Los cosmólogos son viajeros intelectuales en el tiempo. Mirando hacia atrás durante miles de millones de años, estos científicos pueden rastrear la evolución de nuestro Universo con asombrosos detalles. Durante los eones subsiguientes, nuestro cosmos ha crecido a un tamaño tan enorme que ya no podemos ver el otro lado.
¿Pero como puede ser ésto? Si la velocidad de la luz marca un límite de velocidad cósmica, ¿cómo puede haber regiones del espacio-tiempo cuyos fotones estén siempre fuera de nuestro alcance? E incluso si los hay, ¿cómo sabemos que existen?
El universo en expansión
Como todo lo demás en física, nuestro Universo se esfuerza por existir en el estado de energía más bajo posible. Pero alrededor de 10-36 segundos después del Big Bang, los cosmólogos inflacionistas creen que el cosmos se encontró descansando en su lugar en una "falsa energía de vacío", un punto bajo que no era realmente un punto bajo. Buscando el verdadero nadir de la energía del vacío, durante una fracción de minuto, se cree que el Universo se ha disparado por un factor de 1050.
Desde entonces, nuestro Universo ha seguido expandiéndose, pero a un ritmo mucho más lento. Vemos evidencia de esta expansión en la luz de objetos distantes. A medida que los fotones emitidos por una estrella o galaxia se propagan a través del Universo, el estiramiento del espacio hace que pierdan energía. Una vez que los fotones nos alcanzan, sus longitudes de onda se han desplazado hacia el rojo de acuerdo con la distancia que han recorrido.
Es por eso que los cosmólogos hablan del desplazamiento al rojo en función de la distancia tanto en el espacio como en el tiempo. La luz de estos objetos distantes ha estado viajando durante tanto tiempo que, cuando finalmente la vemos, estamos viendo los objetos tal como eran hace miles de millones de años.
El volumen del Hubble
La luz roja cambiada nos permite ver objetos como galaxias tal como existieron en el pasado distante; pero no podemos ver todas eventos que ocurrieron en nuestro Universo durante su historia. Debido a que nuestro cosmos se está expandiendo, la luz de algunos objetos simplemente está demasiado lejos para que podamos verla.
La física de ese límite depende, en parte, de una parte del espacio-tiempo circundante llamado volumen de Hubble. Aquí en la Tierra, definimos el volumen de Hubble midiendo algo llamado parámetro de Hubble (H0), un valor que relaciona la aparente velocidad de recesión de los objetos distantes con su desplazamiento al rojo. Se calculó por primera vez en 1929, cuando Edwin Hubble descubrió que las galaxias lejanas parecían alejarse de nosotros a una velocidad proporcional al desplazamiento al rojo de su luz.
Dividiendo la velocidad de la luz por H0, obtenemos el volumen del Hubble. Esta burbuja esférica encierra una región donde todos los objetos se alejan de un observador central a velocidades inferiores a la velocidad de la luz. En consecuencia, todos los objetos fuera del volumen del Hubble se alejan del centroMás rápido que la velocidad de la luz.
Sí, "más rápido que la velocidad de la luz". ¿Cómo es esto posible?
La magia de la relatividad
La respuesta tiene que ver con la diferencia entre la relatividad especial y la relatividad general. La relatividad especial requiere lo que se llama un "marco de referencia inercial", más simplemente, un telón de fondo. Según esta teoría, la velocidad de la luz es la misma cuando se compara en todos los marcos de referencia inerciales. Ya sea que un observador esté sentado en el banco de un parque en el planeta Tierra o se acerque a Neptuno en un cohete futurista de alta velocidad, la velocidad de la luz es siempre la misma. Un fotón siempre se aleja del observador a 300,000,000 metros por segundo, y él o ella nunca lo alcanzarán.
La relatividad general, sin embargo, describe el tejido del espacio-tiempo mismo. En esta teoría, no existe un marco de referencia inercial. El espacio-tiempo no se expande con respecto a nada fuera de sí mismo, por lo que la velocidad de la luz como límite de su velocidad no se aplica. Sí, las galaxias fuera de nuestra esfera de Hubble se alejan de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Pero las galaxias mismas no están rompiendo ningún límite de velocidad cósmica. Para un observador dentro de una de esas galaxias, nada viola la relatividad especial en absoluto. Es el espacio entre nosotros y esas galaxias que prolifera rápidamente y se extiende exponencialmente.
El universo observable
Ahora para la próxima bomba: el volumen del Hubble no es lo mismo que el Universo observable.
Para entender esto, considere que a medida que el Universo envejece, la luz distante tiene más tiempo para llegar a nuestros detectores aquí en la Tierra. Podemos ver objetos que se han acelerado más allá de nuestro volumen actual de Hubble porque la luz que vemos hoy se emitió cuando estaban dentro de él.
Estrictamente hablando, nuestro universo observable coincide con algo llamado horizonte de partículas. El horizonte de partículas marca la distancia a la luz más lejana que posiblemente podamos ver en este momento: fotones que han tenido tiempo suficiente para permanecer dentro o alcanzar nuestra esfera de Hubble que se expande suavemente.
¿Y cuál es esta distancia? Un poco más de 46 mil millones de años luz en todas las direcciones, lo que le da a nuestro Universo observable un diámetro de aproximadamente 93 mil millones de años luz, o más de 500 mil millones de billones de millas.
(Una nota rápida: el horizonte de partículas no es lo mismo que el horizonte de eventos cosmológicos. El horizonte de partículas abarca todos los eventos del pasado que podemos ver actualmente. El horizonte de eventos cosmológicos, por otro lado, define una distancia dentro de la cual un futuro observador podrá ver la luz entonces antigua que está emitiendo hoy nuestro pequeño rincón del espacio-tiempo.
En otras palabras, el horizonte de partículas se ocupa de la distancia a objetos pasados cuya antigua luz podemos ver hoy; el horizonte de eventos cosmológicos se ocupa de la distancia que nuestra luz actual que podrá viajar a medida que las regiones lejanas del Universo se aceleren lejos de nosotros).
Energía oscura
Gracias a la expansión del Universo, hay regiones del cosmos que nunca veremos, incluso si pudiéramos esperar una cantidad infinita de tiempo para que su luz nos alcance. Pero, ¿qué pasa con esas áreas más allá del alcance de nuestro volumen actual de Hubble? Si esa esfera también se está expandiendo, ¿alguna vez podremos ver esos objetos límite?
Esto depende de qué región se expande más rápido: el volumen del Hubble o las partes del Universo justo fuera de él. Y la respuesta a esa pregunta depende de dos cosas: 1) si H0 está aumentando o disminuyendo, y 2) si el Universo se está acelerando o desacelerando. Estas dos tasas están íntimamente relacionadas, pero no son lo mismo.
De hecho, los cosmólogos creen que en realidad estamos viviendo en un momento en que H0 está disminuyendo; pero debido a la energía oscura, la velocidad de expansión del Universo está aumentando.
Eso puede sonar contradictorio, pero mientras H0 disminuye a un ritmo más lento Velocidad de lo que aumenta la velocidad de expansión del Universo, el movimiento general de las galaxias lejos de nosotros todavía ocurre a un ritmo acelerado. Y en este momento, los cosmólogos creen que la expansión del Universo superará el crecimiento más modesto del volumen del Hubble.
Entonces, aunque nuestro volumen de Hubble se está expandiendo, la influencia de la energía oscura parece proporcionar un límite difícil para el Universo observable cada vez mayor.
Nuestras limitaciones terrenales
Los cosmólogos parecen tener un buen manejo de preguntas profundas como cómo se verá algún día nuestro Universo observable y cómo cambiará la expansión del cosmos. Pero en última instancia, los científicos solo pueden teorizar las respuestas a preguntas sobre el futuro en función de su comprensión actual del Universo. Las escalas de tiempo cosmológicas son tan inimaginablemente largas que es imposible decir mucho de algo concreto sobre cómo se comportará el Universo en el futuro. Los modelos de hoy se ajustan a los datos actuales notablemente bien, pero la verdad es que ninguno de nosotros vivirá lo suficiente para ver si las predicciones realmente coinciden con todos los resultados.
¿Decepcionante? Por supuesto. Pero vale la pena el esfuerzo para ayudar a nuestros pequeños cerebros a considerar una ciencia tan alucinante, una realidad que, como de costumbre, es simplemente más extraña que la ficción.
