciones del corrimiento al rojo de varias galaxias, que el universo tenia una edad de 2000 millones de años. Por supuesto Hubble no estaba en lo correcto, este método no era del todo preciso, además el registro fósil y geológico databa la edad de la tierra en no menos de 3000 millones de años, lo cual no concordaba con sus observaciones.

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En 1998, un grupo de investigadores del Space Telescope Science Institute (STScI), encabezados por Adam Riess, estudiando las supernovas 1a², un tipo de supernova, con un comportamiento bastante conocido y predecible, pudo determinar que el universo no sólo se expandida, estaba haciéndolo cada vez más rápido, pero de esto ya he hablado antes. El caso es que este descubrimiento permitió redefinir la composición del universo y traer de vuelta la idea de la constante cosmológica de Einstein, asociándola con la energía oscura y convirtiendo este factor en un elemento a considerar en el cálculo de la edad del universo.

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Otro descubrimiento de suma importancia para datar la edad del universo es la radiación de fondo de microondas, un tipo de radiación fósil, producida 400.000 años después del Big-bang, cuando el universo primigenio se hubo enfriado lo suficiente como para que los núcleos de hidrógeno y helio se pudieran combinar con los electrones para forma átomos y se desacoplara la radiación de la materia, ese suceso dejo una huella de fotones percibibles en el espectro radioeléctrico que perdura hasta la actualidad en la banda de las microondas.

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La edad estimada del universo es el resultado de una o varias estimaciones según diferentes metodologías, según el procedimiento seguido, la cifra puede cambiar desde cientos, hasta miles de millones de años. A la fecha se tienen tres estimaciones más o menos precisas sobre la edad del universo, expliquemos en que consiste cada una de ellas:

Edad Basada en los datos de la Sonda WMAP

La sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), es una dispositivo lanzado por la NASA en 2002, que se encuentra ubicado en órbita alrededor del Sol en el punto Lagrangeano L2 de la Tierra. La WMAP, tiene como propósito estudiar el fondo cósmico de microondas y sus anisotropías, es capaz de medir la diferencia de temperatura entre dos puntos cualquiera del espacio.

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Los cuerpo que emiten radiación también liberan energía en forma de calor, en consecuencia el fondo cósmico de microondas al ser una radiación residual del Big-bang, también tiene una firma de calor que está en todo el inverso, esta firma tiene unos 2 °K, razón por la cual no existe el cero absoluto en el universo, en cualquier parte del universo, por más distante que esté de cualquier cuerpo que emita radiación, existirá un temperatura aproximada de 2°K.

Esta temperatura no es igual en todas partes, existen ciertas pequeñas fluctuaciones, esas fluctuaciones son lo que se denominan anisotropías del fondo cósmico de microondas y es el principal objeto de medición de la WMAP.

Los datos de la WMAP, permiten datar el universo en una edad de unos 13.700 millones de años, con un error de unos 200 millones de años, este cálculo está basado en la estimación del tamaño del universo al momento del desacople de la radiación de la materia, lo cual se puede calcular a partir del primer pico espectral del fondo cósmico de microondas, conociendo esta información, y usando las ecuaciones de Friedman, se puede calcular la edad del universo. Por supuesto el valor de esta edad esta sujeto a la geometría del universo que se escoja, habiendo variaciones entre una y otra (sobre estas geometrías hablé en una publicación anterior.).

Edad Basada en los Parámetros Cosmológico

En la actualidad el modelo cosmológico aceptado es el denominado ΛCDM por Lambda - Cold Dark Matter, este describe a grandes rasgos la composición del universo el cual estaría compuesto en un 70% de energía oscura, expresada por Λ, un 26% de materia oscura que es un tipo de materia diferente a la bariónica (todo lo que está formado por protones y neutrones) y que no interactúa ni con ésta ni con los fotones, pero si con la gravedad; y un 4% de materia bariónica. Este modelo es la base para el cálculo de la edad del universo según los parámetros cosmológicos.

A partir de las ecuaciones de Friedmann, se puede deducir el tiempo cero del universo, para ello es necesario conocer los componentes del parámetro densidad (Ω) y la constante de Hubble, en consecuencia, los parámetros necesarios para el cálculo de la edad del universo son los siguientes:

1. H₀ o constante de Hubble, la cual es un parámetro de la ley de Hubble, la cual define el corrimiento al rojo de la luz de una galaxia en relación a su distancia de nosotros.
2. Ω_R o densidad de radiación actual.
3. Ω_M o densidad de la materia, oscura y bariónica.
4. Ω_Λ o densidad del vacío o constante cosmológica – densidad de energía oscura.

Nuevamente usando los datos proporcionados por la WMAP, para la cantidad de energía oscura y de materia, mientras que se usa el valor de la constante de Hubble calculado a partir de los datos obtenidos de la observación de las Supernovas 1a, se puede obtener un valor aproximado para la edad del universo de 13.600 millones de años.

Edad Basada en el Ciclo CNO

El ciclo CNO es una de las dos reacciones de fusión, mediante las cuales las estrellas transforman hidrógeno en helio, es el tipo de reacción más común en las estrellas masivas con temperaturas superiores a los 15.000 °K, en este ciclo, las estrellas usan como catalizadores núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno para fusionar protones (núcleos de hidrógeno) en núcleos de helio-4.

Algunos estudios muestran que este ciclo es más lento de lo que se creía, en consecuencia, la edad del universo resultaría mayor a lo esperado, teniendo unos 15.000 millones de años. Sin embargo estos estudios han sido cuestionados.

Ondas gravitacionales

El 17 de agosto de 2017, en un evento sin precedente fue detectado por LIGO³ (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) una emisión de ondas gravitacionales y simultáneamente el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, detectó una emisión de rayos gamma que, aunado a la no detección de las ondas gravitacionales por parte de VIRGO (otro interferómetro similar a LIGO ubicado en Italia) lo que ubica estas emisión en un punto ciego de este último dispositivo, permitió interpolar el sector del cielo de donde debían provenir las ondas gravitacionales, esto guio, a los científicos a donde orientar los telescopios para buscar la fuente y 10 horas después en el Observatorio de las Campanas en Atacama Chile, se encontró el origen del fenómeno en la galaxia NGC-4993 ubicada a 140 millones de años luz en la constelación de Hydra

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El fenómeno correspondía a una Kilonova, la colisión de dos estrellas de neutrones, que se logró observar en todo el espectro electromagnético, este particular evento y la oportunidad de ser confirmado visualmente, conjuntamente con los datos obtenidos de anteriores observaciones de ondas gravitacionales, permitieron datar la edad de nuestro universo entre los 11.900 y los 15.700 millones de años. Rango de edad que si bien es bastante grande permite confirmar las estimaciones realizadas por otras metodologías, y abre la puerta a una nueva metodología para precisar la edad de nuestro universo.

Entonces, en definitiva, podemos decir que la edad de nuestro universo, si bien no la conocemos con precisión, ronda los 13.700 millones de años, esto según se ha podido estimar tras estudiar el fondo cósmico de microondas y el corrimiento al rojo de la luz emitida por las supernovas tipo 1a, esto bajo el supuesto de que la densidad del universo Ω, es compatible con un universo de geometría plana. Para acortar el asunto se estima que nuestro universo tiene 13.700 millones de años.

Bien, hasta aquí esta publicación, espero que les haya gustado, estoy atento a sus comentarios y de antemano agradezco su apoyo. Gracias por su atención.

Notas

1. Corrimiento al rojo: El corrimiento al rojo, se refiere a que las ondas de luz que se perciben presentan una longitud de onda que se ha desplazado hacia la longitud de onda del color rojo. A medida que el objeto se aleja sus ondas de luz tenderán a desplazarse al rojo, o a longitudes de onda más altas, aunque con frecuencias más bajas, como el infrarrojo, microondas y ondas de radio. Por el contrario, si el objeto se aproxima, su longitud de honda se hará menor y frecuencia más alta, teniendo corrimiento al azul, ultravioleta, rayos x, etc.

2. Supernova 1a: Una supernova tipo 1a, se produce cunado una enana blanca que forma un sistema binario con otra estrella, cuya masa esta siendo atraída a la enana blanca, formando un disco de acreción, supera el límite de Chandrasekhar y la enana blanca colapsa sobre si misma produciendo una explosión cuya luminosidad se puede determinar dentro un margen de error de entre el 10 y 20%, esta predictibilidad hace a este tipo de supernovas idóneas para determinar distancias intergaláctica.

3. LIGO: es un observatorio de ondas gravitacionales que se encuentra ubicado en Hanford Site (Washington) y Livingston (Louisiana), en costas opuestas de los Estados Unidos, su propósito es la detención de ondas causadas en el campo gravitatorio, que son provocadas por eventos cósmicos masivos como; supernovas, fusiones de agujeros negros o de estrellas de neutrones. Estas ondas se desplazan a la velocidad de la luz. Esta conformado por dos interferómetros láser ubicados a más de 3000 km de distancia uno de otro, cada uno de ello formado por dos brazos de 4 km, cada uno por los que circula un láser que se refleja en espejos, cuando una onda gravitacional es detectada uno de los brazos se estira mientas el otro se encoje, esto causa diferencias en el tiempo que los láseres recorren los brazos, estas variaciones de tiempo son las que permiten la detección de la onda. El 14 de septiembre de 2016, LIGO detecto por primera vez una onda gravitacional que, según los modelos, se correspondía con la colisión de dos agujeros negros, esto confirmó la existencia de este tipo de perturbaciones del campo gravitacional, que había sido predicha por la relatividad general.

Referencia

• BBC, ¿Cómo medimos la edad del Universo?, BBC
• Pedro J. Hernández, Supernovas de tipo Ia y aceleración del universo, Astronomia.net
• ESO. Telescopios de ESO observan la primera luz de una fuente de ondas gravitacionales. ESO
• LIGO Caltech. What is LIGO?, LIGO Caltech
• El Lobo Rayado. El brillo de las supernovas de tipo Ia. Naukas
• ABC Ciencia. Logran medir la edad del Universo con una onda gravitacional. ABC.es
• Hernández, P.J. Supernovas de tipo Ia y aceleración del universo. Antronomia.net
• NASA. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, NASA
• Universidad Internacional de Valencia. ¿Qué es el corrimiento al rojo y qué aplicaciones tiene en astronomía?. Universidad Internacional de Valencia.
• Wikipedia. Ciclo CNO. Wikipedia
• Wikipedia. Ecuaciones de Friedmann. Wikipedia
• Wikipedia. Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, Wikipedia