El corrimiento al rojo cosmológico: explicación, verificación y aplicación en la relatividad general. Aprende cómo revela la expansión del universo.
Corrimiento al Rojo Cosmológico: Explicado, Comprobado y Aplicado en la Relatividad General
El corrimiento al rojo cosmológico es un fenómeno en el que la luz de los objetos que están en el universo se desplaza hacia longitudes de onda más largas (rojo) a medida que se alejan de nosotros. Este fenómeno es una prueba crucial de la expansión del universo y un componente vital en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.
Explicación del Corrimiento al Rojo Cosmológico
El corrimiento al rojo se puede entender mejor mediante el análisis del efecto Doppler y la teoría de la relatividad general. Esta última establece que el espacio-tiempo se está expandiendo, lo que hace que las galaxias y otros objetos cósmicos se alejen continuamente entre sí.
- Efecto Doppler: Es el cambio en la frecuencia o longitud de onda de una onda en relación con un observador que se mueve con respecto a la fuente de la onda. En términos más simples, es la razón por la que el sonido de una sirena de ambulancia es más agudo cuando se aproxima a nosotros y más grave cuando se aleja.
En el contexto del universo en expansión, la luz de las galaxias que se alejan de nosotros se estira, moviéndose hacia el extremo rojo del espectro electromagnético. Esto se conoce como corrimiento al rojo cosmológico. El fenómeno no se debe al movimiento a través del espacio, sino más bien a la expansión del propio espacio.
Teoría y Fórmulas Utilizadas
La teoría de la relatividad general de Einstein proporciona el marco teórico para entender el corrimiento al rojo cosmológico. De acuerdo con esta teoría, la ecuación que describe la expansión del universo es la ecuación de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW):
\[ \left( \frac{\dot{a}}{a} \right)^2 = \frac{8 \pi G}{3} \rho + \frac{\Lambda}{3} – \frac{k}{a^2} \]
donde:
- a(t) es el factor de escala del universo
- G es la constante de gravitación universal
- ρ es la densidad de energía del universo
- Λ es la constante cosmológica
- k es la curvatura espacial
Una de las implicaciones más directas de esta ecuación es que, a lo largo del tiempo, el universo se expande y con ello, las longitudes de onda de la luz proveniente de galaxias distantes también se estiran, resultando en un aumento del corrimiento al rojo.
Además, podemos cuantificar el corrimiento al rojo z con la siguiente fórmula:
\[ 1 + z = \frac{\lambda_{observada}}{\lambda_{emitida}} \]
donde:
- \(\lambda_{observada}\) es la longitud de onda que medimos en la Tierra
- \(\lambda_{emitida}\) es la longitud de onda en el momento de la emisión
Verificación y Observación
El corrimiento al rojo cosmológico fue observado inicialmente por Vesto Melvin Slipher a principios del siglo XX, quien notó que las líneas espectrales de las galaxias distantas se desplazaban hacia el rojo. Más tarde, Edwin Hubble sistematizó estas observaciones y descubrió que la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros es proporcional a su distancia, una relación que ahora conocemos como la ley de Hubble.
\[ v = H_0 d \]
donde:
- v es la velocidad de recesión de la galaxia
- H0 es la constante de Hubble
- d es la distancia a la galaxia
Los valores observacionales del corrimiento al rojo provienen principalmente de la medición del espectro electromagnético de las galaxias. Estos datos se recopilan utilizando telescopios terrestres y espaciales equipados con espectrógrafos. Un caso notable es el del telescopio espacial Hubble, que ha logrado captar imágenes extremadamente detalladas y espectros de galaxias muy distantes, confirmando la expansión del universo.