Expansión acelerada?

[Homer]

¿Estoy dentro?, ¿si?, probando, probando... Hola, soy Homer y creo que me he vuelto a cargar la constante cosmológica.

Lo cierto es que he llegado aquí por un tema que leí hace años en la ya desaparecida revista Mundo Científico: el brillo de las supernovas Ia. Aunque mi principal afición es la física, de rebote también la astrofísica, aunque me cuesta... El caso es que haciendo cálculos no entendía muy bien cual era el problema, hasta que me enteré de la resurrección de la constante cosmológica. Lejos de olvidarse el tema, parece que está cada día más candente, por lo que me he decidido a redactar un breve documento: http://www.telefonica.net/web2/javq/Fisica/BrilloEstelar.pdf

Cuando uno se obceca no ve más allá de sus narices, así que lo mejor es exponer la idea, discutirla y descubrir el gazapo. Desde luego el asunto no es preocupante, es solo curiosidad.

Y mientras voy echando un vistazo por aquí, que hay mucho que ver. Un saludo a todos.

[Manueleón Clavileño]

Bienvenido Homer:
Poco puedo aportar al tema pues es uno de mis numerosos puntos flacos.
Hace muchos años leí en Investigación y Ciencia y Mundo Científico varios artículos sobre el Universo inflacionario y el Principio antrópico donde se trataba este asunto y su relación con los distintos modelos de universo. Recuerdo que se argumentaba que los distintos factores que intervienen en su valor eran muy discutidos.
Saludos

[Homer]

Gracias manueleon,

Encontré el gazapo, ¡es enorme!. Así que seguimos acelerados...

Un saludo.

[mintaka]

Bienvenido Homer. Estoy como manueleon, siento no porder aportar nada.

Saludos

[latinquasar]

Pues yo digo lo mismo  Bienvenido, pero de estas cosas sé aun poco.
Te diría que pedialum te daría alguna respuesta acertada, pero sé que vienes de cientificosaficionados y que él te recomendó esta página... así que no sé. 

[pedialum]

Hola Homer, ya veo que  te han resuelto por lo menos, un problema, no podía ser de otro modo, me alegro, esas cosas pasan....de largo y luego se solucionan. Pues bien, vamos a ver que podemos aportar al tema. Resulta que en los tiempos en los que  Einstein dio a conocer su asombrosamente simple  fórmula general de relatividad:  G  = 8 π  T, en las que la masa, la energía y el espacio-tiempo están interrelacionados,  se tenía asumido en aquellos tiempos el concepto  Aristotélico de la  inmutabilidad del Universo, pero de las ecuaciones de Einstein no confirmaban esta asunción, pues sus ecuaciones le conducían a una expansión, por lo que se vió en la necesidad de introducir la constante Λ (lambda) en la misma para adaptarlo  a esa concepción. Posteriormente  en una reunión en la que coincidió con Hubble, este le convenció a través de la observación,  de la expansión del Universo mediante el corrimiento al rojo de los espectros de las galaxias lejanas, entonces Einstein para corregir su ecuación y adaptarla a la realidad suprimió el término Λ (lambda) en la misma  (fue su mayor error, según manifestó posteriormente). Si nosotros lanzamos una piedra al aire, esta regresará a la Tierra, pero puede llegar un momento en que en función de esa fuerza no regrese jamás, algo parecido le sucede al Universo tras la Gran Explosión, se contraerá o no.  La teoría de su expansión está reforzada  no solo por el corrimiento hacia el rojo de las galaxias lejanas si no también por la presencia de la radiación de micro-ondas; en un principio, el Universo era muy caliente y como consecuencia de la expansión se fue enfriando y los cálculos admitían que debía existir una temperatura residual como consecuencia de la misma, dicha temperatura hallada resultó ser de unos 3 ºK equivalente a la radiación de micro-ondas y conocida por radiación relicta. El Universo que es enormemente grande se está expandiendo, y con los telescopios cada mas potentes estamos observando regiones cada vez mas lejanas donde se encuentran los cuásares, pero resulta, que existen ciertas regiones de las que no tenemos noticias y nunca las tendremos, porque su luz nunca nos alcanzará, porque los confines del Universo se expanden a la velocidad de la luz y no existe nada que corra más que la misma, por ello jamás alcanzaremos el horizonte de la expansión de ese Universo, pero surge la pregunta: ¿podrá alguna vez invertirse ese proceso y colapsar,  como sucede con el símil de la piedra lanzada al aire?. Resulta que al observar las explosiones de las supernovas se está intentando aclarar el problema de si con la explosión, la materia colapsa o no. Estas y otras investigaciones apunta a que existe una energía en el vacío que se conoce como densidad del vacío que apunta a la existencia de una forma de gravedad que es repelente y nos lleva a la conclusión de que el Universo se está acelerando, resultando entonces que el término correctivo que Einstein introducido en su famosa ecuación, la constante Λ (lambda), que erróneamente suprimió, resulta necesario para adaptarse a las nuevas observaciones, pero con un agravante, resulta que Λ es función de la velocidad de la luz y de la densidad de la energía del vacío, de tal manera que si lambda no es constante tampoco lo sería,  c (la velocidad de la luz), y surge otra pregunta ¿son constantes las constantes físicas que conocemos, entre ellas ,c y G, conforme el Universo se expande?. La densidad del vacío que está comenzando a ser aceptada, induce a pensar que el vacío no está vacío y  que el vacío no es la nada, por tanto, antes del Big Bang, ya había algo. El mayor error de Einstein se está convirtiendo en su mayor éxito. Einstein, más de
cincuenta años después de su muerte, todavía nos está deparando grandes aciertos. Falleció tan sólo tres años antes de conocer el comienzo de la era espacial. Esto es una muy breve reflexión acerca de esta cuestión, por que al respecto hay mucho que hablar y que dará que hablar.

[Homer]

Hola pedialum, ¿has visto que entrada?, ¡gloriosa!, marcando estilo...

Navegando por ahí me encontré con que el problema del brillo está resuelto hace como 50 años, en el contexto de la óptica relativista. El atajo que creí encontrar no solo es dirección prohibida sino que lleva en dirección equivocada. Dejo el documento en su sitio como "autoescarmiento" (además uno es esclavo de lo que dice...y tal y tal y tal).

En cualquier caso el problema tendría sentido dentro de un modelo de expansión del tipo "metralla" pero no en el modelo vigente, el globo que se hincha, donde la materia son puntos que se alejan sin moverse realmente de su sitio. En este modelo la longitud de onda no aumenta por el efecto Doppler sino porque el espacio se dilata durante el tránsito. Y aquí me surge la duda, si la regla con la que se mide la longitud de onda también está dibujada en el globo, ¿cómo es posible detectar tal expansión?

Saludos y gracias a todos por la acogida.

[pedialum]

Por supuesto, como materia que es no está excluida, en absoluto, de la expoansión, pero su magnitud es pequeñísima e imposible de cuantificar, tendrían que pasar infinidad de años para poderla valorar.

[Homer]

Tengo otra duda, sobre la materia oscura y la rotación de las galaxias, pero mejor "instrospecciono" y navego un poco más. ¡No te vayas!

[alshain]

En cualquier caso el problema tendría sentido dentro de un modelo de expansión del tipo "metralla" pero no en el modelo vigente, el globo que se hincha, donde la materia son puntos que se alejan sin moverse realmente de su sitio. En este modelo la longitud de onda no aumenta por el efecto Doppler sino porque el espacio se dilata durante el tránsito. Y aquí me surge la duda, si la regla con la que se mide la longitud de onda también está dibujada en el globo, ¿cómo es posible detectar tal expansión?

Efectivamente el flujo de Hubble no es un movimiento de galaxias en el espacio sino una expansión del espacio con galaxias en reposo sobre él. Esto hace que las fórmulas para el desplazamiento al rojo sean totalmente diferentes a las del efecto Doppler (y las puedes encontrar aquí). Por cierto que el desplazamiento al rojo de la expansión del espacio también contribuye a modificar el brillo de los objetos, cosa que naturalmente es tenida en cuenta (la fórmula para el flujo en un espacio en expansión la puedes encontrar aquí).

No obstante, tu papel no parece tocar el tema del movimiento de las galaxias, sino el de las estrellas, o los objetos como polvo interestelar, dentro de ellas. Estos objetos son los que al fin y al cabo contribuyen a la luminosidad de las galaxias. Ciertamente estos verán modificado su brillo según su velocidad aparente de recesión que se sigue de la ley de Hubble provocada por la expansión del espacio, como he mencionado antes. Pero eso es prácticamente todo, ya que no hay modificación detectable del brillo debido a un movimiento peculiar, de estrellas dentro de la galaxia, que pueda ser debida a un efecto Doppler. Esto es así por dos razones.

Primera, que las velocidades peculiares de las estrellas son despreciables frente a los desplazamientos al rojo altos de muchas de las supernovas Ia y en general de muchas galaxias que las contienen. Segunda, que la velocidad peculiar de las estrellas es una distribución estadística respecto de la línea de visión, es decir, existen tanto estrellas cuyo movimiento peculiar contribuye con un Doppler de desplazamiento al rojo (aunque despreciable) adicionalmente al desplazamiento al rojo de la expansión del espacio, como estrellas cuyo movimiento peculiar contribuye con un desplazamiento al azul en contra del desplazamiento al rojo de la expansión del espacio. Todo esto son dificultades para describir variaciones de brillo, sin hablar de la dificultad de describir una ley de Hubble. (Por cierto, que la variación del brillo es también una prueba esencial de la cosmología moderna, y es conocida como test de Tolman).

Por otro lado, la razón de que observemos la expansión, pese a que nuestro metro de medida pudiese estar cambiando, es el hecho de que tal expansión es proporcional a la distancia. Son los fotones más lejanos los que más desplazados están. No obstante, aquí hay una salvedad sutil: lo que es de hecho indistinguible observacionalmente es la expansión del espacio y una posible contracción de la materia o el metro de medida (es decir, una variación de los orbitales atómicos en la emisión lejana de fotones). Sin embargo, la hipótesis de la contracción de la materia requiere de una teoría diferente a la relatividad general distinguible en principio a través de los tests estándar del sistema solar.

Supongo que es mucha información en poco espacio, pero si hay interés puedo extenderme.

Un saludo.

[Homer]

¡Mosquis!, alshain, efectivamente es mucha información, tardaré en masticarla (si no me estalla antes la neurona).

Por lo que me pereció entender, se llegó a la conclusión de la expansión porque el brillo decrece con la cuarta potencia del desplazamiento al rojo. Pero  teniendo en cuenta la expansión angular relativista en "popa" también sale una función del desplazamiento de grado -4 (muy enrevesada, seguro que metí otra vez la pata).

Muchas gracias por tu ayuda alshain, a poco que uno rasca en la red se encuentra con tus documentos, eres un auténtico pozo de ciencia. Es como hablar con el oráculo.

Un saludo.

[alshain]

Por lo que me pereció entender, se llegó a la conclusión de la expansión porque el brillo decrece con la cuarta potencia del desplazamiento al rojo.

Exacto, la variación del brillo con la cuarta potencia es una prueba de la expansión, conocida como test de brillo de Tolman.

Pero  teniendo en cuenta la expansión angular relativista en "popa" también sale una función del desplazamiento de grado -4 (muy enrevesada, seguro que metí otra vez la pata).

Desconozco eso, quizás podrías explicar cómo llegas a ese resultado.

Un saludo.

[Homer]

No he podido investigar mucho, pero hace unos días encontré esta página http://fisica.mdp.edu.ar/mlhoyuelos/Relatividad.htm donde habla de la compresión angular. Creo que realmente tiene más que ver con la aberración estelar descubierta por Bradley que con la relatividad, pero bueno, ahí está.

He hecho unos cálculos (espero que alguno no esté equivocado): http://www.telefonica.net/web2/javq/Fisica/TestDeHomer.pdf

Un saludo.

31/8/2007: Había un error en la función v(z), ya está corregido.

1/9/2007: Creo que he dado en el clavo, ¿te suena ésto?


Tenía una duda acerca de la ley de Hubble, pero a efectos de brillo es exacta. Definitivamente ésta es la potencia:


4/9/2007: Aquí http://www.telefonica.net/web2/javq/Fisica/Expansion.htm está todo más detallado.

[Homer]

Sobre el tema de la materia oscura, ¿dónde puedo conseguir datos fiables sobre la distribución de materia visible y su velocidad en las galaxias espirales?

Saludos.

4/9/2007: ¡Ya lo tengo!

[Ricardo G. Silveira]

   La energía oscura es una forma hipotética de energía que impregna todo el espacio, produce una presión negativa y tiende a incrementar la tasa de expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Asumir la existencia de la energía oscura es la manera más popular de explicar las observaciones recientes en las que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración. En el modelo estandar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.

   Estas conclusiones a que se estan llegando en la actualidad son de suma importancia, no solo para la cosmología si no para toda la Ciencia en general, ya que esta expansión acelerada no fue pronosticada por ningún astrónomo que yo recuerde. Dos posibles formas de la energía oscura son la constante cosmológica, una densidad de energía constante que llena el espacio homogéneamente y campos escalares como la quintaesencia, campos dinámicos cuya densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio.