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Cuántos años tiene el universo y cómo sabemos su edad

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Un breve resumen de lo que los astrónomos tienen en cuenta para responder uno de los misterios de la humanidad. Lo que probablemente no sabías es que vos también podés resolver el enigma.

30 Julio de 2020 16.10

Conceptualmente, podría parecer la idea más simple del mundo determinar la edad del Universo. Una vez que descubrís que el Universo se está expandiendo, todo lo que necesitás hacer es medir la tasa de expansión hoy y usar las leyes de la física para determinar cómo la tasa de expansión debe haber cambiado con el tiempo. En lugar de extrapolar hacia adelante para determinar el destino del Universo, haces el cálculo hacia atrás y retrocedés hasta que alcances las condiciones del gran Big Bang.

Este método obvio no solo funciona, sino que sigue siendo la mejor manera de calcular la edad del Universo incluso hoy. Sin embargo, es muy fácil equivocarse, ya que hay muchos supuestos simplificadores que le darán una respuesta fácil pero que no es necesariamente correcta.

Ahora se puede afirmar con confianza que el Universo tiene 13.800 millones de años. Pero, ¿qué tan seguros podemos estar realmente en esa respuesta? Eso es lo que Adimchi Onyenadum quiere saber, preguntando: "¿Cómo llegamos a la conclusión de que la edad del Universo es de 13.800 millones de años?"

La forma más sencilla y directa de medir la edad del Universo es simplemente mirar los objetos que hay en él: estrellas, por ejemplo. Tenemos cientos de miles de millones de estrellas solo en la galaxia de la Vía Láctea, y la abrumadora mayoría de la historia antigua de la astronomía se dedicó al estudio y la caracterización de las estrellas. Sigue siendo un campo activo de investigación hoy en día, ya que los astrónomos han descubierto la relación entre las propiedades observadas de las poblaciones estelares y la edad que tienen.

Por lo tanto, cuando se observa una población de estrellas, se puede saber qué edad tiene observando qué tipos de estrellas aún permanecen y qué clases de estrellas han desaparecido por completo.

Nuestra galaxia tiene estrellas de todas las edades, pero las mediciones de cualquier estrella individual estarán plagadas de incertidumbres. La razón es simple: cuando se vemos una estrella individual, la vemos como es hoy. No podemos ver, o saber, lo que sucedió en la historia pasada de esa estrella que pudo haber llevado a su condición actual. Solo podemos ver una instantánea actual de lo que existe, y tenemos que inferir el resto.

A menudo verá intentos realizados para medir la edad de una estrella individual, pero eso siempre viene con una suposición: que la estrella no tuvo una interacción, fusión u otro evento violento en el pasado. Debido a esa posibilidad, y al hecho de que solo vemos a los sobrevivientes cuando miramos el Universo hoy, esas edades siempre vienen con incertidumbres masivas: del orden de mil millones de años o incluso más.

Sin embargo, las incertidumbres son mucho menores cuando miramos grandes colecciones de estrellas. Las colecciones de estrellas que se forman dentro de una galaxia como la Vía Láctea (cúmulos abiertos de estrellas) generalmente contienen unos pocos miles de estrellas y solo duran unos pocos cientos de millones de años. Las interacciones gravitacionales entre estas estrellas eventualmente hacen que se separen. Si bien un pequeño porcentaje dura mil millones de años o incluso unos pocos miles de millones de años, no tenemos cúmulos estelares abiertos conocidos que sean tan antiguos como nuestro propio Sistema Solar.

Sin embargo, los cúmulos globulares son más grandes, más masivos y más aislados, y se encuentran en todo el halo de la Vía Láctea (y en la mayoría de las galaxias grandes). Cuando los observamos, podemos medir los colores y el brillo de muchas de las estrellas en el interior, lo que nos permite, siempre y cuando comprendamos cómo funcionan y evolucionan las estrellas, determinar las edades de estos cúmulos estelares. Aunque también hay incertidumbres aquí, hay una gran población de cúmulos globulares, incluso dentro de la Vía Láctea, con edades de 12.000 millones de años o más.

¿Qué tan seguros estamos de estas figuras?

Es difícil de decir. Si bien está casi garantizado que el más antiguo de estos cúmulos estelares debe tener entre 12.500 y 13.000 millones de años, existen grandes incertidumbres sobre la cantidad de tiempo requerido para que una estrella alrededor de la masa de nuestro Sol comience su transición a un subgigante, seguido por su transformación en una estrella gigante roja en toda regla. Podrían ser 10.000 millones de años; podrían ser 12.000 millones de años; podría ser un valor intermedio. Durante años, muchos astrónomos que trabajaron en cúmulos globulares argumentaron que los más antiguos tenían 14 años, quizás incluso 16.000 millones de años.

Universo

Hoy, podemos concluir de manera confiable que hay un límite inferior para la edad del Universo de alrededor de 12.5000 a 13.000 millones de años desde las estrellas que medimos, pero eso no determina la edad con precisión. Es una buena restricción tener, pero para llegar a una cifra real, nos gustaría un mejor método.

Afortunadamente, el universo nos da uno. Verá, la Relatividad general de Einstein, para un universo lleno de (aproximadamente) cantidades iguales de materia y energía en todas partes y en todas las direcciones (como la nuestra), proporciona una relación directa entre dos cantidades:

  1. Las cantidades y tipos de materia y energía presentes en el Universo
  2. Qué tan rápido se está expandiendo el Universo hoy.

Esta relación se derivó por primera vez en 1922 por Alexander Friedmann, y las ecuaciones que nos permiten deducir la antigüedad del Universo deben conocerse como las ecuaciones de Friedmann. Nos tomó muchos años medir los componentes del Universo, pero ahora tenemos una imagen de consenso que surgió.

Las observaciones que van desde la abundancia de los elementos de luz hasta el cúmulo de galaxias y cómo los cúmulos de galaxias chocan con supernovas distantes y las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas apuntan hacia el mismo Universo. En particular, se compone de:

  • 68% de energía oscura,
  • 27% de materia oscura,
  • 4.9% de materia normal (protones, neutrones y electrones),
  • 0.1% de neutrinos,
  • 0,01% de fotones (partículas de luz o radiación),
  • y menos del 0,4% de todo lo demás, incluida la curvatura espacial, las cadenas cósmicas, los muros de dominio y otros componentes extravagantes y exóticos.

Esta imagen está de acuerdo con el conjunto completo de observaciones que tenemos; realmente tiene que elegir muy bien su evidencia (enfatizar demasiado las mediciones con grandes ambigüedades mientras ignora simultáneamente grandes conjuntos de datos) para terminar con conjuntos de valores que varían significativamente de esto.

Entonces, podría pensar que todo depende de la tasa de expansión. Si puede medir eso con precisión, simplemente puede hacer los cálculos y llegar con precisión a la edad del Universo. A principios de la década de 2000, y desde entonces, los mejores datos que tenemos provienen de los antecedentes de microondas cósmicos: primero de WMAP, luego de Planck y, a partir del 14 de julio de 2020, también del telescopio de cosmología de Atacama.

Todos esos valores han convergido en la misma tasa de expansión: 68 km / s / Mpc, con una incertidumbre de solo 1-2%. Cuando calculas lo que eso significa para la edad del Universo, obtienes unos 13.800 millones de años muy robustos, completamente consistentes con todo lo que sabemos sobre las estrellas.

Sin embargo, es posible que hayas escuchado, y con razón, que hay una controversia sobre esto. Si bien los equipos que utilizan el Fondo de microondas cósmico podrían obtener un valor para la tasa de expansión, y los equipos que miden la estructura a gran escala del Universo podrían estar de acuerdo, otros métodos arrojan un valor muy diferente. Los otros métodos, en lugar de comenzar con una señal impresa temprana y medir cómo aparece hoy, comienzan cerca y funcionan hacia afuera. Miden las distancias y las velocidades de recesión aparentes de varios objetos: un método generalmente conocido como la escala de distancia cósmica.

Cuando observa las mediciones de la escala de distancia, todas parecen dar valores sistemáticamente más altos: entre 72 y 76 km / s / Mpc: aproximadamente un 9% más, en promedio, que el valor que obtiene del Fondo de microondas cósmico.

Podrías pensar, entonces, que alguien tiene razón y alguien está equivocado. Si el equipo de la escalera de distancia es correcto y el equipo de Cosmic Microwave Background está equivocado, entonces tal vez el Universo sea un 9% más joven de lo que pensamos: solo 12.8000 millones de años.

Pero no es así como funciona en la práctica. Los datos del fondo cósmico de microondas no son algo que simplemente se pueda ignorar; es algo que debe tenerse en cuenta. Los picos, valles y meneos que vemos en sus fluctuaciones de temperatura son un reflejo de todos estos diferentes parámetros combinados . Los valores de mejor ajuste son para un Universo que se expande a 68 km / s / Mpc y con 68% de energía oscura, 27% de materia oscura y 5% de materia normal, pero estos pueden variar, siempre y cuando todos varíen juntos .

Aunque no se ajusta tan bien a los datos, puede aumentar la velocidad de expansión a, digamos, 74 km / s / Mpc y aún así lograr un ajuste muy bueno, siempre que esté dispuesto a cambiar las fracciones relativas de materia oscura y energía oscura. Con un poco menos de materia oscura (20%) y un poco más de energía oscura (75%), una tasa de expansión sustancialmente mayor aún puede ajustarse bien a los datos, aunque no tan bien, como los valores de consenso.

Sin embargo, lo fascinante de esto es que la edad derivada apenas cambia; Si explora el rango completo de lo que está y no está permitido, esa cifra de 13.800 millones de años solo viene con una incertidumbre de aproximadamente 1%: entre 13.670 y 13.950 millones de años.

Es cierto que aún quedan muchos misterios por descubrir sobre el Universo. No sabemos cómo de rápido se está expandiendo el Universo, y no sabemos por qué los diferentes métodos para medir la tasa de expansión dan resultados tan diferentes. No sabemos qué es la materia oscura o la energía oscura, o si la relatividad general, de la que deriva todo esto, sigue siendo válida en la escala cósmica más grande. Ni siquiera sabemos exactamente cuánto del Universo está encerrado en qué forma de energía: podría tener más materia oscura y menos energía oscura de lo que pensamos o viceversa; Las incertidumbres son sustanciales.

Pero sí sabemos que los datos que tenemos son consistentes con una edad particular del Universo: 13.800 millones de años, con una incertidumbre de solo 1% sobre ese valor. No puede ser mil millones de años mayor o menor que esta cifra, a menos que una gran cantidad de cosas que hemos medido nos hayan llevado a conclusiones tremendamente incorrectas. A menos que el cosmos nos mienta, o nos engañemos sin saberlo, lo que conocemos como el Big Bang caliente ocurrió entre 13.670 y 13.950 millones de años atrás: ni menos ni más.

Autor: Ethan Siegel

Podés leer la nota completa en inglés acá

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