Desde que comenzó a enviar datos a la Tierra en 2022, el telescopio espacial James Webb (JWST) ha tenido un gran impacto en la astronomía, y uno de sus logros más revolucionarios es la observación de algunas de las galaxias más distantes jamás vistas. Sin embargo, como la luz no viaja instantáneamente, sino que se mueve a unos 300 millones de metros (985 millones de pies) por segundo en el vacío, no vemos esas galaxias como son hoy, sino como eran hace miles de millones de años.
Además, se estima que nuestro universo tiene 13.800 millones de años. Por lo tanto, deberíamos suponer que la galaxia más distante que podríamos esperar ver jamás está a no más de 13.800 millones de años luz de distancia (un año luz es la distancia que recorre la luz en un año). Ese punto debería ser una especie de «horizonte cosmológico», más allá del cual ningún telescopio debería poder ver. Y, como nada puede viajar a través del espacio más rápido que c, eso significa que no debería haber forma de que una galaxia más distante de 13.800 millones de años luz, y cada vez más distante, pudiera afectar a la Tierra. ¿Verdad?
Incorrecto. Ojalá el universo fuera así de simple.
«Un horizonte cosmológico es la distancia máxima desde la cual uno podría posiblemente recuperar información», dijo a Space.com Jake Helton, astrónomo de la Universidad de Arizona que también forma parte del equipo del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES).
«Hay varios horizontes cosmológicos diferentes», continuó Helton, «que tienen diferentes definiciones y dependen de varias cantidades cosmológicas. El más relevante aquí es el horizonte cosmológico, que es la distancia máxima desde la cual la luz podría haber viajado hasta nosotros en el espacio». edad de la universidadengaélico«Esto define el borde del cosmos observable».
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En marzo de 2024, los científicos de JADES revelaron que el potente telescopio había descubierto JADES-GS-z14-0, la galaxia más distante y temprana que la humanidad haya visto jamás. Sin embargo, la paradoja es que JADES-GS-z14-0 se encuentra a unos 33.800 millones de años luz de distancia.
¿Cómo podemos ver la luz de un objeto tan distante que el universo no es lo suficientemente viejo como para permitirle llegar hasta nosotros? ¿La posición de JADES-GS-z14-0 a 33.800 millones de años luz de distancia no significa que lo vemos como era hace 33.800 millones de años, algo que seguramente desafiaría la estimación de la edad del universo?
No es así. Una vez más, esto es una prueba de que el universo tiene una manera de poner patas arriba las conclusiones lógicas y sensatas.
«¿Cómo es posible observar una galaxia tan lejana como JADES-GS-z14-0, si se encuentra a más de 13.800 millones de años luz de nosotros y su luz habría tardado más tiempo que la edad del universo en llegar hasta nosotros?», preguntó Helton retóricamente. «La respuesta es la expansión del universo».
Ver una galaxia más antigua que el tiempo mismo
Si el universo simplemente permaneciera inmóvil, la luz procedente de una galaxia situada a 33.800 millones de años luz de distancia tardaría 33.800 millones de años en llegar hasta nosotros, y eso sería todo. Pero, a principios del siglo XX, Edwin Hubble descubrió que las galaxias distantes parecían alejarse unas de otras y, cuanto más separadas estaban, más rápido avanzaban. En otras palabras, el universo no es estático, sino que se está expandiendo.
La situación se complicó aún más en 1998, cuando el siglo XX se acercaba a su fin y dos equipos separados de astrónomos observaron que el universo no sólo se estaba expandiendo, sino que esa expansión también se estaba acelerando. La fuerza responsable es un misterio, pero se le ha dado el nombre provisional de «energía oscura».
A lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo, existen dos grandes y distintos períodos de expansión. El primero es un período inicial de rápida inflación cósmica que ahora se denomina comúnmente «Big Bang».
En esta época inflacionaria, el volumen del cosmos aumentó en un factor de 10^26 (10 seguido de 25 ceros). Esto equivale a que la uña de tu dedo pasara de crecer a un nanómetro por segundo a crecer repentinamente hasta alcanzar 10,6 años luz (62 billones de millas). En esa época, el universo estaba dominado por la energía, y este período se conoce como la época dominada por la energía.
A esto le siguió una época dominada por la materia que comenzó 47.000 años después del Big Bang. Finalmente, la expansión universal permitió que el cosmos se enfriara lo suficiente para permitir que los protones se formaran a partir de quarks y gluones, y luego los protones se unieran a los electrones para formar los primeros átomos de hidrógeno, que formaron las primeras estrellas y galaxias. Durante este período, la expansión del universo impulsada por el Big Bang se desaceleró hasta detenerse casi por completo.
La época dominada por la materia llegó a un final sorprendente cuando el universo tenía poco menos de 10 mil millones de años. En ese momento, el universo comenzó de repente a expandirse rápidamente una vez más. Además, esa expansión se hizo cada vez más rápida e incluso continúa acelerándose en la actualidad. Este tercer período significativo del universo se llama la época dominada por la energía oscura. Es la época en la que nos encontramos actualmente.
Gracias a estos períodos de expansión del universo, la luz de JADES-GS-z14-0 solo ha estado viajando al JWST y a la Tierra durante 13.500 millones de años, a pesar de que su fuente ahora está mucho más lejos que 13.500 millones de años luz de distancia. Eso significa que el JWST ve a JADES-GS-z14-0 como era 300 millones de años después del Big Bang. Sin la expansión del universo, JADES-GS-z14-0 todavía estaría a unos 13.500 millones de años luz de distancia, aunque todavía habría experimentado movimientos locales más pequeños que podrían haberlo acercado o alejado de las galaxias cercanas. Pero ese movimiento galáctico no habría estado ni cerca del tipo causado por la expansión del universo.
Según Helton, el horizonte cosmológico, o «horizonte fotónico», es una esfera con un límite situado a unos 46.100 millones de años luz de distancia, una cifra dictada por la expansión del universo. Este es el horizonte real más allá del cual no deberíamos poder «ver» una galaxia. La galaxia JADES-GS-z14-0 se encuentra, de hecho, dentro de ese horizonte.
Para evitar confusiones, los astrónomos utilizan dos escalas de medición de distancias: una distancia de movimiento conjunto que elimina la expansión del universo como factor y una distancia propia que la incluye. Esto significa que la distancia de movimiento conjunto de JADES-GS-z14-0 es de 13.500 millones de años luz, mientras que su distancia propia es de 33.800 millones de años luz.
Sin embargo, JADES-GS-z14-0 y otras galaxias distantes y antiguas no siempre serán visibles.
Una época afortunada para contar con el telescopio espacial James Webb
El hecho de que el JWST pueda ver JADES-GS-z14-0 significa que alguna vez estuvo «causalmente conectado» con la Tierra y nuestro universo local. En otras palabras, fue posible que una señal de JADES-GS-z14-0 nos alcanzara en la Vía Láctea, por lo que una «causa» en esta galaxia que existía en los albores del tiempo podría tener un «efecto» en nuestra galaxia en esta época moderna del cosmos.
«Cualquier galaxia observable debe estar dentro del horizonte de partículas y debe haber estado conectada causalmente con nosotros en algún momento de la historia del universo», dijo Helton.
Sin embargo, esto ya no es así. Galaxias como JADES-GS-z14-0 y las otras galaxias descubiertas por JADES están ahora tan distantes y se alejan de nosotros tan rápidamente, gracias a la energía oscura, que ninguna señal enviada hoy desde ellas podría llegar hasta nosotros. Esto se debe a que el horizonte de fotones se aleja de nosotros a la velocidad de la luz, pero para los objetos realmente distantes, el espacio entre la Vía Láctea y esas galaxias se expande más rápido que la velocidad de la luz. Esto puede parecer inverosímil, ya que la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein establece la velocidad de la luz como un límite de velocidad universal. Sin embargo, esa es una regla para los objetos con masa que se mueven a través del espacio, no una regla para la estructura misma del espacio.
Dentro de unos 2 billones de años, cuando la Tierra y la humanidad desaparezcan, la expansión del universo significa que cualquier especie inteligente que nos reemplace en la Vía Láctea (si alguna vez lo hace) será incapaz de ver ninguna galaxia que exista más allá de nuestro grupo local, que tiene un diámetro de alrededor de 10 millones de años luz.
Es una reflexión que da que pensar y que significa que la humanidad vive en un punto único en la historia del universo en el que las galaxias más distantes aún están a la vista. Somos capaces de saber más sobre el universo y sus orígenes que cualquier vida inteligente que pueda sucedernos. Los astrónomos, incluido Helton, tienen la intención de utilizar el JWST para explotar al máximo este privilegio cósmico.
«Trabajar con el JWST y la colaboración JADES ha sido increíble», afirmó Helton. «Escribir artículos sobre ciencia con el JWST, como el que escribí recientemente sobre JADES-GS-z14-0, ha sido la experiencia más gratificante y emocionante de mi carrera de investigación».
Publicado originalmente en Espacio.com.
