¿Hay otras pruebas del universo en expansión aparte del desplazamiento al rojo?

La teoría del universo en expansión es tan ampliamente aceptada que el desplazamiento al rojo a veces se usa como una medida de la distancia a galaxias lejanas.

¿Pero todavía es posible que el desplazamiento al rojo sea causado por algunos fenómenos desconocidos y no por las galaxias que se alejan unas de otras?

¿Hay alguna otra prueba (aparte del desplazamiento al rojo) de que el universo se está expandiendo y que las galaxias lejanas se están alejando de nosotros?

Sí, hay evidencia directa de expansión que no es del cambio rojo.

La temperatura pasada de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR) se ha medido directamente y se ha encontrado que es sustancialmente más alta de lo que es hoy. Su reducción de temperatura con el tiempo es evidencia directa de expansión. Aquí están los detalles:

Según este documento , el CMBR fue mucho más caliente en el pasado ( sinopsis menos técnica aquí ). Los investigadores observaron líneas de absorción en una nube de gas ubicada en una galaxia distante y descubrieron que el patrón de líneas visto solo podría explicarse si la temperatura CMBR en el momento de la absorción estaba entre 6 K y 14 K (ahora es 3 K). Esta temperatura es consistente con la temperatura esperada para el desplazamiento al rojo de esa galaxia (9 K). Tenga en cuenta que la temperatura se midió a partir del patrón específico de líneas visto y no de cuánto se habían desplazado las líneas; Esta medición produciría la misma temperatura incluso si no hubiera desplazamiento hacia el rojo. Dado que una temperatura más alta implica una densidad más alta, este enfriamiento del CMBR con el tiempo es evidencia directa de la expansión del universo.

Comentarios adicionales

• ¿Cuál es la relación entre el desplazamiento al rojo y las líneas de absorción?

  Inspirado por una conversación con uhoh en los comentarios:

  En mi respuesta, me refiero a un "patrón" de "líneas de absorción". Para aquellos que no están versados ​​en el tema, permítanme explicarlo.

  Cuando una luz brilla a través de una nube de gas, se absorben frecuencias específicas de luz. Cuando esta luz brille a través de un prisma, las frecuencias bloqueadas aparecerán como líneas negras en el espectro (vea la ilustración a continuación). Las líneas exactas que aparecen y sus posiciones en el espectro (el "patrón" de las "líneas de absorción") dependen de los elementos presentes en el gas y el entorno del gas. El efecto se ve más claramente con una luz que emite fotones en todas las frecuencias; Este tipo de luz se conoce como radiación de cuerpo negro . Aunque emite luz en todas las frecuencias, un radiador de cuerpo negro emitirá la mayor cantidad de luz a una longitud de onda particular; La ubicación de este pico se conoce como la temperatura del cuerpo negro.

  
  ^{Fuente: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (Excelente sitio, por cierto, vale la pena consultar las preguntas frecuentes para obtener más información sobre los cambios rojos y la cosmología en general)}

  A medida que la luz viaja a través del espacio (en expansión), es la longitud de onda y las longitudes de onda de las líneas de absorción se extienden a una velocidad fija para todas las frecuencias. Digamos que en el momento de la emisión / absorción, un espectro muestra líneas a longitudes de onda de 1, 3 y 5 nm ¹ . Después de que los fotones hayan viajado durante un cierto período de tiempo, todas las longitudes de onda del espectro parecerán haber duplicado ² . La línea que antes estaba a 1 nm ahora se ve a 2 nm, la que antes estaba a 3 nm ahora se ve a 6 nm y la que originalmente estaba a 5 nm ahora se ve a 10 nm. Aunque sus frecuencias absolutas cambian con el tiempo, la relación de las longitudes de onda (y frecuencias) de las líneas en relación con la otra permanece constante.

  La cantidad precisa que se desplaza el espectro de un objeto dado se correlaciona directamente con su distancia. Como se ve en el diagrama anterior, los objetos cercanos (como el Sol) no muestran desplazamiento al rojo. A medida que uno mira los objetos cada vez más lejos, ve cantidades crecientes de desplazamiento rojo ³ .

  En la discusión en la respuesta anterior, es este patrón de posiciones relativas en las líneas que se ve afectado por la temperatura CMBR en el momento de la absorción y no el grado en que las líneas se han desplazado.

  ^{1 Para decirlo técnicamente, este punto está en donde indica la magnitud del desplazamiento, positivo para los desplazamientos rojos (alejándose) y negativo para los desplazamientos azules (acercándose). Aquí se puede encontrar una discusión más profunda de este tema (incluida la definición precisa de ) . $z=0$$z$$z$2 El punto de duplicación de la longitud de onda (reducción de la frecuencia) está en 3 Cabe señalar que, dado que existe cierta incertidumbre en la velocidad a la que el Universo se está expandiendo, los cambios en rojo no se refieren a distancias conocidas con precisión. Así, los astrónomos y cosmólogos rara vez se refieren a las distancias a objetos distantes en términos absolutos de, digamos, años luz o parsecsz = 1 z
  $z=1$
  , prefiriendo, más bien, usar la cantidad de desplazamiento al rojo observado (la mencionada anteriormente).$z$}

  El mecanismo detrás del desplazamiento hacia el rojo no es que los fotones estén cambiando, sino que el espacio por el que se mueven las ondas electromagnéticas se está expandiendo. (Los fotones son tanto partículas como ondas; no, no es exactamente intuitivo). Este estiramiento constante del espacio estira la longitud de onda de la luz, dando lugar tanto al efecto del desplazamiento hacia el rojo como al aumento del desplazamiento hacia el rojo de un fotón determinado con el tiempo.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• ¿Cómo se relaciona el desplazamiento al rojo con el CMBR?

  En los comentarios, Alchimista preguntó: "¿No es CMBR realmente la quintaesencia del cambio rojo?"
  (Supongo que está utilizando el significado común, y no cosmológico , de "quintaesencia")

  Sí, la temperatura CMBR actual (3 K) se acepta generalmente como el resultado de fotones de energía relativamente alta (3000 K) emitidos aproximadamente 380,000 años después del Big Bang que han ampliado sus longitudes de onda con el tiempo por la expansión del Universo hacia El extremo rojo (es decir, más frío o de menor energía) del espectro. Esta expansión fue inferida por Hubble et al. de la observación de que las galaxias más pequeñas y más tenues (como se ve desde la Tierra) tienen un mayor cambio en sus espectros. Cuanto más lejos es la distancia aparente, mayor es el cambio observado. Usando este desplazamiento rojo aparente correlacionado con la distancia, podemos inferirque el Universo era más pequeño en el pasado y, por lo tanto, más denso con una temperatura más alta para el CMBR. En base a los cambios rojos observados en galaxias distantes, podemos deducir, pero no medir directamente, cuál era la temperatura CMBR a cada distancia.

  Lo que hicieron los autores del artículo anterior fue hacer una medición directa de la temperatura del CMBR en un momento específico en el pasado. La temperatura medida es más alta de lo que es hoy, lo que implica un universo más denso y, por lo tanto, más pequeño. Los investigadores descubrieron además que la temperatura medida directamente encaja perfectamente con la inferida del cambio rojo observado de la galaxia que se está estudiando.

  En pocas palabras, la cadena de inferencia se intercambia:

  • Para el razonamiento basado en el desplazamiento hacia el rojo:
    aumento de los desplazamientos hacia el rojo con la distancia aparente (medida directamente) ⇒ Expansión ⇒ Universo más denso en el pasado ⇒ Mayor temperatura CMBR en el pasado.
  • Para una medición directa de la temperatura pasada (como en este documento):
    Temperatura CMBR más alta en el pasado (medida directamente) ⇒ Universo más denso en el pasado ⇒ Expansión ⇒ Cambio rojo observado.
     

  Estas dos cadenas de inferencia basadas en diferentes conjuntos de evidencia se complementan y apoyan perfectamente.

  Una cosa a tener en cuenta es que el CMBR no fue creado por expansión (al menos no directamente) sino que es la expansión lo que explica su temperatura y uniformidad actuales. Según la teoría del Big Bang, el universo primitivo era muy denso; tan denso y caliente que toda la materia era un plasma de partículas subatómicas, opacas a los fotones. Aproximadamente 380,000 años después del Big Bang, el Universo se había enfriado (por expansión) lo suficiente como para que los protones y los electrones pudieran combinarse para formar gas de hidrógeno neutro (que es transparente). El CMBR es la luz que se liberó en este momento y se ha estado enfriando desde entonces.

¿Pero todavía es posible que el desplazamiento al rojo sea causado por algunos fenómenos desconocidos y no por las galaxias que se alejan unas de otras?

En la historia se propusieron algunas teorías alternativas, como la hipótesis de la luz cansada , el universo en estado estacionario, etc. Pero la observación descartó estas y otras teorías .

Ver también Cosmología alternativa.

No hay otros métodos razonablemente directos, pero definitivamente hay métodos indirectos. Uno, en la respuesta de @Alex Hajnal, las temperaturas más altas de CMB medidas más lejos es una muy buena medida indirecta.

Otra evidencia indirecta, que nadie ha notado todavía, es que a medida que miramos más y más, el universo se ve más y más joven, y cada vez menos como lo que vemos en nuestro vecindario. Estás prácticamente obligado a explicar eso científicamente al decir que el universo tuvo un comienzo en el orden aproximado de hace 10 mil millones de años, y que las estrellas y galaxias solo comenzaron a formarse en ese momento. (Esto no es prueba de un Big Bang específicamente, pero elimina la mayoría de las alternativas a él. El modelo de estado estacionario, por ejemplo, está falsificado). Es muy muy difícil explicar lo que vemos, excepto porque se debe a un universo en expansión de un estado denso y caliente ca. 10 hace ¹⁰ años.

Más evidencia indirecta proviene de la Relatividad General, una teoría del espacio, el tiempo y la gravedad que está muy bien verificada: ha sido probada durante un siglo ahora y desafiada por innumerables otras teorías, y solo GR ha pasado todas las pruebas experimentales. GR predice con firmeza que un universo estático es imposible y que debe expandirse o contraerse. Esta es evidencia indirecta de la mayoría de los experimentos locales.

Sin embargo, más evidencia indirecta proviene de cálculos de nucelosíntesis que muestran que las relaciones H / He / Li que observamos en las estrellas más antiguas y menos evolucionadas es exactamente lo que predecimos en base a la aplicación de las propiedades medidas de los núcleos a una bola de fuego Big Ban.

Hay por lo tanto la ciencia aparte de los desplazamientos hacia el rojo que apuntan a la expansión del universo a partir de una inicial muy caliente, estado denso que incluso sin la observación de los desplazamientos hacia el rojo, tendríamos finalmente forzados a esa conclusión.

Además de la evidencia circunstancial proporcionada por las otras respuestas, el hecho de que vemos procesos físicos, como el tiempo de disminución del brillo de las supernovas , aumenta la verificación de las galaxias que se alejan unas de otras. es. Para una fuente con un desplazamiento al rojo de , se observa que la cantidad de dilatación de este tiempo es , exactamente de acuerdo con lo que se espera de la relatividad general en un universo en expansión.$z$( 1 + z )$(1+z)$

Es decir, una supernova observada con un desplazamiento al rojo de tarda el doble de tiempo en declinar que una supernova local.$1$

Sin embargo, tenga en cuenta que esto no es una verificación del Universo en expansión, solo de las galaxias que se alejan unas de otras. Si el Universo fuera estático, pero las galaxias se movieran a través del espacio, observarías los procesos dilatados por el mismo factor, según lo predicho por la relatividad especial . Sin embargo, existen otras pruebas de que las galaxias no se mueven a través de un espacio estático, sino que se encuentran más o menos quietas en un espacio en expansión.

Si:

1. Distribución de datos de 1a supernova
2. Mediciones WMAP del CMB
3. Levantamiento del cielo galáctico de Sloan (catálogo de las galaxias)

Lo importante es que estos resultados no solo dicen lo mismo, sino que también se corresponden entre sí .

OK, esta respuesta implica cambios de color rojo, pero escúchame.

Bajo la Relatividad General, múltiples mecanismos pueden crear cambios en rojo: expansión del espacio, objetos que se mueven en relación con un observador (es decir, nosotros) y luz que se mueve bien fuera de la gravedad. La última opción está fuera del alcance de esta pregunta y la primera está excluida de consideración a solicitud del interlocutor. Eso deja solo la segunda opción (movimiento relativo, también conocido como el efecto Doppler relativista) en consideración; Este cambio puede ser (y ha sido) probado aquí en la Tierra y se ha demostrado que existe.

$z=0.5$$z>1$$z=11.09$

Dado que ningún objeto que tenga masa puede alcanzar la velocidad de la luz, está claro que los cambios rojos observados no pueden ser causados ​​por el movimiento relativista. Dado que no hay mecanismos conocidos más allá de los tres enumerados anteriormente que puedan causar cambios rojos en los espectros (comparar extinción ), la única explicación que coincide con estas observaciones es la expansión del espacio. Poner de manera sucinta, el hecho de que superlumínicas rojas cambios se observan en absoluto evidencia de que el espacio se está expandiendo.