EMOL | Los límites del universo

En esta columna publicada en EMOL, el director del programa de Doctorado en Astrofísica e investigador del Instituto de Astrofísica UNAB explica el descubrimiento de la galaxia más distante conocida, JADES-GS-z14-0, y aborda conceptos cosmológicos como el horizonte de partículas, la esfera de Hubble y el horizonte de eventos, para aclarar cómo la expansión del universo afecta la percepción y comunicación con objetos celestes distantes.

Léela completa a continuación:

Hace algunos días se anunció el descubrimiento de JADES-GS-z14-0, la galaxia más distante conocida hasta ahora, detectada utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST por sus siglas en inglés). Esta galaxia está tan distante, que la luz que hoy recibimos de ella tardó unos 13.500 millones de años en llegar a nosotros. Considerando que la edad estimada del universo es de unos 13.800 millones de años, esta luz se emitió cuando el universo tenía, apenas, un 2% de su edad actual. Si lo comparamos con la vida de una persona de 80 años, esto equivaldría a estar viéndola cuando tenía apenas un año y seis meses de edad.

Lo más intuitivo sería pensar que esta galaxia se encuentra, por lo tanto, a 13.500 millones de años luz de nosotros. Sin embargo, esto no es así, según el modelo cosmológico actual.

De acuerdo a este modelo, se encuentra, más bien, a unos 35.000 millones de años luz de nosotros. Además, se está alejando de nosotros mucho más rápido que la velocidad de la luz, a pesar de que las leyes de la física no permiten a nada viajar más rápido que la luz.

Por último, el modelo indica que la luz que está emitiendo la galaxia JADES-GS-z14-0 en este momento, nunca llegará a la Tierra. ¿Es cierto esto para todas las galaxias que se alejan de nosotros a una velocidad superior a la de la luz? No, solo para las más lejanas.

Para entender estas afirmaciones, aparentemente contradictorias, es útil definir los distintos horizontes en cosmología.

Horizonte de partículas:

El horizonte de partículas es la distancia más lejana de la cual podemos, en principio, recibir información hoy. Consideremos partículas originadas en el big bang que viajan hacia nosotros a la velocidad de luz. El tiempo de viaje de éstas sería la edad del universo, 13.800 millones de años. Durante todo ese tiempo de viaje el universo también se ha expandido. Esto, implica que en el momento en que llegan a nosotros esas partículas, la región de donde fueron emitidas suma la distancia que se ha expandido el universo desde el big bang. Este límite es lo que define el tamaño del universo observable. En el modelo cosmológico actual, este horizonte se encuentra hoy a unos 45.000 millones de años luz.

Horizonte o esfera de Hubble:

La física moderna se sostiene en el hecho de que nada puede viajar más rápido que la luz (en el vacío). Sin embargo, hemos afirmado que hay galaxias que se alejan de nosotros más rápido que la velocidad de la luz. Ahora podemos entender que esto no ocurre porque están viajando a esa velocidad, sino porque el espacio que las separa se expande más rápido que la velocidad de la luz. Como la expansión del universo es acelerada, mientras más lejos se encuentra una galaxia de nosotros, más rápido se aleja. La esfera alrededor de nosotros, donde las galaxias se alejan justo a la velocidad de la luz, es la denominada esfera u horizonte de Hubble. Lo anterior no quiere decir, necesariamente, que la luz emitida por una galaxia desde fuera de este límite no pueda llegar a nosotros. De hecho, hay una región más allá de ésta, en la cual la luz emitida sí nos puede llegar (y nuestra luz puede arribar a ella), dado que en el modelo cosmológico actual, la esfera de Hubble está creciendo. Por lo tanto, la luz emitida por una galaxia en esta región que viaja en contra de la expansión, eventualmente puede cruzar este horizonte en crecimiento y continuar su viaje hasta nosotros. Esto, aunque la galaxia emisora misma nunca cruzará la esfera. De hecho, siempre hemos recibido fotones emitidos desde fuera de este límite (los fotones que recibimos ahora de la galaxia JADES-GS-z14-0 fueron emitidos fuera de ella). En el modelo cosmológico actual, este horizonte se encuentra hoy a unos 14.500 millones de años luz.

Horizonte de eventos:

Este horizonte sólo existe en un universo que se expande aceleradamente, como el nuestro. Corresponde al límite donde, aunque pase un tiempo infinito, un fotón nunca podrá cruzarlo. Hace 13.400 millones de años la galaxia JADES-GS-z14-0 se encontraba dentro del horizonte de eventos, sin embargo, ahora ya no. Esto implica que nunca podremos ver los fotones que están siendo emitidos hoy por esta galaxia. Este límite es lo que define el universo con el cual podríamos comunicarnos, enviando información a la velocidad de la luz. En el modelo cosmológico actual, este horizonte se encuentra a unos 17.000 millones de años luz.

El horizonte de partículas crece y lo seguirá haciendo infinitamente. El horizonte de Hubble, como mencionamos, está aumentando, pero cada vez más lento. En unos 10.000 millones de años más, se encontrará con el horizonte de eventos y ambos dejarán de crecer, manteniéndose constantes. Todas las galaxias fuera de nuestro grupo local, al continuar alejándose, se encontraran fuera de este nuevo límite común. Desde ese momento, ya no podremos recibir ni enviar nueva información hacia afuera de nuestro vecindario galáctico, dejándonos cosmológicamente incomunicados. Seguiremos recibiendo los “fotones reliquia” durante decenas de miles de millones de años, emitidos en el universo lejano en tiempo y espacio. Pero estos irán perdiendo energía lentamente debido a la expansión, hasta que finalmente se volverán físicamente indetectables y el universo lejano se apagará.