Expansión métrica del espacio para niños
La expansión métrica del espacio es la forma en que el espacio mismo se estira y crece con el tiempo. Imagina que no son los objetos los que se mueven a través del espacio, sino que el espacio entre ellos se hace más grande. Esta idea es fundamental para entender cómo funciona nuestro universo, según la teoría del Big Bang. Los científicos han confirmado esta expansión con muchos experimentos y observaciones.
Cuando hablamos de la expansión del espacio, no es como una explosión común. En una explosión, los objetos se mueven a través de un espacio fijo. Pero en la expansión métrica, es el "tejido" del universo (el espacio-tiempo) el que se estira. Piensa en ello como si los objetos estuvieran quietos, pero el espacio entre ellos se estira, alejándolos.
Debido a que es el espacio el que se estira, y no los objetos moviéndose a través de él, esta expansión no está limitada por la velocidad de la luz. Esto es diferente de lo que ocurre con los objetos que se mueven dentro del espacio.
Los científicos creen que al principio del universo, hubo una fase de expansión muy rápida llamada "inflación cósmica". Después, la expansión continuó de forma más lenta. Hoy, observamos que las galaxias se alejan unas de otras, un fenómeno conocido como la Ley de Hubble. Esto significa que el universo en el que vivimos siempre está cambiando y creciendo.
Durante la fase de inflación, que duró una fracción de segundo después del Big Bang, el universo creció de forma asombrosa. Un objeto del tamaño de una molécula de ADN se habría estirado hasta medir unos 10,6 años luz. Después de eso, la expansión fue más lenta, pero hace unos 4.000 millones de años, el universo empezó a expandirse más rápido de nuevo, y sigue haciéndolo.
Los físicos creen que una fuerza misteriosa llamada "energía oscura" es la responsable de esta aceleración. En 2016, científicos de la NASA y la ESA descubrieron que el universo se expande entre un 5% y un 9% más rápido de lo que se pensaba.
Aunque la relatividad especial dice que nada puede moverse más rápido que la luz en un espacio fijo, esto no se aplica a la expansión del espacio mismo. La relatividad general nos ayuda a entender cómo la distancia entre objetos muy lejanos puede aumentar más rápido que la velocidad de la luz. Por ejemplo, la luz de algunas galaxias muy distantes que se emite hoy, nunca llegará a nosotros debido a la rápida expansión.
Contenido
¿Qué es la Expansión del Espacio?
Para entender la expansión del espacio, primero debemos saber qué es una "métrica". Una métrica es como una regla que nos dice cómo medir la distancia entre dos puntos en el espacio. Para ello, usamos "coordenadas", que son números que nos dicen dónde está cada punto. La métrica es una fórmula que convierte esas coordenadas en distancias.
Imagina que quieres medir la distancia entre dos ciudades en la superficie de la Tierra. La Tierra es redonda, así que no puedes usar una regla recta. Necesitas una forma especial de medir distancias en una superficie curva. Aunque la Tierra es tridimensional, su superficie es bidimensional. Usamos coordenadas como la latitud y la longitud. La métrica nos ayuda a calcular la distancia real, que es a lo largo de un "gran círculo" (como la ruta más corta para un avión). Para distancias cortas, la curvatura de la Tierra es tan pequeña que no la notamos.
El espacio-tiempo tiene cuatro dimensiones: tres de espacio (arriba/abajo, izquierda/derecha, adelante/atrás) y una de tiempo. Para ubicar un punto en el espacio-tiempo, necesitamos cuatro coordenadas. En cosmología, usamos las "coordenadas comóviles" para el espacio y el "tiempo cosmológico" para el tiempo. A grandes escalas, el espacio parece ser "plano" o euclídeo. Sin embargo, el espacio-tiempo no es plano; su naturaleza no euclídea se ve en que las distancias entre puntos fijos crecen con el tiempo.
La expansión métrica del espacio es una característica de las ecuaciones de Albert Einstein sobre la relatividad general. Esta teoría explica por qué las galaxias más lejanas parecen alejarse de nosotros más rápido que las cercanas, un fenómeno conocido como la ley de Hubble. Si el universo se estuviera contrayendo, veríamos lo contrario.
Al principio, Einstein pensó que el universo era estático. Pero en 1922, Alexander Friedman demostró que el universo podía expandirse. Las observaciones de Edwin Hubble en 1929 confirmaron que las galaxias se estaban alejando, lo que llevó a los científicos a aceptar la idea de un universo en expansión. Más tarde, la teoría de la "inflación cósmica" explicó por qué el universo se expandió tan rápidamente en sus primeros momentos.
¿Cómo se Miden las Distancias en un Universo en Expansión?
En un universo que se expande, la distancia entre dos puntos cambia con el tiempo. Hay varias formas de definir distancias en cosmología. La más común es la "distancia comóvil".
La métrica solo nos da la distancia entre puntos cercanos. Para medir distancias entre puntos muy lejanos, necesitamos especificar una curva que los conecte. La distancia comóvil mide la longitud de esta curva en un momento específico del tiempo cósmico. Los astrónomos no pueden medir directamente estas distancias desde la Tierra. En su lugar, miden el brillo de objetos conocidos (como las "candelas estándar") o el "corrimiento al rojo" de galaxias lejanas. Luego, usan modelos del espacio-tiempo para convertir estas medidas en distancias.
Pruebas de la Expansión del Espacio
Hasta el año 2000, los científicos no tenían todas las pruebas directas para confirmar la expansión del universo. Sin embargo, ya creían que era muy probable basándose en algunas ideas clave:
- El principio cosmológico: Dice que el universo se ve igual en todas las direcciones (es "isótropo") y tiene una mezcla suave de materia (es "homogéneo").
- El principio copernicano: Dice que no hay un lugar especial en el universo, es decir, no hay un "centro" desde donde todo empezó.
Los científicos han encontrado muchas pruebas que apoyan estas ideas y la expansión del espacio:
- La Ley de Hubble: Edwin Hubble demostró que todas las galaxias y objetos lejanos se alejan de nosotros. Cuanto más lejos están, más rápido se alejan. Esto es exactamente lo que se esperaría en un universo en expansión. Además, esta expansión parece ser igual en todas las direcciones, sin un centro.
- La estructura a gran escala del universo: Al estudiar cómo se distribuyen las galaxias en el universo, los científicos descubrieron que a escalas muy grandes, el universo es suave y homogéneo, sin grandes "grumos" o estructuras.
- Distribución de explosiones de rayos gamma y supernovas: La forma en que estas explosiones se distribuyen en el cielo también apoya el principio cosmológico.
- El enfriamiento de la radiación de fondo de microondas: Los científicos han observado que la radiación que llena el universo (un eco del Big Bang) se ha enfriado de manera uniforme a lo largo de millones de años. Esto solo se explica si el universo se está expandiendo.
Todas estas pruebas juntas hacen que los científicos estén muy seguros de que la expansión métrica del espacio es una característica real de nuestro universo. Las teorías que la incluyen han pasado muchas pruebas y sus predicciones coinciden con lo que observamos.
Analogías para Entender la Expansión
Como la expansión métrica no es algo que veamos en nuestra vida diaria, se han creado algunas analogías para ayudar a entenderla:
Modelo de las Hormigas en un Balón
Imagina una hormiga que vive en la superficie de un balón. Para la hormiga, la superficie del balón es todo su universo. Si el balón se infla, la distancia entre dos puntos en la superficie del balón aumenta. La hormiga no se mueve, pero el espacio bajo sus pies se estira. Desde el punto de vista de la hormiga, todos los puntos se alejan de ella, sin que haya un centro.
Esta analogía también ayuda a entender por qué el universo parece "plano" a grandes escalas. Si el balón es enorme, la hormiga no notará su curvatura, le parecerá una superficie plana que se extiende infinitamente.
Una cosa importante de esta analogía es que el balón se expande en una tercera dimensión (hacia afuera). Pero para la hormiga, que solo vive en la superficie, esa tercera dimensión no existe. Esto nos ayuda a entender que el universo no necesita expandirse "dentro de algo" más grande. El espacio simplemente se estira.
Modelo de la Hoja de Caucho
Este modelo es similar al del balón, pero en dos dimensiones planas. Imagina una hoja de caucho infinita que se estira en todas direcciones. Si pones objetos pesados sobre ella, crearán "curvas" (como las galaxias que curvan el espacio-tiempo). A medida que la hoja se estira, los objetos se alejan unos de otros, a menos que estén muy cerca y su gravedad los mantenga unidos.
Este modelo es bueno porque representa un universo plano a gran escala, como el nuestro.
Modelo del Pan de Pasas
Imagina que las galaxias son pasas en una masa de pan. Cuando la masa se hornea, "crece" o se expande. A medida que la masa se expande, cada pasa se aleja de las demás, pero las pasas en sí no cambian de tamaño. La masa entre las pasas representa el espacio entre las galaxias, y las pasas son las galaxias.
Esta analogía es útil para mostrar cómo podemos medir la expansión. Si no hubiera objetos fijos (como las pasas que no se expanden), no podríamos notar que el espacio se estira.
Al igual que con el balón, el pan de pasas se expande en un horno. Pero para entender el universo, debemos imaginar un pan de pasas sin bordes. La expansión ocurre, pero no hay un "afuera" en el que se esté expandiendo.
Corrección de Distancias
Debido a la expansión del universo, la distancia real que nos separa de una fuente de luz es mayor que la distancia que la luz ha recorrido. Por ejemplo, el límite del universo que podemos observar está a unos 46.500 millones de años luz. Sin embargo, la luz de ese límite tardó unos 13.790 millones de años en llegar a la Tierra. Esto se debe a que el espacio se ha estirado mientras la luz viajaba.
Véase también
En inglés: Hubble's law Facts for Kids
