El cosmos es vasto, entonces, ¿cómo lo medimos?

Uno de los grandes desafíos en la comunicación sobre el espacio y el espacio-tiempo es que el universo es tan grande que las escalas son muy difíciles de imaginar. Incluso solo tratar de tener una idea de nuestro sistema solar puede ser difícil. Si tuviera que hacer un modelo de precisión de escala en el que el sol está 1 centímetro de ancho, tendría que alejar a Plutón a 42 metros. No sé sobre tu casa, pero el mío no tiene un salón de baile, lo que sería sobre esa longitud.

Sin embargo, nuestro sistema solar es pequeño en la escala de la Vía Láctea. Ignorando el hecho de que nuestra galaxia existe en un halo de materia oscura invisible que se extiende mucho más allá de las partes visibles, la Vía Láctea es tan grande que tomaría luz unos 100,000 años para cruzarla. En contraste, la luz llega del sol a Plutón en solo 5.5 horas.

Es posible que haya notado que cambié de distancias cotidianas a unidades relacionadas con la velocidad de la luz. Cien mil años de luz son 9.46 × 10²⁰ metros. ¿Cómo te diría que visualice eso? También podría decir que son un bajillion de salones de baile. Y la Vía Láctea es bastante pequeña en comparación con el cosmos. Ni siquiera es una galaxia especialmente grande. Nuestro vecino Andrómeda es el doble de ancho.

Además de eso, El espacio-tiempo se está expandiendo. Eso no afecta las mediciones de distancia en regiones gravitacionales como nuestro sistema solar o la Vía Láctea. Ni siquiera afecta necesariamente las distancias entre las galaxias: la Vía Láctea y Andrómeda se dirigen el uno al otro, aunque la colisión eventual será más como un baile gentil que los autos que se estrellan, y está a 4.500 millones de años al menos, ¡así que no tengas miedo!

Pero en las escalas más grandes, el espacio-tiempo se estira, y los grupos de galaxias se están alejando el uno del otro. Esto se conoce como la expansión del Hubble, y significa que cambiarán muchas mediciones de distancia en el universo. Dentro de miles de millones de años, las personas obtendrán una cifra diferente para la brecha entre nosotros y el clúster de Virgo Galaxy, que actualmente está a 50 millones de años de distancia.

En principio, estos números son impresionantes, pero también es comprensible que inviten a cierto escepticismo. En primer lugar, ¿cómo podemos estar tan seguros de estas mediciones? Esto es realmente un problema sutil en astronomía. La forma en que lo hacemos es construyendo una “escalera” de mediciones, a menudo utilizando objetos de brillo conocido, como ciertos tipos de estrellas, que nos permiten medir la distancia.

El peldaño más bajo, más fácil, implica el uso de estrellas variables cepheides, que pulsan regularmente, para calcular qué tan lejos están las cosas. Estos son efectivos hasta una determinada distancia, momento en el cual tenemos que cambiar a otra cosa. Durante los últimos 30 años, los astrónomos han usado tipos específicos de supernovas o estrellas moribundas, porque sabemos cómo caracterizar la forma en que su luz se extiende por la expansión del espacio-tiempo. También hay otras maneras, algunas que usan lo que sabemos sobre las estrellas gigantes rojas más brillantes.

Tenemos un alto nivel de confianza en nuestra capacidad para medir largas distancias, pero entiendo por qué, a pesar de esto, he recibido algunas preguntas de los lectores relacionados con esto. Uno se trata de lo que sucede a la luz a medida que se expande el universo. Una parte estándar de nuestra imagen cosmológica es que, al igual que la frecuencia de una sirena que se aleja de nosotros se desplaza hacia abajo, las ondas de luz se estiran a medida que se expande el tiempo espacial, enrojece la luz. Medir este desplazamiento al rojo es crucial para nuestro uso de supernovas para medir la distancia, como se mencionó anteriormente.

El desplazamiento al rojo también significa que la luz es de menor energía que antes. Pero no hay un lugar aparente que va la energía perdida, que parece sospechosa. Por lo general, cuando nos deshacemos de la energía, va a algún lado. Eso se requiere en la física newtoniana. Sin embargo, no es en la relatividad general. En otras palabras, lo que nos hace posible medir distancias largas también es algo que viola nuestras nociones cotidianas sobre cómo se mueve la energía en el universo.

Otra pregunta relacionada que llegó recientemente de un lector es sobre imágenes de galaxias distantes, como las de las Nuevo Observatorio de Vera C. Rubin Primeras imágenes. ¿No deberíamos ver las galaxias como un borde de la borracha, ya que el espacio-tiempo se está expandiendo?

Lo importante a tener en cuenta aquí es que “ver” la expansión del espacio-tiempo no es como ver a Lewis Hamilton en F1. Es mucho más como ver F1 si una carrera tomó miles de millones de años, muy, muy lejos. En esa escala, los autos no se moverían visiblemente. La única forma en que sabemos que las galaxias se alejan de nosotros es midiendo algo como el desplazamiento al rojo, y eso es solo una medida de cómo se estira la luz, no una observación del movimiento en tiempo real de la galaxia.

Me gustan especialmente este tipo de preguntas porque van al corazón de las metáforas que usamos los comunicadores científicos para hablar con nuestro público. Aprecio que Nuevo científico ¡Los lectores están empujando estas metáforas a sus límites!

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Chanda Prescod-Weinstein es profesora asociada de física y astronomía, y miembro central de la facultad en estudios de mujeres en la Universidad de New Hampshire. Su libro más reciente es el cosmos desordenado: un viaje hacia la materia oscura, el espacio -tiempo y los sueños diferidos