Ley de Hubble

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En astronomía y cosmología , la ley de Hubble (o ley de Hubble-Lemaître ) [1] establece que existe una relación lineal entre el corrimiento al rojo de la luz emitida por las galaxias y su distancia. Cuanto mayor es la distancia de la galaxia, mayor es su desplazamiento hacia el rojo. En forma matemática, la ley de Hubble se puede expresar como

donde z es el corrimiento al rojo medido de la galaxia, D es su distancia, c es la velocidad de la luz y H 0 es la constante de Hubble , cuyo valor estimado actualmente es de alrededor de 2,176 × 10 −18 Hz ( 67,15 km / s / Mpc ).

Historia

En 2018, la Unión Astronómica Internacional , mediante votación interna, estableció la coatribución de la ley también a Georges Lemaître [1] .

La ley empírica de Hubble es una importante confirmación observacional de la solución de las ecuaciones de Albert Einstein . Es válido para un universo homogéneo isotrópico y en expansión; bajo estas hipótesis Georges Lemaître [2] había deducido y medido en 1927 una ley estrictamente lineal, que establece que la velocidad de recesión v es directamente proporcional a la distancia D (cuanto mayor es la distancia entre dos galaxias y mayor es su velocidad de retirada recíproca), que se puede expresar matemáticamente como:

Esta relación teórica coincide con la ley empírica anterior si el corrimiento al rojo z es directamente proporcional a la velocidad de recesión v , es decir, z = v / c . El vínculo entre v y z es lineal sólo para z mucho más pequeño que 1 (lo que es, sin duda, cierto para los desplazamientos al rojo muy bajos observados en los tiempos de Hubble y Humason ), mientras que para z mayor que depende del modelo particular de la expansión del universo elección.

En cualquier caso, la ley se atribuye al astrónomo Edwin Hubble , quien la enunció en 1929 [3] y luego la confirmó con datos más precisos en 1931 en un artículo conjunto con Milton Humason . Comparando las distancias de las galaxias más cercanas con su velocidad relativa a nosotros (medible asumiendo que su corrimiento al rojo se debe a su movimiento y que v / c = z para z << 1), Hubble encontró una relación lineal entre la velocidad y la distancia (obteniendo H 0 = aproximadamente 500 km / s por Mpc , un valor 7 veces mayor que el valor aceptado actualmente).

En el momento de su anuncio, este resultado era bastante dudoso: Hubble había subestimado seriamente los errores de medición, hasta el punto de que si hoy su análisis se repitió en la misma muestra de objetos, pero utilizando los datos más actualizados para sus distancias y velocidad de recesión, no se obtendría un resultado estadísticamente significativo, ya que las galaxias consideradas están demasiado cerca de nosotros. Esta incertidumbre se manifiesta en el hecho de que el valor actualmente aceptado para H 0 es aproximadamente 7 veces menor que el estimado inicialmente por el propio Hubble. No obstante, el hecho de que existe una relación lineal entre la distancia y la velocidad de la recesión ha sido confirmado repetidamente por todas las observaciones posteriores.

Implicaciones cosmológicas

El hecho de que la velocidad de recesión sea proporcional a la distancia, exactamente como ocurre en cualquier medio sujeto a expansión uniforme, está de acuerdo con el Principio Cosmológico , una hipótesis que siempre se utiliza para construir modelos matemáticos del universo. En otras palabras, el hecho de que las galaxias se estén alejando de nosotros no implica en absoluto una posición privilegiada de la Tierra en el Universo , ya que una ley formalmente idéntica se cumple para todos los posibles puntos de observación (es decir, si estuviéramos en otra galaxia). , encontraríamos exactamente la misma relación entre velocidad y distancia).

La importancia histórica de la ley de Hubble radica en haber eliminado todos los modelos estáticos del Universo, que hasta entonces eran ampliamente favorecidos (la consecuencia más famosa de este sesgo fue la introducción arbitraria de Einstein de una constante cosmológica en sus ecuaciones, con el fin de hacer la universo que predijeron estático), incluso si comenzaran a surgir dudas al respecto: ej. A principios de los años veinte, los teóricos Aleksandr Friedman y Georges Lemaître ya habían propuesto modelos cosmológicos en los que el Universo evoluciona y Lemaître también había previsto la ley que luego fue verificada experimentalmente por Hubble.

Tras el descubrimiento del Hubble, las teorías que postulaban el nacimiento del universo a partir del Big Bang recibieron cada vez más apoyo, aunque, hasta finales de la década de 1960 , cuando se descubrió el fondo cósmico de microondas , la teoría del estado estacionario se consideró una alternativa válida.

A pesar de la creencia generalizada de que la ley empírica de Hubble es la prueba definitiva de la expansión del Universo, en sí misma solo indica una relación entre dos cantidades medidas, precisamente el corrimiento al rojo y el brillo aparente. Edwin Hubble , por ejemplo, fue muy cauteloso con las implicaciones cosmológicas de su descubrimiento y siempre mostró escepticismo sobre la expansión del universo. Teóricamente es posible (aunque muy improbable) que el corrimiento al rojo no se deba a un movimiento de la fuente con respecto al observador sino a algún efecto físico, que no entendemos, o que la relación entre brillo y distancia sea diferente de lo que esperamos.

El valor de la constante de Hubble

Ya unos años después de la enunciación de la ley de Hubble, se advirtió que el valor de H 0 indicado por Hubble era excesivamente alto (por ejemplo, Hubble había confundido dos tipos diferentes de indicadores de distancia), por lo que se revisó continuamente para descontar.

Este proceso de revisión, sin embargo, dio lugar a una larga y acalorada polémica entre dos "partidos", "encabezados" por Allan Sandage y Gérard de Vaucouleurs respectivamente , quienes propusieron dos valores diferentes y sustancialmente incompatibles: unos 1,6 aHz (50 km / s / Mpc) para Sandage y sus "seguidores", y aprox. 3,2 aHz (100 km / s / Mpc) para de Vaucouleurs. Según las mediciones actuales, el valor real se encuentra en el medio, más cercano al de Sandage.

La controversia fue tan acalorada que los cosmólogos teóricos, para evitar implícitamente tomar una posición al respecto, a menudo parametrizaban el valor de la constante de Hubble con un número h:

de los cuales simplemente se dijo que estaba entre 0,5 y 1.

Una medición más precisa solo ha sido posible en los últimos años: una primera estimación basada en las observaciones de las Variables Cefeidas con el Telescopio Espacial Hubble (HST) en mayo de 2001, que proporcionó una primera estimación igual a 2,33 ± 0,26 aHz ( 72 ± 8 km / s / Mpc ).

Las observaciones del fondo cósmico de microondas realizadas con el satélite WMAP ( 2003 ) proporcionaron un valor similar al reducir a la mitad el error: 2,30 ± 0,13 aHz ( 71 ± 4 km / s / Mpc ).

En 2006, la NASA consiguió el telescopio usando el Chandra en órbita aproximadamente 2,5 ± 0,37 aHz ( 77 ± 12 km / s / Mpc ). [4]

El sitio WMAP de la NASA resume todos estos indicando un valor promedio para la constante igual a 2,29 ± 0,52 aHz ( 70,8 ± 1,6 km / s / Mpc ) si el espacio se considera plano o de 2,3 ± 1,3 aHz ( 70,8 ± 4,0 km / s / Mpc ) en otros casos. [5] Sin embargo, estas estimaciones se remontan a 2007 y no tienen en cuenta las medidas más recientes. [6]

En 2009, utilizando nuevamente las mediciones HST, el valor de 2,40 ± 0,12 aHz ( 74,2 ± 3,6 km / s / Mpc ). [7]

Las determinaciones de 2010 realizadas nuevamente con el HST y basadas en mediciones del efecto de lente gravitacional llevaron al valor de 2,35 ± 0,10 aHz ( 72,6 ± 3,1 km / s / Mpc ). [8]

Del análisis de siete años de mediciones realizado con el WMAP y publicado en 2010 una estimación de 2.301 ± 0.081 aHz ( 71,0 ± 2,5 km / s / Mpc ) utilizando exclusivamente estos datos mientras tenga 2,282 ± 0,045 aHz ( 70,4 ± 1,4 km / s / Mpc ) si media datos con mediciones anteriores de otros estudios. [9]

En 2011 con la nueva cámara infrarroja del Telescopio Espacial Hubble (HST) un valor de 2,392 ± 0,077 aHz ( 73,8 ± 2,4 km / s / Mpc ). [10] [11]

Un enfoque alternativo que utiliza datos de cúmulos de galaxias obtuvo un valor de 2,171 ± 0,010 aHz ( 67,0 ± 3,2 km / s / Mpc ). [12] [13]

En octubre de 2012 Freedman et al. Obtuvieron un valor constante de 2,407 ± 0,068 aHz ( 74,3 ± 2,1 km / s / Mpc ) gracias a las mediciones realizadas por el telescopio espacial infrarrojo Spitzer . [14]

El 21 de marzo de 2013, los datos de la sonda Planck de la ESA arrojaron un valor igual a 2,176 ± 0,039 aHz ( 67,15 ± 1,2 km / s / Mpc ). [15]

El 26 de enero de 2017, un grupo internacional de astrónomos de la colaboración H0LiCOW, liderado por Sherry Suyu, anunció los resultados de un estudio, basado en las diferentes longitudes de las trayectorias de luz de los cuásares desviados de las galaxias, que operan como lentes gravitacionales gigantes. [16] La medición se llevó a cabo con una combinación de telescopios terrestres y espaciales (incluido el propio telescopio espacial Hubble).

El valor resultante de la constante de Hubble se calcula actualmente en 71,9 ± 2,7 km / s / Mpc , en excelente acuerdo con otras medidas basadas en la observación del universo local, pero distinto de los valores sugeridos por la observación del fondo cósmico de microondas. [17]

El parámetro de Hubble

Cabe señalar que en casi todos los modelos cosmológicos (y en particular en todos aquellos basados ​​en la hipótesis del Big Bang, es decir, prácticamente todos los que actualmente se consideran posibles) la constante de Hubble es constante solo en el sentido de que si en este momento (es decir, en el mismo instante de tiempo del tiempo cosmológico ) si repitiéramos su medición en cualquier otro punto del universo, obtendríamos el mismo valor. Sin embargo, este valor cambia con el tiempo. Para limitar la confusión, usualmente usamos el término parámetro de Hubble en el tiempo t (denotado por H (t) ), mientras que la constante de Hubble H 0 significa el valor actual.

La evolución de H se debe a los efectos de la gravedad (la fuerza gravitacional de la materia en el universo tiende a ralentizar la expansión) y la llamada energía oscura (energía oscura), que en cambio tiende a acelerarse; la llamada constante cosmológica sería una forma particular de energía oscura. Las mediciones realizadas en los últimos años (a partir de 1999 ) parecen indicar que la expansión del universo se está acelerando actualmente.

La edad del universo

A partir del valor de H 0 también es posible derivar un orden de magnitud para la edad del universo: en todos los modelos cosmológicos que asumen un Big Bang, de hecho, el tiempo transcurrido entre el Big Bang y la época actual está dado aproximadamente por 1 / H 0 = 13,7 ± 0,8 Ga (donde se utilizó el valor de H 0 encontrado por WMAP). Para una evaluación más precisa de la edad del universo es necesario conocer una serie de otros parámetros cosmológicos que tienen en cuenta, en primer lugar, la expansión inflacionaria ; por ejemplo, usando todos los valores medidos por Planck juntos encontramos una edad de 13,82 mil millones de años.

Una vez que conocemos la edad del universo y aceptamos el supuesto de que la velocidad de la luz es constante, parecería que no es posible observar objetos más allá del espacio recorrido por la luz durante toda la vida del universo. La noción de que esta distancia es trivialmente igual a unos 13,82 mil millones de años luz (4,3 gigaparsec) es errónea, ya que no tiene en cuenta la expansión del universo que ha intervenido progresivamente, entre otras cosas en constante aceleración, hasta llegar a la situación. donde el espacio se expande más rápido que la luz.

La distancia de Hubble, obtenida a partir de la constante de Hubble, ubicada a 16 mil millones de años luz de observación [18] , delimita la distancia más allá de la cual las leyes físicas, el espacio y el tiempo pierden significado y contacto causal , es decir, la posibilidad de observar o intercambiar cualquier señal. , interacción o información, que en la práctica abandona la realidad del observador.

Problemas y criticidades

La ley de Hubble siempre ha sido objeto de críticas por parte de los opositores al modelo del Big Bang. Uno de los críticos más acérrimos fue el astrónomo Halton Arp , quien negó su origen cosmológico y quien durante décadas informó a la comunidad científica de la observación de un gran número de violaciones a la ley de Hubble, sobre la que se basa el modelo del Big Bang. Uno de los más conocidos es la asociación física (a través de un puente de materia) de una galaxia y un quásar ( Markarian 205 ), que sin embargo tienen corrimientos al rojo muy diferentes; aplicando la ley de Hubble a este par, se les debería asignar una distancia tal que excluya cualquier asociación, mientras que en cambio los dos objetos astronómicos están efectivamente asociados. [19]

Nota

  1. ^ a b ( EN ) Los miembros de la IAU votan para recomendar el cambio de nombre de la ley Hubble como ley Hubble-Lemaître , en IAU , 29 de octubre de 2018. Consultado el 30 de noviembre de 2018 .
  2. ^ Georges Lemaître , Un univers homogène de masse constant et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques , en Annales de la Société Scientifique de Bruxelles , A47, 1927, págs. 49–59, Bibcode : 1927ASSB ... 47 ... 49L . . Parcialmente traducido (el traductor permanece sin identificar) en Georges Lemaître , Expansión del universo, Un universo homogéneo de masa constante y radio creciente que explica la velocidad radial de las nebulosas extragalácticas , en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society , vol. 91, 1931, págs. 483–490, Bibcode : 1931MNRAS..91..483L . .
  3. ^ (EN) Edwin Hubble, Una relación entre la distancia y la velocidad radial entre nebulosas extragalácticas (PDF), en Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, 15 Número 3, 15 de marzo de 1929, págs. 168-173.
  4. ^ Chandra Confirms the Hubble Constant , universetoday.com , 8 de agosto de 2006. Consultado el 7 de marzo de 2007 .
  5. ^ Universo de WMAP , en wmap.gsfc.nasa.gov , NASA.
  6. ^ ¿Qué tan rápido se está expandiendo el universo? , en wmap.gsfc.nasa.gov , NASA (archivado desde el original el 1 de enero de 2007) .
  7. ^ La constante refinada de Hubble reduce las posibles explicaciones de la energía oscura , en hubblesite.org , 9 de mayo de 2009. Consultado el 9 de mayo de 2009 . WL Freedman, BF Madore, BK Gibson, L. Ferrarese, DD Kelson, S. Sakai, JR Mold, RC Kennicutt, Jr., HC Ford, JA Graham, JP Huchra, SMG Hughes, GD Illingworth, LM Macri, PB Stetson, Resultados finales del proyecto clave del telescopio espacial Hubble para medir la constante de Hubble , en The Astrophysical Journal , vol. 553, n. 1, 2001, págs. 47–72, Bibcode : 2001ApJ ... 553 ... 47F , DOI : 10.1086 / 320638 , arXiv : astro-ph / 0012376 .
  8. ^ SH Suyu, PJ Marshall, MW Auger, S. Hilbert, RD Blandford, LVE Koopmans, CD Fassnacht y T. Treu. Disección de la lente gravitacional B1608 + 656. II. Medidas de precisión de la constante de Hubble, la curvatura espacial y la ecuación de estado de la energía oscura. The Astrophysical Journal, 2010; 711 (1): 201 DOI: 10.1088 / 0004-637X / 711/1/201
  9. ^ Observaciones de la sonda de anisotropía de microondas Wilson de siete años (WMAP): mapas del cielo, errores sistemáticos y resultados básicos ( PDF ), en lambda.gsfc.nasa.gov , nasa.gov. Consultado el 2 de diciembre de 2010 . (consulte la página 39 para obtener una tabla de las mejores estimaciones para varios parámetros cosmológicos)
  10. ^ Adam G. Riess, Lucas Macri, Stefano Casertano, Hubert Lampeitl, Henry C. Ferguson, Alexei V. Filippenko , Saurabh W. Jha, Weidong Li y Ryan Chornock, Una solución al 3%: Determinación de la constante de Hubble con el espacio de Hubble Telescopio y cámara de campo amplio ( PDF ), en The Astrophysics Journal , vol. 730, n. 2, 1 de abril de 2011, pág. 119, código bibliográfico : 2011ApJ ... 730..119R , DOI : 10.1088 / 0004-637X / 730/2/119 . Obtenido el 1 de noviembre de 2011 (archivado desde el original el 7 de agosto de 2011) .
  11. ^ 'Nuevo estudio da un impulso a la energía oscura' Archivado el 30 de septiembre de 2012 en Internet Archive . (Ron Cowen), Science News, 16 de marzo de 2011.
  12. ^ Florian Beutler, Chris Blake, Matthew Colless, D. Heath Jones, Lister Staveley-Smith, Lachlan Campbell, Quentin Parker, Will Saunders y Fred Watson, The 6dF Galaxy Survey: Baryon Acoustic Oscillations and the Local Hubble Constant , in Monthly Notices of la Royal Astronomical Society , vol. 416, n. 4, 25 de julio de 2011, pág. 3017, código bibliográfico : 2011MNRAS.tmp.1164B , DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2011.19250.x .
  13. ^ 'Constante de Hubble: una nueva forma de medir la expansión del universo' , Science Daily, 27 de julio de 2011.
  14. ^ (EN) Wendy L. Freedman, Barry F. Madore, Victoria Scowcroft, Chris Burns, Andy Monson, S. Eric Persson, Programa Carnegie Hubble: Calibración en el infrarrojo medio de la constante de Hubble , en The Astrophysical Journal, vol. 758, n. 1, 2012, pág. 24, DOI : 10.1088 / 0004-637X / 758/1/24 . Consultado el 10 de octubre de 2012 .
  15. ^ Universo más antiguo de lo que se pensaba
  16. ^ http://subarutelescope.org/Pressrelease/2017/01/26/index.html
  17. ^ http://astronomy.com/news/2017/01/holicow-measures-the-universe
  18. ^ Copia archivada ( PDF ), en space.mit.edu . Obtenido el 6 de noviembre de 2008 (archivado desde el original el 19 de julio de 2011) .
  19. ^ Respuesta de Paolo Sirtoli en vialattea.net , en vialattea.net . Consultado el 28 de diciembre de 2015 (archivado desde el original el 8 de diciembre de 2015) .

Bibliografía

enlaces externos

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