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El problema de la edad cósmica es un problema histórico en astronomía relacionado con la edad del universo . El problema fue que en varios momentos del siglo XX, se estimó que algunos objetos en el universo eran más antiguos que el tiempo transcurrido desde el Big Bang , [1] según lo estimado a partir de las mediciones de la tasa de expansión del universo conocida como la constante de Hubble. , denotado H 0 . (Esto se llama más correctamente el parámetro de Hubble, ya que generalmente varía con el tiempo). Si es así, esto representaría una contradicción, ya que 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 el problema ha sido resuelto por la mayoría de los cosmólogos: las medidas cosmológicas modernas conducen a una estimación precisa de la edad del universo (es decir, el tiempo desde el Big Bang) de 13.800 millones de años, y estimaciones recientes de la edad de los objetos más antiguos son más jóvenes que este o son consistentes, lo que permite incertidumbres de medición.

Primeros años

Siguiendo 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 nulo en un tiempo finito en el pasado. Este concepto, inicialmente conocido como el "átomo primitivo" por Lemaitre, se elaboró ​​más tarde en la teoría moderna del Big Bang . Si el universo se había expandido a un ritmo constante en el pasado, la edad del universo ahora (es decir, el tiempo desde el Big Bang) es simplemente la inversa de la constante de Hubble, a menudo conocida como el tiempo de Hubble . Para modelos Big Bang con ceroconstante cosmológica y densidad de materia positiva, la edad real debe ser algo más joven que esta época del Hubble; típicamente, la edad estaría entre el 66% y el 90% del tiempo del Hubble, dependiendo de la densidad de la materia.

La estimación inicial de Hubble de su constante [2] fue de 550 (km / s) / Mpc, y la inversa de eso es 1.800 millones de años. Muchos geólogos, como Arthur Holmes en la década de 1920, creían que la Tierra probablemente tenía más de 2 mil millones de años, pero con una gran incertidumbre. [ cita requerida ] 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 una alternativa al Big Bang; [3]en la (ahora obsoleta) teoría del estado estacionario, el universo es infinitamente viejo y, en promedio, no cambia con el tiempo. La teoría del estado estacionario postuló 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 H 0 hubiera sido de 550 (km / s) / Mpc, nuestra 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.

1950-1970

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 de Hubble comprendía diferentes clases cercanas y en otras galaxias, y la corrección de este error hizo que todas las demás galaxias fueran dos veces más distantes que los valores de Hubble, duplicando así el tiempo de Hubble. [4] Un segundo error fue descubierto por Allan Sandage y colaboradores: para galaxias más allá del Grupo Local.Las cefeidas eran demasiado débiles para observarlas con los instrumentos de Hubble, por lo que Hubble usó 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. [5] Así, en 1958 Sandage [6] publicó la primera medición razonablemente precisa de la constante de Hubble, a 75 (km / s) / Mpc, que está cerca de las estimaciones modernas de 68-74 (km / s) / Mpc. [7]

La edad de la Tierra (en realidad, el Sistema Solar) fue medida con precisión por primera vez alrededor de 1955 por Clair Patterson en 4.550 millones de años, [8] esencialmente idéntica al valor moderno. Para H 0 ~ 75 (km / s) / Mpc, la inversa de H 0 es 13.000 millones de años; así que después de 1958, la edad del modelo del Big Bang era cómodamente más antigua que la Tierra.

Sin embargo, en la década de 1960 y en adelante, los nuevos desarrollos en la teoría de la evolución estelar permitieron estimaciones de edad para grandes cúmulos estelares llamados cúmulos globulares : estos generalmente arrojaron estimaciones de edad de alrededor de 15 mil millones de años, con una dispersión sustancial. [ cita requerida ] Las revisiones adicionales de la constante de Hubble por Sandage y Gustav Tammann en la década de 1970 arrojaron valores alrededor de 50-60 (km / s) / Mpc, [9] y un inverso de 16-20 mil millones de años, consistente con las edades de los cúmulos globulares .

1975–1990

Sin embargo, a fines de la década de 1970 y principios de la de 1990, reapareció el problema de la edad: nuevas estimaciones de la constante de Hubble dieron valores más altos, con Gerard de Vaucouleurs estimando valores de 90-100 (km / s) / Mpc, [10] mientras que Marc Aaronson y los compañeros de trabajo dieron valores alrededor de 80-90 (km / s) / Mpc. [11] Sandage y Tammann continuaron defendiendo los valores 50-60, lo que llevó a un período de controversia a veces llamado "guerras de Hubble". [ cita requerida ] Los valores más altos de H 0 parecían predecir un universo más joven que las edades del cúmulo globular, y dieron lugar a algunas especulaciones durante la década de 1980 de que el modelo del Big Bang era seriamente incorrecto.

Finales de la década de 1990: solución probable

Se pensó finalmente que el problema de la edad se resolvió mediante varios desarrollos entre 1995 y 2003: en primer lugar, un gran programa con el Telescopio Espacial Hubble midió la constante de Hubble a 72 (km / s) / Mpc con un 10 por ciento de incertidumbre. [12] 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; [13] 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. [14] Finalmente, desde 1998-2003 una serie de nuevas observaciones cosmológicas incluyendo supernovas, fondo cósmico de microondasLas observaciones y los estudios de desplazamiento al rojo de grandes galaxias llevaron a la aceptación de la energía oscura y al establecimiento del modelo Lambda-CDM como modelo estándar de cosmología. La presencia de energía oscura implica que el universo se expandía más lentamente alrededor de la mitad de su edad actual que hoy, lo que hace que el universo sea más viejo para un valor dado de la constante de Hubble. La combinación de los tres resultados anteriores eliminó esencialmente la discrepancia entre las edades estimadas de los cúmulos globulares y la edad del universo. [15]

Las mediciones más recientes de WMAP y la nave espacial Planck conducen a una estimación de la edad del universo de 13.80 mil millones de años [16] con solo un 0.3 por ciento de incertidumbre (basado en el modelo estándar Lambda-CDM ), y mediciones de la era moderna para cúmulos globulares [ 17] y otros objetos son actualmente menores que este valor (dentro de las incertidumbres de medición). Por tanto, una gran mayoría de cosmólogos cree que el problema de la edad ya está resuelto. [18]

Una nueva investigación de equipos, incluido uno dirigido por el premio Nobel Adam Riess del Space Telescope Science Institute en Baltimore, ha encontrado que el universo tiene entre 12.5 y 13 mil millones de años, en desacuerdo con los hallazgos de Planck. Aún no se ha confirmado si esto se debe simplemente a errores en la recopilación de datos o si está relacionado con los aspectos aún inexplicables de la física, como la Energía Oscura o la Materia Oscura. [19]

Referencias

  1. ^ Evidencia del Big Bang por Björn Feuerbacher y Ryan Scranton. 25 de enero de 2006. Consultado el 16 de abril de 2007.
  2. ^ Hubble, E. (15 de marzo de 1929). "Una relación entre la distancia y la velocidad radial entre nebulosas extragalácticas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 15 (3): 168-173. Código Bibliográfico : 1929PNAS ... 15..168H . doi : 10.1073 / pnas.15.3.168 . PMC  522427 . PMID  16577160 .
  3. ^ Kragh, Helge (1999). Cosmología y controversia . Universidad de Princeton Prensa. ISBN 978-0691005461.
  4. ^ Baade, W. (febrero de 1956). "La relación período-luminosidad de las cefeidas" . Publicaciones de la Sociedad Astronómica del Pacífico . 68 (400): 5. Bibcode : 1956PASP ... 68 .... 5B . doi : 10.1086 / 126870 .
  5. ^ Humason, ML; Mayall, NU; Sandage, AR (abril de 1956). "Redshifts y magnitudes de nebulosas extragalácticas". El diario astronómico . 61 : 97. Código Bibliográfico : 1956AJ ..... 61 ... 97H . doi : 10.1086 / 107297 .
  6. ^ Sandage, Allan (1958). "Problemas actuales en la escala de distancia extragaláctica". Revista astrofísica . 127 : 513. Bibcode : 1958ApJ ... 127..513S . doi : 10.1086 / 146483 .
  7. ^ Riess, A .; Macri, Lucas; Casertano, Stefano; Lampeitl, Hubert; Ferguson, Henry C .; Filippenko, Alexei V .; Jha, Saurabh W .; Li, Weidong; Chornock, Ryan (2011). "Una solución al 3%: determinación de la constante de Hubble con el telescopio espacial Hubble". Revista astrofísica . 730 (119): 119. arXiv : 1103.2976 . Código Bibliográfico : 2011ApJ ... 730..119R . doi : 10.1088 / 0004-637X / 730/2/119 . S2CID 53531339 . 
  8. ^ Patterson, C .; Tilton, G .; Inghram, M. (21 de enero de 1955). "Edad de la Tierra". Ciencia . 121 (3134): 69–75. Código bibliográfico : 1955Sci ... 121 ... 69P . doi : 10.1126 / science.121.3134.69 . PMID 17782556 . 
  9. ^ Sandage, A .; Tammann, GA (1976). "Pasos hacia la constante de Hubble. VII - Distancias a NGC 2403, M101 y el cúmulo de Virgo utilizando anchos de línea de 21 centímetros en comparación con métodos ópticos: el valor global de H sub 0". El diario astrofísico . 210 : 7. Código Bibliográfico : 1976ApJ ... 210 .... 7S . doi : 10.1086 / 154798 .
  10. ↑ de Vaucouleurs, G. (23 de septiembre de 1982). "Cinco pruebas cruciales de la escala de distancia cósmica utilizando la Galaxia como estándar fundamental". Naturaleza . 299 (5881): 303–307. Código Bibliográfico : 1982Natur.299..303D . doi : 10.1038 / 299303a0 . S2CID 4331115 . 
  11. ^ Aaronson, M .; Bothun, G .; Molde, J .; Huchra, J .; Schommer, RA; Cornell, ME (1986). "Una escala de distancia de la magnitud infrarroja / HI relaciones de velocidad-ancho. V - Módulos de distancia a 10 cúmulos de galaxias y detección positiva del movimiento de supercúmulos masivos hacia la anisotropía de microondas". El diario astrofísico . 302 : 536. Bibcode : 1986ApJ ... 302..536A . doi : 10.1086 / 164014 .
  12. ^ Madore, Barry F .; Freedman, Wendy L .; Silbermann, N .; Harding, Paul; Huchra, John; Molde, Jeremy R .; Graham, John A .; Ferrarese, Laura; Gibson, Brad K .; Han, Mingsheng; Hoessel, John G .; Hughes, Shaun M .; Illingworth, Garth D .; Phelps, Randy; Sakai, Shoko; Stetson, Peter (10 de abril de 1999). "El proyecto clave en la escala de distancia extragaláctica. XV. Una distancia cefeida al cúmulo de Fornax y sus implicaciones". El diario astrofísico . 515 (1): 29–41. arXiv : astro-ph / 9812157 . Código Bibliográfico : 1999ApJ ... 515 ... 29M . doi : 10.1086 / 307004 . S2CID 119389510 . 
  13. ^ Reid, N (1998). "Cúmulos globulares, Hipparcos y la edad de la galaxia" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 95 (1): 8-12. Código Bibliográfico : 1998PNAS ... 95 .... 8R . doi : 10.1073 / pnas.95.1.8 . PMC 34182 . PMID 9419316 .  
  14. ^ Chaboyer, Brian; Demarque, P .; Kernan, Peter J .; Krauss, Lawrence M. (10 de febrero de 1998). "La edad de los cúmulos globulares a la luz de: ¿resolver el problema de la edad?". El diario astrofísico . 494 (1): 96-110. arXiv : astro-ph / 9706128 . Código Bibliográfico : 1998ApJ ... 494 ... 96C . doi : 10.1086 / 305201 . S2CID 14638994 . 
  15. ^ Krauss, Lawrence M .; Chaboyer, Brian (3 de enero de 2003). "Estimaciones de edad de los cúmulos globulares en la Vía Láctea: limitaciones de la cosmología". Ciencia . 299 (5603): 65–69. Código Bibliográfico : 2003Sci ... 299 ... 65K . doi : 10.1126 / science.1075631 . PMID 12511641 . S2CID 10814581 .  
  16. ^ Colaboración de Planck, Planck; Ade, PAR; Aghanim, N .; Armitage-Caplan, C .; Arnaud, M .; Ashdown, M .; Atrio-Barandela, F .; Aumont, J .; Baccigalupi, C .; Banday, AJ; Barreiro, RB; Bartlett, JG; Battaner, E .; Benabed, K .; Benoît, A .; Benoit-Lévy, A .; Bernard, J. -P .; Bersanelli, M .; Bielewicz, P .; Bobin, J .; Bock, JJ; Bonaldi, A .; Bond, JR; Borrill, J .; Bouchet, FR; Bridges, M .; Bucher, M .; Burigana, C .; Butler, RC; et al. (2013). "Resultados de Planck 2013 XVI: Parámetros cosmológicos". Astronomía . 571 : A16. arXiv : 1303.5076 . Bibcode : 2014A & A ... 571A..16P . doi : 10.1051 / 0004-6361 / 201321591 .S2CID  118349591 .
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  19. ^ "El universo puede ser mil millones de años más joven de lo que pensamos" . NBCNews .

Enlaces externos

  • http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html