Edad del universo

El tiempo transcurrido desde el Big Bang

En cosmología física , la edad del universo es el tiempo transcurrido desde el Big Bang . Los astrónomos han obtenido dos medidas diferentes de la edad del universo : ^[1] una medida basada en observaciones directas de un estado temprano del universo, que indica una edad de13,787 ± 0,020  mil millones de años interpretado con el modelo de concordancia Lambda-CDM a partir de 2021; ^[2] y una medición basada en observaciones del universo moderno local, que sugieren una edad más joven. ^{[3] [4] [5]} La incertidumbre del primer tipo de medición se ha reducido a 20 millones de años, basándose en una serie de estudios que muestran cifras similares para la edad. Estos estudios incluyen investigaciones de la radiación de fondo de microondas realizadas por la nave espacial Planck , la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson y otras sondas espaciales. Las mediciones de la radiación cósmica de fondo dan el tiempo de enfriamiento del universo desde el Big Bang, ^[6] y las mediciones de la tasa de expansión del universo pueden usarse para calcular su edad aproximada extrapolando hacia atrás en el tiempo. El rango de estimación también está dentro del rango de estimación de la estrella observada más antigua del universo.

Historia

En el siglo XVIII comenzó a aparecer el concepto de que la edad de la Tierra era de millones, si no miles de millones, de años. No obstante, la mayoría de los científicos a lo largo del siglo XIX y las primeras décadas del siglo XX supusieron que el universo mismo estaba en estado estacionario y era eterno, posiblemente con estrellas yendo y viniendo pero sin cambios en la escala más grande conocida en ese momento. ^{[ cita necesaria ]}

Las primeras teorías científicas que indicaron que la edad del universo podría ser finita fueron los estudios de termodinámica , formalizados a mediados del siglo XIX. El concepto de entropía dicta que si el universo (o cualquier otro sistema cerrado) fuera infinitamente viejo, entonces todo su interior estaría a la misma temperatura y, por tanto, no habría estrellas ni vida. En ese momento no se presentó ninguna explicación científica para esta contradicción.

En 1915 Albert Einstein publicó la teoría de la relatividad general ^[7] y en 1917 construyó el primer modelo cosmológico basado en su teoría. Para seguir siendo coherente con un universo en estado estacionario, Einstein añadió a sus ecuaciones lo que más tarde se llamó una constante cosmológica . Arthur Eddington demostró que el modelo de Einstein de un universo estático era inestable .

El primer indicio de observación directa de que el universo no era estático sino que se expandía provino de las observaciones de las " velocidades de recesión ", principalmente por Vesto M. Slipher , combinadas con las distancias a las " nebulosas " ( galaxias ) de Edwin Hubble en un trabajo publicado en 1929. ^[8] A principios del siglo XX, Hubble y otros resolvieron estrellas individuales dentro de ciertas nebulosas, determinando así que eran galaxias similares a la Vía Láctea , pero externas a ella . Además, estas galaxias eran muy grandes y estaban muy alejadas. Los espectros tomados de estas galaxias distantes mostraron un corrimiento al rojo en sus líneas espectrales presumiblemente causado por el efecto Doppler , indicando así que estas galaxias se estaban alejando de la Tierra. Además, cuanto más lejos parecían estar estas galaxias (cuanto más oscuras parecían), mayor era su corrimiento al rojo y, por tanto, más rápido parecían alejarse. Esta fue la primera evidencia directa de que el universo no es estático sino que se expande. La primera estimación de la edad del universo provino del cálculo de cuándo todos los objetos debieron haber comenzado a alejarse a gran velocidad desde el mismo punto. El valor inicial de Hubble para la edad del universo era muy bajo, ya que se suponía que las galaxias estaban mucho más cerca de lo que las observaciones posteriores encontraron.

El tiempo retrospectivo de las observaciones extragalácticas por su corrimiento al rojo hasta z=20. ^[9]

La primera medición razonablemente precisa de la tasa de expansión del universo, un valor numérico ahora conocido como constante de Hubble , fue realizada en 1958 por el astrónomo Allan Sandage . ^[10] Su valor medido para la constante de Hubble se acercó mucho al rango de valores generalmente aceptado en la actualidad.

Sandage, al igual que Einstein, no creyó en sus propios resultados en el momento del descubrimiento. Sandage propuso nuevas teorías de la cosmogonía para explicar esta discrepancia. Esta cuestión se resolvió más o menos mediante mejoras en los modelos teóricos utilizados para estimar las edades de las estrellas. En 2013, utilizando los últimos modelos de evolución estelar, la edad estimada de la estrella más antigua conocida es14,46 ± 0,8 mil millones de años. ^[11]

El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas , anunciado en 1965 ^[12], finalmente puso fin de manera efectiva a la incertidumbre científica que quedaba sobre el universo en expansión. Fue un resultado casual del trabajo de dos equipos separados por menos de 60 millas. En 1964, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson intentaban detectar ecos de ondas de radio con una antena supersensible. La antena detectó persistentemente un ruido bajo, constante y misterioso en la región de las microondas que se extendía uniformemente por el cielo y estaba presente día y noche. Después de las pruebas, estuvieron seguros de que la señal no provenía de la Tierra , el Sol o la Vía Láctea , sino desde fuera de la Vía Láctea, pero no pudieron explicarlo. Al mismo tiempo, otro equipo, Robert H. Dicke , Jim Peebles y David Wilkinson , intentaban detectar ruidos de bajo nivel que podrían quedar del Big Bang y podían demostrar si la teoría del Big Bang era correcta. Los dos equipos se dieron cuenta de que el ruido detectado era en realidad radiación remanente del Big Bang, y que esto era una fuerte evidencia de que la teoría era correcta. Desde entonces, una gran cantidad de evidencia adicional ha fortalecido y confirmado esta conclusión, y ha refinado la edad estimada del universo a su cifra actual.

Las sondas espaciales WMAP, lanzada en 2001, y Planck , lanzada en 2009, produjeron datos que determinan la constante de Hubble y la edad del universo independientemente de las distancias de las galaxias, eliminando la mayor fuente de error. ^[13]

Explicación

Relación entre corrimiento al rojo y edad del universo, de z=5 a 20. ^[9]

El modelo de concordancia Lambda-CDM describe la evolución del universo desde un estado primordial muy uniforme, caliente y denso hasta su estado actual en un lapso de aproximadamente 13,77 mil millones de años ^[14] de tiempo cosmológico . Este modelo se comprende bien desde el punto de vista teórico y está firmemente respaldado por observaciones astronómicas recientes de alta precisión como WMAP . Por el contrario, las teorías sobre el origen del estado primordial siguen siendo muy especulativas.

Si se extrapola el modelo Lambda-CDM hacia atrás desde el estado más temprano bien comprendido, rápidamente (en una pequeña fracción de segundo) alcanza una singularidad . Esto se conoce como la " singularidad inicial " o la " singularidad del Big Bang ". No se entiende que esta singularidad tenga un significado físico en el sentido habitual, pero conviene citar tiempos medidos "desde el Big Bang", aunque no correspondan a un tiempo que realmente pueda medirse físicamente.

Aunque en teoría el universo podría tener una historia más larga, la Unión Astronómica Internacional utiliza actualmente el término "edad del universo" para referirse a la duración de la expansión Lambda-CDM, ^[15] o equivalentemente, el tiempo transcurrido dentro del universo actualmente observable. desde el Big Bang.

En julio de 2023, un estudio publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society fijó la edad del Universo en 26,7 mil millones de años. ^{[16] [17]} El autor Rajendra Gupta muestra un nuevo modelo que alarga el tiempo de formación de galaxias en varios miles de millones de años, lo que lleva a la conclusión de que la edad del universo es aproximadamente el doble de lo que se pensaba. ^{[16] [17]} Utilizando la teoría de la luz cansada de Zwicky y las "constantes de acoplamiento" descritas por Paul Dirac , Gupta escribe que las recientes observaciones del Telescopio Espacial James Webb están en fuerte tensión con los modelos cosmológicos existentes. ^[16] Gupta dice sobre su nueva teoría: "Por lo tanto, resuelve el problema de la 'galaxia temprana imposible' sin requerir la existencia de semillas de agujeros negros primordiales o un espectro de energía modificado". ^[dieciséis]

Límites de observación

Dado que el universo debe ser al menos tan antiguo como las cosas más antiguas que contiene, hay una serie de observaciones que ponen un límite inferior a la edad del universo; ^{[18] [19]} estos incluyen

• la temperatura de las enanas blancas más frías , que se enfrían gradualmente a medida que envejecen, y
• el punto de desvío más tenue de las estrellas de la secuencia principal en cúmulos (las estrellas de menor masa pasan una mayor cantidad de tiempo en la secuencia principal, por lo que las estrellas de menor masa que se han alejado de la secuencia principal establecen una edad mínima).

Parámetros cosmológicos

La edad del universo se puede determinar midiendo la constante de Hubble hoy y extrapolando en el tiempo con el valor observado de los parámetros de densidad ( ). Antes del descubrimiento de la energía oscura , se creía que el universo estaba dominado por la materia ( universo Einstein-de Sitter , curva verde). El universo de Sitter tiene una edad infinita, mientras que el universo cerrado tiene la edad más pequeña. ${\displaystyle ~\Omega ~}$

El valor del factor de corrección de edad se muestra como una función de dos parámetros cosmológicos : la densidad fraccional de materia actual y la densidad cosmológica constante. Los valores de mejor ajuste de estos parámetros se muestran en el cuadro en la parte superior izquierda; el universo dominado por la materia se muestra mediante la estrella en la parte inferior derecha. ${\displaystyle ~F~,}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\text{m}}~}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\Lambda }~.}$

El problema de determinar la edad del universo está estrechamente ligado al problema de determinar los valores de los parámetros cosmológicos. Hoy en día, esto se lleva a cabo en gran medida en el contexto del modelo ΛCDM , donde se supone que el universo contiene materia normal (bariónica), materia oscura fría , radiación (incluidos fotones y neutrinos ) y una constante cosmológica .

La contribución fraccionaria de cada uno a la densidad de energía actual del universo está dada por los parámetros de densidad y el modelo ΛCDM completo se describe mediante una serie de otros parámetros, pero para calcular su edad estos tres, junto con el parámetro de Hubble , son los más importantes. ${\displaystyle ~\Omega _{\text{m}}~,}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\text{r}}~,}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\Lambda }~.}$ ${\displaystyle ~H_{0}~}$

Si se tienen medidas precisas de estos parámetros, entonces la edad del universo se puede determinar utilizando la ecuación de Friedmann . Esta ecuación relaciona la tasa de cambio en el factor de escala con el contenido de materia del universo. Invirtiendo esta relación, podemos calcular el cambio en el tiempo por cambio en el factor de escala y así calcular la edad total del universo integrando esta fórmula. La edad viene entonces dada por una expresión de la forma ${\displaystyle ~a(t)~}$ ${\displaystyle ~t_{0}~}$

${\displaystyle t_{0}={\frac {1}{H_{0}}}\,F(\,\Omega _{\text{r}},\,\Omega _{\text{m}},\,\Omega _{\Lambda },\,\dots \,)~}$

donde está el parámetro de Hubble y la función depende sólo de la contribución fraccionaria al contenido de energía del universo que proviene de varios componentes. La primera observación que se puede hacer de esta fórmula es que es el parámetro de Hubble el que controla esa edad del universo, con una corrección derivada del contenido de materia y energía. Entonces, una estimación aproximada de la edad del universo proviene del tiempo de Hubble , el inverso del parámetro de Hubble. Con un valor de alrededor ${\displaystyle ~H_{0}~}$ ${\displaystyle ~F~}$ ${\displaystyle ~H_{0}~}$69 km/s/Mpc , el tiempo del Hubble evalúa ${\displaystyle ~1/H_{0}=~}$14,5  mil millones de años. ^[20]

Para obtener un número más preciso, se debe calcular la función de corrección. En general, esto debe hacerse numéricamente y los resultados para una variedad de valores de parámetros cosmológicos se muestran en la figura. Para los valores de Planck (0,3086, 0,6914), mostrados en el cuadro en la esquina superior izquierda de la figura, este factor de corrección es aproximadamente. Para un universo plano sin ninguna constante cosmológica, mostrado por la estrella en la esquina inferior derecha, es mucho menor y por tanto el universo es más joven para un valor fijo del parámetro de Hubble. Para hacer esta cifra, se mantiene constante (aproximadamente equivalente a mantener constante la temperatura de fondo cósmica de microondas ) y el parámetro de densidad de curvatura se fija por el valor de los otros tres. ${\displaystyle ~F~}$ ${\displaystyle ~(\Omega _{\text{m}},\Omega _{\Lambda })=~}$ ${\displaystyle ~F=0.956~.}$ ${\displaystyle ~F={2}/{3}~}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\text{r}}~}$

Además del satélite Planck, la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson ( WMAP ) fue fundamental para establecer una edad precisa del universo, aunque se deben incorporar otras mediciones para obtener un número exacto. Las mediciones de CMB son muy buenas para restringir el contenido de materia ^[21] y el parámetro de curvatura ^[22] . No es tan sensible directamente, ^[22] en parte porque la constante cosmológica se vuelve importante solo con un desplazamiento al rojo bajo. Actualmente se cree que las determinaciones más precisas del parámetro de Hubble provienen de los brillos y corrimientos al rojo medidos de supernovas distantes de Tipo Ia . La combinación de estas medidas conduce al valor generalmente aceptado para la edad del universo citado anteriormente. ${\displaystyle ~\Omega _{\text{m}}~,}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\text{k}}~.}$ ${\displaystyle ~\Omega _{\Lambda }~}$ ${\displaystyle ~H_{0}~}$

La constante cosmológica hace que el universo sea "más viejo" para valores fijos de los demás parámetros. Esto es significativo, ya que antes de que la constante cosmológica fuera generalmente aceptada, el modelo del Big Bang tenía dificultades para explicar por qué los cúmulos globulares de la Vía Láctea parecían ser mucho más antiguos que la edad del universo calculada a partir del parámetro de Hubble y un universo sólo de materia. . ^{[23] [24]} La introducción de la constante cosmológica permite que el universo sea más antiguo que estos cúmulos, además de explicar otras características que el modelo cosmológico de sólo materia no podía explicar. ^[25]

WMAP

La publicación de datos de nueve años del proyecto Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA en 2012 estimó que la edad del universo era(13,772 ± 0,059) × 10 ⁹ años (13,772 mil millones de años, con una incertidumbre de más o menos 59 millones de años). ^[6]

Esta edad se basa en el supuesto de que el modelo subyacente del proyecto es correcto; Otros métodos para estimar la edad del universo podrían dar edades diferentes. Suponiendo un fondo adicional de partículas relativistas, por ejemplo, se pueden ampliar las barras de error de la restricción WMAP en un orden de magnitud. ^[26]

Esta medición se realiza utilizando la ubicación del primer pico acústico en el espectro de potencia de fondo de microondas para determinar el tamaño de la superficie de desacoplamiento (tamaño del universo en el momento de la recombinación). El tiempo de viaje de la luz hasta esta superficie (dependiendo de la geometría utilizada) arroja una edad confiable para el universo. Suponiendo la validez de los modelos utilizados para determinar esta edad, la precisión residual arroja un margen de error cercano al uno por ciento. ^[13]

Planck

En 2015, la Colaboración Planck estimó que la edad del universo era13,813 ± 0,038  mil millones de años, ligeramente más alto pero dentro de las incertidumbres del número anterior derivado de los datos WMAP. ^[27]

En la siguiente tabla, las cifras se encuentran dentro de los límites de confianza del 68% para el modelo ΛCDM base .

Leyenda:

• TT , TE , EE : Espectros de potencia del fondo cósmico de microondas (CMB) de Planck
• lowP : datos de polarización de Planck en la probabilidad de baja ℓ
• lentes : reconstrucción con lentes CMB
• text : Datos externos (BAO+JLA+H0). BAO: Oscilaciones acústicas bariónicas , JLA: Análisis de curva de luz conjunta , H0: Constante de Hubble

En 2018, la Colaboración Planck actualizó su estimación de la edad del universo para13,787 ± 0,020  mil millones de años. ^[2]

Asunción de antecedentes sólidos

Calcular la edad del universo es exacto sólo si las suposiciones incorporadas en los modelos que se utilizan para estimarla también son precisas. Esto se conoce como antecedentes sólidos y esencialmente implica eliminar los errores potenciales en otras partes del modelo para representar la precisión de los datos de observación reales directamente en el resultado final. Este no es un procedimiento válido en todos los contextos, como se señala en la advertencia adjunta: "suponiendo que el modelo subyacente del proyecto sea correcto". ^{[ cita necesaria ]} Sin embargo, la edad proporcionada es precisa para el error especificado, ya que este error representa el error en el instrumento utilizado para recopilar los datos sin procesar ingresados ​​​​en el modelo.

La edad del universo basada únicamente en el mejor ajuste de los datos de Planck 2018 es13,787 ± 0,020 mil millones de años. Este número representa una medición "directa" precisa de la edad del universo, en contraste con otros métodos que normalmente involucran la ley de Hubble y la edad de las estrellas más antiguas en los cúmulos globulares . Es posible utilizar diferentes métodos para determinar el mismo parámetro (en este caso, la edad del universo) y llegar a diferentes respuestas sin que los "errores" se superpongan. Para evitar mejor el problema, es común mostrar dos conjuntos de incertidumbres; uno relacionado con la medición real y el otro relacionado con los errores sistemáticos del modelo que se utiliza.

Por lo tanto, un componente importante del análisis de los datos utilizados para determinar la edad del universo (por ejemplo, de Planck ) es utilizar un análisis estadístico bayesiano , que normaliza los resultados basándose en los antecedentes (es decir, el modelo). ^[13] Cuantifica cualquier incertidumbre en la precisión de una medición debido a un modelo particular utilizado. ^{[28] [29]}

Ver también

• Edad de la Tierra  – Datación científica de la edad de la Tierra
• Principio antrópico  – Hipótesis sobre la vida inteligente y el universo
• Calendario Cósmico  – Método para visualizar la cronología del universo (edad del universo escalada a un solo año)
• Dark Ages Radio Explorer  : concepto propuesto de orbitador lunar
• Expansión del universo  : aumento de la distancia entre partes del universo con el tiempo
• Hubble Deep Field  : imagen de exposición múltiple del espacio profundo en la constelación de la Osa Mayor
• Proyecto Illustris  – Universos simulados por computadora
• Telescopio espacial James Webb  : telescopio espacial NASA/ESA/CSA lanzado en 2021
• Multiverso  : grupo hipotético de múltiples universos.
• Universo observable  : todo el espacio observable desde la Tierra en la actualidad.
• Cosmología observacional  – Estudio del origen del universo (estructura y evolución)
• Observaciones de corrimiento al rojo en astronomía  : cambio de longitud de onda en fotones durante el viaje
• Universo estático  : modelo cosmológico en el que el universo no se expande.
• Los primeros tres minutos  - Libro de 1977 de Steven Weinberg
• Cronología del futuro lejano  – Proyecciones científicas sobre el futuro lejano

Referencias

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enlaces externos

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