Ahí fuera

Sus mayores preguntas cósmicas, Respuestas (Parte 1)Por Corey S. Powell | 01 de mayo 2013 15:36

Hace quince años, un pequeño grupo de investigadores tomó algunas de las nociones más firmemente sostenidas acerca de cómo funciona el universo y las volteó de cabeza. Hasta entonces, todo el mundo estaba seguro de que la expansión del universo nació en un Big Bang explosivo y ha ido disminuyendo desde entonces, arrastrado por la fuerza gravitacional de incontables miles de millones de galaxias. Pero, de hecho, la expansión se está acelerando. Todo el mundo estaba seguro de que la materia era lo que dominaba el comportamiento general del universo. Pero, de hecho, parece que la "energía oscura", no importa, ya que se está ejecutando el “programa”. Vaya.

En el Quinteto de Stephan, las galaxias rojizas están 8 veces más lejos que el azul en la parte superior izquierda.

Los astrónomos deducen distancias midiendo cómo la luz se ve afectada por la expansión del universo. (Crédito: NASA, ESA, y el Hubble SM4 ERO Team) La historia de DISCOVER cubierta en mayo (Frente a la oscuridad por Zeeya Merali) relata el descubrimiento que cambia el juego, y presenta las últimas ideas sobre lo que es la energía oscura y cómo afecta el destino del universo. Tan pronto como se publicó el artículo, la bandeja de entrada de DISCOVER comenzó a llenarse de cartas de lectores curiosos que quieren saber más. Aquí me referiré a las preguntas radicales, el panorama general acerca de la cosmología. Voy a considerar las preguntas más específicas acerca de la energía oscura y la materia oscura en el siguiente post.

Antes de bucear, una importante pieza de contexto. Las respuestas que doy aquí no son mías. Ellas se destilan de los dedicados esfuerzos de los astrónomos y los físicos de todo el mundo, trabajando con los más grandes telescopios e instrumentos construidos nunca. Hay muchas cosas que todavía no sabemos acerca de cómo comenzó el universo y cómo va a terminar. Algunas, generalizaciones serán revocadas. Pero el último siglo de investigación ha ofrecido una visión increíblemente detallada sobre la estructura y funcionamiento del universo. Bien, entonces, vamos con las preguntas!

He visto los mapas del universo, pero nunca vi donde comenzó. ¿Hay alguna manera de que pudiéramos trazar la dirección de todas las galaxias para alterar el diseño del punto de partida? -Roger D.

Esta pregunta, y varias otras similares que recibimos, se sitúa en una de las ideas más confusas pero fundamental de la cosmología moderna. El Big Bang no fue una explosión en el espacio, era una explosión de espacio. Dicho de otra manera, el Big Bang tuvo lugar en todas partes a la vez porque el espacio mismo surgió al mismo tiempo que la materia y la energía. No había espacio exterior que el universo se expandió a (al menos no en el sentido tridimensional conocida), y no hay un solo lugar podemos señalar que es el lugar donde se inició el Big Bang.

Dondequiera que usted está sentado ahora, se puede pensar que a medida que el centro de la Gran Explosión. Es lo más preciso recoger cualquier otra ubicación. Lo siento, pero esa es la respuesta real.

Desde nuestra perspectiva, las galaxias parecen estar volando en todas direcciones. Los observadores en otros lugares del universo ven exactamente lo mismo. No hay nada especial acerca de nuestro lugar, porque todos los lugares del universo en expansión uniforme parecen estar en el centro de la expansión. El trazado de la dirección de las galaxias no puede alterar el diseño del punto de partida, una vez más, esto solo conducirá de vuelta a donde está.

Usted podría preguntarse, ¿cómo pueden todas las galaxias volar a través del espacio en una formación ordenada? La respuesta de nuevo requiere descartar la noción de "espacio" como una cosa fija e inmutable. En la expansión global del Universo, las galaxias no están alejando a tremendas velocidades a través del espacio, el espacio mismo se está expandiendo, el aumento de la escala total del universo.

¿Cuál es la forma del universo? Se trata de una esfera hueca? La analogía del globo parece sugerir que es, pero no puede ser tan simple. -Howard L.

La analogía del globo es una herramienta visual que los cosmólogos utilizan a menudo para ayudar a explicar la expansión del Universo. Imagínese que usted está sentado en la superficie de un enorme globo que está marcado con puntos. Si se infla el globo, los puntos parecen moverse lejos de su ubicación en todas las direcciones. Lo mismo es cierto para cualquier otro observador en cualquier otra ubicación en el globo. Además, la velocidad a la que se mueven los puntos de distancia es proporcional a su distancia. Imagínese que el globo se duplica en

tamaño después de un minuto. Los puntos que estaban a una pulgada están ahora a dos pulgadas de distancia, puntos que eran dos pulgadas son ahora de cuatro pulgadas de distancia (es decir, que se han trasladado al doble de distancia), y así sucesivamente.

Otra forma de mirar la forma del universo: un gráfico de la radio de cambio de la parte visible del universo en el tiempo. Con mucho, la expansión más extrema que ocurrió en la primera fracción de un segundo-y este diagrama es en gran medida no es a escala. (Crédito: NASA / WMAP Science Team)

El problema con la analogía del globo es que es sólo una analogía. En una escala local de la superficie del globo es esencialmente una membrana de dos dimensiones, pero el universo es un espacio tridimensional. El globo tiene un centro geométrico en tres dimensiones, mientras que el universo no es así. "El interior del globo es análoga a la cuarta dimensión", explica Brian Schmidt, quien compartió el premio Nobel por el descubrimiento de la aceleración del universo. En ese sentido, argumenta, que realmente se puede pensar en el universo como una esfera de dimensiones superiores. Yo no sé ustedes, pero yo lo veo bastante difícil de visualizar.

Los cosmólogos no hablan de la "forma" general del espacio en el universo. Esta es una manera de describir lo que sucedería con un haz de luz que viaja a una muy larga distancia a través del espacio: ¿Sería curva o movimiento en línea recta? (La forma del universo está influenciada por su densidad global.) Un modelo cosmológico ampliamente aceptado llamado "inflación", desarrollado en la década de 1980, predijo que el universo debe ser casi perfectamente plano. En ese momento, no había manera de saber, pero ahora sabemos que la predicción era correcta: Mediante el estudio de la radiación de microondas emitida poco después del Big Bang, el satélite WMAP de la NASA ha descubierto que el universo es plano dentro de un margen de 0,4% de error .

¿Qué hay de eso. El mundo es plano, después de todo.

¿Qué existía 10 minutos antes del Big Bang? ¿Qué causó que se produjera el Big Bang? ¿Cuántos otros universos Big Bang allí? - Joseph T.

La respuesta más sencilla y honesta a esta pregunta es, "nadie lo sabe."

Oh, pero un montón de gente y está dispuesta a teorizar. Hay muchas ideas que hay en la literatura científica. En los años 1920 y 1930 una serie de científicos, entre ellos Albert Einstein, considerado la posibilidad de un universo eterno, cíclico que se expande, se contrae, y rebota una y otra vez. Los modelos originales fracasaron porque violan la segunda ley de la termodinámica, en esencia, el universo se sigue corriendo hacia abajo en vez de reposición. Pero la idea de la reencarnación sin fin es tan atractivo que sigue volviendo.

Una forma es la cosmología ekpirótica co-desarrollado por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton. En este modelo, el Big Bang fue provocado por la colisión de dos "branas"-tres mundos tridimensionales en movimiento a través del espacio de dimensiones superiores. Imagínese una fotografía de dos piezas arrugadas de papel al golpearse entre sí y eso sería tener una idea correcta, dentro de los límites de la visualización. Cuando las branas fueron afectadas, nuestro universo nació y las dos branas se convirtieron en pedazos. Con el tiempo van a chocar otra vez, provocando un nuevo Big Bang y un nuevo universo, y luego otra vez y otra vez.

Otro tipo de modelo cosmológico eterno surge de la teoría de la inflación-el mismo que predijo que el universo es plano. Los cosmólogos Andre Linde y Alan Guth, dos de los creadores de la teoría de la inflación, se dieron cuenta de que este modelo podría permitir no sólo un único Big Bang, sino un sinfín de Big Bangs, cada uno dando lugar a nuevos universos. En este modelo de la inflación eterna, nuestro universo es sólo uno de una multitud-un multiverso-que podría ser infinito en extensión y duración. Cada universo nace de una fluctuación cuántica en un campo de energía, que rápidamente hace que los brotes se coloquen fuera y se expanden en un nuevo universo. El campo de la inflación puede ser considerado como el detonante que hizo que el Big Bang fuese a Bang. Guth vez llamó a esto "el almuerzo gratis definitivo."

Y las cosas se ponen más raras. Cada universo podría tener sus propias leyes de la física, por lo que algunos podrían ser casi exactamente igual que el nuestro, y

algunos podrían ser completamente diferentes. La teoría de cuerdas (que trata de construir un conjunto único de normas para explicar todas las partículas y fuerzas) predice que podría haber 10.500 tipos diferentes de universos. Por ahora esto es pura especulación, sin embargo.

La teoría subyacente de la inflación, por otra parte, coincide con precisión muchas de las propiedades observadas del universo, y ha recibido apoyo empírico impresionante. La inflación predice un patrón específico en el fondo cósmico de microondas, la radiación remanente del Big Bang. El WMAP y los satélites Planck han observado un patrón. Eso no prueba que la inflación es correcta, pero seguro que hace que la teoría parezca más creíble.

Si el Big Bang inicial se expandió el universo más rápido la luz, no que violan la creencia de Einstein que nada puede superar la velocidad de la luz? -Rick B.

Si el modelo de la cosmología inflacionaria es correcta, el universo se expandió más rápido que la luz, mucho, mucho más rápido que la luz en el primer 10-30 segundo de la existencia. A primera vista, eso suena como una violación de la teoría especial de la relatividad de Einstein, que dice que nada puede ir más rápido que la luz. Más específicamente, sin embargo, afirma la relatividad especial que ningún objeto con masa puede igualar (o superar) la velocidad de la luz. En los inicios del universo, los objetos no se mueven a través del espacio más rápido que la luz, el espacio mismo se mueve más rápido que la luz, que no viole}a el precepto de Einstein en absoluto.

Suena como hacer trampa, ¿no? Pero este concepto es del todo cierto, tanto a la letra y el espíritu de la teoría de Einstein. La relatividad especial se explica el comportamiento de los objetos de luz y movimiento, y explica por qué las leyes de la física parecen iguales a todos los observadores. La hiper-expansión del espacio no afectaría a las leyes locales de la física, y todos los objetos se alejan más rápido que la luz sería fundamentalmente observable y por lo tanto irrelevante.

Una vez más, la clave está dispensando con la idea de objetos que se mueven a través del espacio y el tiempo para acostumbrarse a la idea de que el espacio

mismo se puede estirar. Eso también es esencial para la comprensión de las ideas actuales acerca de la energía oscura y la expansión acelerada del universo.

El autor se refiere a la relación desplazamiento al rojo de la luz de estiramiento, como derivado del Efecto Doppler, pero esto no es cierto. Es desde el espacio estiramiento que es claramente diferente de la elongación de la longitud de onda del efecto Doppler. -Tom M.

La afirmación del escritor es correcta. Como las galaxias distantes se alejan de la Tierra, su luz se estira y se ruborizó. El "corrimiento al rojo" resultante es como Edwin Hubble (basándose en datos de anónimo astrónomo Vesto Slipher) dedujo la aparente expansión del universo en 1929. Muchos científicos-incluyendo el propio Hubble, han atribuido el enrojecimiento al efecto Doppler, a pesar de que la explicación no es técnicamente precisa.

El efecto Doppler hace que las ondas a acumularse si se están moviendo hacia usted y para estirarse si se están alejando. El ejemplo clásico es la sirena de un coche de bomberos, que se desplaza a una nota más alta que el motor se acerca a ti y de repente cambia a un tono más bajo, ya que pasa y empieza a retroceder. Los astrónomos observan Doppler cambia todo el tiempo, que mide cómo varios objetos se están moviendo hacia o lejos de sus telescopios. Esta es una de las principales formas en que los científicos han identificado planetas alrededor de otras estrellas.

Pero sigo diciendo (y por favor tengan paciencia conmigo), la expansión del universo se debe a una expansión del espacio mismo, no al movimiento de las galaxias a través del espacio. Como las ondas de luz se mueven a través de ampliar el espacio, ellos mismos se expanden y desplazan al rojo. (La analogía del globo es útil de nuevo: Piense qué ocurriría si se dibujara una ola en el globo y luego sopló para arriba.) El resultado es esencialmente equivalente a un desplazamiento Doppler, pero la causa es muy diferente. Por esta razón, los corrimientos al rojo de las galaxias distantes se conocen correctamente como corrimiento al rojo cosmológico. Un guiño a Tom M. para la captura de un error sutil pero importante.

Out There« Update: The Battle Over Who Gets to Name Planets

Your Biggest Cosmic Questions, Answered (Part 1)By Corey S. Powell | May 1, 2013 3:36 pm

Fifteen years ago, a small cabal of researchers took some of the most firmly held notions about how the universe works and turned them on their head. Until then, everyone was sure that the expanding universe was born in an explosive Big Bang and had been slowing down ever since, dragged by the gravitational pull of untold billions of galaxies. But in fact the expansion is speeding up. Everyone was sure that matter was what dominated the overall behavior of the universe. But in fact it seems that “dark energy,” not matter, is running the show. Whoops.

In Stephan’s Quintet, the ruddy galaxies are 8 times as far away as the bluish one at upper left. Astronomer deduce distances by measuring how light is affected by the expansion of the universe. (Credit: NASA, ESA

and the Hubble SM4 ERO Team)

The May cover story in DISCOVER magazine (Confron ting the Dark  by Zeeya Merali) chronicles that game-changing discovery, and lays out the latest thinking about what dark energy is and how it affects the fate of the universe. As soon as the article was published, DISCOVER’s inbox began to fill with letters from curious readers wanting to know more. Here I will address sweeping, big-picture questions about cosmology. I’ll consider more specific queries about dark energy and dark matter in a following post.

Before I dive in, an important pieces of context. The answers I give here are not my own. They are distilled from the dedicated efforts of astronomers and physicists around the world, working with the greatest telescopes and instruments ever built. There is a lot we still do not know about how the universe began and how it will end. Some widely held ideas will, very likely, again be overturned. But the past century of research has yielded an amazingly detailed understanding about the overall structure and workings of the universe. OK then, on to the questions!

I have seen maps of the universe, but I never saw where it started. Is there some way we could plot the direction of all the galaxies to reverse engineer the starting point?  –Roger D.

This question, and several other similar ones we received, gets at one of the most confounding yet fundamental ideas in modern cosmology. The Big Bang was not an explosion in space—it was an explosion of space. Put another way, the Big Bang took place everywhere at once because

space itself emerged at the same time as matter and energy. There was no outside space that the universe expanded into (at least not in the familiar three-dimensional sense), and there is no one location we can point to that is the place where the Big Bang began.

Wherever you are sitting now, you can think of that as the center of the Big Bang. It is as accurate as picking any other location. Sorry, but that’s the real answer.

From our perspective, galaxies appear to be flying away in all directions. Observers elsewhere in the universe would see the exact same thing. There’s nothing special about our spot, because every location in a uniformly expanding universe appears to be at the center of the expansion. Plotting the direction of galaxies cannot reverse engineer the starting point; again, it will only lead right back to where you are.

You might wonder, how can galaxies all be flying through space in such neat formation? The answer again requires discarding the notion of “space” as a fixed, immutable thing. In the overall expansion of the universe, galaxies are not flying at tremendous speeds through space; space itself is expanding, increasing the total scale of the universe.

What is the shape of the universe? Is it a hollow sphere? The balloon analogy seems to suggest it is, but it can’t be that simple.–Howard L.

The balloon analogy is a visual tool that that cosmologists often use to help explain the expansion of the universe. Imagine you are sitting on the surface of an enormous balloon that is marked with dots. If the balloon is inflated, the dots appear to move away from your location in all directions. The same is true for any other observer at any other location on the balloon. Furthermore, the speed at which the dots move away is proportional to their distance. Imagine the balloon doubles in size after a minute. Dots that were an inch away are now two inches away; dots that were two inches away are now four inches away (ie, they have moved twice as far); and so on.

Another way to look at the shape of the universe: a plot of the changing radius of the visible part of universe over time. By far the most extreme expansion happened in the first fraction of a second–and this diagram is

very much not to scale. (Credit: NASA/WMAP Science Team)

The problem with the balloon analogy is that it is just an analogy. On a local scale the surface of the balloon is essentially a two-dimensional membrane, but the universe is a three-dimensional space. The balloon has a geometric center in three dimensions, whereas the universe does not. “The interior of the balloon is analogous to the 4th dimension,” explains Brian Schmidt, who shared the Nobel prize for the discovery of the accelerating universe. In that sense, he argues, you really can think of the universe as a higher-dimensional sphere. I don’t know about you, but I that pretty hard to visualize.

Cosmologists do talk about the overall “shape” of space in the universe. This is a way of describing what would happen to a beam of light traveling an extremely long distance through space: Would it curve or move in a straight line? (The shape of the universe is influenced by its overall density.) A widely accepted cosmological model called “inflation,” developed in the 1980s, predicted that the universe should be almost perfectly flat. At the time, there was no way to tell, but now we know that the prediction was correct: By studying microwave radiation emitted shortly after the Big Bang, NASA’s WMAP satellite has found that the universe is flat to within a 0.4% margin of error.

How about that. The world is flat after all.

What existed 10 minutes before the Big Bang? What caused the Big Bang to occur? How many other Big Bang universes are there? – Joseph T.

The simplest and most honest answer to this question is, “nobody knows.”

Oh, but plenty of people are wiling to theorize. There are many ideas out there in the scientific literature. In the 1920s and 1930s a number of scientists, including Albert Einstein, considered the possibility of an

eternal, cyclic universe that expands, contracts, and rebounds over and over. Those original models failed because they violated the second law of thermodynamics; essentially, the universe would keep running down instead of resetting. But the idea of endless rebirth is so appealing that it keeps coming back.

One form is the ekpyrotic cosmology co-developed by Paul Steinhardt at Princeton University. In this model, the Big Bang was sparked by the collision of two “branes”—three dimensional worlds moving through higher-dimensional space. Picture two crinkled pieces of paper banging into each other and you have the right idea, within the limits of visualization. When the branes hit, our universe was born and the two branes moved apart. After a trillion years or so they will collide again, triggering a new Big Bang and a new universe, and then again and again. According to Steinhardt’s calculations, the cycle could keep going essentially forever without violating thermodynamics.

Another type of eternal cosmological model emerges from the theory of inflation—the same one that predicted that the universe is flat. CosmologistsAndre Linde and Alan Guth, two of the creators of inflation theory, realized that this model could allow not just a single Big Bang but endless Big Bangs, each giving rise to new universes. In this model of eternal inflation, our universe is just one of a multitude—a multiverse—which could be infinite in extent and duration. Each universe is born from a quantum fluctuation in an energy field, which rapidly buds off and expands into a new universe. The inflation field can be thought of as the trigger that made the Big Bang go bang. Guth once called this “the ultimate free lunch.”

And things get weirder. Each universe could have its own laws of physics, meaning that some would be almost exactly like ours and some would be completely different. String theory (which attempts to build a single set of rules to explain all particles and forces) predicts there could be 10500different types of universes. For now this is pure speculation, however.

The underlying theory of inflation, on the other hand, accurately matches many of the observed properties of the universe, and it has received impressive empirical support. Inflation predicts a specific pattern in the cosmic microwave background, the radiation left over from the Big Bang. The WMAP and Planck satellites have observed just such a pattern. That does not prove that inflation is correct, but it sure does make the theory look more credible.

If the Big Bang initially expanded the universe faster light, doesn’t that violate Einstein’s belief that nothing can exceed the speed of light? –Rick B.

If inflationary model of cosmology is correct, the universe expanded faster than light—much, much faster than light—in the first 10-30 second of existence. At first blush that sure seems like a violation of Einstein’s special theory of relativity, which states that nothing can go faster than light. More specifically, though, special relativity states that no object with mass can match (or exceed) the speed of light. In the early universe, objects were not moving through space faster than light; space itself was moving faster than light, which does not violate Einstein at all.

Sounds like cheating, doesn’t it? But this concept is completely true both to the letter and the spirit of Einstein’s theory. Special relativity explains the behavior of light and moving objects, and accounts for why the laws of physics look the same to all observers. The hyper-expansion of space would not affect the local laws of physics, and any objects receding faster than light would be fundamentally unobservable and hence irrelevant.

Once again, the key is dispensing with the idea of objects moving through space and getting used to the idea that space itself can stretch. That is also essential to understanding the current thinking about dark energy and the accelerating expansion of the universe.

The author refers to the redshift related stretching of light as arising from the Doppler Effect, but this is not true. It is from space stretching which is distinctly different from the elongation of wavelength from the Doppler Effect. –Tom M.

The writer is correct. As distant galaxies move away from Earth, their light gets stretched and reddened. The resulting “redshift” is how Edwin Hubble (drawing on data from unsung astronomer Vesto Slipher) deduced the apparent expansion of the universe in 1929. Many scientists—including Hubble himself—have attributed that reddening to the Doppler effect, even though that explanation is not technically accurate.

The Doppler effect causes waves to pile up if they are moving toward you and to stretch out if they are moving away. The classic example is the siren of a fire engine, which shifts to a higher note as the engine approaches you and suddenly shifts to a lower note as it passes by and begins to recede. Astronomers observe Doppler shifts all the time, measuring how various objects are moving toward or away from their telescopes. This is one of the primary ways that scientists have identified planets around other stars.

But as I keep saying (and please bear with me), the expansion of the universe is due to an expansion of space itself, not to the motion of

galaxies through space. As light waves move through expanding space, they themselves get expanded and shifted to the red. (The balloon analogy is useful again: Think what would happen if you drew a wave on the balloon and then blew it up.) The result is essentially equivalent to a Doppler shift, but the root cause is very different. For this reason, the redshifts of distant galaxies are properly known as cosmological redshifts. A tip of the hat to Tom M. for catching a subtle but important error.

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