Redshift cosmológico

01 · Definición y formulación

El redshift z se define operacionalmente como la fracción de cambio en la longitud de onda de una línea espectral conocida:

z = (λ_observada − λ_emitida) / λ_emitida

O equivalentemente: (1 + z) = λ_obs / λ_emit

Para z > 0 la longitud crece (corrimiento al rojo); para z < 0 la longitud disminuye (corrimiento al azul, blueshift). El factor (1 + z) tiene una interpretación cosmológica directa: es el factor por el que el universo se ha expandido desde la emisión de la luz hasta su detección.

Por ejemplo:

• z = 1 → la luz fue emitida cuando el universo tenía la mitad del tamaño actual.
• z = 9 → un décimo del tamaño actual; ≈ 550 Ma post Big Bang.
• z = 1100 → fondo cósmico de microondas; el universo era 1101 veces más pequeño y mucho más caliente.

02 · Tres mecanismos físicos distintos

Aunque el efecto observacional es similar, hay tres causas físicamente distintas del corrimiento al rojo:

• Doppler relativista — la fuente se mueve a través del espacio respecto al observador. Aplicable a estrellas cercanas, sistemas binarios, exoplanetas, jets relativistas.
• Gravitacional (Einstein) — la luz pierde energía al escapar de un pozo gravitatorio profundo. Detectado en estrellas masivas, enanas blancas (Sirio B), agujeros negros (M87*).
• Cosmológico — el espacio entre fuente y observador se expande mientras la luz viaja. Domina para distancias > 10 Mpc y es la base de la cosmología observacional.

Para fuentes muy distantes los tres pueden coexistir en menor medida — las galaxias tienen movimientos peculiares (Doppler) y campos gravitatorios (Einstein) además del redshift cosmológico. Pero el componente cosmológico domina ampliamente para z > 0.01.

03 · Historia del descubrimiento

El redshift cosmológico tiene una historia con varios protagonistas:

• Vesto Slipher (Lowell Observatory, 1912-1925) — midió por primera vez los espectros de «nebulosas espirales» (entonces no se sabía que eran galaxias). Encontró que la mayoría tenían corrimientos al rojo de centenares a miles de km/s — sorprendentemente alto. Su trabajo apenas fue reconocido en su momento.
• Carl Wirtz, Knut Lundmark (años 1920) — sugirieron una correlación entre distancia y velocidad, pero sin datos suficientes.
• Edwin Hubble (1929) — combinando sus medidas de distancia (a través de cefeidas en galaxias cercanas) con los redshifts (suyos y de Slipher), publicó la ley de Hubble: v = H₀ × d. Las galaxias se alejan a velocidades proporcionales a su distancia.

Hubble inicialmente interpretó esto como efecto Doppler clásico — su artículo de 1929 ni siquiera menciona la relatividad general. Pero Lemaître (1927) ya había derivado la misma relación a partir de las ecuaciones de Friedmann como consecuencia de la expansión del espacio. La síntesis vino en los años 1930 con la cosmología relativista moderna.

04 · Por qué el redshift NO es Doppler en cosmología

Para z < 0.1 ambas interpretaciones (Doppler vs cosmológico) dan resultados numéricos casi iguales. Para z > 0.1 divergen significativamente. La interpretación correcta es estiramiento del espacio, no movimiento relativo.

Argumentos:

• Velocidades superlumínicas no son problema. En cosmología, una galaxia con z = 7 tiene «velocidad de recesión» calculada de ≈ 2c, perfectamente legal porque no se mueve a través del espacio.
• La luz pierde energía sin que nada absorba esa energía: simplemente la longitud de onda se estira con el espacio.
• El redshift no depende de la velocidad relativa de la galaxia, sino del factor de expansión integrado durante todo el viaje de la luz: (1 + z) = a(hoy) / a(emisión), donde a(t) es el factor de escala cósmico.
• Las distancias en cosmología son ambiguas (luminosidad, ángulo, comóvil, propia) — todas se relacionan con z mediante integrales que dependen del modelo cosmológico.

05 · Aplicaciones cosmológicas

El redshift es la herramienta cuantitativa central de la cosmología observacional moderna:

• Distancias — combinado con un modelo cosmológico (parámetros Ω_m, Ω_Λ, H₀), permite convertir z en distancia y tiempo de viaje.
• Edades — el universo tiene una edad determinada para cada z. A z = 10, el universo tenía 470 Ma; a z = 1, ~5.9 Ga; hoy, 13.787 Ga.
• Tasa de expansión — analizando cómo crece z con la distancia, se mide la constante de Hubble y los parámetros de densidad.
• Estructura a gran escala — los redshift surveys (SDSS, DESI, Euclid) cartografían millones de galaxias en 3D, revelando la red cósmica de filamentos y vacíos.
• Naturaleza de la energía oscura — la dependencia de la expansión con z permite distinguir entre constante cosmológica e otras formas de energía oscura.

06 · Récords y frontera observacional

El redshift más alto detectable depende del telescopio y el método:

• Galaxias (espectroscopía completa): el récord actual es JADES-GS-z14-0 con z = 14.32, confirmada por NIRSpec (JWST) en 2024. Vista cuando el universo tenía 290 Ma.
• Galaxias (fotometría candidata): se han identificado candidatos a z ≈ 16-17 con NIRCam, pendientes de confirmación espectroscópica.
• Quásares: el récord es ULAS J1342+0928 con z = 7.54.
• GRBs (estallidos de rayos gamma): GRB 090423 a z = 8.2 fue durante años el objeto astrofísico más distante.
• CMB: el «último cumpleaños» del universo opaco a z ≈ 1100, equivalente a 380.000 años post Big Bang.
• CNB / cosmic neutrino background: a z ≈ 6 × 10⁹, no detectado directamente todavía.

07 · Galaxias con blueshift

No todas las galaxias muestran redshift. La galaxia de Andrómeda (M31) tiene z ≈ −0.001 — está acercándose a la Vía Láctea a unos 110 km/s. Esto es un movimiento Doppler peculiar dentro del Grupo Local que domina sobre la expansión cosmológica a esta corta distancia.

Otras galaxias del Grupo Local con blueshift:

• M33 (Triangulum) — blueshift pequeño, ligado al Grupo Local.
• Nubes de Magallanes — orbitan la Vía Láctea, blueshift variable según fase orbital.

A escalas locales (decenas de Mpc), la gravedad de los grandes cúmulos (Virgo, Hydra-Centaurus) supera la expansión cósmica y produce flujos cinemáticos complejos. Solo más allá de ~50 Mpc el redshift cosmológico domina indiscutiblemente.

08 · Falsos redshifts y curiosidades

A lo largo de la historia se han propuesto explicaciones alternativas al redshift cosmológico, todas refutadas:

• «Tired light» (Zwicky, 1929) — los fotones perderían energía al viajar largas distancias por algún mecanismo desconocido. Refutada porque no reproduce el patrón observado de dilatación temporal en supernovas distantes.
• «Redshifts intrínsecos» (Halton Arp) — algunos quásares tendrían redshifts no cosmológicos por física desconocida. Las observaciones han mostrado consistentemente que los redshifts altos corresponden a distancias altas.
• Variación de constantes físicas: investigación activa, pero sin resultados positivos hasta la fecha.

El éxito del modelo cosmológico estándar para predecir conjuntamente CMB, supernovas Ia, BAO y redshifts deja poco espacio para alternativas serias.

Cuando ves la luz de una galaxia distante, no estás viendo solo a través del espacio — estás viendo a través del tiempo y a través de la propia historia de la expansión cósmica. Cada redshift es una reliquia de cuánto se ha estirado el universo desde que esa luz comenzó su viaje. Es una de las observaciones más profundas que la humanidad puede hacer.