Si l’Univers s’està expandint, podem entendre per què les galàxies llunyanes es retrocedeixen de nosaltres com ho fan. Però, per què no s’expandeixen també estrelles, planetes i àtoms? (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, I L. HERNQUIST, CIÈNCIA 319, 5859 (47))

És per això que no estem expandint, encara que sigui l’univers

L’Univers s’està expandint, però nosaltres, el nostre planeta, el sistema solar i la galàxia no ho som tots. Heus aquí per què.

Doneu un cop d’ull a gairebé qualsevol galàxia de l’Univers i trobareu que s’allunya de nosaltres. Com més lluny estigui, més ràpid sembla que retrocedeixi. A mesura que la llum viatja a través de l’Univers, es canvia a longituds d’ona més llargues i vermelles, com si el teixit de l’espai en si s’estés. A les grans distàncies, aquest univers en expansió és allunyat de les galàxies que cap senyal que puguem enviar mai no els arribarà, fins i tot a la velocitat de la llum.

Però, tot i que el teixit de l'espai s'està expandint a tot l'Univers, a tot arreu i en totes les direccions, no ho som. Els nostres àtoms segueixen de la mateixa mida. Així també ho fan els planetes, llunes i estrelles, així com les distàncies que els separen. Fins i tot les galàxies del nostre grup local no s’estan expandint les unes de les altres; en canvi, s'estan gravitant cap a l'altre. Aquí teniu la clau per comprendre què s’expandeix (i no ho és) al nostre Univers en expansió.

La concepció original de l’espai, gràcies a Newton, com a fixa, absoluta i invariable. Va ser una etapa on les masses podien existir i atraure. (AMBER STUVER, DEL SEU BLOG, VIVIR LIGO)

El primer que hem d’entendre és quina és la nostra teoria de la gravetat i en què es diferencia de la manera intuïtiva que puguis pensar. La majoria de nosaltres pensem en l’espai com ho feia Newton: com un conjunt fix i inalterable de coordenades a les quals podríeu col·locar les vostres masses. Quan Newton va concebre l’Univers per primera vegada, va representar l’espai com una graella. Era una entitat absoluta i fixa, plena de masses que es van atreure gravitatòriament.

Però quan va venir Einstein, va reconèixer que aquesta quadrícula imaginària no estava arreglada, no era absoluta i no era res del que havia imaginat Newton. En canvi, aquesta quadrícula era com un teixit, i el teixit en si mateix es corbava, distorsionava i es veia obligat a evolucionar amb el temps per la presència de la matèria i l’energia. A més, la matèria i l’energia dins d’aquest van determinar com es corbava aquest teixit espai-temps.

La deformació de l'espai-temps, al quadre relativista general, per masses gravitacionals. En lloc d'una graella constant i inalterable, General Relativity admet un teixit espai-temps que pot canviar amb el pas del temps i les propietats de les quals apareixeran diferents per a observadors amb diferents moviments i en diferents ubicacions. (PILA LIGO / T.)

Però si tot el que teníeu dins del vostre espai temporal fos un munt de masses, inevitablement s’enfonsarien per formar un forat negre, implodant tot l’Univers. A Einstein no li va agradar aquesta idea, així que va afegir una "correcció" en forma de constant cosmològica. Si existís un terme addicional, que representa una forma addicional d’energia permeable a l’espai buit, podria repel·lir totes aquestes masses i mantenir l’Univers estàtic. Evitaria un col·lapse gravitatori. Si afegeix aquesta característica addicional, Einstein podria fer que l’Univers existís en un estat gairebé constant per a tota l’eternitat.

Però no tothom estava tan lligat a la idea que l’Univers havia de ser estàtic. Una de les primeres solucions va ser un físic anomenat Alexander Friedmann. Va demostrar que si no afegíeu aquesta constant cosmològica addicional i teníeu un univers ple d’energia (matèria, radiació, pols, líquid, etc.), hi havia dues classes de solucions: una per a un univers contractant i un per a un univers en expansió.

El model de “pa de pansa” de l’Univers en expansió, on les distàncies relatives augmenten a mesura que s’espandeix l’espai (massa). Com més lluny hi hagi dues panses les unes de les altres, més gran serà el canvi vermell observat quan es rep aquesta llum. (EQUIP DE CIÈNCIES DE LA NASA / WMAP)

Les matemàtiques us parlen de les possibles solucions, però heu de mirar cap a l’Univers físic per trobar quina d’aquestes ens descriu. Això va sorgir als anys vint, gràcies al treball d'Edwin Hubble. Hubble va ser el primer a descobrir que les estrelles individuals es podien mesurar en altres galàxies, determinant la seva distància.

Gairebé concurrent amb això va ser l'obra de Vesto Slipher. Els àtoms funcionen igual a tot arreu de l’Univers: absorbeixen i emeten llum a certes freqüències específiques que depenen de com els seus electrons estan excitats o desil·lusionats. Quan va veure aquests objectes llunyans, que ara sabem que són altres galàxies, les seves signatures atòmiques es van canviar a longituds d'ona més llargues del que es podria explicar.

Quan els científics van combinar aquestes dues observacions, va aparèixer un resultat increïble.

Una trama de la velocitat d'expansió aparent (eix y) davant la distància (eix x) és coherent amb un Univers que es va expandir més ràpidament en el passat, però encara s'està expandint. Es tracta d’una versió moderna de l’obra original de Hubble, que s’estén milers de vegades més enllà. Les diverses corbes representen Universos formats per diferents components constituents. (NED WRIGHT, BASAT EN LES DARRERES DADES DE BETOULE ET AL. (2014))

Només hi havia dues maneres de donar sentit a això. O bé:

  1. tota la relativitat estava equivocada, érem al centre de l’Univers i tot s’estava allunyant simètricament de nosaltres o
  2. la relativitat tenia raó, Friedmann tenia raó i, com més lluny una galàxia era de nosaltres, de mitjana, més ràpid semblava retrocedir des de la nostra perspectiva.

Amb un cop caigut, l'Univers en expansió va passar de ser una idea a ser la idea líder que descriu el nostre Univers. La forma de funcionament de l’expansió és una mica contraindicativa. És com si el teixit de l’espai en si s’estira amb el temps i tots els objectes d’aquest espai s’arrosseguen els uns dels altres.

Com més lluny està un objecte d'un altre, més "estirament" es produeix, de manera que més ràpid semblen retrocedir els uns dels altres. Si tot el que tenies era un univers ple de matèria uniforme i uniforme, aquesta qüestió seria menys densa i veuria que tot s’ampliava allunyant-se de la resta del temps a mesura que passava el temps.

Les fluctuacions fredes (mostrades en blau) en el CMB no són inherentment més fredes, sinó que representen regions on hi ha una major atracció gravitatòria a causa d’una major densitat de matèria, mentre que els punts calents (en vermell) només són més calorosos perquè la radiació a aquesta regió viu en un pou gravitatori més baix. Amb el pas del temps, les regions amb overdense tindran molta més probabilitat de convertir-se en estrelles, galàxies i cúmuls, mentre que les regions més baixes seran menys propenses a fer-ho. (EM HUFF, L'EQUIP SDSS-III I L'EQUIP DE TELESCOPI DE SOUTH POLE; GRÀFIC DE ZOSIA ROSTOMIAN)

Però l'Univers no és perfectament uniforme i uniforme. Té regions sobredenses, com planetes, estrelles, galàxies i cúmuls de galàxies. Té regions poc profundes, com els grans buits còsmics on pràcticament no hi ha objectes massius presents.

La raó d'això és que hi ha altres fenòmens físics en joc a més de l'expansió de l'Univers. A petites escales, com les escales de les criatures vives i per sota, les forces electromagnètiques i nuclears dominen. A escala més gran, com les dels planetes, els sistemes solars i les galàxies, predominen les forces gravitacionals. La gran competència es produeix a les escales més grans de totes (a l’escala de tot l’Univers) entre l’expansió de l’Univers i l’atracció gravitatòria de tota la matèria i l’energia presents en ell.

A les escales més grans, l’Univers s’expandeix i les galàxies es retrocedeixen les unes de les altres. Però a petites escales, la gravitació supera la expansió, donant lloc a la formació d’estrelles, galàxies i cúmuls de galàxies. (NASA, ESA I A. FEILD (STSCI))

En les escales més grans de tots, l’expansió guanya. Les galàxies més llunyanes s’estan expandint tan ràpidament que cap senyal que enviem, ni tan sols a la velocitat de la llum, mai els arribarà.

Els superclústers de l’Univers (aquestes estructures llargues i filamentàries poblades de galàxies i que s’allarguen des de fa més de mil milions d’anys llum) s’estenen i s’eliminen per l’expansió de l’Univers. En un termini relativament curt, durant els propers milers d’anys, deixaran d’existir. Fins i tot el cúmul de galàxies més gran de la Via Làctia, el cúmul Virgo, a només 50 milions d’anys llum de distància, no ens atraurà mai. Malgrat un atractiu gravitatori que és més que mil vegades més potent que el nostre, l'expansió de l'Univers ens distingirà.

Una gran col·lecció de milers de galàxies conforma el nostre barri proper a 100.000.000 anys llum. El propi clúster Virgo es mantindrà unit, però la Via Làctia continuarà allargant-se a mesura que passi el temps. (USUARI COMÚ DE WIKIMEDIA ANDREW Z. COLVIN)

Però també hi ha escales més petites on s’ha superat l’expansió, almenys a nivell local. És molt més fàcil derrotar l’expansió de l’Univers a escales de distància més petites, ja que la força gravitatòria té més temps per créixer regions en excés en escales més petites que en grans.

Molt a prop, el propi clúster de Virgo continuarà obligatòriament. La Via Làctia i totes les galàxies del grup local es mantindran unides, acabant confluint sota la seva pròpia gravetat. La Terra girarà al voltant del Sol a la mateixa distància orbital, la Terra mateix continuarà sent la mateixa mida i els àtoms que formen tot sobre ella no s’expandeixin.

Per què? Perquè l’expansió de l’Univers només té efectes en què una altra força (gravitacional, electromagnètica o nuclear) encara no la superi. Si alguna força pot mantenir un objecte junts, fins i tot l’Univers en expansió no afectarà cap canvi.

Sistema TRAPPIST-1 en comparació amb els planetes del sistema solar i les llunes de Júpiter. Les òrbites de tot el que es mostra aquí no canvien amb l'expansió de l'Univers, a causa de la força de la gravetat vinculant per superar els efectes d'aquesta expansió. (NASA / JPL-CALTECH)

La raó d'això és subtil i està relacionada amb el fet que l'expansió en si no és una força, sinó una taxa. L’espai encara està en expansió a totes les escales, però l’expansió només afecta les coses de forma acumulada. Hi ha una certa velocitat que l’espai s’ampliarà entre els dos punts, però heu de comparar aquesta velocitat amb la velocitat d’escapament entre aquests dos objectes, la qual cosa és la mesura de com s’uneixen de forma estreta o fluixa.

Si hi ha una força que uneix aquells objectes entre si que és superior a la velocitat d'expansió de fons, no augmentarà la distància entre ells. Si no augmenta la distància, no hi ha una expansió efectiva. En cada instant, és més que contrarestat, de manera que mai obté l'efecte additiu que apareix entre els objectes no vinculats. Com a resultat, objectes estables i fixos poden sobreviure sense canvis durant una eternitat a l’Univers en expansió.

Ja sigui lligada per la gravetat, l’electromagnetisme o qualsevol altra força, les mides d’objectes estables i units no canviaran ni tan sols com l’Univers s’expandeixi. Si podeu superar l'expansió còsmica, romandreu lligat per a sempre. (NASA, DE TERRA I MARS A ESCALA)

Mentre l’Univers tingui les propietats que la mesurem, aquest continuarà sent així. Pot haver-hi energia fosca i fer que les galàxies llunyanes s’acceleri de nosaltres, però l’efecte de l’expansió a una distància fixa no augmentarà mai. Aquesta conclusió canviarà només en el cas d'un "Big Rip" còsmic - que evidències apunten, no cap a -.

El teixit de l’espai en si pot estar encara en expansió a tot arreu, però no té un efecte mesurable sobre tots els objectes. Si alguna força us uneix prou fortament, l’Univers en expansió no tindrà cap efecte sobre vosaltres. Només en les escales més grans de totes, on totes les forces d'unió entre objectes són massa febles per derrotar la velocitat de Hubble, l'expansió es produeix en absolut. Tal com va dir el físic Richard Price, "La seva cintura es pot estendre, però no es pot culpar de l'expansió de l'univers".

Startrts With A Bang està ara a Forbes i es va publicar a Medium gràcies als nostres seguidors de Patreon. Ethan ha estat autor de dos llibres, Més enllà de la galàxia i Treknologia: La ciència de Star Trek de Tricorders a Warp Drive.