Conceptos de los estudiantes y preguntas
Ideas comunes de los estudiantes
La expansión del Universo se debe a la expansión del espacio.
Puente para el aprendizaje: El espacio no se expande como una tela o algo que pueda estirarse (idea errónea introducida por la mayoría de los modelos). Del mismo modo, el Universo no se expande "hacia" nada, dado que no existe espacio "fuera" de él. En su lugar, la escala que se utiliza para definir el espacio cambia. Por esta razón, puede ser útil referirse a que el espacio-tiempo del Universo se expande en lugar de decir que el espacio se expande.
En este video del JPL sobre la Expansión del Universo, se dibujan una serie de ondas sobre una banda elástica. Imagina que hay puntos en cada extremo de las ondas dibujadas. Imagina que existe un término que define la distancia entre esos dos puntos. A medida que la banda se estira, ese término sigue siendo el mismo, pero su escala cambió.
La Tierra (o nuestra galaxia) se encuentra en el centro del Universo.
Puente para el aprendizaje: La construcción de un diagrama de Hubble sitúa nuestra galaxia (y la Tierra) en el origen del gráfico. Esto puede ser interpretado por los estudiantes como si nuestra galaxia ocupara una posición única en el centro del Universo. Es importante mostrar que la misma perspectiva sería vista también por observadores en otras galaxias. Esto se puede abordar trabajando con preguntas que utilicen el codificador de galaxias interactivo en esta investigación. Hacer que los estudiantes vean un diagrama de Hubble basado en las observaciones de otras galaxias puede ser una manera poderosa de ayudarles a entender que todas las ubicaciones ven la misma expansión lejos de su ubicación, por lo que ningún lugar es el centro del Universo.
Este sitio web proporciona otras formas de captar el interés de los estudiantes con ejemplos sobre cómo podemos deducir –mediante observaciones– de que el Universo no tiene un centro.
El Universo no se expande realmente (o no se expande en todas partes) porque algunas galaxias (como la Galaxia de Andrómeda) muestran un desplazamiento al azul (una velocidad de recesión negativa).
Puente para el aprendizaje: Dentro de un grupo de galaxias, la atracción gravitatoria de unas galaxias sobre otras es lo bastante fuerte como para impedir que el cúmulo se expanda, incluso cuando el espacio-tiempo del Universo se expande. La atracción gravitatoria local puede hacer que las galaxias de los cúmulos se aproximen entre sí o incluso se fusionen. Como resultado, algunas galaxias cercanas tienen velocidades que muestran que se están moviendo hacia la Vía Láctea.
Los estudiantes confunden la velocidad de recesión de una galaxia con la velocidad de expansión del Universo.
Puente para el aprendizaje: Una pendiente pronunciada en un diagrama de Hubble indica que la velocidad de expansión del Universo es "rápida", mientras que una galaxia con una velocidad de recesión rápida (desde el observador) se traza hacia la parte superior del gráfico. Haga que los estudiantes comparen el valor de dos puntos a distancias muy diferentes del observador para ver que las velocidades de recesión de las galaxias son diferentes y la pendiente del gráfico en los dos puntos (1) sería la misma, si el gráfico tuviese una línea recta (expansión constante) o (2) sería diferente en caso que el gráfico tuviese una curva e indica que la expansión del Universo se está acelerando.
Los estudiantes interpretan las velocidades de recesión (desplazamientos al rojo) de las galaxias como Desplazamientos Doppler en lugar de desplazamientos al rojo cosmológicos.
Puente para el aprendizaje: La diferencia es que, en el primer caso, las velocidades de las galaxias se deben a sus movimientos físicos a través de un volumen estático de espacio, mientras que el desplazamiento al rojo cosmológico atribuye los movimientos a la expansión del propio espacio-tiempo. Aunque cada galaxia tiene una velocidad, el componente de desplazamiento al rojo cosmológico de su movimiento supera con creces cualquier contribución menor de la velocidad de una galaxia, con la excepción de las galaxias muy cercanas a la Vía Láctea.
Utilice cualquiera de los modelos habituales (inflar un globo, la analogía del pan con pasas, el ejercicio de la goma elástica) para demostrar la expansión del espacio y discutan la diferencia.
Todas las cosas se alejan unas de otras: todas las galaxias, estrellas dentro de una galaxia, etc.
Puente para el aprendizaje: La expansión del espacio-tiempo sólo es evidente cuando se observan galaxias a grandes distancias, más allá del Grupo Local de galaxias. Dentro del Sistema Solar o de un cúmulo de galaxias, las influencias gravitatorias mutuas mantienen a los objetos atados gravitatoriamente entre sí.
Preguntas comunes de los estudiantes
¿Cómo puedes saber que un observador en otra galaxia también observaría todas las demás galaxias que se alejan de él? No puedes ir a esas galaxias y hacer mediciones desde sus ubicaciones, así que ¿cómo puedes estar seguro de que esto es lo que vería un observador en otra galaxia?
Nuestras observaciones de los desplazamientos al rojo de la luz de las galaxias nos permiten desarrollar un modelo de cómo se expande el Universo. Utilizando este modelo, podemos hacer predicciones sobre cómo observarán la expansión otros lugares del Universo. Nuestras observaciones nos dicen que el Universo se expande de manera uniforme. A medida que el espacio se expande, las galaxias parecen alejarse unas de otras. No importa dónde te encuentres en el Universo, observarás galaxias alejándose de ti, con galaxias cercanas alejándose más lentamente (ya que hay menos espacio-tiempo expandiéndose entre ellas) que galaxias lejanas (que tienen una mayor cantidad de espacio-tiempo entre ellas). Entonces, los observadores de todas las galaxias harán las mismas observaciones respecto al movimiento de las galaxias y la expansión del Universo.
¿Cómo podemos saber que el Universo no tiene centro?
Dado que todos los lugares observan la expansión alejándose de ellos, ningún lugar puede ser el punto central de la expansión y, por lo tanto, el Universo no tiene centro.
¿Qué causa la expansión del Universo?
Nadie sabe por qué se expande el Universo, pero la teoría de la relatividad general apoya matemáticamente el rol de la gravedad y su relación con el espacio-tiempo, prediciendo el resultado que estamos viendo. https://www.universetoday.com/116229/whats-causing-the-universe-to-expand/
¿Por qué cambia la velocidad de expansión a lo largo del tiempo y cuál es la causa de la aceleración?
Esta pregunta aún no tiene respuesta. Los astrónomos han dado el nombre de "energía oscura" para describir lo que puede estar causando esta aceleración, pero nadie sabe aún realmente lo que es. Lo que observamos es que la energía oscura actúa oponiéndose a la atracción gravitatoria a grandes escalas y hace que todo el Universo se expanda más rápidamente, y parece ser uniforme en todo el Universo. https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy