¿Cuán seguro estamos de que el Universo tiene 13.8 mil millones de años?
Comenzó con una explosión
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
Si miras más lejos y más lejos, también miras más y más hacia el pasado. Lo más lejos que podemos ver en el tiempo es 13.8 mil millones de años: nuestra estimación para la edad del Universo. ¿Pero es correcto? Crédito de la imagen: NASA / STScI / A. Felid
Por Ethan Siegel, Para Forbes Octubre 21 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son propias.
Seguramente habrá escuchado que el Universo en sí mismo ha existido durante 13.800 millones de años desde el Big Bang, y que los científicos están muy seguros de esa cifra. De hecho, la incertidumbre sobre esa cifra es inferior a 100 millones de años: menos del 1% de la edad estimada. Pero la ciencia ha estado mal en el pasado. ¿Podría estar mal de nuevo, sobre esto? Esa es la pregunta de John Deer, quien pregunta:
Lord Kelvin calculó la edad del Sol entre 20 y 40 millones de años porque su modelo no incluía (no podía) la mecánica cuántica y la relatividad. ¿Qué tan probable es que estemos cometiendo un error similar al mirar el universo en general?
Echemos un vistazo al problema histórico y luego saltemos a la situación actual para entender más.
Los cúmulos, estrellas y nebulosas en nuestra Vía Láctea son útiles para obtener una estimación de edad para el Universo, pero así como nuestra falta de comprensión de los procesos estelares condujo a grandes errores en nuestra estimación para la edad del Sistema Solar , ¿podríamos estar engañándonos acerca de la edad del Universo? Crédito de la imagen: encuesta de ESO / VST
A fines del siglo XIX, hubo una gran controversia sobre la edad del Universo. Charles Darwin, al observar la evidencia de la biología y la geología, llegó a la conclusión de que la Tierra en sí debe tener al menos cientos de millones, si no miles de millones de años. Pero Lord Kelvin, mirando las estrellas y cómo funcionaban, llegó a la conclusión de que el Sol en sí necesitaba ser mucho más joven. Las únicas reacciones que conocía eran reacciones químicas, como la combustión y la contracción gravitacional. Esta última resulta ser la forma en que las estrellas enanas blancas obtienen su energía, pero gastar tanta energía como el Sol implicaría una vida de decenas de millones de años solamente. Las dos imágenes no se sumaron.
Una llamarada solar de nuestro Sol, que expulsa la materia de nuestra estrella matriz y hacia el Sistema Solar, es empequeñecida en términos de "pérdida de masa" por fusión nuclear, que ha reducido la masa del Sol en un total de 0.03% de su inicio valor: una pérdida equivalente a la masa de Saturno. Hasta que descubrimos la fusión nuclear, sin embargo, no pudimos estimar con precisión la edad del Sol. Crédito de la imagen: Observatorio de Dinámica Solar de la NASA / GSFC
Por supuesto, esto se resolvió décadas más tarde, con el descubrimiento de reacciones nucleares, y la aplicación de E = mc2 de Einstein a la fusión de hidrógeno que ocurre en el Sol. Cuando los cálculos se resolvieron por completo, nos dimos cuenta de que la vida del Sol sería algo así como 10-12 mil millones de años, y que estábamos a unos 4.5 mil millones de años en la existencia de nuestro Sistema Solar. Las edades del Sol (de la astronomía), la Tierra (de la geología) y la vida (de la biología) se alinearon en una imagen consistente y coherente.
El Sol, la Tierra y la historia de la vida en nuestro mundo tienen una edad constante en la actualidad, pero a fines del siglo XIX, la evidencia de la edad de la Tierra sugería que era significativamente más antigua que el Sol. Crédito de la imagen: ISS Expedition 7 Crew, EOL, NASA
Tenemos dos maneras de calcular la edad del Universo hoy: observar las edades de las estrellas y galaxias individuales dentro de él, y observar la física del Universo en expansión. Las estrellas mismas son la métrica menos precisa, ya que solo podemos verlas en un instante en el tiempo y luego extrapolar la evolución estelar hacia atrás. Esto es útil cuando tenemos grandes poblaciones de estrellas, como cúmulos globulares, pero es más difícil para estrellas individuales. El método es simple: cuando grandes poblaciones de estrellas nacen juntas, vienen en todos los tamaños y colores, desde caliente, masivo y azul, a fresco, pequeño y rojo. A medida que pasa el tiempo, las estrellas más masivas queman su combustible más rápido, y así comienzan a evolucionar y, más tarde, mueren.
Los ciclos de vida de las estrellas se pueden entender en el contexto del diagrama de color / magnitud que se muestra aquí. A medida que la población de estrellas envejece, 'apagan' el diagrama, lo que nos permite fechar la edad del clúster. Crédito de la imagen: Richard Powell bajo c.c.-por-s.a.-2.5 (L); R. J. Hall bajo c.c.-por-s.a.-1.0 (R)
Si miramos a los sobrevivientes, por lo tanto, podemos datar la edad de una población de estrellas. Muchos cúmulos globulares tienen edades que superan los 12 mil millones de años, y algunos incluso superan los 13 mil millones de años. Con avances en técnicas y capacidades de observación, hemos medido no solo el contenido de carbono, oxígeno o hierro de estrellas individuales, sino también mediante el uso de las abundancias de uranio y torio en desintegración radiactiva, junto con los elementos creados en las primeras supernovas del Universo , podemos fechar sus edades directamente.
Ubicada a unos 4.140 años luz de distancia en el halo galáctico, SDSS J102915 + 172927 es una estrella antigua que contiene solo 1/20,000 de los elementos pesados que posee el Sol, y debe tener más de 13 mil millones de años: uno de los más antiguos del Universo , y posiblemente se haya formado incluso antes de la Vía Láctea. Crédito de la imagen: ESO, Digitized Sky Survey 2
La estrella HE 1523-0901, que es aproximadamente el 80% de la masa del Sol, contiene solo el 0,1% del hierro del Sol, y se mide como 13.200 millones de años a partir de la abundancia de elementos radiactivos. En 2015, un conjunto de nueve estrellas cerca del centro de la Vía Láctea se formaron hace 13,500 millones de años: solo 300,000,000 años después del Big Bang, y antes de la formación inicial de la Vía Láctea, con uno de ellos teniendo menos de 0,001 % del hierro del Sol: la estrella más prístina jamás encontrada. Y polémicamente, está la estrella de Matusalén, que llega en unos sorprendentes 14.46 mil millones de años, aunque con una gran incertidumbre de alrededor de 800 millones de años.
Pero hay una manera mejor y más precisa de medir la edad del Universo: a través de su expansión cósmica.
Los cuatro destinos posibles de nuestro Universo en el futuro; el último parece ser el Universo en el que vivimos, dominado por la energía oscura. Lo que hay en el Universo, junto con las leyes de la física, determina no solo cómo evoluciona el Universo, sino cuántos años tiene. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Al medir lo que hay hoy en el Universo, cómo parecen moverse los objetos distantes y cómo se comporta la luz de ellos cerca, a distancias intermedias y para las distancias más grandes observables, podemos reconstruir la historia de expansión del Universo. Ahora sabemos que nuestro Universo consiste en aproximadamente 68% de energía oscura, 27% de materia oscura, 4.9% de materia normal, 0.1% de neutrinos y 0.01% de radiación, en la actualidad. También sabemos cómo estos componentes evolucionan en el tiempo, y que el Universo obedece las leyes de la Relatividad General. Combina esas piezas de información y emerge una imagen única y convincente de nuestros orígenes cósmicos.
Tres tipos diferentes de mediciones, estrellas distantes y galaxias, la estructura a gran escala del Universo y las fluctuaciones en el CMB, nos cuentan la historia de expansión del Universo. Crédito de la imagen: NASA / ESA Hubble (parte superior L), SDSS (parte superior R), ESA y la colaboración Planck (abajo)
Durante unos segundos, el Universo fue un lío ionizado de partículas y antipartículas, que finalmente se enfrió y permitió la formación de núcleos atómicos residuales después de unos minutos. Después de 380,000 años, se formaron los primeros átomos estables y neutros. Durante decenas o cientos de millones de años, la atracción gravitacional trajo esta materia a las estrellas y luego a las galaxias. Y a lo largo de miles de millones de años más, las galaxias se fusionaron y crecieron para darnos el Universo que vemos hoy. Con los datos recopilados de una variedad de fuentes, incluido el fondo cósmico de microondas, el agrupamiento a gran escala de galaxias, supernovas distantes y oscilaciones acústicas de bariones, llegamos a una imagen única y convincente: un Universo que tiene 13.800 millones de años.
La historia cósmica de todo el Universo conocido muestra que debemos el origen de toda la materia dentro de él, y toda la luz, en última instancia, hasta el final de la inflación y el comienzo del Big Bang Caliente. Desde entonces, hemos tenido 13.8 billones de años de evolución cósmica, una imagen confirmada por múltiples fuentes. Crédito de la imagen: ESA y Planck Collaboration / E. Siegel (correcciones)
Hay algunas incertidumbres que van más allá de lo que se informa por, digamos, Wikipedia, que cita nuestro universo como 13.799 ± 0.021 millones de años. Esa incertidumbre de 21 millones de años podría fácilmente multiplicarse de cinco a diez veces si se comete un error sistemático en alguna parte. Actualmente existe una controversia sobre la tasa de expansión (la constante de Hubble) hoy, con el CMB que indica que está más cerca de 67 km / s / Mpc, mientras que las estrellas y las supernovas apuntan a una cifra más parecida a 74 km / s / Mpc. Existen incertidumbres en la mezcla de materia oscura / energía oscura, con algunas medidas que favorecen una proporción tan baja como 1: 2, mientras que otras favorecen 1: 3 o cualquier cosa intermedia. Dependiendo de la resolución de estos acertijos, es concebible que el Universo sea tan pequeño como 13.6 mil millones de años, o tan viejo como 14 mil millones.
Una forma de medir la historia de expansión del Universo implica volver a la primera luz que podemos ver, cuando el Universo tenía 380,000 años de antigüedad. Las otras formas no retroceden casi tanto, pero también tienen un menor potencial de contaminación por errores sistemáticos. Crédito de la imagen: European Southern Observatory
Lo que es poco probable, sin embargo, es que va a haber una revisión mayor de esta cifra de 13.800 millones de años. Incluso si hay más física fundamental que las fuerzas, partículas e interacciones que conocemos, es poco probable que cambien la física de cómo funcionan las estrellas, cómo funciona la gravedad con el tiempo, cómo se expande el Universo o cómo la radiación / materia / oscuridad la energía compone nuestro universo. Estas cosas están bien medidas, bien restringidas y tan bien entendidas como uno podría razonablemente pedir. Incluso si la energía oscura evoluciona, las constantes fundamentales como G o c o h cambian con el tiempo, o las partículas del Modelo Estándar pueden romperse aún más, la edad del Universo no cambiará mucho desde el Big Bang hasta el presente.
Es probable que surjan revisiones y sorpresas, pero cuando se trata de la edad del Universo, después de milenios de preguntas, la humanidad finalmente tiene una respuesta en la que puede confiar.
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