Doppler no tiene la culpa de todo… El mito del Doppler y la expansión métrica del Universo

Los que disfrutamos con la divulgación científica tenemos una responsabilidad notable en cuanto a la difusión de información de calidad, libre de malinterpretaciones, verdades a medias o conjeturas.

Cualquier medio digital moderno favorece la difusión viral de información veraz y, con la misma eficiencia, es capaz de distribuir información incorrecta. Es por ello que desde este modesto blog de divulgación científica hemos querido hacer un post dedicado a aclarar una de las más extendidas malinterpretaciones en lo que a divulgación de la astronomía se refiere. Se trata de la interpretación del corrimiento al rojo de la luz que nos llega de las galaxias y  cómo se alejan de nosotros, en definitiva, de la expansión del Universo.

Hay multitud de páginas en internet donde, de una u otra manera, se afirma lo siguiente: Hubble midió los corrimientos al rojo en los espectros de galaxias. Este desplazamiento se debe al efecto Doppler que, al igual que la sirena de una ambulancia suena aguda cuando se acerca a nosotros y grave cuando se aleja, los espectros de las galaxias se desplazan al rojo porque éstas se están alejando de nosotros.

El efecto Doppler parece ser suficiente para justificar que una galaxia que se aleja de nosotros tiene que tener su espectro (su luz) desplazada al rojo, porque sabemos que cuando una fuente de ondas (por ejemplo, una ambulancia) se aleja del observador (nosotros), su sirena suena más grave (con frecuencia menor, más grave) lo que en “luz de galaxia” se traduciría en que su luz se “hace” más roja.

Y listo, culpamos a Doppler del lío y hasta podríamos acabar aquí el post y quedarnos satisfechos con la explicación que hemos vertido y hecho pública en la web. Total, billones de terabytes de bulos e informaciones incorrectas circulan a diario por la red de redes. Sin embargo, exponer la realidad de las cosas (al menos, la realidad que creemos conocer en el momento actual del conocimiento) es una tarea mucho más exquisita y exigente.

Vamos, por ello, a intentar describirlo algo mejor…

El caldo de cultivo teórico ocurre hacia 1925 y está basado en desarrollos matemáticos del soviético Alexander Friedmann obteniendo soluciones a las ecuaciones de campo de Einstein. Georges Lamaître, es un joven belga que, por esos años llegó a las mismas soluciones que Friedmann y las publicó en 1927. Por su parte, dos anglosajones, el norteamericano Howard Percy Robertson y el británico Geoffrey Walker profundizaron en la línea abierta por sus colegas soviético y europeo y hacia los años 30 encontraron soluciones generales más amplias que las propias asociadas a la relatividad de Einstein. De ahí, nació la métrica Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW), un modelo matemático que es capaz de describir la evolución del Universo en expansión (o contracción).

Poco después, hacia finales de los años 20, Edwin Hubble estaba volcado en explotar todas las posibilidades del telescopio de cien pulgadas de Monte Wilson. Hubble utilizaba un tipo determinado de estrellas variables (las cefeidas) como patrones luminosos que le permitían estimar la distancia a galaxias espirales cercanas a nosotros. Hubble combinó estas estimaciones de distancia a galaxias con los espectros que Vesto Slipher estaba obteniendo y comprobó que las líneas de los espectros estaban más desplazadas al rojo cuanto más lejos estaba la galaxia de nosotros. La relación entre la distancia y el desplazamiento de los espectros era, sencillamente, lineal. Dicha relación se plasmó en la Ley de Hubble.

Se vislumbraba ya en el horizonte la definición de un modelo de Universo que se sustentaba en la combinación de, por una parte, una sólida base teórica (la métrica FLRW) derivada de una de las más elegantes teorías jamás emitidas; la teoría de la relatividad general y, por otra parte, las observaciones de Hubble que apuntaban a que las galaxias se alejaban de nosotros a velocidad proporcional a su distancia a nosotros. Todo ello conformaba la Teoría del Big Bang.

Esa métrica FLRW dicta que desde la gran explosión, el Big Bang, el Universo se expande, estirando el espacio entre las galaxias, NO es que las galaxias se estén alejando unas de otras, es el espacio mismo el que se está estirando. Es la llamada expansión métrica del espacio.

Una forma habitual de expresar esta dinámica es imaginar que las galaxias se encuentran ancladas a una rejilla cuadriculada y que dicha rejilla se expande a medida que pasa el tiempo. Cada galaxia continua anclada a su punto inicial sobre la rejilla, pero la rejilla, al expandirse hace que las galaxias se alejen unas de otras.

metric

El espacio mismo se “estira” a medida que el Universo envejece. Por ello, dos galaxias cualesquiera se separan progresivamente

Los fotones que se intercambian se dilatan también a lo largo del tiempo, haciéndose, cada vez, más rojos.

 

Y es esta dilatación del espacio la que hace que un fotón cualquiera emitido desde una galaxia lejana en su viaje hasta nosotros sufra ese estiramiento y, consecuentemente, la onda asociada a su luz aumente su longitud de onda, haciéndose más rojo. Es el denominado corrimiento al rojo cosmológico.

Ese fotón, en su viaje, se estira según un factor (el llamado factor de escala según la métrica FLRW) que hace que se estiré a cada instante que viaja cruzando el Universo, por ello, podemos decir que a mayor tiempo mayor estiramiento. Si el fotón ha llegado de una galaxia cercana, ha viajado poco tiempo y su corrimiento al rojo será pequeño. Si el fotón nos ha llegado de una galaxia lejana o de los lejanísimos quásares, entonces tendrán un corrimiento al rojo muy elevado, porque ha pasado mucho tiempo estirándose y estirándose en su viaje. Resumiendo, midiendo el desplazamiento al rojo del fotón, sabremos su edad. Hemos llegado, por tanto, a una forma práctica de saber cómo de antiguas son las cosas que vemos a través de nuestros telescopios.

Esa es y no otra, la esencia del corrimiento al rojo de los espectros de las galaxias. No el efecto Doppler, que es un efecto mucho más trivial y doméstico que la expansión del espacio.

Por último, hay que aclarar que claro que las galaxias tienen cierto movimiento propio que hace que percibamos su luz desplazada al rojo o al azul según si se está alejando o acercando respectivamente de nosotros y que ese movimiento propio está sujeto al efecto Doppler. En objetos cercanos, este desplazamiento al rojo o azul debido al movimiento domina el desplazamiento del espectro de una galaxia. Sin embargo, cuando tratamos con galaxias lejanas o quasars el efecto dominante es el enrojecimiento fruto de la expansión métrica del espacio, el corrimiento al rojo cosmológico.

Una interesantísima consecuencia de todo lo expuesto es que si bien el movimiento de una galaxia está regido por la relatividad especial y, por tanto, no se puede alejar de nosotros a velocidad mayor que la de la luz, la expansión métrica del Universo no presenta esa limitación, por lo que podemos observar galaxias y típicamente quasars que se alejan de nosotros a velocidades mucho mayores que la de la luz.

Volvamos a nuestros quehaceres diarios sabiendo, ahora sí, que vivimos inmersos en un espacio “elástico” que se está estirando más y más cada segundo.

Este post ha surgido de una de esas interesantes conversaciones con mi amigo y compañero Fernando Sanz que me saca periódicamente de la oscuridad. Vaya mi agradecimiento desde aquí.

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2 pensamientos en “Doppler no tiene la culpa de todo… El mito del Doppler y la expansión métrica del Universo

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