Se dice que las galaxias distantes se alejan de la Vía Láctea (y de nosotros) a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Dado que la Relatividad Especial nos dice que cualquier objeto que se aleje de nosotros a una velocidad cercana a la de la luz aumentará en masa en nuestras observaciones, es decir, parecerá ser mucho más masivo que su masa en reposo, acercándose al infinito a medida que la velocidad se acerca a la velocidad de la luz. Si observamos masas muy grandes (como las galaxias) alejándose de nosotros casi a la velocidad de la luz, ¿no serían pequeñas sus masas en reposo? Entonces, ¿por qué no pensamos que estas galaxias distantes son en realidad solo motas de materia en términos de sus masas reales en reposo? Y si ese es el caso, ¿no estamos simplemente mirando lo que pueden ser partículas subatómicas que se alejan de nosotros casi a la velocidad de la luz? ... La explicación del universo en expansión es la estándar. El ejemplo del globo es quizás sugerente pero no correcto. Si ocupara un punto en la superficie de un globo, y tuviera un amigo a su lado y el globo se expandiera, su amigo se alejaría de usted a una velocidad relativa v. Las ecuaciones de Einstein obviamente seguirían siendo válidas. No veo una manera fácil de explicar por qué cuando miro las mediciones de velocidad relativa entre galaxias recesivas distantes, esas velocidades de alguna manera no son las que se miden y citan, sino algo muy diferente porque el universo se está expandiendo. La velocidad se define (también para Einstein) como la distancia dividida por el tiempo para recorrer esa distancia. Y estamos hablando de objetos con masa; no un rayo reflectante de un reflector o algo así. Incluso si el universo se expande, la velocidad sigue siendo la que es. Y si no es lo que es, entonces, ¿por qué los astrofísicos afirman que las galaxias distantes se están alejando de nosotros casi a la velocidad de la luz? Supongo que me gustaría ver el argumento intuitivo con ecuaciones incluidas que debe estar ahí pero nadie sabe cómo hacerlo. Supongo que pasó un tiempo antes de que la dilatación del tiempo pudiera explicarse también en el reverso de un sobre.
No olvidemos que, además de las galaxias lejanas con un alto corrimiento al rojo, podemos observar galaxias cercanas (y muchas en todas las distancias intermedias). Esas observaciones de galaxias cercanas pueden resolver estrellas individuales que son claramente las mismas estrellas en nuestra propia galaxia y obedecen a la física consistente con la física que alimenta a nuestro propio Sol.
Además, la masa de las galaxias se mide observando sus curvas de velocidad (de hecho, esta fue la fuente de la primera parte del rompecabezas de la masa faltante).
En resumen, no: no hay posibilidad de que hayamos cometido un error de órdenes de magnitud sobre la masa de estos objetos.
No es cierto que la Relatividad Especial nos diga que "cualquier objeto que se aleje de nosotros a una velocidad cercana a la de la luz aumentará de masa en nuestras observaciones". Esta afirmación depende de la observación que haga, es decir, si mide la masa relativista o la masa en reposo. Para las observaciones cosmológicas, la masa relativista no suele ser una cantidad interesante. Hay varias formas de estimar la masa de las galaxias, una es, por ejemplo, la lente gravitatoria, que tiene el mérito de que también tiene en cuenta la materia oscura. O puede observar las velocidades angulares de las estrellas que orbitan alrededor del centro, que dependen de la masa total (también tiene en cuenta la materia oscura). De cualquier manera, lo que obtienes es la masa gravitatoria total (energía) en el marco de reposo de la galaxia, es decir, su masa en reposo.
Lo que nos dice la relatividad especial es que un cuerpo que se mueve con una velocidad que tiene una masa en reposo tendrá una masa observada de
Esto sigue siendo cierto en situaciones astrofísicas. Por ejemplo, el brillo aparente de los objetos llamados cuásares es mucho mayor que su brillo "real" debido a un efecto muy similar.
Pero lo que en realidad está sucediendo es que el espacio mismo se está expandiendo . Sin duda sabes que cuanto más lejos está un objeto de nosotros, más rápido se aleja de nosotros. Pero la velocidad con la que se aleja de nosotros no se debe a la velocidad que posee el objeto en sí, sino a la velocidad debida a la expansión del espacio.
Piensa en dos puntos en un globo. Si soplas dentro del globo, los dos puntos se alejarán uno del otro a cierta velocidad. Pero esto no se debe a que los puntos mismos tengan una velocidad, sino a que el espacio en el que se encuentran (el globo) se está expandiendo. La situación con el universo no es exactamente análoga, pero es algo similar.
Por lo tanto, dado que los cuerpos en sí mismos no poseen una velocidad relativista, lo que realmente medimos es la masa en reposo del objeto.
PD: muchos artículos astrofísicos hablan de esta cantidad llamada "velocidad peculiar", que de hecho es la velocidad que posee el objeto en sí. Esta velocidad peculiar es la velocidad por encima de la velocidad del objeto debido a la expansión del espacio. Cómo se mide y calcula la diferencia entre las dos velocidades, etc., está más allá de su pregunta (y esta respuesta), por lo que no voy a entrar aquí, pero pensé que valía la pena mencionar que los objetos astrofísicos tienen sus propios velocidades (del orden de a / ).
EDITAR: La relatividad especial se aplica solo a los marcos de referencia inerciales con respecto a nosotros. La expansión del espacio es un marco de referencia acelerado y, por lo tanto, no inercial. Entonces, uno tendrá que usar ecuaciones de relatividad general (con las que no me siento muy cómodo).
Sin embargo, es útil recordar que el aumento de masa de un objeto relativista proviene de la equivalencia masa-energía. La energía total de un cuerpo con cantidad de movimiento es dado por
Piense en usted y un amigo parados en dos puntos en el espacio. Si el espacio se expande con cierta velocidad, usted y su amigo se alejarán el uno del otro y, por lo tanto, la luz de él se desplazará hacia el rojo con respecto a usted. Pero él no está ganando energía alejándose de ti, ambos están parados allí. Por tanto la masa que midas será igual a su masa en reposo, ya que en la ecuación anterior, y .
La respuesta habitual (como se señaló anteriormente) proviene de una cosmología estándar empíricamente consistente para la cual el espacio mismo se expande. La evidencia incluye 1. el fondo cósmico de microondas con su origen cerca de la época de recombinación temprana, desplazado hacia el rojo por la expansión a la temperatura actual de 2.7 K 2. la naturaleza bariónica de la materia luminosa como lo indican los datos espectrales 3. el acuerdo de WMAP, BAO, supernovas y muchas otras pruebas para medidas de distancia a alto corrimiento al rojo
Si tuviera razón, tendríamos dificultades para explicar los detalles de los fenómenos astrofísicos observados en los desplazamientos al rojo más bajos, como las regiones de formación estelar y los núcleos galácticos activos. No olvide que las observaciones comienzan con nuestro propio sistema solar y la Vía Láctea, que no parece tan diferente de otras galaxias espirales.
Habiendo dicho eso, hay un sentido en el que tiene razón, porque una galaxia de alto corrimiento al rojo bien podría ser otra forma de molécula en reposo en el laboratorio, ya que la materia contiene potencialmente todas las demás materias según las leyes de QFT. Incluso la cosmología estándar (que está bien abierta al debate en estos días) estaría de acuerdo en que existen dualidades en la teoría de cuerdas entre escalas muy distintas y no hay razón para que no apliquemos estas ideas a nuestra visión del cosmos.
Si su argumento fuera correcto, estaríamos tan confundidos al manejar electrones acelerados en laboratorios, confundiéndolos con galaxias.
Incluso en base a mi experiencia muy limitada con la relatividad, las fórmulas muy básicas para la energía y el impulso dan cuenta de esto. Por lo tanto, hay una diferencia entre la masa en reposo ( ), y la masa observada ( ). Así que tenga la seguridad de que, si estas fórmulas fueran correctas, las galaxias deberían ser enormes.
Pensé que como mencioné esto y no obtuve buenas explicaciones, lo respondería yo mismo. Conectar algunos números ayuda. Usé esto para la velocidad de la luz = 299.792,458 km/seg. Constante de Hubble = 72 km/seg/megaparsec. La constante de Hubble es necesariamente una aproximación porque nadie sabe exactamente qué es y tampoco saben si es una constante en el tiempo. La constante de Hubble se usa para calcular la velocidad de galaxias distantes debido a la expansión del universo. Entonces, en base a algunos cálculos simples usando los números anteriores, se me ocurrió esto: si te alejas 13,573,936,292 años luz, el universo se está expandiendo a 0.99999999994 de la velocidad de la luz. Podría señalar que esto es aproximadamente 203 pies por hora más lento que la velocidad de la luz, por lo que está bastante cerca. Usando la Transformada de Lorentz (relatividad) podemos averiguar el efecto sobre una masa galáctica que se mueve a esa velocidad alejándose de nosotros. Supongamos que observamos una galaxia del tamaño de la Vía Láctea o Andrómeda alejándose de nosotros a esta velocidad. La masa restante de la Vía Láctea o Andrómeda es de aproximadamente 700 mil millones de masas solares. Da o toma. Aplicando la transformada de Lorentz a esta observación, la masa restante de la distante galaxia en retroceso sería de unas 7.493.550 masas solares. Entonces, incluso a velocidades tan cercanas a la velocidad de la luz, esta sigue siendo una gran masa. No es una partícula diminuta como pensé que podría ser. Por lo tanto, ni siquiera tenemos que usar el argumento de agitar la mano sobre la expansión del universo que realmente no cuenta en los cálculos relativistas. Supongo que el verdadero problema teórico y la pregunta sería: ¿Qué sucede en la singularidad? Eso está justo en el borde exterior de la expansión, los objetos viajan exactamente a la velocidad de la luz, y aquí la relatividad se rompe. Pero nadie sabe la respuesta a eso. Lo interesante de conectar los números es que cuando estás realmente cerca de la velocidad de la luz, no hay contradicciones. Y mis cálculos son muy parecidos porque 203 pies por hora es mucho más lento de lo que yo camino. Podría gatear más rápido que eso.
Maní Loco de Waffle
N. Virgo
don oeste