La expansión del Universo

La idea de un universo en expansión fue desarrollada casi al mismo tiempo que su descubrimiento.

En 1917, Willem de Sitter (1872-1935) utilizó la teoría general de la relatividad de Einstein para mostrar que un universo carente de materia estaría en expansión. Su teoría incluye el incremento del corrimiento al rojo con la distancia. Más tarde, otros teóricos encontrarían mejores soluciones a las ecuaciones de Einstein, mostrando todas una expansión consistente con la ley de Hubble. Sin embargo, sus trabajos serían conocidos por los astrónomos sólo hasta la década de 1930.

La propia solución de Einstein era un universo estático. Sin embargo, esta elección era arbitraria; se basaba únicamente en su intuición física y en la ausencia, en ese tiempo, de cualquier evidencia observacional que indicara lo contrario. El descubrimiento de Hubble hizo a Einstein cambiar de idea. Una velocidad de recesión que es proporcional a la distancia es el resultado natural de una expansión que es tanto isotrópica como homgénea.

Hay una distinción vital entre la velocidad de una galaxia a través del espacio (velocidad peculiar) y su velocidad recesional debida a la expansión del universo. La velocidad recesional de una galaxia no se debe a su movimiento a través del espacio; en su lugar, la galaxia está siendo arrastrada junto con el espacio circundante a medida que se expande el universo.

El movimiento de las galaxias a medida que participan en la expansión es denotado como el flujo de Hubble.

De la misma manera, el corrimiento cosmológico al rojo de una galaxia es producido por la expansión a medida que la longitud de onda de la línea emitida por la galaxia es estirada junto con el espacio a través del cual viaja la luz. Por esta razón el corrimiento cosmológico al rojo no está relacionado con la velocidad recesional de la galaxia, dada por la fórmula de corrimiento Doppler. Aún así, los astrónomos frecuentemente usan esta fórmula para traducir una medición de corrimiento al rojo en la velocidad radial que tendría una galaxia, como si tuviera una velocidad peculiar.

Para , la distancia estimada usando la ley de Hubble es:

(6.6)

que difiere de la distancia real en menos del 5%.

Para

Para grandes corrimientos cosmológicos al rojo, debemos abdandonar el uso de la ley de Hubble, en la forma de la ecuación (6.5), para determinar distancias. Para distancias extremadamente grandes, el alargamiento de la longitud de onda depende de cómo ha cambiado la expansión del universo con el tiempo. La expansión se está deteniendo en respuesta a la atracción gravitacional mutua de toda la materia en el universo, y esta desaceleración depende del valor impreciso de la densidad promedio actual.

El cambio fraccional en la longitud de onda para un corrimiento al rojo cosmológico es, sin embargo, el mismo que el cambio fraccional en el tamaño del universo, R, desde el tiempo en que la luz fue emitida. Esto es:

(6.7)

donde es el radio del universo cuando la luz fue observada y es su radio quando la luz fue emitida. Esto tiene como consecuencia:

(6.8)

Por lo tanto, un corrimiento al rojo de z = 3 significa que el universo es ahora cuatro veces más grande que cuando la luz fue emitida.