04/06/2021
Durante gran parte del siglo XX, la pregunta más importante sobre el universo en expansión tenía que ver con la comprensión de su destino final. La expansión del universo parecía ser una carrera entre dos factores aparentemente irresistibles:
- La tasa de expansión inicial, que trabajaba para separar mutuamente todo lo que existía dentro del tejido del espacio.
- La fuerza de la gravedad, que lucha contra la expansión y trabaja para volver a unir todo.
Desde las décadas de 1920 y 1930, cuando el universo en expansión se estableció bien tanto teórica como observacionalmente, la búsqueda principal de la cosmología fue medir la tasa de expansión actual, así como la forma en que cambió con el tiempo. Esas dos piezas de información, juntas, nos permitirían inferir el destino final del universo.
Incluso después de que el Big Bang se estableciera como el comienzo de nuestro universo, los científicos trabajaron para mejorar estas mediciones, esforzándose por saber si nuestra expansión cósmica eventualmente se revertiría y colapsaría, si se deslizaría y continuaría expandiéndose para siempre, o si estaría justo en el límite entre esos dos casos. Las observaciones críticas finalmente llegaron durante la década de 1990, determinando que la respuesta no era ninguna de estas opciones. En cambio, la expansión del universo se está acelerando, lo que implica que una forma novedosa de energía, la energía oscura, ha llegado a dominar nuestra expansión.
También implica que el universo que podemos observar está desapareciendo de nuestro alcance, y la mayor parte ya se ha ido. Aquí está la ciencia de lo que significa para los límites inevitables de nuestro alcance.
El universo observable y alcanzable : una porción cada vez menor
En el comienzo del Big Bang caliente, el universo se expandía y enfriaba rápidamente, mientras que los grupos individuales dentro de él también gravitaban. Con el tiempo, la tasa de expansión se ralentizó y la temperatura bajó, lo que llevó a la formación de estructuras estables y unidas por primera vez. Después de aproximadamente un microsegundo, se formaron protones y neutrones. Después de unos minutos más, se forjaron los primeros núcleos atómicos estables. Cientos de miles de años después, los átomos neutros surgieron a la existencia. Y después de decenas a cientos de millones de años, las primeras estrellas y galaxias surgieron a la existencia, todo mientras la tasa de expansión caía y caía.
Durante los primeros miles de millones de años de historia cósmica, esto pareció ser precisamente lo que estaba sucediendo: el universo comenzó a expandirse, pero los efectos gravitacionales de la materia y la radiación trabajaron para unir las cosas, ralentizando la tasa de expansión. Los objetos que estaban más y más lejos parecían retroceder más y más lento a medida que pasaba el tiempo, y la luz emitida por objetos que alguna vez fueron invisibles, mucho más allá del horizonte cósmico, finalmente nos alcanzó, el observador. Más y más del universo se hizo visible. Y luego, hace unos seis mil millones de años, la densidad de la materia se redujo en una cantidad tan significativa que los efectos de la energía oscura comenzaron a volverse importantes, y todo cambió.
Antes de este momento, si hubieras puesto el dedo sobre cualquier galaxia distante, habrías visto que se alejaba de nosotros, alejándose cada vez más a medida que pasaba el tiempo. Sin embargo, si midieras su velocidad de recesión de nosotros, es decir, cuánto su luz fue desplazada al rojo por la expansión del espacio entre esa galaxia y nosotros mismos, habrías observado que disminuía con el tiempo cósmico. Incluso cuando se alejaba más de nosotros, la tasa de expansión del universo disminuyó en una cantidad más significativa, asegurando que, aunque todavía parecía retroceder, retrocedía más lentamente que antes. Esto permitió que la luz emitida por objetos a distancias aún mayores nos "alcanzara" con el tiempo, poniéndolos a la vista.
Sin embargo, a la edad de aproximadamente 800 millones de años, o hace unos 000 millones de años, todo eso cambió. Los objetos a todas las distancias superiores a unos 5 millones de años luz de distancia, es decir, todo lo que está más allá del Grupo Local que está gravitacionalmente unido a nuestra propia galaxia, comenzaron a alejarse de nosotros más rápido de lo que lo habían hecho anteriormente. Cada vez menos objetos nuevos se verían ahora, ya que comenzaron a acelerarse lejos de nosotros. Los objetos que estaban más allá de una cierta distancia crítica permanecerían visibles, pero solo podríamos ver la luz que emitieron en el pasado, no la luz que están emitiendo hoy. Además, no podríamos alcanzarlos, ni por nave espacial ni con una señal de luz, incluso si la enviáramos ahora mismo. Solo los objetos más cercanos permanecerían visibles y alcanzables, creando cuatro regiones distintas en nuestro universo observable.
Las cuatro regiones del universo observable
Con base en su distancia actual de nosotros, hoy, 1800 millones de años después del Big Bang en la era dominada por la energía oscura, podemos clasificar las cuatro regiones que describen los objetos dentro de nuestro universo.
Observable y alcanzable
Si un objeto, en la actualidad, está a menos de unos 18 mil millones de años luz de distancia, podemos verlo y alcanzarlo. Si enviáramos una señal a una galaxia dentro de esta distancia, incluso hoy, podría llegar a esa galaxia, y si nos embarcáramos en un viaje para alcanzar ese objeto, podríamos alcanzarlo incluso a velocidades inferiores a la de la luz.
Observable, pero no alcanzable
Si un objeto está a más de 18 mil millones de años luz de distancia, pero a menos de 46 mil millones de años luz de distancia, todavía es observable por nosotros, pero solo como lo fue en el pasado. Puede vernos como éramos en el pasado, pero no podemos alcanzarlo de ninguna manera: ni por nave espacial ni con una señal de luz. Solo estamos conectados a estos objetos en el pasado.
Observable, pero solo en el futuro
Si un objeto está a más de 46 mil millones de años luz de distancia, su luz aún no nos habrá llegado dentro del universo en expansión. Sin embargo, si ese objeto también está a menos de 61 mil millones de años luz de distancia, la luz que emitió hace mucho tiempo ya está en camino y nos llegará en algún momento en el futuro. Aunque solo podemos verlo como lo fue en el pasado distante, en algún momento, se volverá visible para nosotros.
Para siempre inobservable
Más allá de una distancia de 61 mil millones de años luz, ningún objeto será visible para nosotros ni alcanzable por nosotros.
La desaparición gradual del universo
Esto es profundo y sigue sin ser apreciado por la mayoría. Aunque 18 mil millones de años luz es el 39% del camino hasta el borde del universo observable, un número aparentemente impresionante y sustancial, vivimos en tres dimensiones espaciales. El 39% del camino hasta el "borde" del universo observable, en una dimensión, representa solo el 6% del volumen del universo actualmente observable. En otras palabras, aunque puede haber entre 6 billones y 20 billones de galaxias contenidas dentro del universo observable, solo alrededor del 6% de ellas, el 6% más cercano, son actualmente alcanzables por nosotros. El 94% restante solo se puede ver como estaban en el pasado.
Es casi seguro que hay galaxias más allá de los límites de nuestro universo actualmente observable, ya que tenemos todos los indicios de que más allá de ese límite simplemente se encuentra más universo tal como lo conocemos, pero su luz aún no nos ha llegado. Aunque 61 mil millones de años luz no es una cifra mucho mayor que 46 mil millones de años luz, encapsula un 133% adicional del volumen actualmente contenido en la porción que podemos ver en este momento. Hay más del doble de galaxias que nunca se han observado que algún día se harán visibles para nuestros instrumentos que las que hay en el universo actualmente observable hoy. Aunque el universo sigue expandiéndose, eventualmente, esa luz, aunque severamente desplazada al rojo, nos alcanzará.
Sin embargo, es importante recordar que esta imagen proporciona una mera instantánea de nuestra existencia en el presente. En realidad:
- Las densidades de materia y radiación continúan disminuyendo.
- La densidad de energía oscura permanece constante.
- La tasa de expansión, medida en km/s/Mpc, no está cayendo a cero, sino que es asintótica a un valor positivo y finito.
Es esta última parte la que es extremadamente importante. En cualquier universo en expansión en el contexto de la relatividad general, existe una relación entre la tasa de expansión (también llamado parámetro de Hubble) en cualquier momento en el tiempo, y la raíz cuadrada de la densidad de energía total de todas las formas: incluyendo materia, radiación y energía oscura.
En este momento, la tasa de expansión es, dependiendo de qué conjunto de mediciones crea que es más correcto, 67 km/s/Mpc o 74 km/s/Mpc. Esto significa que, por cada megaparsec (Mpc, o alrededor de 3,26 millones de años luz) que un objeto está distante de nosotros, lo vemos alejándose de nosotros a 67 km/s o 74 km/s, lo que significa que los objetos que están a 10 Mpc de distancia retroceden a diez veces esa velocidad, los objetos que están a 100 Mpc de distancia retroceden a 100 veces esa velocidad, y así sucesivamente. Sin embargo, debido a que la tasa de expansión está disminuyendo, pero solo a aproximadamente el 82% de su valor actual, eso significa que en el futuro, la tasa de expansión será asintótica a 55 km/s/Mpc o 60 km/s/Mpc, o en algún punto intermedio si ahí es donde se encuentra la cifra real.
Debido a la presencia perdurable de la energía oscura, eso no solo significa que el 94% de las galaxias dentro del universo observable ya han desaparecido para estar más allá de nuestro alcance. Significa que el universo está en proceso de desaparecer más allá de nuestro alcance, y que si bien el 94% de ellos ya ha cruzado ese hito, el otro 6% de ellos, incluyendo cada galaxia que no es parte de nuestro Grupo Local, ya están en proceso de desaparecer.
El futuro lejano: un universo cada vez más aislado
Hay alrededor de 2 sextillones de estrellas agrupadas en esos billones de galaxias contenidas dentro del universo observable, pero solo el 6% de ellas, o alrededor de 120 quintillones de ellas, son actualmente alcanzables hoy. Con cada nuevo año que transcurre, cientos de millones de estrellas adicionales cruzan ese umbral: de ser alcanzables a ser inalcanzables, correspondientes no a un puñado de pequeñas galaxias, sino a porciones de quizás cientos de galaxias: tanto variedades grandes como pequeñas.
En escalas de tiempo cósmicas extremadamente largas, sin embargo, estos cambios pueden ser tremendos. Después de que haya transcurrido otro billón de años, o solo ~ 7% de la edad actual del universo, el porcentaje del universo observable que todavía es alcanzable habrá disminuido en otro paso enorme: del 6% al 5%.
Eso significa que, dentro de solo mil millones de años, después de que haya ocurrido el último eclipse solar total en la Tierra, pero tal vez incluso antes de que el Sol se caliente lo suficiente como para hervir nuestros océanos, solo podremos alcanzar:
- 100 quintillones de estrellas, habiendo perdido otros 20 quintillones.
- Entre 300 mil millones y 1 billón de galaxias, habiendo perdido ahora el 95% del total de galaxias en el universo.
- Las galaxias que actualmente se encuentran a ~ 1700 millones de años luz de nosotros, habiendo perdido todos los objetos actualmente entre 1700 millones y 1000 millones de años luz de distancia.
Podemos ir un poco más lejos si nos atrevemos: otros 200 millones de años por delante después de esos mil millones de años adicionales. En ese momento, las galaxias Vía Láctea y Andrómeda habrán comenzado a fusionarse, y el Sol debería estar en transición a una gigante roja, donde se tragará a Mercurio, Venus y posiblemente también a la Tierra. Y en ese momento, solo podremos alcanzar menos del 2% (alrededor del 1,75%) de las estrellas y galaxias dentro de nuestro universo actualmente observable: correspondientes a solo 35 quintillones de estrellas y entre 105 y 350 mil millones de galaxias. Mientras tanto, lo que actualmente llamamos Laniakea, nuestro supercúmulo local, ya habrá comenzado a disociarse visiblemente en sus grupos y cúmulos componentes, siendo impulsados por la energía oscura.
No son solo las galaxias más remotas las que se expanden lejos de nosotros, siendo impulsadas a distancias cada vez mayores por la energía oscura ; es cada galaxia que no está gravitacionalmente unida en el mismo grupo o cúmulo que la nuestra. Después de que hayan pasado aproximadamente 63 mil millones de años, las ~ 100.000 galaxias que componen lo que se conoce como Laniakea hoy serán las únicas galaxias alcanzables por alguien que viva en el Grupo Local. Habrá alrededor de 100 cuatrillones de estrellas dentro de estas galaxias, pero habrán ocurrido muchas fusiones, dejando el número de galaxias en un número mucho menor que el presente dentro de Laniakea hoy.
Durante los siguientes miles de millones de años, los grandes cúmulos dentro de Laniakea, cosas como Norma, Centauro, Hydra y Fornax, retrocederán más allá del límite de accesibilidad. El gran cúmulo de galaxias de Virgo, a solo ~ 55 millones de años luz de distancia en la actualidad y que consta de más de 1000 galaxias miembros, se volverá inalcanzable justo antes de que alcancemos el hito de los 100 mil millones de años después del Big Bang. Y lo que actualmente son los grupos de galaxias más cercanos fuera del Grupo Local, objetos como el grupo M81, serán los últimos en volverse inalcanzables: algo que no ocurrirá hasta dentro de más de 110 mil millones de años, cuando el universo tenga casi diez veces su edad actual.
la inexorable expansión y el aislamiento cósmico
Hace casi 100 años, comenzamos a recopilar la primera evidencia del universo en expansión y, con ella, la primera evidencia de nuestros orígenes cósmicos: la noción original del Big Bang. Una vez que comenzamos a ver muy atrás en la historia cósmica, no solo millones o cientos de millones de años atrás en el tiempo, sino varios miles de millones de años, comenzamos a investigar no solo nuestros orígenes cósmicos, sino también nuestro destino cósmico. Y lo que encontramos, para sorpresa de muchos, fue que nuestro universo no podía estar compuesto solo de materia y radiación, o incluso principalmente de materia y radiación, sino que estaba dominado por una misteriosa forma de energía que estaba impulsando a todas las estructuras gravitacionalmente no unidas: la energía oscura.
La energía oscura no solo determina el destino del universo, sino que también determina las escalas de distancia y tiempo en las que las galaxias, los grupos de galaxias y los cúmulos de galaxias se separarían unos de otros. Hoy, 1800 millones de años después del Big Bang, podemos ver hasta 46 mil millones de años luz de distancia, pero solo el 6% del volumen de nuestro universo observable puede ser alcanzado por nosotros. A medida que el tiempo continúa progresando, la cantidad del universo visible que podemos ver continuará aumentando, pero las galaxias dentro de la porción del universo que es alcanzable continuarán disminuyendo, a medida que todas se alejan más y más unas de otras.
Por fin, después de que pasen otros 112 mil millones de años, las galaxias finales más allá de nuestro Grupo Local, que representan las galaxias más cercanas a nuestro propio Grupo Local hoy, finalmente retrocederán más allá del límite de accesibilidad, retrocediendo demasiado rápido para que incluso la luz la alcance. Después de todo ese tiempo, solo nuestro Grupo Local de galaxias, probablemente habiéndose fusionado en un solo gigante central, será lo último a nuestro alcance cósmico.
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