Introducción a la Cosmología - Primera Parte

Trabajo enviado por:

 

Javier López

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 1-La Cosmología y los Modelos CosmológicosEl origen de la cosmología y como la Relatividad General nos lleva a diferentes tipos de universos que podemos encontrar.

 

 

1- La Cosmología y los Modelos Cosmológicos

 

El origen de la cosmología y como la Relatividad General nos lleva a diferentes tipos de universos que podemos encontrar.

La cosmología estudia el Universo en general, sus orígenes y su evolución, y es necesario entender la diferencia con la cosmogonía  que estudia el origen y evolución de los objetos que encontramos en el universo, tales como las galaxias.Las raíces de la cosmología las encontraremos en los antiguos mitos y leyendas y a los estudios griegos de los movimientos de los planetas, pero la cosmología moderna es una descripción matemática del comportamiento del espacio-tiempo en su escala más grande, o sea usando ecuaciones de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. De esta forma el nacimiento de la cosmología moderna fue en 1917 cuando Einstein aplicó por primera vez dichas ecuaciones a la descripción del Universo en general.Algunos científicos desarrollaron teorías alternativas diferentes a los de Einstein (el de la gravedad y el espacio-tiempo), dándose diferentes modelos cosmológicos, pero muchos fueron descartados por las observaciones.

 

Modelos Cosmológicos

 

Dado que los cosmólogos no pueden hacer modelos físicos del Universo, establecen sistemas de ecuaciones matemáticas y así describir  el comportamiento de los diferentes tipos de posibles universos (como son “posibles” lo escribimos con “u” minúscula).

Algunos modelos tienen detalles e interacciones complicadas y las ecuaciones solo pueden resolverse con computadoras muy poderosas. Pero algunas ecuaciones son relativamente fáciles y el comportamiento de dichos modelos puede ser desarrollado con lápiz, papel y un poco de capacidad mental. De esta forma es como Einstein descubrió que las ecuaciones de su Teoría de la Relatividad General predicen que el Universo se está expandiendo. A pesar de ello, Einstein, en un principio no creyó en un universo dinámico, a pesar de que sus ecuaciones decían lo contrario. Solo un hombre estaba dispuesto a aceptar la relatividad al pie de la letra, mientras Einstein y otros científicos buscaban modos de evitar las predicciones de la Relatividad general, el físico y matemático ruso Alexander Friedmann hizo dos suposiciones muy simples:

 

1- Que el Universo parece el mismo desde cualquier dirección desde la que se lo observe.

2- Y que ello también sería cierto si se lo observara desde cualquier otro lugar.

 

A partir de estas dos ideas Friedmann demostró que no se puede esperar que el universo sea estático. De hecho en 1922, Friedmann predijo exactamente lo que Hubble encontró varios años después.Existen tres tipos de modelos que obedecen a las dos suposiciones fundamentales de Friedmann, aunque él encontró solo una:

 

a) Abierto: El universo se expande tan rápido que la atracción gravitatoria no puede frenarlo, las galaxias se separarán con una velocidad estacionaria.

b) Plano: En este modelo el universo se está expandiendo con la velocidad justa para evitar colapsarse, aunque las galaxias siempre se estarán separando, lo harán con una velocidad cada vez menor, pero nunca llagara a cero.

c) Cerrado: Este es el que Friedmann encontró. El universo se expande lo suficientemente lento como para que la atracción gravitatoria de las galaxias frene la expansión y comience a contraerse. 

Para saber cual de estos modelos es el más coherente con nuestro Universo necesitamos saber el ritmo actual de expansión y la densidad media presente, o sea cuanta materia contiene el Universo.Si la densidad es menor a un cierto valor crítico, la atracción gravitatoria será demasiado débil para poder detener la expansión. Si la densidad es mayor al valor crítico, la gravedad parará la expansión en algún tiempo futuro y hará que el universo comience a contraerse.De todas formas, todas estas soluciones tienen en común que en algún tiempo pasado (aproximadamente 15 mil millones de años) la distancia entre las galaxias debe haber sido cero. Ese instante es el que llamamos Big Bang.

A- El efecto Doppler:

Fue dado por Christian Doppler, y es debido al movimiento. Una estrella que se está alejando del observador tendrá un desplazamiento al rojo en su espectro comparado con una en reposo. El efecto es equivalente para las ondas sonoras. Si son procedentes de un objeto que se mueve hacia nosotros tendrá un tono mas alto que si estuviera en reposo.Este efecto posibilita el cálculo de la velocidad a la que se mueven las estrellas o del movimiento de rotación de las galaxias. Los desplazamientos hacia el rojo astronómicos se miden en términos de variación relativa en el desplazamiento hacia el rojo, conocido como z. Si por ejemplo z=0,1 las longitudes de onda se han alargado en un 10%.

 

B- El desplazamiento al rojo Cosmológico:

Es el resultado de que la luz de otras galaxias se estira en la misma cantidad en que el espacio se expande mientras la luz viaja hacia nosotros. Como el desplazamiento al rojo es proporcional a la distancia, tenemos una regla con que medir el Universo.En los años 20,con el telescopio de 100 pulgadas del Monte Wilson, Edwin Hubble descubrió que prácticamente todas se están alejando de nosotros con una velocidad v, que es proporcional a su distancia r a la tierra de manera que v=h.r.

 

  E. Hubble y el Telescopio de 100 pulg.

 

Esta importante observación conocida como Ley de Hubble, dejo en claro que el Universo se está expandiendo y que h, la constante de Hubble, representa su tasa de expansión. Observaciones actuales confirman la Ley de Hubble, y demuestran que a grandes distancias la expansión se está acelerando. Esta regla deja de ser válida solo para algunas galaxias vecinas tal como la galaxia de Andrómeda que muestra desplazamientos hacia el azul. Esto es así debido a que la expansión es en forma global y a gran escala, para galaxias próximas a la nuestra prevalecerá mas el movimiento individual de estás (solo habrá efecto doppler)Si bien al principio se pensó que el desplazamiento al rojo de las galaxias era por efecto Doppler, rápidamente se entendió que estaba relacionado y predicha por La Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, que exigían un Universo en movimiento.La distancia a una galaxia es igual a su “velocidad” de desplazamiento al rojo dividida por la constante de Hubble, esta constante tiene un valor de 60 km por segundo por Megaparsec, o sea que el objeto tiene un desplazamiento al rojo de 60 km por segundo por cada millón de parsecs de distancia a nosotros. Cualquier galaxia (excepto las vecinas muy próximas) se está alejando de cualquier otra de acuerdo a la Ley de Hubble, no hay ningún centro para la expansión.Para grandes desplazamientos al rojo, mayores a un tercio de la velocidad de la luz, los cálculos tienen que tener en cuenta la relatividad general. Así un desplazamiento de z=2 corresponde a una velocidad cosmológica del 80% de c (velocidad de la luz). Los cuásares más lejanos conocidos tienen z=4 (90% de c), La radiación de fondo de microondas tiene un desplazamiento al rojo de z=1000C- Desplazamiento al rojo gravitatorio: Es también explicada por la Relatividad general. La luz que sale de una estrella viaja “cuesta arriba” en el campo gravitatorio de la estrella, y como resultado pierde energía. Si fuera un objeto material, se frenaría, pero la luz debe mantener su velocidad constante, como consecuencia cuando la luz pierde energía su longitud de onda aumenta, o sea se desplaza al rojo.

Los tres tipos de desplazamiento pueden darse simultáneamente, por ejemplo para una enana blanca en una galaxia muy lejana (si se pudiera observar) tendríamos como resultado la combinación de desplazamientos Doppler, Cosmológico y Gravitatorio.

 

Continuará en la Segunda Parte...