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Universo en expansión y Big Bang

Expanding Universe & Big Bang

Las galaxias no vuelan a través del espacio: lo que se estira es el espacio que hay entre ellas, y por eso cada galaxia se aleja de todas las demás. Por eso las galaxias más lejanas se alejan más deprisa, una relación llamada ley de Hubble, v = H₀d, y la luz de las galaxias que se alejan llega estirada hacia longitudes de onda mayores, un desplazamiento hacia el rojo llamado corrimiento al rojo. Si se rebobina la expansión, todo el universo estaba extremadamente caliente y denso hace unos 13 800 millones de años; esa idea es la teoría del Big Bang. En el diagrama, al subir el factor de escala todas las distancias se estiran en la misma proporción, y los tres puntos de la gráfica de abajo quedan siempre sobre una misma recta que pasa por el origen.

El universo se expande

🎈 Pensar con puntos en un globo
①Si se dibujan puntos repartidos por un globo y se infla, la distancia entre cada par de puntos crece en la misma proporción
②Desde cualquier punto, todos los demás se alejan, así que un universo en expansión no tiene un centro especial
③Los puntos no corren sobre la superficie: es la superficie la que se estira, y las galaxias se separan porque se estira el propio espacio
④Un punto que estaba al doble de distancia se aleja el doble en el mismo tiempo

Ver la expansión

1.5
💡 Qué mirar en el diagrama
①La fila de arriba es el estado inicial y la de abajo, el estado después de que el espacio se haya estirado en un factor a
②Mientras la galaxia a un paso del observador central se aleja una distancia x, la que está a dos pasos se aleja 2x y la que está a tres, 3x
③La distancia recorrida en el mismo tiempo es la velocidad, así que la velocidad de recesión es proporcional a la distancia actual
④Por eso, sea cual sea a, los tres puntos de la gráfica quedan sobre una misma recta que pasa por el origen, y su pendiente hace el papel de la constante de Hubble

Ley de Hubble y corrimiento al rojo

Ley de Hubble
v = H₀d
La velocidad de recesión (v) es proporcional a la distancia (d); la constante H₀ es la constante de Hubble, que hoy se mide en unos 70 km/s/Mpc.
Corrimiento al rojo
z = Δλ / λ₀ ≈ v / c
La luz de una galaxia que se aleja se estira hacia longitudes de onda mayores. Cuando la velocidad es mucho menor que la de la luz, z ≈ v / c da la velocidad.
🔴 La velocidad, del corrimiento al rojo; la distancia, de la ley de Hubble
①Igual que la sirena de una ambulancia suena más grave cuando pasa y se aleja, la luz de una fuente que se aleja se estira hacia longitudes de onda mayores
②El corrimiento al rojo es cuánto se han desplazado hacia el rojo las líneas de absorción del espectro de una galaxia respecto a su posición en el laboratorio
③Con la velocidad de recesión obtenida del corrimiento al rojo, la ley de Hubble, d = v / H₀, permite estimar la distancia
④En 1929 Hubble comparó las distancias y las velocidades de recesión de las galaxias y publicó esta relación de proporcionalidad

La teoría del Big Bang

Lo esencial del Big Bang
un estado extremadamente caliente y denso hace unos 13 800 millones de años → el espacio se expande y se enfría → el universo de hoy
El Big Bang no fue una explosión en un punto, sino el comienzo de la expansión de todo el universo a la vez.
Pruebas del Big Bang
① expansión del universo (ley de Hubble) ② fondo cósmico de microondas (unos 2,7 K) ③ razón de masas hidrógeno : helio ≈ 3 : 1
La teoría del estado estacionario también acepta la expansión, así que lo que decidió entre ambas fueron ② y ③, que el estado estacionario explica con dificultad.
📡 El fondo cósmico de microondas
①Unos 380 000 años después del Big Bang, el universo se enfrió hasta unos 3000 K; los electrones y los núcleos se unieron en átomos y la luz pudo viajar libremente sin que la materia la frenara
②Esa luz se ha ido estirando con la expansión y hoy llega como microondas a unos 2,7 K, casi por igual desde todas las direcciones del cielo
③En 1965 Penzias y Wilson la descubrieron por casualidad mientras buscaban el origen de un ruido en una antena
④La teoría del Big Bang había predicho esta radiación, así que su descubrimiento hizo que la teoría se aceptara ampliamente

Ejemplos y examen

Ejemplo 1
Si la constante de Hubble es H₀ = 70 km/s/Mpc, ¿a qué velocidad se aleja una galaxia situada a 100 Mpc?
1
Se sustituyen los valores en la ley de Hubble, v = H₀d.
2
v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7000 km/s.
▸ 7000 km/s
En el mismo universo, una galaxia a 200 Mpc se aleja al doble de velocidad, a 14 000 km/s. El doble de distancia, el doble de velocidad de recesión.
Ejemplo 2
De las observaciones que respaldan el Big Bang, ¿cuáles son las dos que la teoría del estado estacionario explica con dificultad?
1
La expansión del universo (ley de Hubble) también la acepta la teoría del estado estacionario, así que no sirve para decidir entre ambas.
2
El fondo cósmico de microondas (unos 2,7 K), luz liberada unos 380 000 años después del Big Bang, y la razón de masas hidrógeno : helio fijada en el universo primitivo (unos 3 : 1) coinciden con lo que predice la teoría del Big Bang.
▸ el fondo cósmico de microondas (unos 2,7 K) y la razón de masas hidrógeno : helio ≈ 3 : 1
La teoría del estado estacionario sostiene que aparece materia nueva mientras el universo se expande y que la densidad no cambia, así que no puede explicar una radiación de fondo heredada de una época en que todo el universo estaba caliente.
Problema tipo CSAT
¿Qué afirmación sobre la expansión del universo y la teoría del Big Bang es correcta?
①El corrimiento al rojo aparece cuando una galaxia se acerca
②Según la ley de Hubble, cuanto más lejos está una galaxia, más deprisa se aleja
③El fondo cósmico de microondas tiene una temperatura de unos 270 K
④El universo tiene unos 4600 millones de años
⑤El fondo cósmico de microondas solo se observa desde una dirección
▸ ② Según la ley de Hubble, cuanto más lejos está una galaxia, más deprisa se aleja
1
En la ley de Hubble, v = H₀d, la velocidad de recesión es proporcional a la distancia, así que las galaxias más lejanas se alejan más deprisa.
2
El corrimiento al rojo aparece cuando la galaxia se aleja (①), la radiación de fondo está a unos 2,7 K (③), el universo tiene unos 13 800 millones de años (④) y la radiación de fondo llega casi por igual desde todas las direcciones (⑤).

Resumen

Expansión y Big Bang en breve
corrimiento al rojo → velocidad de recesión → v = H₀d → expansión → teoría del Big Bang
Un corrimiento al rojo que crece en proporción a la distancia demostró que el universo se expande, y la radiación de fondo y la proporción de elementos ligeros respaldan la teoría del Big Bang.
🎯 Puntos clave
①Ley de Hubble, v = H₀d: la velocidad de recesión es proporcional a la distancia
②Corrimiento al rojo: la luz de una galaxia que se aleja se estira y sus líneas de absorción se desplazan hacia el rojo
③La expansión no tiene centro; desde cualquier galaxia, las demás se alejan
④Las pruebas del Big Bang son el fondo cósmico de microondas (unos 2,7 K, luz liberada unos 380 000 años después del Big Bang) y la razón de masas hidrógeno : helio ≈ 3 : 1
⑤El universo tiene unos 13 800 millones de años
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