- En la expansión del universo, los objetos no siempre se ven más pequeños cuanto más lejos están; pasado cierto punto, pueden volver a verse más grandes debido al punto de inflexión de la distancia de diámetro angular
- En el modelo estándar ΛCDM, el punto de inflexión se ubica cerca de un corrimiento al rojo de 1.5, una distancia de unos 15 mil millones de años luz y un tiempo de viaje de la luz de alrededor de 10 mil millones de años
- Una galaxia observada unos 400 millones de años después del Big Bang está hoy a una distancia de aproximadamente 32 mil millones de años luz, pero su tamaño aparente puede ser similar al de una galaxia situada a unos 2.7 mil millones de años luz
- Se puede entender así: las galaxias cercanas se ven grandes y brillantes, las más lejanas se ven más pequeñas, y las extremadamente lejanas vuelven a verse grandes, oscuras y rojizas
- Estas distancias son valores redondeados sensibles a los parámetros de expansión del universo, y los ejemplos de cálculo se basan en la calculadora de Ned Wright
Punto de inflexión de la distancia de diámetro angular
- Parte de la pregunta de si, si el propio espacio se expande, un objeto extremadamente lejano debería verse ampliado
- Como ejemplo aparece una galaxia observada por el JWST de unos 400 millones de años después del Big Bang
- También se aborda si el efecto solo se vuelve evidente más allá del horizonte observable y cuánto difería entonces la escala del espacio respecto de la actual
Puntos de referencia en el modelo estándar ΛCDM
- En los modelos de expansión del universo este fenómeno sí es posible, y se conoce como Angular diameter distance turnaround o turnover
- En un modelo típico ΛCDM, el punto de inflexión cae aproximadamente en el siguiente rango
- corrimiento al rojo de alrededor de 1.5
- distancia de unos 15 mil millones de años luz
- tiempo de viaje de la luz de cerca de 10 mil millones de años
- unos 4 mil millones de años después del Big Bang
- Esa distancia es mayor que la que se obtendría convirtiendo de forma simple el tiempo de viaje de la luz, debido al efecto de la expansión del espacio
- Como los valores son sensibles a los parámetros de expansión del universo, deben tomarse como valores redondeados
Ejemplo de una galaxia temprana observada por el JWST
- Una galaxia de unos 400 millones de años después del Big Bang corresponde hoy a una distancia de aproximadamente 32 mil millones de años luz
- Si solo se mira el tamaño aparente, esta galaxia puede verse similar a una galaxia situada a unos 2.7 mil millones de años luz
- Este valor de cálculo se usa como ejemplo tomado de la calculadora de Ned Wright
Material útil para entenderlo visualmente
- xkcd 2622 muestra este fenómeno con un dibujo
- En la ilustración, las “galaxias” cercanas aparecen grandes y brillantes, las más lejanas pequeñas, y las extremadamente lejanas grandes, oscuras y rojizas
- Una explicación más detallada puede verse en Understanding The Turnover Point of Angular Diameter Distance
- El diagrama incluido en la respuesta de Can the difference between a star and a galaxy which are point sources be detected? en el mismo foro también ayuda a entender este fenómeno
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Un artículo educativo llamado "Expanding Confusion" (2003) [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf es un clásico sobre este tema y vale la pena leerlo.
Puede ser mareador intentar sostener al mismo tiempo, en una intuición euclidiana, un universo que se expande aceleradamente con respecto a los objetos [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... y una velocidad de la luz fija y finita.
Hay que estar listo para disfrutar el proceso de dibujar diagramas y llegar trabajosamente, a mano, a conclusiones contraintuitivas.
Me hizo pensar en esto: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
Si algo se mueve a velocidades relativistas, aunque en realidad vaya en línea recta, para el observador parece rotar, e incluso se puede ver la parte trasera del objeto.
Se debe a que la luz emitida desde distintas partes del objeto tarda tiempos distintos en llegar al observador.
La luz que viene del lado más lejano tarda más, y durante ese tiempo el objeto sigue moviéndose.
Por eso se ve la parte trasera del objeto: mientras la luz emitida desde esa parte viaja, la parte trasera del objeto se aparta de la trayectoria de esa luz.
Significa que la forma de un objeto que se mueve a una velocidad cercana a la de la luz no se ve “aplastada” para el observador, sino como si hubiera rotado.
¿Sería razonable ver la radiación cósmica de fondo de microondas como el límite de este fenómeno?
Me pregunto si puede verse como el remanente del Big Bang ampliado al máximo y corrido al rojo tanto como es posible hoy.
En esta alternativa, el momento en que el universo se volvió transparente a la luz ocurre un poco antes del instante que aparece en la radiación de fondo, y todo lo que está “más lejos” que eso queda fuera de nuestro cono de luz.
Es decir, “elsewhere” en el sentido técnico (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf).
En esta alternativa, parece que también se podría explicar la expansión del universo como una atracción gravitacional entre la materia fuera de nuestro cono de luz y la materia dentro de él.
Probablemente haya argumentos de por qué no es así, pero no los conozco bien.
Haría falta explicar por qué tendría que ser justo ese momento de la historia.
¿Será que la distancia máxima es constante y que, a medida que el punto del “pasado más lejano” avanza en el tiempo, la radiación cósmica de fondo de microondas está cambiando sutilmente de formas que todavía no hemos notado?
O quizá en ese momento, por alguna razón, cambió la velocidad de la luz, recortando el resto del universo de nuestro campo visual.
Buenísimo. Hay temas que uno escucha en clase y deja pasar sin pensarlos mucho, y no se da cuenta de lo vertiginosos que son hasta que alguien dice “un momento” y te hace detenerte.
La interpretación del vector de Poynting es otro caso así.
Llevémoslo un paso más allá. Si suponemos que el telescopio es lo bastante grande y el sensor lo bastante sensible, ¿cómo se vería la estructura del universo más profundo?
¿Habría estructuras anteriores a la formación de las galaxias, más pequeñas que una galaxia pero que ocuparan una región enorme del cielo?
¿Habría estructuras de algún momento del pasado que ocuparan un área tan grande del cielo que solo pudieran “caber” unas pocas, y de ser así, podría explicarse de forma equivalente, en los cálculos, diciendo que en aquel entonces la región del universo observable para nosotros era mucho más pequeña?
Es fácil encontrar fotos reales.
El problema es que, aunque esos son los fotones más antiguos que podemos ver, aun así corresponden a cuando el universo tenía unos 400.000 años, y en ese momento el universo tenía unos 100 millones de años luz de ancho.
Esa imagen muestra que el universo era casi por completo homogéneo, y básicamente no existían estructuras como las que preguntas.
Para ver más lejos habría que abandonar por completo los fotones y probablemente explorar el universo ultratemprano con ondas gravitacionales.
Las ondas gravitacionales deberían poder mostrarnos incluso el universo anterior, que era totalmente opaco.
Por ahora, con los observatorios de ondas gravitacionales solo podemos “ver/escuchar” los eventos más brillantes y ruidosos del universo, pero el simple hecho de que eso sea posible es asombroso.
La humanidad creó un sentido nuevo que ningún ser vivo conocido tiene, y el proyecto LISA podrá oír mucho más.
Interesante. Tengo una pregunta relacionada. Cuando vemos Andrómeda, que tiene 220.000 años luz de diámetro, la estamos viendo un poco de lado.
Como la galaxia se ha movido con respecto a nosotros durante esos 220.000 años, ¿no deberían las estrellas del borde trasero estar en posiciones relativamente distintas en el cielo que las estrellas del borde delantero?
Algo que siempre me molesta al observar objetos tan lejanos es el retraso temporal.
Si la luz tarda 4 años luz en viajar en una dirección, eso es desde el punto de vista de un observador en el punto de partida; desde el punto de vista del fotón que observamos, ¿no es mucho menos que 4 años? ¿Tiene siquiera sentido hablar de ‘años’?
Entonces, cuando miramos Alfa Centauri con un telescopio, ¿de verdad estamos viendo Alfa Centauri de hace 4 años? ¿No es algo mucho más reciente?
O si una persona de 30 años viajara desde Alfa Centauri hasta la Tierra a la velocidad de la luz, ¿llegaría con unos 31 años, arribando 4 años después y, en la práctica, viajando al futuro? Si regresara enseguida, ¿la gente de Alfa Centauri se encontraría 8 años después con una persona de unos 32 años?
Si es así, quizá la idea de Superman de viajar en el tiempo volando rapidísimo alrededor de la Tierra sí era correcta, solo que la dirección era hacia el futuro, no hacia el pasado.
Algún día, tal vez algún multimillonario dé vueltas rapidísimo alrededor del sistema solar durante décadas para saltarse más o menos un siglo.
Un fotón que viaja entre Alpha Centauri y la Tierra no experimenta el tiempo, así que en la práctica llega instantáneamente.
Pero nosotros, como observadores, vemos que ese viaje tarda 4 años.
Si eso es reciente o no es una cuestión relativa y no significa mucho.
Para el fotón es reciente; para nosotros, esa luz tiene 4 años.
Entonces parece que esos objetos serían más difíciles de detectar. Como la luz se dispersa sobre un área más amplia, la cantidad de luz que llega a cada píxel del detector sería menor que si no estuviera ampliada.
Dicho al revés, también significa que podríamos ver estructuras detalladas que originalmente no habríamos podido ver.
Esto es bastante impactante. El xkcd enlazado muestra este efecto de forma excelente, quizá exagerada.
Los objetos en el espejo pueden estar más lejos de lo que parecen.
Súbele el brillo y haz zoom.