¿Cómo afecta la luz al universo?

Cuando, por ejemplo, una estrella emite luz, esa estrella pierde energía, lo que hace que reduzca su gravedad. Luego, esa energía comienza un viaje de potencialmente miles de millones de años, hasta que llega a algún otro objeto.

Cuando esa luz alcanza una superficie, como otra estrella o galaxia, le dará esa energía a la estrella de destino en forma de calor. Esto hace que el receptor aumente su energía, restaurando a su vez una especie de equilibrio. También hace que el receptor emita una pequeña cantidad de luz más, casi como un reflejo.

También ejercerá presión sobre la superficie receptora una vez que llegue a su destino, ya sea una estrella, una roca o cualquier otra cosa.

Pero mientras esa luz viaja por el espacio, su energía "no está disponible" para el resto del universo. Naturalmente hago la siguiente pregunta:

¿Causará la luz la gravedad mientras viaja?

Cada estrella emite luz en todas las direcciones y eventualmente alcanzará a todas las demás estrellas del universo. En cualquier punto del universo, debe haber un rayo de luz continuo proveniente de cada una de las demás estrellas del universo, que tiene un camino directo a ese punto. Dado que todas las estrellas en el cielo envían fotones que alcanzan cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre, la cantidad de presión debería ser bastante grande.

¿La cantidad de presión es realmente insignificante, dado que cada átomo en cualquier superficie recibe luz de cada fuente de luz en el cielo?

Según un cálculo que se encuentra en http://solar-center.stanford.edu/FAQ/Qshrink.html , el sol durante su vida emitirá el 0,034 % de su masa total como energía. Suponiendo que el sol es promedio, y que hay alrededor de 10 ^ 24 estrellas en el universo, y todas estas estrellas en promedio están a la mitad de su vida, debería haber energía equivalente a la gravedad de aproximadamente 1.7 * 10 ^ 22 soles distribuidos en todo el universo.

Respuestas (3)

Sí, la luz gravita. La carga gravitacional es energía. Bueno, la gravedad es una fuerza de espín 2, por lo que también tienes impulso y estrés, pero son análogos a una generalización de la corriente eléctrica.

En general, cualquier cosa que contribuya al tensor de tensión-energía tendrá algún efecto gravitacional, y la luz lo hace, ya que tiene una densidad de energía y ejerce presión en la dirección de propagación.

Pero mientras esa luz viaja por el espacio, su energía "no está disponible" para el resto del universo.

No exactamente. Todavía gravita. Sin embargo, la era dominada por la radiación fue antes de unos 50 mil años después del Big Bang, pero ya pasó hace mucho tiempo. Hoy en día, el efecto gravitacional de la radiación es cosmológicamente insignificante. Vivimos en una transición entre eras dominadas por la materia y dominadas por la energía oscura.

Dado que todas las estrellas en el cielo envían fotones que alcanzan cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre, la cantidad de presión debería ser bastante grande.

La presión de la luz sobre cualquier superficie es proporcional a la densidad de energía de la luz que incide sobre ella. Por lo tanto, podemos verificar esta línea de razonamiento directamente al observar que el cielo está oscuro por la noche.

Por qué está oscuro por la noche probablemente merece su propia pregunta (cf. también la paradoja de Olbers ), pero está bastante claro que, de hecho, es bastante pequeño. Para ser justos, deberíamos comprobar más que el rango visible, pero aun así el cielo está bastante oscuro. Así, en promedio, la presión ligera es muy pequeña.

Tenemos el privilegio de estar cerca de una estrella, pero incluso durante el día, la ligera presión debida al Sol es del orden de micropascales.

... debería haber energía equivalente a la gravedad de aproximadamente 1,7 * 10 ^ 22 soles distribuidos por todo el universo.

Y esta es una pequeña cantidad. Como acabas de decir, esto es el equivalente a alrededor del 0,034 % de la masa total de las estrellas del universo, que a su vez constituye solo una fracción de la materia del universo. Entonces, ¿por qué te sorprende que su efecto sea insignificante? Es literalmente miles de veces menor que la incertidumbre en las medidas de la cantidad de materia en el universo.

Pregunta anterior, pero abordaré algo que no ha sido mencionado por las respuestas anteriores.

fotones ≃ Fotones CMB (a primer orden)

Como ya han dicho los demás: sí, la luz tiene energía y por lo tanto gravita. Sin embargo, la mayor parte de los fotones que impregnan el Universo no es de origen estelar, sino que es, de hecho, el fondo cósmico de microondas, cuya densidad de energía es varios órdenes de magnitud mayor que la de otros fotones, como se ve en el gráfico de esta respuesta a " Densidad numérica de fotones CMB" . En términos de densidad numérica, hay 4-500 fotones por cm 3 .

El espacio es grande e isotrópico.

Dado que los fotones CMB se distribuyen isotrópicamente, la presión de radiación, por muy pequeña que sea, es igual en todas las direcciones y, por lo tanto, se cancela. Y aunque estamos todo el tiempo bombardeados tanto por fotones CMB como por fotones estelares, el espacio es tan alucinantemente grande ( D. Adams, 1978 ) que si consideras un fotón aleatorio en el Universo, la probabilidad de que golpee cualquier cosa es despreciable. Aproximadamente el 90 % de los fotones CMB han viajado durante 13 800 millones de años sin chocar con nada; el 10 % restante interactuó con los electrones libres que se liberaron después de la reionización, pero no se absorbieron, solo se polarizaron y, con mucho, la mayoría de estas interacciones tuvieron lugar poco después de la reionización; por ahora, el Universo simplemente se ha expandido demasiado.

Los fotones se desplazan hacia el rojo

Aunque hay energía en los fotones y, por lo tanto, se suman a la gravitación, en primer lugar, están distribuidos homogéneamente en el Universo (y, por lo tanto, atraen por igual en todas las direcciones), y en segundo lugar, su densidad de energía es insignificante en comparación con los bariones ("materia normal". como gas, estrellas y planetas), materia oscura y energía oscura. De hecho, sus densidades relativas son { ρ b a r , ρ D METRO , ρ D mi , ρ pag h o t } / ρ t o t a yo = { 0.05 , 0.27 , 0,68 , 10 − 4 } . Pero éste no siempre fue el caso. A medida que el Universo se expande y se crea nuevo espacio, la densidad de la materia disminuye a medida que 1 / a 3 , dónde a es el factor de escala ("tamaño") del Universo. Lo mismo es cierto para los fotones, pero dado que además se desplazan hacia el rojo proporcionalmente a a , su densidad de energía disminuye a medida que 1 / a 4 . Eso significa que a medida que retrocedes en el tiempo, la contribución relativa de los fotones al balance energético aumenta y, de hecho, hasta que el Universo tuvo 47.000 años, su dinámica estuvo dominada por la radiación.

El mayor a-ha en su respuesta fue que los fotones se desplazan hacia el rojo, lo cual no he considerado. Solo curiosidad: con respecto a la distribución isotrópica de fotones, ¿cómo puedes estar seguro de eso?
@frodeborli: si observa un mapa del CMB, como este , verá que es isotrópico a una parte en ~ 1e5. Tenga en cuenta que en un mapa como este, se han eliminado dos isotropías an importantes : 1) porque estamos dentro de la Vía Láctea, hay una señal adicional de fuentes en el disco galáctico, y 2) porque nos estamos moviendo a través del espacio en algún momento. 500 km/s (en coordenadas comóviles), el CMB está ligeramente desplazado hacia el azul (y, por lo tanto, más enérgico) en la dirección en la que nos estamos moviendo y, en consecuencia, desplazado hacia el rojo en la dirección opuesta.
Sí, entonces parece isótropo en nuestra región del espacio. Pero no considero que esto sea una prueba de que los fotones son isotrópicos en su distribución por todo el espacio. Esa estrella tan distante que estás mirando está , desde nuestra perspectiva, en un universo que tiene solo 47000 años.
Y vemos esas viejas estrellas distantes en todas direcciones @frodeborli. Si tiene alguna teoría complicada para explicarlo, bien por usted, pero la navaja de Occam hace que los científicos prefieran la teoría más simple de la distribución isotrópica.
@kubanczyk “Haz las cosas lo más simples posible, pero no más”. Independientemente de eso; no es posible concluir sin lugar a dudas que los fotones se distribuyen uniformemente por todo el espacio, basándose únicamente en el hecho de que los recibimos distribuidos uniformemente en este pequeño planeta. Hay muchos fotones que nunca recibiremos aquí, y no sabes hacia dónde se dirigen ni cuántos son. Puede/probablemente haya trillones de GRB súper energéticos disparando a través del espacio que nunca veremos; simplemente verlos causaría una tierra estéril.
La ciencia no puede probar nada . La ciencia puede predecir parcialmente las experiencias futuras de los humanos, y puede mejorar a sí misma al predecir cada vez más correctamente. Cualquier propuesta adicional (como "GRB súper energéticos") es tan útil como permite hacer predicciones adicionales sobre nuestras experiencias futuras. Decir "No sé si hay un monstruo debajo de la cama, así que no sé si me mata" simplemente no me ayuda a lograr una ventaja evolutiva, así que no lo digo: la navaja de Occam. Solo si tengo la experiencia de escuchar una respiración pesada debajo de mi cama, pensaré en la 'teoría del monstruo'.
@frodeborli: Afirmar que la isotropía observada del CMB no implica homogeneidad implicaría que ocupamos un lugar especial en el Universo. Ese pensamiento es tan aterrador que realmente tendrías que idear una teoría sólida y falsable para justificar el reclamo, para que te lo tomen en serio. La isotropía que implica homogeneidad no es "simplificar demasiado las cosas", es la expectativa más natural. Pero, por supuesto, no es una prueba, como ocurre con todo en la física.
@pela No implica homogeneidad. No entiendo por qué incluso sugiere homogeneidad. Si dibuja 10 ^ 100 líneas infinitamente largas y bastante delgadas en todo el universo, las probabilidades de que cualquiera de esas líneas se crucen con la tierra siguen siendo pequeñas. No puedes concluir que, dado que nadie te está apuntando con una linterna, no hay linternas. Y no puedes ver el rayo proveniente de una linterna, a menos que te esté apuntando.
@kubanczyk Estoy de acuerdo, y no estaba buscando que usted también afirmara que la ciencia prueba algo. Simplemente no entiendo cómo los científicos pueden sentir que es lógico concluir que debido a que nosotros vemos radiación de fondo isotrópica, todos los demás deben estar viendo radiación de fondo isotrópica, independientemente de dónde se encuentren. De hecho, sabemos que un objeto a 10 mil millones de años luz de nosotros, ahora mismo, mientras lo estamos mirando, existe en un universo más brillante/más joven y es difícil saber si eso es isotrópico. Cada objeto debe verse a sí mismo como siendo en la zona más oscura del universo, nosotros incluidos.
@frodeborli: Creo que no te entiendo. Si el Universo se ve igual en todas las direcciones, entonces, a menos que estemos en un lugar especial, debe ser igual en todas las direcciones, es decir, debe ser homogéneo. Véase, por ejemplo , esta respuesta sobre el principio cosmológico . Por cierto, si dibujas 10 100 líneas en el Universo observable, cada cm 2 de ti, y de la Tierra, serán atravesados ​​por 10 42 líneas
Realmente no entiendo tu ejemplo con las linternas. Parece describir un escenario en el que no se observa algo. Si no veo a nadie apuntándome con linternas desde ninguna dirección, no puedo concluir que no haya personas que apunten con linternas en diferentes direcciones, pero puedo concluir que no hay muchas. Pero en el caso de CMB, vemos 10 13 CMB pasando por cada cm 2 de un detector cada segundo, independientemente de la dirección en la que miremos. A menos que estemos en un lugar especial, otro observador en otra parte del Universo vería lo mismo.
@pela Gracias por calcular eso. Inicialmente buscaba un número mucho más bajo (10^40), pero me volví un poco valiente. Todavía estoy sorprendido. Curioso en cuanto a cómo calculas eso. Con respecto a la homogeneidad, debido a la relatividad: el universo es más brillante cuanto más lejos miras, para el objeto que miras debido a que ese objeto está en un universo más joven. El objeto que está mirando parecerá tener fuerzas gravitacionales más fuertes que lo afectan. La densidad del espacio vacío debido a la radiación es una función de la distancia desde el observador.
@pela Otro observador en otro lugar (a 5 mil millones de años luz de distancia) en el universo probablemente observará una densidad similar a la nuestra, en 5 mil millones de años. Pero en ese momento veremos un universo más oscuro. Debe ser un gradiente, no puede ser homogéneo. Además, debido a la inmensidad del universo, si miramos hacia el sur a una estrella distante a 13 mil millones de Ly y luego miramos hacia el norte a 13 mil millones de Ly, esas dos estrellas están muy cerca una de la otra. Mirando un poco más allá, las estrellas en realidad ocupan el mismo espacio, y eso obviamente parecerá homogéneo.
@frodeborli: una estimación de orden de magnitud del número de líneas que penetran un cm 2 - el "flujo de línea" F yo i norte mi s - es simplemente su número de líneas norte , dividido por la sección transversal del Universo, es decir F yo i norte mi s ∼ norte / π R tu norte i 2 = 10 100 / π ( 14.4 GRAMO pag C ) 2 ∼ 10 42 C metro − 2 . Pero no entiendo su afirmación "el Universo se ve más brillante, cuanto más lejos miramos". ¿Por qué un objeto sería más brillante debido a que el Universo es más joven? De todos modos, tiene razón en que la densidad de radiación es una función de la distancia de nosotros, como se discutió anteriormente.
Creo que tal vez entiendo lo que quieres decir. ¿Por "el Universo siendo más brillante lejos" quieres decir que hacía más calor? No olvides que así como miramos a lo lejos, también miramos al pasado. Otro observador a 5 Gly de distancia observará, como dices, lo mismo que nosotros, pero no en 5 Gyr. Él observará lo mismo ahora . Por supuesto, si miramos a ese observador en este momento , lo veremos como era hace miles de millones de años (hace 9,5 Gyr; no 5 Gyr como se podría pensar, ya que el Universo se está expandiendo). Para ver cómo se ve ahora, tendremos que esperar unos 7 Gyr.
El gradiente del que hablas es un gradiente en el tiempo , no en el espacio. Si congelaras el Universo ahora mismo y despegaras en una nave espacial, tendrías un viaje muy aburrido; a medida que llega a galaxias que antes de partir parecían menos evolucionadas, encontrará que cuando llegue, estarán tan evolucionadas como la Vía Láctea (estadísticamente hablando, por supuesto).
@pela Ese gradiente en el tiempo es lo que implica que el universo es más brillante para los objetos lejanos. Como la luz y la gravedad se han propagado durante 10 mil millones de años antes de llegar a nosotros, la fuente de esa luz estaba en un universo mucho más brillante. Como la simultaneidad es relativa, ese objeto se encuentra actualmente en un universo brillante, mientras que nosotros estamos en un universo oscuro (y viceversa); por lo tanto, el brillo debe ser un gradiente.
Dado que la mayor parte de lo que estamos viendo, a grandes distancias, son "objetos jóvenes" que existen en un universo mucho más pequeño/más denso, esperaría que veamos un universo algo uniforme. Pero eso no significa que si hubiéramos estado en otro lugar y experimentado 13.700 millones de años, lo que veríamos allí es lo mismo que vemos aquí, ahora. En cuanto al viaje de la nave espacial; tu historia es cierta si la región del espacio a la que viajas es tan densa como nuestra región del espacio. Si no, esa región podría ser más antigua o más joven que nuestra región del espacio.
A riesgo de repetirme: si observas un Universo isotrópico y asumes que no ocupamos un lugar especial en él, entonces sí, otro observador en otro lugar vería exactamente lo mismo que nosotros (módulo estadístico). No hay forma de evitar eso. Eso hace que mi historia sea cierta: si congelas el Universo, entonces cada parte de él tiene 13,8 Gyr de antigüedad, y cada parte que visites en este congelado tendrá el mismo aspecto cuando llegues allí (mod. estadísticas). La razón por la que las galaxias distantes parecen más jóvenes no es porque lo sean ahora, sino porque la luz tardó un poco en llegar.
@pelo Revisé este hilo hace un momento, y puedo ver que estábamos hablando entre nosotros. Entiendo tu razonamiento, pero me enfoqué en una forma diferente de pensar sobre la relatividad. Para mí, la palabra AHORA también contiene coordenadas espaciales. Si congelamos el universo AHORA y luego viajamos a una estrella distante, entonces llegaremos a una estrella joven. El destino no envejecerá a medida que nos acerquemos a él, si el universo estuviera congelado visto desde la tierra.
@frodeborli Hmm... si te entendí correctamente, entonces eso no es cierto. Si observo una galaxia que está a 1 Glyr de distancia, entonces lo que veo es una imagen de 1 Gyr de antigüedad, es decir, si pudiera ver un reloj, ese reloj diría que el Universo tiene 1 2,8 Gyr de antigüedad. Pero eso es solo porque la luz tardó 1 Gyr en alcanzarme. En realidad, la galaxia es más antigua, y si congelo el espacio y voy allí, una vez que llegue allí, el reloj dirá "1 3 .8 Gyr".
@pela Naturalmente, pero estoy hablando de la relatividad de la simultaneidad. Si mi calendario dice que son las 12 en punto del 13 de enero de 2020 al mismo tiempo que veo explotar una supernova, entonces, en mi marco de referencia , esos dos eventos son simultáneos. Entonces, cuando digo que "ahora", esa supernova distante está en un universo más joven, entonces esa es una visión válida. Decir que está en un universo tan antiguo como el nuestro es una predicción indemostrable, aunque estoy de acuerdo con esa predicción.
@pela Estrictamente hablando, no puede estar seguro de que el reloj diga 13.8 Gyr cuando llegue, porque no puede saber la cantidad relativa de dilatación del tiempo gravitacional en esa región del espacio, en comparación con nuestra región del espacio. Ahora mismo en tu forma de pensar, el universo no tendrá la misma edad en todas partes.
@frodeborli Bueno, a menos que el reloj que estoy mirando resida en algún pozo de potencial extraño, o esté sentado en el brazo de un extraterrestre al que le gusta volar al 99% de la velocidad de la luz, estoy de acuerdo con ignorarlo por completo. Me refiero al tiempo de comovimiento, pero, por supuesto, siempre se puede conjeturar algún escenario que haga que mi afirmación sea falsa. Si eso es lo que buscas, entonces de hecho estamos hablando entre nosotros.
Y sí, en física todas las predicciones son indemostrables. Pero si está cuestionando el modelo estándar de cosmología, entonces esa es otra discusión.
@pela Punto es; ahora significa ahora de acuerdo con un único marco de referencia particular. No me gusta mezclar marcos de referencias cuando se habla de física. Entonces, cuando digo que la supernova ocurrió hace 400 años, es absolutamente correcto a menos que compliques las cosas seleccionando un marco de referencia diferente. Cuando digo que en este momento, ese objeto estelar distante existe en un universo más denso y más joven, es porque asumo que todos estamos de acuerdo en qué marco estamos hablando. Cuando decidiste estar en desacuerdo conmigo, es porque decidiste mezclar marcos.
@frodeborli De acuerdo, por lo general en astronomía no nos importa lo que sucede en alguna galaxia en este momento . No sabemos exactamente cómo ha evolucionado una galaxia distante desde que emitió la luz que vemos, pero sabemos, en un sentido estadístico, cómo han evolucionado ella y otras galaxias igualmente distantes. Decimos, tal vez de manera confusa, que "la galaxia GN-z11 reside en un entorno que es ~ 1000 veces más denso que nuestro Universo local actual", pero aunque suene como queremos decir "ahora mismo", se entiende que en realidad, en este momento residirá en un entorno que es similar a nuestro Universo local.
Por lo tanto, si usamos el término "ahora mismo", queremos decir de acuerdo con un observador que se mueve, que, excepto por pequeñas velocidades peculiares, es el mismo marco en el que hacemos nuestras observaciones.

La luz provoca gravedad mientras viaja, un claro sí, por la famosa equivalencia masa-energía de Einstein . (Compare esta discusión sobre StackExchange ).

La atracción gravitacional de la luz es insignificante para otra masa en gran escala. Solo una pequeña fracción de la masa de una estrella se transforma en luz durante su vida, y solo una pequeña parte de la materia ordinaria ha sido alguna vez una estrella. Una fracción de la materia ordinaria (partículas modelo estándar) consiste en neutrinos (los neutrinos y los electrones son leptones). La materia bariónica consiste principalmente en hidrógeno y algo de helio (núcleos) formados poco después del Big Bang.

Una pequeña fracción de la masa de una estrella se compone de fotones que salen de la estrella. Este viaje puede llevar millones de años .

El efecto de la luz sobre los asteroides no es despreciable, pero no es la atracción gravitatoria. Es principalmente el efecto YORP . El polvo también se ve afectado por la luz.

Entonces, a pesar de que la mayoría de la luz que alguna vez ha sido emitida por los cientos de miles de millones de galaxias del universo todavía está viajando, ¿el efecto es insignificante? En cada coordenada del universo, un fotón cruza por cada estrella emisora ​​de luz con un camino directo hacia ella. La cantidad de luz "en viaje" también aumenta constantemente, lo que significa que la energía combinada de todas las demás masas disminuye constantemente hasta el punto en que la masa se convierte en parte de un agujero negro. ¿Cómo pueden los científicos estar seguros de que es insignificante?
Tome la temperatura de fondo promedio de unos 3 K; esa es la temperatura media y, por lo tanto, el equilibrio general de radiación electromagnética. Considere el espacio promedio en un radiador negro ( en.wikipedia.org/wiki/Planck%27s_law ). Eche un vistazo a la ley de Stefan-Boltzmann ( en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law ): la energía de la radiación total es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Ahora calcule la masa por volumen correspondiente a esta energía de radiación y compárela con la densidad media del universo local.
(perdón por los dos errores tipográficos anteriores "de aproximadamente 3K", "como un radiador negro") La disminución de la masa no significa necesariamente converger hacia cero, a menos que proponga que cada partícula eventualmente se descompondrá en fotones. No hay al menos ninguna evidencia experimental para esta suposición. No toda la masa tiene por qué terminar en un agujero negro en un universo con expansión acelerada. Simplemente se enfría.
@Gerald: Sin embargo, es útil recordar que en los días del universo dominado por la radiación, la atracción gravitatoria de la luz era muy importante.
No estoy muy seguro de si estamos hablando de lo mismo. La presión de radiación asumió un papel importante (ver en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pression ). No estoy al tanto de un papel importante de la fuerza de gravedad de la luz. ¿Puede señalar una fuente que proporcione evidencia?
No estoy seguro de estar siguiéndolo, pero la cantidad de "vacío" que contiene solo la suma de los fotones en viaje debe ser en muchos órdenes de magnitud mayor que cualquier masa existente. Y propongo que mientras un objeto esté irradiando luz, está perdiendo energía y, por lo tanto, está disminuyendo su propia gravitación.
Lo siento, quise decir que el volumen del vacío debe ser cientos de órdenes de magnitud mayor que cualquier volumen habitado por la masa. ¿Cómo puede ser eso insignificante a escala cósmica?
Creo que la primera oración está exactamente al revés, pero por lo demás, en general, estoy de acuerdo con este enfoque.
El efecto es minúsculo en comparación con el banco de luz debido a la gravedad. Una discusión más detallada sobre la primera oración, consulte aquí: physics.stackexchange.com/questions/6197/…
Lo que quiero decir es simplemente que la masa tiene efectos gravitatorios porque tiene energía (y mucha), que aparece en la T 00 componente del tensor tensión-energía. En lugar de explicar la gravedad tratando de explicar la gravedad como efecto de la masa, lo cual es incorrecto de todos modos, uno debería reconocer que es la energía la que carga la gravedad de una manera análoga a, digamos, la carga eléctrica.
Bien, ahora entiendo lo que quieres decir. Eso está de acuerdo.
¿Cómo afecta la luz al universo?
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