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8 de julio de 2008

Ambulancias y Universo. Efecto Doppler (II): expansión del Universo

Si vais a continuar leyendo lo mejor es que le echéis un vistazo antes a la primera parte de "¿Qué tienen que ver las ambulancias con el Universo?" y a la pequeña introducción al espectro electromagnético que publiqué hace poco. Si ya lo habéis hecho, vamos al asunto.

Lo primero es avisar de que con esto me meto en berenjenales muy gordos que no he estudiado de forma rigurosa, así que es muy posible que haya errores. De hecho, repasando a última hora para escribir esto, he encontrado varios errores en lo que iba a decir, aunque creo que ya no hay ninguno, más allá de simplificaciones y cosas por el estilo para facilitar la comprensión.

Las estrellas emiten luz debido a las reacciónes de fusión nuclear que se produce en ellas. Cuando se analiza esas radiaciones que nos llegan con un aparato llamado espectroscopio, devuelve como resultado el espectro electromagnético correspondiente a la onda luminosa que nos llega. Este espectro tiene unas líneas negras, pues cada elemento absorbe una determinada longitud de onda. Analizando esas líneas, llamadas líneas espectrales, podemos saber qué elementos componen la estrella. Y así se llegó a saber que las estrellas se componen principalmente de hidrógeno y helio, aunque hay más elementos presentes. El análisis espectral también nos da información sobre la temperatura y edad de las estrellas. Todo esto lo estudia la espectroscopia astronómica.

En ocasiones, al comparar con los espectros obtenidos en los laboratorios, o los obtenidos del Sol, nos damos cuenta de que esos patrones de líneas negras no aparecen en las frecuencias que deberían estar, sino que están desplazados hacia al rojo o hacia el azul. Se dice desplazamiento al rojo o desplazamiento al azul porque el rojo corresponde al límite de menor frecuencia del rango del visible, y el azul al de mayor frecuencia.

Desplazamiento al rojo de las líneas espectrales de un cúmulo de estrellas comparado con el del Sol. Fuente.

¿Por qué se producen estos desplazamientos? Pues por lo mismo que la sirena de una ambulancia suena más grave cuando se aleja que cuando se acerca, por el efecto Doppler. Si la estrella o galaxia se aleja, su patrón de líneas en el espectro está desplazado hacia el rojo, mientras que si se acerca, estará desplazado al azul. Así se ha descubierto por ejemplo que las galaxias más cercanas a nosotros se nos están acercando, como pasa con la Galaxia de Andrómeda.

Pero sin embargo, la mayoría de las galaxias presentan un desplazamiento al rojo que parece indicar que se alejan. Pero aún hay más. Parece que se alejan más rápido cuanto más lejos están de nosotros, y que se alejan en todas las direcciones, como si fuéramos el centro del Universo. Sin embargo, cuando hallamos la velocidad a la que se alejan, en ocasiones hay problemas, pues esta velocidad es mayor que la velocidad de la luz. Einstein, en su Teoría de la Relatividad Especial (hay dos Teorías de la Relatividad de Einstein, esta y la General, que habla de la gravedad) demostró que esto es imposible. Nada que tenga masa puede superar la velocidad de la luz, pues para hacerlo, se necesitaría una energía infinita. Entonces, ¿qué es lo que pasa? ¿cómo es posible que se alejen a una velocidad mayor que la luz? ¿están mal los cálculos o la teoría?

No hay nada mal en la teoría ni en los cálculos. Es la expansión del Universo. Casi todo se aleja de casi todo (como ya he dicho, las galaxias más cercanas a la nuestra se están acercando). Que las galaxias más lejanas parezcan alejarse a una velocidad mayor que la luz tampoco contradice la Teoría de la Relatividad Especial, pues lo que esta dice es que nada puede moverse a mayor velocidad que la de la luz respecto a nada. El truco está en que las galaxias no se mueven, sino que el espacio entre ellas se hace más grande. Puede parecer lo mismo, pero no lo es. La forma más fácil de imaginarlo es un globo. Al globo le pintáis unos puntos en su superficie. Estos puntos representan las galaxias, y el Universo completo es la goma del globo. Al inflar el globo, la distancia sobre las superficie del globo de los puntos se hace cada vez más grande, pero no se puede decir que los puntos se hayan movido, no lo han hecho. Esto es lo que se llama expansión métrica del Universo.

La idea del globo es bastante interesante porque nos ayuda a entender otras ideas. Por ejemplo, que cuanto más lejos están los puntos, más rápido crece la distancia entre ellos. Podemos ver también que todos los puntos que pongamos se alejan de todos, sin que ninguno de ellos sea el centro de nuestro universo globo. Esto significa que, pese a que todo se aleje de nosotros, no somos el centro del Universo, aunque lo parezca. De hecho, si fuéramos a otro punto del Universo lo más distante posible, también nos parecería que ese es el centro del Universo.

Por ello el hablar de efecto Doppler es abuso del lenguaje en cuanto a la expansión del Universo. Para que exista efecto Doppler, el emisor de ondas debe estar moviéndose, tener una velocidad. Las galaxias no se están moviendo, no tienen velocidad. La velocidad de la que he hablado antes, que puede ser mayor que la de la luz, es la velocidad a la que debería moverse algo para tener un efecto Doppler de esa misma magnitud. Lo más correcto es hablar de desplazamiento al rojo cosmológico.

Hay otras razones por las cuales se produce un desplazamiento al rojo en la luz que nos llega de las estrellas, como pueda ser efectos gravitatorios, pero eso ahora mismo no nos interesa. Lo que más claro debe quedar es que la expansión del Universo no significa que las galaxias se estén moviendo para alejarse unas de otras, sino que el espacio entre ellas se hace más grande. Esto es una diferencia muy importante e indispensable para explicar todos los fenómenos que se ven.

11 comentarios:

  1. Diego dijo...

    Me ha encantado. Te explicas mejor que Asimov :D

    A mí me fascina todo el tema de análisis espectral, sobre todo porque sirve lo mismo para el sonido que para las estrellas... si nos ponemos poéticos, es como escuchar "La canción de las estrellas".

    PD: El espectrómetro lo inventó Gustav Kirchhoff, el más jrande físico después de Feynman. Loor a Kirchhoff!!!

  2. Valaingaur dijo...

    Mmmm

    Yo hay algo que no entiendo.

    Para que el efecto Doppler sea apreciable, la velocidad de movimiento debe ser comparable en magnitud a la velocidad de la onda, no?

    Pero entonces, para apreciar el desplazamiento al rojo de las estrellas, el movimiento debería ser comparable a la velocidad de la luz... como tú mismo has dicho, teóricamente incluso superior.

    Si no me equivoco, la estrella más próxima a nosotros es Proxima Centauri, a 'solo' 8.6 años luz... si existiera un movimiento relativo entre nuestro sistema solar y esta estrella de magnitud comparable a la velocidad de la luz... no debería haberse medido?

    Aclaro que no tengo ni idea de cómo se mide la distancia entre estrellas,... por eso digo que esta parte del post no la entiendo.

  3. Smaigol dijo...

    "El truco está en que las galaxias no se mueven, sino que el espacio entre ellas se hace más grande." Plas, plas, plas. Nunca lo había visto tan bien sintetizado. El artículo en general está muy bien llevado, pero como entraste gratis en el parque de atracciones y yo no...pues tengo que hacer algunas puntualizaciones :-).Pero está muy bien, en serio.

    Dices: "Que las galaxias más lejanas parezcan alejarse a una velocidad mayor que la luz tampoco contradice la Teoría de la Relatividad Especial, pues lo que esta dice es que nada puede moverse a mayor velocidad que la de la luz respecto a nada." Más bien lo que pasa es que la RE dice que nada puede moverse localmente más rápido que la luz, es decir, en una región lo suficientemente pequeña del universo. Lo que pasa es que un concepto como "velocidad" sólo puede definirse (salvo casos especiales, como velocidad de dos galaxias que se alejan debido a la expansión del universo) en regiones muy pequeñas del universo.Tiene sentido, la velocidad es una derivada y si algo nos han enseñado la Walias y Analisis I es que las derivadas son algo que se calcula en el punto y en su vecindad inmediata!

    Tú dices "que la RE prohibe moverse mas rapido que la luz respecto a nada".Correcto, pero quizá deberías puntualizar que ese "nada" es un sistema de referencia en un punto que mide una velocidad en un punto. Cosas muy lejanas entre sí si que pueden "moverse" más rapido que la velocidad de la luz, como dice tu artículo.

    En fin, eso era una pijería más que nada por lo de tu entrada gratis el sábado.No vale la pena ni editar el artículo por eso.

    La otra puntualización también es un poco chorra...dices "Esto significa que, pese a que todo se aleje de nosotros, no somos el centro del Universo, aunque lo parezca. De hecho, si fuéramos a otro punto del Universo lo más distante posible, también nos
    parecería que ese es el centro del Universo.". Cosa con la que estoy totalmente de acuerdo,es una cosa muy importante en cosmología que se llama asumir la homogeneidad del universo, y es una de las dos hipótesis fundamentales a la hora de crear un modelo del universo coherente con la observación. Sin embargo, en tu artículo parece más bien u
    n resultado de la teoría (y no lo es, es una premisa) o algo que ha sido observado (eso es falso, porque obviamente sólo la Dianética traspasa los confines del sistema solar).Algo no observado pero razonable (por que hostias vamos a estar en un lugar especial) y que adquiere bastante sentido si uno piensa que el universo se ve igual mires en la dirección que mires.

    Bueno, ahí queda.Me ha salido largo el comentario xD. Pero sólo puedo terminarlo diciendo BIEN HECHO con mayúsculas. Era un tema jodido, y por lo menos a mí me parece un artículo claro y sobre todo, que podría entender hasta mi abuela (previa lectura de los otros dos artículos y SOLO SI no le decimos que estas cosas predicen que el universo nació antes del 4004 a.c).En fin, un saludo, buen trabajo, y keep going :-).

  4. Kunzahe dijo...

    @ diego: Qué exagerado eres, pero gracias. ¿Qué pasa, que la nueva guía para la ciencia que te estás leyendo se te está haciendo pesada? xD

    @ valaingaur: no entiendo muy bien a qué te refieres. Tienes razón en lo de la velocidad en el efecto Doppler, que debe ser comparable a la velocidad de propagación de la onda, pero no entiendo lo de Próxima Centauri. Si es respecto a lo del desplazamiento al azul de la luz que nos llega de las galaxias cercanas, ten en cuenta que hablo de galaxias cercanas.No sé cómo será el movimiento de Próxima Centauri, pero ten en cuenta que está en nuestra propia galaxia, y yo en el artículo hablo de otras galaxias.

    Respecto a lo de la distancia de las estrellas, para estrellas cercanas, como es el caso de Próxima Centauri, se usa la paralaje. diego dijo que a lo mejor escribía un artículo un artículo sobre la paralaje y su papel en el Ulises de Joyce (no tengo ni idea de qué va a escribir xD), pero te lo explico, que es muy sencillo. Hay varios tipos, te explico el anual, con el que se midió la distancia a esta estrella. Consiste en mirar a la estrella en dos puntos distintos de la órbita terrestre respecto al Sol. Al estar en puntos diferentes, hay una pequeña diferencia en el ángulo con el que se ve la estrella (una diferencia inferior al segundo de arco). A partir de esa diferencia, se halla la distancia.

    La paralaje sólo es fiable en distancias menores de 100 años-luz, para distancias mayores se usa la luminosidad de un tipo de estrellas llamadas cefeidas. Realmente no sé cómo va el asunto, así que te toca investigar xD

    Lo mejor es que te leas el artículo de la Wikipedia sobre la paralaje, que es lo que hice yo xD

    @ smaigol: o sea, que haces puntualizaciones sólo por lo del sábado. Entonces a saber cuantas más cosas de otros artículos están mal y no has comentado xD

    En lo de la RE me has pillado completamente, lo reconozco. En lo de la homogeneidad tienes razón, podía haberlo explicado mucho mejor. Estuve a punto de incluir algún comentario sobre las premisas (isotropía y tal), pero me parecía que quedaba demasiado largo, y ya era suficiente.

  5. Favila dijo...

    Oooooooooh, ¡me ha encantado!
    Por un momento me sentí infinita.

  6. Smaigol dijo...

    Hombre, si hubiera algo "mal" en algún otro artículo y yo me hubiera dado cuenta de ello, te lo hubiera dicho. No soy tan cabrón. Lo que pasa es que este es un blog de divulgación, y por la propia naturaleza de la divulgación, es imposible ser preciso! Hay que dejar de lado cosas y simplificar aspectos de los fenómenos que uno divulga, aun a riesgo de que la gente se haga una idea inexacta...porque la alternativa es que no se haga una idea en absoluto. Mis puntualizaciones se aprovechan precisamente de eso: Siempre puedes ser más preciso, y para criticar, me he limitado a coger dos puntos de tu artículo y dejar claro que podías haber sido más preciso ;-). Pero vamos está genial.

    Por cierto, a ver cuando se me pasa el trancazo que tengo y podemos vernos. Hice un video en el museo de las ciencias de valencia que creo que te gustará.

  7. David dijo...

    Bravo, has rematado la exposición de forma magistral, y eso que habías dejado el listón muy alto con la primera parte de este tema. Simplemente genial.

  8. ángel dijo...

    Bastante buena explicación, jejeje varias cosas incorrectas, pero buena explcación.

    Si tuviera tiempo, te puntualizaría algunas cosas sobre que las galaxías cercanas se acercan (no es exactamente así, aunque tampoco es absolutamente incorrecto); respecto al tema de la relatividad y la velocidad de la luz... bueno, ya verás lo que son los 'conos de luz', y para que sirven.

    La respuesta a valaingaur sobre la onda es 'no', directamente, para que se aprecie el efecto doppler en velocidad basta con que un objeto tega una velocidad relativa respecto a otro. En realción al efecto doppler cosmológico, como tu bien dices, no tiene realmente relación con la velocidad de las galaxias (aunque tamién), si no con el cambio en el espacio entre ellas y nosotros, y la velocidad de la onda no juega ningún papel en todo ello (y menos si tenemos en cuenta uno de los principales postulados de la relatividad, que dice que la velocidad de la luz en el vacio es la misma para todo sistema de referencia), y ya me he extendido demasiado, si otro día tengo tiempo ya me meteré más.

    Continua con el buen trabajo ^^.

  9. Chispas dijo...

    Actualiza ya con algo del LHC y critica a los que dicen que se acaba el universo.

  10. Anónimo dijo...

    EL UNIVERSO ES Y SERÁ SIEMPRE UNA VIBRACIÓN INMENSURABLE QUE SE EXPANDE DE LA MISMA FORMA COMO LO HACE UN ORGANISMO VIVIENTE CONSUMIENDO Y EXPELIENDO ENERGÍA ANÁLOGO A UN VIENTRE CÓSMICO DE DIMENCIONES INIMAGINABLES QUE RESPIRA Y EXPIRA DURANTE SU TRAYECTORIA EVOLUTIVA. LO IMPORTANTE ES QUE SOMOS PARTE DE EL.
    DANIEL DURÁN.
    TRUJILLO - REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

  11. Anónimo dijo...

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