¿Qué tan lejos están las galaxias?
Por Brian Koberlein, Observatorio Nacional de Radioastronomía.
04 de abril de 2023.
Galaxias en el Quinteto de Stephen. Crédito: NASA, ESA y el equipo Hubble.
En diciembre de 2022, los astrónomos que utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) confirmaron el descubrimiento de una de las galaxias más distantes jamás observadas. La tenue luz de radio capturada por ALMA comenzó su viaje hacia nosotros cuando el Universo tenía menos de 360 millones de años. Es una galaxia tremendamente distante, pero ¿qué tan lejos está realmente? La respuesta es un poco complicada, y depende de lo que entiendas por distancia.
Para empezar, los astrónomos no pueden medir directamente la distancia de las galaxias a miles de millones de años luz de distancia. En su lugar, miden lo que se conoce como corrimiento al rojo o z. En este caso, el equipo midió una longitud de onda particular de la luz emitida por el oxígeno conocida como OIII. Cuando observamos la línea de emisión OIII en un laboratorio aquí en la Tierra, tiene una longitud de onda de 88 micrómetros. La línea OIII que ALMA observó en esta galaxia en particular era mucho más larga, de unos 1.160 micrómetros. Dado que la luz roja tiene una longitud de onda más larga que la luz azul, decimos que la línea OII observada se desplaza hacia el rojo. Dados estos dos números, calcular z es fácil. Es solo el corrimiento al rojo relativo de la luz observada, por lo que z = (1160—88)/88 = 12,2. Cuanto mayor es z, mayor es el corrimiento al rojo, y z = 12,2 es el mayor corrimiento al rojo confirmado de una galaxia hasta el momento.
Entonces, ¿qué tiene esto que ver con la distancia? Hay dos formas en que la luz de una galaxia se puede desplazar hacia el rojo. El primero se conoce como desplazamiento Doppler y es causado por el movimiento físico de una galaxia a través del espacio. Probablemente estés familiarizado con este efecto en el sonido. Cuando un tren pasa a gran velocidad, su bocina suena más alta cuando el tren se acerca a usted y más baja cuando pasa y se aleja. Las ondas de sonido se agrupan cuando el tren se mueve hacia ti y tienen un tono más alto, y se estiran cuando el tren se aleja de ti, por lo tanto, tienen un tono más bajo. Lo mismo sucede con la luz. Si una galaxia se mueve hacia nosotros, su luz se desplaza hacia el azul, y la luz se desplaza hacia el rojo si se aleja de nosotros.
La segunda forma en que puede ocurrir el corrimiento al rojo es a través de la expansión cósmica. El Universo se está expandiendo, y esto significa que cuando la luz viaja hacia nosotros desde una galaxia distante, su longitud de onda se alarga por la expansión del espacio. Cuanto más viaja la luz, más se estira la luz, por lo que más se desplaza hacia el rojo. Esto se conoce como corrimiento al rojo cosmológico. Para galaxias distantes, casi todo el corrimiento al rojo que observamos es cosmológico. Así es como sabemos que las galaxias de alto corrimiento al rojo como esta están muy, muy lejos.
Pero esto todavía no nos dice la distancia específica. Para determinar eso, tenemos que observar cómo se expande el Universo con el tiempo. En este momento hay un poco de incertidumbre sobre la tasa de expansión cósmica, conocida como el parámetro de Hubble. Las observaciones de la misión Planck del fondo cósmico de microondas ponen el valor en alrededor de 68 (km/s)/Mpc, mientras que las observaciones de las naves espaciales Hubble y Gaia le dan un valor más alto de alrededor de 72 (km/s)/Mpc. Cuanto mayor sea el valor, más rápido se expandirá el Universo y más lejanas estarán las galaxias. Si elegimos un valor medio de 70 (km/s)/Mpc, entonces podemos calcular una distancia razonable utilizando la relatividad general, pero incluso entonces nuestra respuesta dependerá de cómo definamos la distancia.
Una definición sería preguntar cuánto tiempo viajó la luz desde la galaxia hasta nosotros. Esto se conoce como el tiempo de viaje de la luz y resulta ser de unos 13.100 millones de años. Dado que el Universo tiene unos 13.460 millones de años (según el parámetro de Hubble que elegimos), eso significa que la luz abandonó la galaxia cuando el Universo tenía unos 360 millones de años. Esta definición es útil para los astrónomos ya que las galaxias distantes nos informan sobre el Universo primitivo. Es más importante para los astrónomos conocer el lugar de una galaxia en la historia que su distancia.
Dado que la luz viajó durante 13.100 millones de años, ¿significa eso que la galaxia está a 13.100 millones de años luz de distancia? No exactamente. Debido a la expansión cósmica, la luz viajó durante mucho más tiempo del que habría recorrido si el Universo no se estuviera expandiendo. La galaxia estaba más cerca de nosotros cuando la luz comenzó su viaje. Mucho más cerca. Si calculamos a qué distancia estaba la galaxia de nosotros hace 13.100 millones de años, obtenemos 2.400 millones de años luz. Entonces, esta galaxia estaba a solo 2.400 millones de años luz de distancia, pero el Universo se expandió tanto que su luz tardó 13.100 millones de años luz en llegar a nosotros.
Por supuesto, probablemente quieras saber qué tan lejos está la galaxia ahora. Claro, la galaxia estaba a 2.400 millones de años luz de distancia, pero una vez que la luz comenzó a dirigirse hacia nosotros, la galaxia continuó alejándose de nosotros debido al Universo en constante expansión. Entonces, ¿dónde está la galaxia ahora? Si haces los cálculos, resulta que la galaxia está ahora a unos 32 mil millones de años luz de distancia. Pero… ¿espera un minuto? ¿Cómo podemos ver una galaxia a 32 mil millones de años luz de distancia si el Universo tiene menos de 14 mil millones de años? La respuesta es que no podemos. La vista de ALMA de la galaxia es cómo se veía cuando estaba a solo 2.400 millones de años luz de distancia. Nunca podremos ver cómo se ve la galaxia ahora. Está demasiado lejos y el Universo se está expandiendo demasiado rápido para que esa luz nos alcance. Solo vemos el eco óptico de dónde estaba y cómo aparecía.
Todo esto es lo suficientemente extraño como para hacer un nudo en el cerebro de cualquiera. Esta es la razón por la que los astrónomos se centran en el corrimiento al rojo z, y por la que solemos hablar de la edad que tenía el Universo cuando la luz galáctica comenzó su viaje. Eso es suficiente para decirnos que la galaxia está muy lejos y se ve desde hace mucho tiempo. Hace tanto tiempo y tan lejos que su distancia es difícil de definir.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-04-distant-galaxy.html