El problema de la edad cósmica fue un problema histórico en astronomía relacionado con la edad del universo . El problema fue que en varios momentos del siglo XX, se estimó que el universo era más joven que las estrellas más antiguas observadas. Las estimaciones de la edad del universo provenían de mediciones de la tasa de expansión actual del universo, la constante de Hubble , así como de modelos cosmológicos relacionados con el contenido de materia y energía del universo (ver las ecuaciones de Friedmann ). Los problemas con la medición , así como el desconocimiento de la existencia de la energía oscura, llevaron a estimaciones falsas de la edad. [1] [2] Además, objetos como galaxias, estrellas y planetas no podrían haber existido en las temperaturas y densidades extremas poco después del Big Bang .
Desde aproximadamente 1997-2003, se cree que la mayoría de los cosmólogos han resuelto el problema: las mediciones cosmológicas modernas conducen a una estimación precisa de la edad del universo (es decir, el tiempo transcurrido desde el Big Bang) de 13.800 millones de años, y las estimaciones recientes de la edad de los objetos más antiguos son o bien más jóvenes que esto o bien consistentes, lo que permite incertidumbres en las mediciones.
Tras los desarrollos teóricos de las ecuaciones de Friedmann por Alexander Friedmann y Georges Lemaître en la década de 1920, y el descubrimiento del universo en expansión por Edwin Hubble en 1929, quedó inmediatamente claro que rastrear esta expansión hacia atrás en el tiempo predice que el universo tenía un tamaño casi cero en un tiempo finito en el pasado. Este concepto, inicialmente conocido como el "Átomo Primordial" por Lemaître, fue elaborado más tarde en la teoría moderna del Big Bang . Si el universo se hubiera expandido a un ritmo constante en el pasado, la edad del universo ahora (es decir, el tiempo desde el Big Bang) es simplemente proporcional a la inversa de la constante de Hubble, a menudo conocida como el tiempo de Hubble . Para los modelos del Big Bang con constante cosmológica cero y densidad de materia positiva, la edad real debe ser algo más joven que este tiempo de Hubble; típicamente la edad estaría entre el 66% y el 90% del tiempo de Hubble [ cita requerida ] , dependiendo de la densidad de la materia.
La primera estimación de Hubble de su constante [3] fue de 550 (km/s)/Mpc, y su inversa es de 1.800 millones de años. Muchos geólogos de la década de 1920 creían que la Tierra probablemente tenía alrededor de 2.000 millones de años, pero con una gran incertidumbre. [4] La posible discrepancia entre las edades de la Tierra y el universo fue probablemente una de las motivaciones para el desarrollo de la teoría del estado estacionario en 1948 como alternativa al Big Bang; [5] en la teoría del estado estacionario (ahora obsoleta), el universo es infinitamente viejo y, en promedio, no cambia con el tiempo. La teoría del estado estacionario postulaba la creación espontánea de materia para mantener constante la densidad promedio a medida que el universo se expande y, por lo tanto, la mayoría de las galaxias aún tienen una edad menor que 1/H 0 . Sin embargo, si H0 hubiera sido 550 (km/s)/Mpc, nuestra galaxia, la Vía Láctea, sería excepcionalmente grande en comparación con la mayoría de las otras galaxias, por lo que bien podría ser mucho más antigua que una galaxia promedio, eliminando así el problema de la edad.
En la década de 1950, se descubrieron dos errores sustanciales en la escala de distancia extragaláctica del Hubble: primero, en 1952, Walter Baade descubrió que había dos clases de estrellas variables Cefeidas . La muestra del Hubble comprendía diferentes clases cercanas y en otras galaxias, y al corregir este error, todas las demás galaxias estaban el doble de distantes que los valores del Hubble, duplicando así el tiempo de Hubble. [6] Allan Sandage y sus colaboradores descubrieron un segundo error : para las galaxias más allá del Grupo Local , las Cefeidas eran demasiado débiles para observarlas con los instrumentos del Hubble, por lo que Hubble utilizó las estrellas más brillantes como indicadores de distancia. Muchas de las "estrellas más brillantes" del Hubble eran en realidad regiones HII o cúmulos que contenían muchas estrellas, lo que provocó otra subestimación de las distancias para estas galaxias más distantes. [7] Así, en 1958 Sandage [8] publicó la primera medición razonablemente precisa de la constante de Hubble, en 75 (km/s)/Mpc, que está cerca de las estimaciones modernas de 68-74 (km/s)/Mpc. [9]
La edad de la Tierra (en realidad, del Sistema Solar) fue medida con precisión por primera vez alrededor de 1955 por Clair Patterson en 4.550 millones de años, [10] esencialmente idéntica al valor moderno. Para H 0 ~ 75 (km/s)/Mpc, la inversa de H 0 es 13.000 millones de años; por lo tanto, después de 1958, la edad del modelo del Big Bang era cómodamente más antigua que la de la Tierra.
Sin embargo, en la década de 1960 y en adelante, nuevos avances en la teoría de la evolución estelar permitieron realizar estimaciones de la edad de grandes cúmulos estelares llamados cúmulos globulares : estos generalmente dieron estimaciones de edad de alrededor de 15 mil millones de años, con una dispersión sustancial. [ cita requerida ] Revisiones posteriores de la constante de Hubble realizadas por Sandage y Gustav Tammann en la década de 1970 dieron valores de alrededor de 50-60 (km/s)/Mpc, [11] y una inversa de 16-20 mil millones de años, consistentes con las edades de los cúmulos globulares.
Sin embargo, a finales de los años 1970 y principios de los años 1990, el problema de la edad reapareció: nuevas estimaciones de la constante de Hubble dieron valores más altos, con Gerard de Vaucouleurs estimando valores de 90-100 (km/s)/Mpc, [12] mientras que Marc Aaronson y colaboradores dieron valores alrededor de 80-90 (km/s)/Mpc. [13] Sandage y Tammann continuaron argumentando a favor de valores de 50-60, lo que llevó a un período de controversia a veces llamado las "guerras de Hubble". [ cita requerida ] Los valores más altos para H 0 parecieron predecir un universo más joven que las edades de los cúmulos globulares, y dieron lugar a algunas especulaciones durante la década de 1980 de que el modelo del Big Bang era seriamente incorrecto.
El problema de la edad se consideró finalmente resuelto por varios avances entre 1995 y 2003: en primer lugar, un gran programa con el telescopio espacial Hubble midió la constante de Hubble en 72 (km/s)/Mpc con un 10 por ciento de incertidumbre. [14] En segundo lugar, las mediciones de paralaje realizadas por la nave espacial Hipparcos en 1995 revisaron las distancias de los cúmulos globulares hacia arriba en un 5-10 por ciento; [15] esto hizo que sus estrellas fueran más brillantes de lo estimado previamente y, por lo tanto, más jóvenes, cambiando sus estimaciones de edad a alrededor de 12-13 mil millones de años. [16] Finalmente, entre 1998 y 2003, una serie de nuevas observaciones cosmológicas, incluidas supernovas, observaciones del fondo cósmico de microondas y estudios de corrimiento al rojo de grandes galaxias, llevaron a la aceptación de la energía oscura y al establecimiento del modelo Lambda-CDM como el modelo estándar de cosmología. La presencia de energía oscura implica que el universo se expandía más lentamente cuando tenía aproximadamente la mitad de su edad actual que hoy, lo que hace que el universo sea más antiguo para un valor dado de la constante de Hubble. La combinación de los tres resultados anteriores básicamente eliminó la discrepancia entre las edades estimadas de los cúmulos globulares y la edad del universo. [17]
Mediciones más recientes de WMAP y la sonda espacial Planck conducen a una estimación de la edad del universo de 13.800 millones de años [18] con solo un 0,3 por ciento de incertidumbre (basado en el modelo Lambda-CDM estándar ), y las mediciones de la edad moderna para los cúmulos globulares [19] y otros objetos son actualmente más pequeñas que este valor (dentro de las incertidumbres de medición). Por lo tanto, una mayoría sustancial de cosmólogos cree que el problema de la edad ahora está resuelto. [20]
Un nuevo estudio realizado por equipos, entre ellos uno dirigido por el premio Nobel Adam Riess, del Instituto Científico del Telescopio Espacial de Baltimore, ha descubierto que el universo tiene entre 12.500 y 13.000 millones de años, lo que contradice los hallazgos de Planck. Aún está por confirmar si esto se debe simplemente a errores en la recopilación de datos o si está relacionado con aspectos de la física aún no explicados, como la energía oscura o la materia oscura. [21]
En esta sección, queremos explorar el efecto del modelado dinámico del universo en la estimación de la edad del universo. Supondremos el valor de Hubble observado en la actualidad en km/s/Mpc, de modo que el análisis que sigue se centre en el efecto del modelado dinámico y menos en el efecto de la precisión histórica de la constante de Hubble.
El modelo de universo de Einstein-de Sitter de 1932 supone que el universo está lleno únicamente de materia y tiene una curvatura que se desvanece. Este modelo ganó cierta popularidad en la década de 1980 y ofrece una solución explícita para el factor de escala (véase, por ejemplo, D. Baumann 2022) [2]
¿Dónde está la edad actual del universo? Esto implica que la edad del universo está directamente relacionada con la constante de Hubble.
Sustituyendo la constante de Hubble, el universo tiene una edad de mil millones de años, en desacuerdo con, por ejemplo, la edad de las estrellas más antiguas.
Si se tiene en cuenta la energía oscura en forma de constante cosmológica además de la materia, este modelo de dos componentes predice la siguiente relación entre la edad y la constante de Hubble
Al introducir los valores observados de los parámetros de densidad se obtiene una edad del universo de mil millones de años, ahora consistente con las observaciones de la edad estelar.
