Nuestra vista de una pequeña región del Universo cerca del casquete galáctico norte, donde cada píxel de la imagen representa una galaxia cartografiada. En las escalas más grandes, el Universo es el mismo en todas las direcciones y en todos los lugares medibles, pero las galaxias distantes parecen más pequeñas, más jóvenes y menos evolucionadas que las que encontramos cerca.
SDSS III, data release 8
Hay dos cosas que la gente aprende sobre el Universo que les sorprenden más que ninguna otra: que el Universo no ha existido para siempre, sino sólo durante un tiempo finito desde el Big Bang, y que se ha estado expandiendo desde que ese evento tuvo lugar. La mayoría de la gente oye intuitivamente ese «bang» y se imagina una explosión, y luego concibe la expansión como si visualizara metralla lanzada en todas direcciones. Es cierto que la materia y la energía del Universo comenzaron en un estado caliente y denso a la vez, y luego se expandieron y enfriaron a medida que los distintos componentes se alejaban unos de otros. Pero eso no significa que la imagen de la «explosión» sea correcta. Tenemos una muy buena pregunta de Jasper Evers, que reflexiona:
Me pregunto cómo es que no hay un centro del universo y cómo es que la radiación cósmica de fondo está muy lejos dondequiera que miremos. Me parece que cuando el universo se expande… debería haber un lugar donde empezó a expandirse.
Después de todo, lo que esta pregunta está pidiendo es exactamente lo que se alinea con nuestra experiencia cada vez que nos encontramos con una explosión.
Berlyn Brixner
Cuando se produce una explosión, independientemente de si se basa en una reacción de combustión, una explosión nuclear, una ruptura causada por la sobrepresión de un contenedor, etc., las siguientes cosas son ciertas.
- Una explosión siempre comienza en un lugar específico del espacio.
- Una explosión ocupa inicialmente un volumen pequeño pero finito.
- Y una explosión se expande rápidamente hacia afuera en todas las direcciones, limitada sólo por las fuerzas y barreras externas que encuentra.
- densidades irregulares e inhomogéneas,
- tiempos de inicio variables para la formación de estrellas y el crecimiento de las galaxias,
- energías que varían enormemente de un lugar a otro de la manera adecuada y ajustada,
- y un misterioso brillo de fondo de 2.7 K de fondo que brilla en todas las direcciones,
Cuando se produce una explosión, una parte del material suele quedar atrapada y/o afectada por ella, y será empujada radialmente hacia fuera, siendo parte de ese material (normalmente el más ligero) el que más rápido se desplaza hacia fuera. Ese material que se desplaza más rápido se extenderá más rápidamente y más lejos que el resto del material, y se volverá menos denso como resultado. Aunque la densidad de la energía desciende en todas partes, lo hace más rápidamente lejos de la explosión, porque el material más energético se vuelve menos denso más rápidamente: en las afueras. Sólo midiendo las trayectorias de estas diferentes partículas, siempre se puede reconstruir dónde se produjo la explosión.
NASA / STScI / A. Felid
Pero esta imagen que acabo de pintar para ti -de una explosión- no coincide con nuestro Universo. El Universo tiene el mismo aspecto aquí que a unos cuantos millones o incluso a unos cuantos miles de millones de años luz. Tiene las mismas densidades, las mismas energías, el mismo número de galaxias en un determinado volumen de espacio, etc.
Los objetos que están muy lejos sí parecen alejarse de nosotros a mayor velocidad que los objetos cercanos, pero tampoco parecen tener la misma edad que los objetos más lentos y cercanos. En cambio, a medida que nos acercamos a distancias extremas, los más lejanos parecen más jóvenes, menos evolucionados, más numerosos y más pequeños en tamaño y masa. A pesar de que podemos ver galaxias a distancias superiores a los 30.000 millones de años luz, si rastreamos cómo se mueve todo y reconstruimos sus trayectorias hasta un origen común, vemos el más improbable de los resultados: el «centro» percibido cae justo sobre nosotros.
Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014)
De todos los trillones de galaxias del Universo, ¿cuáles son las probabilidades de que nos encontremos por casualidad justo en el centro de la explosión que inició el Universo? ¿Cuáles son las probabilidades, además de esas minúsculas, de que la explosión inicial estuviera configurada de tal manera, con
para conspirar para que estemos exactamente en el centro? Habría que inventar muchas cosas para explicar esto, y muchas observaciones seguirían siendo inexplicables. El escenario de la explosión no sólo es irreal, sino que desafía las leyes conocidas de la física.
ESO
En cambio, la ley de la gravedad que rige nuestro Universo -la teoría general de la relatividad de Einstein- predice que un Universo lleno de materia y energía no explota, sino que se expande. Un Universo lleno de cantidades iguales de materia en todas partes, con las mismas densidades y temperaturas medias, debe expandirse o contraerse; como observamos una recesión aparente, la solución de la expansión es la única que es física. (De la misma manera que la raíz cuadrada de 4 puede ser +2 o -2, pero sólo una de ellas corresponderá al número físico de manzanas en tus manos.)
Hay una idea errónea de que un Universo en expansión puede extrapolarse a un solo punto; ¡esto no es cierto! En cambio, puede extrapolarse hasta una región de tamaño finito con ciertas propiedades (es decir, llena de materia, radiación, las leyes de la física, etc.), pero luego debe evolucionar según las reglas que establece nuestra teoría de la gravedad.
A lo que esto conduce, inevitablemente, es a un Universo que tiene propiedades similares en todas partes. Esto significa que en cualquier región finita del espacio, de igual tamaño, deberíamos ver la misma densidad al Universo, la misma temperatura al Universo, el mismo número de galaxias, etc. También veríamos un Universo que pareciera evolucionar con el tiempo, ya que las regiones más lejanas deberían parecernos como eran en el pasado, habiéndose expandido menos y habiendo experimentado menos atracción gravitatoria y menores cantidades de agrupaciones.
Debido a que el Big Bang ocurrió en todas partes a la vez hace una cantidad finita de tiempo, nuestro rincón local del Universo parecerá ser el rincón más antiguo del Universo que existe. Desde nuestro punto de vista, lo que nos parece cercano es casi tan antiguo como nosotros, pero lo que aparece a grandes distancias es mucho más parecido a lo que era nuestro Universo cercano hace muchos miles de millones de años.
NASA, ESA y Z. Levay, F. Summers (STScI)
Las galaxias lejanas que existen están emitiendo luz constantemente, y nosotros estamos viendo la luz que ha llegado sólo después de que haya completado su viaje para llegar hasta nosotros a través del Universo en expansión. Las galaxias cuya luz ha tardado mil o diez mil millones de años en llegar hasta aquí aparecen tal y como eran hace mil o diez mil millones de años. Si nos remontamos todo el tiempo, hasta casi el momento del propio Big Bang, encontraríamos que el Universo cuando era tan joven estaba dominado por la radiación, y no por la materia. Tiene que expandirse y enfriarse para que la materia se vuelva más importante, energéticamente hablando.
Con el tiempo, a medida que ese Universo se expande y se enfría, los átomos neutros pueden finalmente formarse de forma estable sin ser inmediatamente destrozados. Sin embargo, la radiación que una vez dominó el Universo aún persiste, y continúa enfriándose y desplazándose al rojo debido a la expansión del espacio. Lo que hoy percibimos como Fondo Cósmico de Microondas es consistente con ser el resplandor sobrante del Big Bang, pero también es observable desde cualquier parte del Universo.
Chris Blake y Sam Moorfield
No existe necesariamente un centro del Universo; es sólo nuestra intuición sesgada la que nos dice que debería haber uno. Podemos establecer un límite inferior en el tamaño de la región donde debe haber ocurrido el Big Bang -no puede ser más pequeño que el tamaño de un balón de fútbol o así- pero no hay un límite superior; la región del espacio donde ocurrió el Big Bang podría incluso haber sido infinita.
Si realmente hay un centro, podría estar literalmente en cualquier lugar, y no tendríamos forma de saberlo. La porción del Universo que es observable para nosotros no es lo suficientemente grande como para revelar esa información, incluso si pudiera ser cierto. Necesitaríamos ver un borde del Universo (no lo vemos), u observar una anisotropía fundamental en la que las diferentes direcciones parecen diferentes (pero vemos las mismas temperaturas y recuentos de galaxias), y necesitaríamos ver un Universo que pareciera ser diferente de región a región en las escalas cósmicas más grandes (pero en cambio parece ser homogéneo).
Tanto las simulaciones (rojo) como los estudios de galaxias (azul/púrpura) muestran los mismos patrones de agrupación a gran escala. El Universo, particularmente en las escalas más pequeñas, no es perfectamente homogéneo, pero en las grandes escalas la homogeneidad e isotropía es una buena suposición con una precisión superior al 99,99%.
Gerard Lemson y el Consorcio Virgo
Suena tan razonable la pregunta «¿de dónde empezó a expandirse el Universo?». Pero una vez que te des cuenta de todo lo anterior, reconocerás que es una pregunta totalmente equivocada. «En todas partes, todo a la vez», es la respuesta a esa pregunta, y eso se debe en gran medida a que el Big Bang no se refiere a una ubicación especial en el espacio, sino a un momento especial en el tiempo.
Eso es lo que es el Big Bang: una condición que afecta a todo el Universo observable -y posiblemente a una región mucho, mucho más grande que eso- todo a la vez en un momento específico. Es la razón por la que mirar objetos que están más lejos en el espacio significa que estamos viendo ese objeto tal y como era en un momento en el pasado lejano. Es la razón por la que todas las direcciones parecen tener propiedades aproximadas que son uniformes independientemente de dónde miremos. Y es por eso que podemos rastrear nuestra historia cósmica, a través de la evolución de los objetos que vemos, tan lejos como nuestros observatorios nos permiten ir.
Las galaxias comparables a la actual Vía Láctea son numerosas, pero las galaxias más jóvenes que son similares a la Vía Láctea… similares a la Vía Láctea son inherentemente más pequeñas, más azules, más caóticas y más ricas en gas en general que las galaxias que vemos hoy en día. Para las primeras galaxias de todas, esto debería llevarse al extremo, y sigue siendo válido hasta donde hemos visto.
NASA y ESA
A pesar de todo lo que tenemos acceso -a pesar de todo lo que nos dicen nuestras teorías y observaciones- todavía hay una tremenda cantidad que nos sigue siendo desconocida. No sabemos cuál es el tamaño real de todo el Universo; sólo tenemos el límite inferior de que ahora debe tener un radio de al menos 46.100 millones de años luz en todas las direcciones desde nuestra perspectiva.
No sabemos cuál es la forma del tejido del espacio, y si es positivamente curvado como una esfera, negativamente curvado como una silla de montar, o perfectamente plano, como una hoja o un cilindro. No sabemos si se curva sobre sí mismo o si es eterno. Todo lo que sabemos se basa en lo que podemos observar. A partir de esa información, podemos concluir que es consistente con un tamaño infinito, es consistente con una planitud perfecta, pero la información contraria puede estar en el siguiente dígito significativo de datos o justo más allá de nuestro horizonte cósmico observable. Es vital que sigamos buscando.
En una escala logarítmica, el Universo cercano tiene el sistema solar y nuestra Vía Láctea. Pero más allá… están todas las demás galaxias del Universo, la red cósmica a gran escala y, finalmente, los momentos inmediatamente posteriores al propio Big Bang. Aunque no podemos observar más allá de este horizonte cósmico, que actualmente está a una distancia de 46.100 millones de años luz, habrá más Universo que se nos revelará en el futuro. El Universo observable contiene hoy 2 trillones de galaxias, pero a medida que pase el tiempo, más Universo será observable para nosotros, tal vez revelando algunas verdades cósmicas que son oscuras para nosotros hoy.
El usuario de Wikipedia Pablo Carlos Budassi
La razón por la que no podemos conocer la verdadera naturaleza del Universo -la totalidad del Universo inobservable- es porque la porción a la que tenemos acceso es finita. Hay una cantidad finita de información que somos capaces de recoger sobre nuestro cosmos, incluso si desarrollamos instrumentos y detectores arbitrariamente potentes. Es eminentemente plausible que incluso si esperamos una cantidad infinita de tiempo, nunca sabremos si el Universo es finito o infinito, o cuál es su forma geométrica.
Ya sea que veas el tejido del espacio como un pan de pasas con levadura o un globo en expansión con monedas pegadas a la superficie, debes tener en cuenta que la parte del Universo a la que podemos acceder es probablemente sólo un componente diminuto de lo que realmente existe. Lo que es observable para nosotros sólo establece un límite inferior a la totalidad de lo que hay ahí fuera. El Universo podría ser finito o infinito, pero de lo que estamos seguros es de que se está expandiendo, haciéndose menos denso, y de que los objetos más lejanos aparecen como hace mucho tiempo. Como señala la astrofísica Katie Mack:
El Universo se está expandiendo como se expande tu mente. No se está expandiendo en nada; sólo se está haciendo menos denso.