La Expansión del Universo

Las galaxias que vemos en todas direcciones se están alejando de la Tierra, como lo demuestran sus desplazamientos hacia el rojo. La ley de Hubble describe esta expansión.

¡El hecho de que veamos que todas las otras galaxias se alejan de nosotros no quiere decir que seamos el centro del universo!. Todas las galaxias ven todas las otras galaxias alejándose de ellas en un universo en expansión. Una hogaza de pan de pasas en aumento es un buen modelo visual: cada pasa ve todas las demás pasas alejarse de ella a medida que el pan se expande.

El hecho de que el universo se esté expandiendo plantea la pregunta, "¿Se expandirá siempre?". Dado que la acción de la gravedad trabaja en contra de la expansión, entonces, si la densidad fuera lo suficientemente grande, la expansión se detendría y el universo se colapsaría en un "Big Crunch". Esto se llama un universo cerrado. Si la densidad fuera lo suficientemente pequeña, la expansión continuaría para siempre (un universo abierto). En una cierta densidad crítica precisa, el universo se acercaría asintóticamente a la tasa de expansión cero, pero nunca colapsaría. Cabe destacar que todas las evidencias indican que la densidad del universo está muy cerca de la crítica. Los estudios sobre la expansión del universo a menudo están referidos al parámetro de densidad que es la densidad dividido por la densidad crítica, tal que Ω = 1, representa la condición de densidad crítica Ω.

Ley de Hubble

La ley de Hubble es una declaración de una correlación directa entre la distancia a una galaxia y su velocidad de recesión, determinada por el desplazamiento al rojo. Se puede establecer como

Los documentos del Particle Data Group cita como el "mejor valor moderno" del parámetro de Hubble de 72 km/s por megaparsec (+/- 10%). Este valor proviene de la utilización de las supernovae de tipo Ia (que dan distancias relativas alrededor del 5%), junto con los datos de las variables Cefeidas recogidos por el Telescopio Espacial Hubble. Los datos de la misión WMAP conduce a una constante de Hubble de 71 km/s +/- 5% por megaparsec. La misión más reciente de Planck condujo a un valor más bajo de 67,66 +/- 0,42 como parte del conjunto de datos de la concordancia de materia oscura fría Lambda (2018). Otro enfoque etiquetado como el conjunto TRGB Dist Ladder 2019 da 69,8 +/-1,9.

Parámetro de Hubble

La proporcionalidad entre la velocidad de recesión y la distancia en la Ley de Hubble se llama constante de Hubble, o más apropiadamente parámetro de Hubble, ya que no depende del tiempo. En los últimos años el valor del parámetro de Hubble se ha visto considerablemente refinado, y el valor vigente de la misión WMAP es de 71 km/s por megaparsec.

Las velocidades de recesión de las galaxias distantes se conocen por el desplazamiento al rojo, pero las distancias son mucho más inciertas. La medicion de distancias a las galaxias cercanas utiliza las variables Cefeidas como candela principal estándar, pero para determinar la constante de Hubble deben ser examinadas las galaxias más distantes, ya que las distancias Cefeidas directas se encuentran dentro del rango de la fuerza gravitacional del grupo local. El uso del telescopio espacial Hubble ha permitido la detección de variables Cefeidas en el cúmulo de Virgo, que han contribuido al perfeccionamiento de la escala de distancias.

Los documentos del Particle Data Group cita como el "mejor valor moderno" del parámetro de Hubble de 72 km/s por megaparsec (+/- 10%). Este valor proviene de la utilización de las supernovae de tipo Ia (que dan distancias relativas alrededor del 5%), junto con los datos de las variables Cefeidas recogidos por el Telescopio Espacial Hubble. Los datos de la misión WMAP conduce a una constante de Hubble de 71 km/s +/- 5% por megaparsec. The more recent Planck mission led to a lower value of 67.66 +/- 0.42 as a part of the Lambda cold dark matter concordance data set (2018). Another approach labeled the TRGB Dist Ladder 2019 set gives 69.8 +/- 1.9.

Otro enfoque para el parámetro de Hubble da énfasis al hecho de que el propio espacio se está expandiendo, y en un momento dado puede ser descrito por un factor de escala adimensional R(t). El parámetro de Hubble es la relación de la velocidad de cambio del factor de escala respecto del valor actual del factor de escala R:

El factor de escala R para un determinado objeto observado en el universo en expansión con respecto a R₀ = 1 en el momento presente, puede deducirse de la expresión del parámetro z del desplazamiento al rojo. El parámetro de Hubble tiene las dimensiones del inverso del tiempo, por lo que puede obtenerse un tiempo de Hubble t_H invirtiendo el valor actual del parámetro de Hubble.

Hay que tener precaución en la interpretación de este "tiempo de Hubble", ya que la relación entre el tiempo de expansión y el tiempo de Hubble es diferente para la era dominada por la radiación y la era dominada por la masa. Las proyecciones del tiempo de expansión se pueden hacer a partir de los modelos de expansión.

Parámetro de Hubble y Desplazamiento al Rojo

La ley de Hubble establece que la distancia a una galaxia dada es proporcional a la velocidad de recesión, medida por el desplazamiento al rojo Doppler. El desplazamiento al rojo de las líneas espectrales se expresa comúnmente en términos del parámetro z, que es el cambio fraccional en la longitud de onda espectral. La distancia de Hubble está dada por

Nota: Se pueden introducir valores en cualquier casilla para realizar los cálculos. Si no se han entrado los parámetros necesarios, serán tomados unos valores por defecto: el correspondiente a la línea roja del hidrógeno con un 10% de desplazamiento al rojo y una constante de Hubble de 70.