¿Qué edad tiene el universo?
Hasta hace poco, los astrónomos estimaban que el Big Bang ocurrió hace entre 12 y 14 mil millones de años. Para poner esto en perspectiva, se cree que el Sistema Solar tiene 4.500 millones de años y los humanos han existido como género solo durante unos pocos millones de años. Los astrónomos estiman la edad del universo de dos formas: 1) buscando las estrellas más antiguas; y 2) midiendo la tasa de expansión del universo y extrapolando al Big Bang; al igual que los detectives del crimen pueden rastrear el origen de una bala de los agujeros en una pared.
¿MÁS VIEJO QUE LAS ESTRELLAS MÁS VIEJAS?
Los astrónomos pueden poner un límite inferior a la edad del universo al estudiar los cúmulos globulares. Los cúmulos globulares son una colección densa de aproximadamente un millón de estrellas. Las densidades estelares cerca del centro del cúmulo globular son enormes. Si viviéramos cerca del centro de uno, habría varios cientos de miles de estrellas más cerca de nosotros que Proxima Centauri, la estrella más cercana al Sol.
El ciclo de vida de una estrella depende de su masa. Las estrellas de gran masa son mucho más brillantes que las de baja masa, por lo que se queman rápidamente a través de su suministro de combustible de hidrógeno. Una estrella como el Sol tiene suficiente combustible en su núcleo para arder con su brillo actual durante aproximadamente 9 mil millones de años. Una estrella que es dos veces más masiva que el Sol consumirá su suministro de combustible en solo 800 millones de años. Una estrella de 10 masas solares, una estrella que es 10 veces más masiva que el Sol, arde casi mil veces más brillante y tiene un suministro de combustible de solo 20 millones de años. Por el contrario, una estrella que tiene la mitad de masa que el Sol se quema lo suficientemente lento como para que su combustible dure más de 20 mil millones de años.
Todas las estrellas de un cúmulo globular se formaron aproximadamente al mismo tiempo, por lo que pueden servir como relojes cósmicos. Si un cúmulo globular tiene más de 20 millones de años, entonces todas sus estrellas que queman hidrógeno serán menos masivas que 10 masas solares. Esto implica que ninguna estrella individual que queme hidrógeno será más de 1000 veces más brillante que el Sol. Si un cúmulo globular tiene más de 2 mil millones de años, entonces no habrá estrella que queme hidrógeno con más masa que 2 masas solares.
Los cúmulos globulares más antiguos contienen solo estrellas con menos masa de 0,7 masas solares. Estas estrellas de baja masa son mucho más tenues que el Sol. Esta observación sugiere que los cúmulos globulares más antiguos tienen entre 11 y 18 mil millones de años. La incertidumbre en esta estimación se debe a la dificultad para determinar la distancia exacta a un cúmulo globular (por lo tanto, una incertidumbre en el brillo (y la masa) de las estrellas en el cúmulo). Otra fuente de incertidumbre en esta estimación radica en nuestra ignorancia de algunos de los detalles más finos de la evolución estelar. Presumiblemente, el universo en sí es al menos tan antiguo como los cúmulos globulares más antiguos que residen en él.
EXTRAPOLANDO DE VUELTA AL BIG BANG
Un enfoque alternativo para estimar la edad del universo consiste en medir la “constante de Hubble”. La constante de Hubble es una medida de la tasa de expansión actual del universo. Los cosmólogos utilizan esta medida para extrapolar al Big Bang. Esta extrapolación depende de la historia de la tasa de expansión, que a su vez depende de la densidad actual del universo y de la composición del universo.
Si el universo es plano y está compuesto principalmente de materia, entonces la edad del universo es 2 / (3 Ho), donde Ho es el valor de la constante de Hubble.
Si el universo tiene una densidad de materia muy baja, entonces su edad extrapolada es mayor: 1 / Ho
Si el universo contiene una forma de materia similar a la constante cosmológica, entonces la edad inferida puede ser aún mayor.
Muchos astrónomos están trabajando duro para medir la constante de Hubble utilizando una variedad de técnicas diferentes. Hasta hace poco, las mejores estimaciones oscilaban entre 65 km / seg / Megaparsec y 80 km / seg / Megaparsec, siendo el mejor valor unos 72 km / seg / Megaparsec. En unidades más familiares, los astrónomos creen que 1 / Ho tiene entre 12 y 14 mil millones de años.
¿UNA CRISIS DE EDAD?
Si comparamos las dos determinaciones de edad, existe una crisis potencial. Si el universo es plano y está dominado por materia ordinaria u oscura, la edad del universo según se infiere de la constante de Hubble sería de unos 9.000 millones de años. La edad del universo sería más corta que la edad de las estrellas más viejas. Esta contradicción implica que 1) nuestra medición de la constante de Hubble es incorrecta, 2) la teoría del Big Bang es incorrecta o 3) que necesitamos una forma de materia como una constante cosmológica que implica una edad más avanzada para una tasa de expansión observada dada.
Algunos astrónomos creen que esta crisis pasará tan pronto como mejoren las mediciones. Si los astrónomos que han medido los valores más pequeños de la constante de Hubble son correctos, y si las estimaciones más pequeñas de las edades de los cúmulos globulares también son correctas, entonces todo está bien para la teoría del Big Bang, incluso sin una constante cosmológica.
WMAP PUEDE MEDIR LA EDAD DEL UNIVERSO
Las mediciones del satélite WMAP pueden ayudar a determinar la edad del universo. La estructura detallada de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas depende de la densidad actual del universo, la composición del universo y su tasa de expansión. A partir de 2013, WMAP determinó estos parámetros con una precisión superior al 1,5%. A su vez, conociendo la composición con esta precisión, podemos estimar la edad del universo con una fiabilidad del 0,4%: ¡13,77 ± 0,059 mil millones de años!
¿Cómo nos permiten los datos de WMAP determinar que la edad del universo es de 13,77 mil millones de años, con una incertidumbre de solo 0,4%? La clave de esto es que, al conocer la composición de la densidad de materia y energía en el universo, podemos usar la relatividad general de Einstein para calcular qué tan rápido se ha expandido el universo en el pasado. Con esa información, podemos retroceder el tiempo y determinar cuándo el universo tenía un tamaño “cero”, según Einstein. El tiempo entre entonces y ahora es la edad del universo. Hay una salvedad a tener en cuenta que afecta la certeza de la determinación de la edad: asumimos que el universo es plano, lo cual está bien respaldado por WMAP y otros datos. Si relajamos esta suposición dentro del rango permitido, la incertidumbre aumenta un poco. La inflación predice naturalmente un universo casi plano.
La edad de expansión medida por WMAP es mayor que los cúmulos globulares más antiguos, por lo que la teoría del Big Bang ha pasado una prueba importante utilizando datos independientes del tipo recopilado por WMAP. Si la edad de expansión medida por WMAP hubiera sido más pequeña que los cúmulos globulares más antiguos, entonces habría habido algo fundamentalmente incorrecto en la teoría del Big Bang o en la teoría de la evolución estelar. De cualquier manera, los astrónomos habrían tenido que repensar muchas de sus preciadas ideas. Pero nuestra estimación actual de la edad encaja bien con lo que sabemos de otros tipos de medidas.
Traducción no oficial con fines divulgativos.
Créditos: NASA/WMAP Science Team
Patrocinador: National Aeronautics and Space Administration (NASA)
Fecha de publicación del original en inglés: 10/12/2010