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| Cosmología física |
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CategoríaEn cosmología física , la edad del universo es el tiempo transcurrido desde el Big Bang . Hoy, los astrónomos han derivado dos medidas diferentes de la edad del universo : [1] una medida basada en las observaciones de un estado infantil distante del universo, cuyos resultados son una edad de alrededor de 13,8 mil millones de años (a partir de 2015 [2 ] ),13,787 ± 0,020 mil millones de años dentro del modelo de concordancia Lambda-CDM a partir de 2018; [3] y una medición basada en las observaciones del universo moderno local que sugieren un universo más joven. [4] [5] [6] La incertidumbre del primer tipo de medición se ha reducido a 20 millones de años, según una serie de estudios que arrojaron cifras extremadamente similares para la edad. Estos incluyen estudios de la radiación de fondo de microondas realizados 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, [7] 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 la estimación también está dentro del rango de la estimación de la estrella más antigua observada en el universo.
Explicación [ editar ]
El modelo de concordancia Lambda-CDM describe la evolución del universo desde un estado primordial muy uniforme, caliente y denso a su estado actual en un lapso de aproximadamente 13,77 mil millones de años [8] de tiempo cosmológico . Este modelo se comprende bien teóricamente y está fuertemente 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 uno extrapola el modelo Lambda-CDM hacia atrás desde el primer estado bien entendido, rápidamente (en una pequeña fracción de segundo) alcanza una singularidad . Esto se conoce como la " singularidad inicial " o el " Big Bangsingularidad ". 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 medible físicamente. Por ejemplo," 10 - 6 segundos después del Big Bang "es una era bien definida en la evolución del universo. Si uno se refiere a la misma era como" hace 13,77 mil millones de años menos 10 - 6 segundos ", la precisión del significado se perdería porque la minúscula última El intervalo de tiempo se ve eclipsado por la incertidumbre en el primero.
Aunque, en teoría, el universo podría tener una historia más larga, la Unión Astronómica Internacional [9] utiliza actualmente el término "edad del universo" para referirse a la duración de la expansión Lambda-CDM, o equivalentemente el tiempo transcurrido desde el Big Bang en el universo observable actual .
Límites de observación [ editar ]
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; 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 los 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 han evolucionado alejándose de la secuencia principal fijada una edad mínima).
Parámetros cosmológicos [ editar ]
El problema de determinar la edad del universo está estrechamente relacionado con el 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 (que incluye tanto fotones como neutrinos ) y una constante cosmológica . La contribución fraccionaria de cada uno a la densidad de energía actual del universo viene dada por los parámetros de densidad Ω m , Ω r y Ω Λ. 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.
Si uno tiene medidas precisas de estos parámetros, entonces la edad del universo se puede determinar usando la ecuación de Friedmann . Esta ecuación relaciona la tasa de cambio en el factor de escala a ( t ) con el contenido de materia del universo. Dando la vuelta a 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 t 0 viene dada por una expresión de la forma
donde está el parámetro de Hubble y la función F depende solo de la contribución fraccionaria al contenido de energía del universo que proviene de varios componentes. La primera observación que se puede hacer a partir 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 alrededor69 km / s / Mpc , el tiempo de Hubble se evalúa como =14,5 mil millones de años. [10]
Para obtener un número más preciso, se debe calcular el factor de corrección F. En general, esto debe hacerse numéricamente, y los resultados para un rango de valores de parámetros cosmológicos se muestran en la figura. Para los valores de Planck (Ω m , Ω Λ ) = (0.3086, 0.6914), que se muestran en el cuadro en la esquina superior izquierda de la figura, este factor de corrección es de aproximadamente F = 0.956. Para un universo plano sin ninguna constante cosmológica, que se muestra por la estrella en la esquina inferior derecha, F = 2 / 3 es mucho más pequeño y por lo tanto el universo es más joven para un valor fijo del parámetro Hubble. Para hacer esta figura, Ω rse mantiene constante (aproximadamente equivalente a mantener constante la temperatura del CMB ) y el parámetro de densidad de curvatura se fija por el valor de los otros tres.
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 Ω m [11] y el parámetro de curvatura Ω k . [12] No es tan sensible a Ω Λ directamente, [12] en parte porque la constante cosmológica se vuelve importante sólo con un corrimiento al rojo bajo. Las determinaciones más precisas del parámetro de Hubble H 0 provienen de supernovas de Tipo Ia. La combinación de estas medidas conduce al valor generalmente aceptado para la edad del universo citado anteriormente.
La constante cosmológica hace que el universo sea "más viejo" para los valores fijos de los otros 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 en la Vía Láctea parecían ser mucho más antiguos que la edad del universo calculada a partir del parámetro de Hubble y un universo de solo materia. . [13] [14] 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 solo materia no podría. [15]
WMAP [ editar ]
La NASA 's WMAP (WMAP) del proyecto de publicación de los datos de nueve años en 2012 estimó la edad del universo sea(13,772 ± 0,059) × 10 9 años (13,772 mil millones de años, con una incertidumbre de más o menos 59 millones de años). [7]
Sin embargo, 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 diferentes edades. Asumir un fondo adicional de partículas relativistas, por ejemplo, puede agrandar las barras de error de la restricción WMAP en un orden de magnitud. [dieciséis]
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 a 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. [17]
Planck [ editar ]
En 2015, Planck Collaboration estimó que la edad del universo sería13.813 ± 0.038 mil millones de años, un poco más alto pero dentro de las incertidumbres del número anterior derivado de los datos de WMAP. Al combinar los datos de Planck con datos externos, la mejor estimación combinada de la edad del universo es(13.799 ± 0.021) × 10 9 años . [2] [18]
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 de fondo de microondas cósmico de Planck (CMB)
- lowP : datos de polarización de Planck en la probabilidad baja ℓ
- lente : reconstrucción de lente CMB
- ext : Datos externos (BAO + JLA + H0). BAO: oscilaciones acústicas bariónicas , JLA: análisis de la curva de luz conjunta , H0: constante de Hubble
| Parámetro | Símbolo | TT + lowP | Lente TT + lowP + | TT + lowP + lente + ext | TT, TE, EE + bajo P | Lente TT, TE, EE + lowP + | TT, TE, EE + lowP + lente + ext |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Edad del universo (Ga) | 13,813 ± 0,038 | 13,799 ± 0,038 | 13,796 ± 0,029 | 13,813 ± 0,026 | 13.807 ± 0.026 | 13,799 ± 0,021 | |
| Constante de Hubble ( km / Mpc⋅s ) | 67,31 ± 0,96 | 67,81 ± 0,92 | 67,90 ± 0,55 | 67,27 ± 0,66 | 67,51 ± 0,64 | 67,74 ± 0,46 |
Asunción de fuertes antecedentes [ editar ]
El cálculo de la edad del universo es preciso solo si las suposiciones incorporadas en los modelos que se utilizan para estimarlo también son precisas. Esto se conoce como fuertes a priori y esencialmente implica eliminar los errores potenciales en otras partes del modelo para convertir la precisión de los datos de observación reales directamente en el resultado final. Aunque este no es un procedimiento válido en todos los contextos (como se indica en la advertencia adjunta: "basándonos en el hecho de que asumimos que el modelo subyacente que usamos es correcto" [ cita requerida ] ), la edad dada es, por lo tanto, precisa para el error especificado (ya que este error representa el error en el instrumento utilizado para recopilar la entrada de datos brutos en el modelo).
La edad del universo basada únicamente en el mejor ajuste a los datos de Planck 2015 es13.813 ± 0.038 mil millones de años (la estimación de13.799 ± 0,021 billón años utiliza Gaussianos priores en base a las estimaciones anteriores de otros estudios para determinar la incertidumbre combinada). Este número representa una medida "directa" precisa de la edad del universo (otros métodos generalmente involucran la ley de Hubble y la edad de las estrellas más viejas en los cúmulos globulares, etc.). Es posible utilizar diferentes métodos para determinar el mismo parámetro (en este caso, la edad del universo) y llegar a diferentes respuestas sin superposición en los "errores". 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 utilizado.
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 datos a priori (es decir, el modelo). [17] Esto cuantifica cualquier incertidumbre en la precisión de una medición debido a un modelo particular utilizado. [19] [20]
Historia [ editar ]
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. Sin embargo, la mayoría de los científicos a lo largo del siglo XIX y en las primeras décadas del siglo XX supusieron que el universo mismo era un estado estable y eterno, posiblemente con estrellas yendo y viniendo, pero sin cambios a la mayor escala conocida en ese momento.
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 antiguo, entonces todo el interior estaría a la misma temperatura y, por lo 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 [21] y en 1917 construyó el primer modelo cosmológico basado en su teoría. Para mantener la coherencia con un universo de estado estable, Einstein agregó lo que más tarde se llamó una constante cosmológica a sus ecuaciones. Arthur Eddington demostró que el modelo de Einstein de un universo estático era inestable .
El primer indicio observacional directo de que el universo no era estático sino que se expandía provino de las observaciones de ' velocidades de recesión ', principalmente por Vesto Slipher , combinadas con distancias a las ' nebulosas ' ( galaxias ) de Edwin Hubble en un trabajo publicado en 1929. [ 22] A principios del siglo XX, Hubble y otros resolvieron estrellas individuales dentro de ciertas nebulosas, determinando así que eran galaxias, similares pero externas a nuestra Vía Láctea . Además, estas galaxias eran muy grandes y muy lejanas. Los espectros tomados de estas galaxias distantes mostraron un corrimiento hacia el rojo en sus líneas espectrales.presumiblemente causado por el efecto Doppler , lo que indica que estas galaxias se estaban alejando de la Tierra. Además, cuanto más lejos parecían estar estas galaxias (cuanto más tenues nos parecían), mayor era su desplazamiento al rojo y, por lo tanto, más rápido parecían alejarse. Esta fue la primera evidencia directa de que el universo no es estático sino en expansión. La primera estimación de la edad del universo provino del cálculo de cuándo todos los objetos deben haber comenzado a acelerar 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.
La primera medición razonablemente precisa de la tasa de expansión del universo, un valor numérico ahora conocido como la constante de Hubble , fue realizada en 1958 por el astrónomo Allan Sandage . [23] Su valor medido para la constante de Hubble se acercó mucho al rango de valores generalmente aceptado en la actualidad.
Sin embargo, Sandage, como Einstein, no creía en sus propios resultados en el momento del descubrimiento. Su valor para la edad del universo [ se necesitan más explicaciones ] era demasiado corto para conciliarlo con la edad de 25 mil millones de años estimada en ese momento para las estrellas más antiguas conocidas . Sandage y otros astrónomos repitieron estas mediciones en numerosas ocasiones, intentando reducir la constante de Hubble y así aumentar la edad resultante para el universo. Sandage incluso propuso nuevas teorías de la cosmogonía para explicar esta discrepancia. Este problema se resolvió más o menos mediante mejoras en los modelos teóricos utilizados para estimar las edades de las estrellas. A partir de 2013, utilizando los últimos modelos de evolución estelar, la edad estimada de lala estrella más antigua conocida es14,46 ± 0,8 mil millones de años. [24]
El descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas anunciado en 1965 [25] finalmente puso fin a la incertidumbre científica restante sobre el universo en expansión. Fue un resultado casual del trabajo de dos equipos a menos de 60 millas de distancia. En 1964, Arno Penzias y Robert 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 microondas que se extendía uniformemente por el cielo y estaba presente día y noche. Después de la prueba, se aseguraron de que la señal no provenía de la Tierra , el Sol, o nuestra galaxia , pero desde fuera de nuestra propia galaxia, pero no podría explicarlo. Al mismo tiempo, otro equipo, Robert H. Dicke , Jim Peebles y David Wilkinson , intentaban detectar el ruido de bajo nivel que podría haber quedado del Big Bang y podría probar si la teoría del Big Bang era correcta. Los dos equipos se dieron cuenta de que el ruido detectado era, de hecho, radiación que quedó del Big Bang, y que esto era una fuerte evidencia de que la teoría era correcta. Desde entonces, una gran cantidad de otra evidencia ha fortalecido y confirmado esta conclusión, y ha refinado la edad estimada del universo a su cifra actual.
Las sondas espaciales WMAP, lanzadas en 2001, y Planck , lanzadas 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. [17]
Ver también [ editar ]
- Edad de la Tierra
- Principio antrópico
- Calendario cósmico ( edad del universo escalada a un solo año)
- Cosmología
- Explorador de radio de la Edad Oscura
- Expansión del universo
- Campo profundo del Hubble
- Proyecto Illustris
- Multiverso
- Universo observable
- Observaciones de corrimiento al rojo en astronomía
- Universo estático
- Los primeros tres minutos (libro de 1977 de Steven Weinberg )
- Cronología del futuro lejano : vida útil restante prevista de la Tierra; Sistema solar ; el universo
Referencias [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
- Tutorial de cosmología de Ned Wright
- Wright, Edward L. (2 de julio de 2005). "Edad del Universo" .
- Animaciones de parámetros cosmológicos de Wayne Hu
- Ostriker; Steinhardt (1995). "Concordancia cósmica". arXiv : astro-ph / 9505066 .
- Página de la SEDS sobre "Cúmulos estelares globulares"
- Douglas Scott "Estimaciones de edad independientes"
- KryssTal "La escala del universo" Espacio y tiempo escalados para principiantes.
- iCosmos: Calculadora de cosmología (con generación de gráficos)
- El universo en expansión (Instituto Americano de Física)
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