Un Paseo por la Cosmología
Por: Félix Piriyú, fundador de Astropy y miembro de APRA
A lo largo de la historia prácticamente toda las culturas han tratado de responder a la fundamental pregunta: ¿de dónde viene todo lo que existe? Las distintas ideas desarrolladas para intentar dar una respuesta a dicha cuestión recibe el nombre de Cosmogonía. Las cosmogonías que conocemos no ofrecen evidencias sobre los hechos que afirman. En occidente, probablemente la más conocida de todas sea el relato mítico de la creación que podemos leer en el primer libro de la biblia.
Por otro lado, la ciencia ha desarrollado un complejo modelo que estudia la dinámica y evolución del universo y es capaz de describirlo a enormes escalas tanto de tiempo como de espacio, nos estamos refiriendo a la cosmología.
Se puede afirmar que la cosmología se asienta firmemente en el campo de la ciencia a partir de la publicación de la Teoría General de la Relatividad y de las observaciones realizadas por Edwin Hubble y Milton Humason desde el observatorio del monte Wilson.
Einstein junto a Edwin Hubble y Walter Adams en el Observatorio Mount Wilson, 1931
Usando el telescopio más grande de la época, Hubble y Humason demostraron que las galaxias se están alejando de nosotros y que lo hacen a mayor velocidad mientras más lejos se encuentran. A esta relación entre la velocidad de recesión y la distancia se la llama actualmente Ley de Hubble Lemaître.
George Lemaître fue un sacerdote católico doctorado en física que propuso la hipótesis de un universo primordial extremadamente pequeño, la idea consistía en que muy atrás en el tiempo todo este universo célula se fue expandiendo hasta llegar a ser lo que podemos observar en la actualidad.
Lemaître y Albert Einstein en Caltech, 1933
En tiempos de Lemaître la idea predominante era la del universo estático, un universo que siempre había existido y que no cambiaba. Es muy conocido el hecho de que Albert Einstein compartía esta idea del universo sin cambios, tanto así que introdujo en las fórmulas de la Relatividad General un término que evitaba que el universo varíe de tamaño, ese término se conoce como Constante Cosmológica. Einstein llamó “su mayor pifiada” a la introducción artificial de este término en las ecuaciones de la Relatividad General.
Finalmente el minucioso y detallado trabajo de Hubble y Humason sobre la recesión de las galaxias confirmó la hipótesis de Lemaître e hicieron que Einstein cambiara de idea, el universo no era estático, tal cual como la teoría de la relatividad general (sin constante cosmológica) lo predecía.
Espectros de galaxias tomados por Milton Humason en el Monte Wilson, la fina flecha en cada foto indica su corrimiento al rojo o redshift.
La expansión del universo se puede visualizar tomando como ejemplo un globo, si se pinta sobre su superficie varios puntos y luego se infla dicho globo, se puede apreciar como todos los puntos se alejan unos de otros, que es justo lo observado por Hubble y Humason, se puede destacar que ninguno de los puntos tiene una importancia particular.
Al inflar un globo, los puntos dibujados sobre su superficie se alejan unos de otros, es una analogía simplificada de como las galaxias se alejan una de otras por efecto de la inflación cósmica.
No se puede decir que existe un centro, un observador situado en cualquiera de esos puntos notará que todos los otros puntos se alejan de él. Hay que tener en cuenta que la superficie del globo tiene solo dos dimensiones y nuestro universo se expande en tres dimensiones espaciales.
Otra aclaración que no está demás hacer es referente al movimiento de las galaxias, la expansión del universo implica que el espacio entre las galaxias es el que aumenta, no son las galaxias las que se mueve. Muy probablemente el lector ya tenga en la mente la ley de Hubble Lemaître, y piense que podrían existir galaxias lo bastante lejanas que ya hayan alcanzado o superado a la velocidad de la luz, pero sabemos que nada que tenga masa se puede mover a esa velocidad, el truco está en que esas galaxias no vulneran la relatividad general, no se están moviendo, lo que crece aceleradamente es el espacio entre ellas, el espacio, como con el ejemplo del globo se está estirando, dando la impresión para cualquier observador de que las galaxias salen disparadas.
Analogía que muestra como las galaxias permanecen estáticas mientras el espacio entre ellas aumenta.
Hubble y Humason descubrieron que el universo se está expandiendo analizando el espectro de galaxias muy lejanas. El espectro es la descomposición de la luz en sus diferentes longitudes de onda. Los astrónomos estudian la luz que pasa por un espectrógrafo, este instrumento descompone la luz en sus diferentes frecuencias o “colores”.
Comparación de la luz analizada en un laboratorio, con la luz proveniente de una galaxia muy distante, una galaxia distante , una galaxia cercana y una estrella, nótese como la línea de puntos blanca se corre hacia la derecha.
Cuando ese espectro se corre hacia la derecha, hacia el color rojo esto está indicando que la galaxia se está alejando de nosotros. Es el mismo efecto que podemos observar en la vida cotidiana, pero con el sonido.
La galaxia de arriba se mueve hacia la Tierra las ondas de luz se comprimen y tienden hacia el color azul, la galaxia de la imagen inferior se aleja, su longitud de onda se estira y se corre hacia el rojo.
Cuando la sirena de una ambulancia se mueve en nuestra dirección, el sonido que escuchamos va volviéndose más agudo a medida que el vehículo se acerca (corrimiento al azul en el caso de la luz), en cambio cuando la ambulancia se aleja, el tono de la sirena se hace más grave (corrimiento al rojo para la luz). De esta forma podemos determinar si algo se aleja o se aproxima, este fenómeno recibe el nombre de Efecto Doppler.
La imagen representa el ejemplo del movimiento de una ambulancia y como varia el tono de la sirena según se aleje o se aproxime al observador.
Con la evidencia de que las galaxias se están alejando, los científicos no tardaron en pensar lo que ocurriría si se pudiera volver el tiempo atrás como se hace al retroceder una película, entonces sería como sacarle el aire lentamente al globo y todos los puntos volverían a juntarse. Si retrocediéramos el tiempo lo suficiente, todo estaría concentrado en un único punto de una densidad tremenda.
Esta es la base de lo que conocemos como Teoría del Big Bang.
En ciencias se llama teoría a un sistema de enunciados que se formulan para tratan de explicar la realidad o alguna parte de ella. Para corroborar estos enunciados se usa el llamado método científico. Mientras más corroboraciones independientes tengan estos enunciados, la teoría se fortalece, en cambio sí hay incoherencias con respecto a las observaciones o a los resultados de los experimentos, la teoría se abandona o se cambia. Debido a su carácter hipotético, una teoría científica no se puede verificar al cien por ciento.
Una teoría científica debe hacer una muy buena descripción del fenómeno que estudia y debe tener características predictivas, en contra posición a esto, “teoría” en lenguaje común no pasa de ser una suposición sin sustento.
La ciencia tiene una familia de teorías muy elaboradas sobre la dinámica y desarrollo del universo llamada Teoría del Big Bang. En cosmología actualmente el modelo más aceptado por la comunidad científica es el denominado Lambda-CDM o ΛCDM.
Esquema de la actual imagen que tiene la cosmología sobre la evolución del universo según los datos de la nave WMAP.
Contrariamente a lo que se piensa, el Big Bang no es un evento, no es una explosión. Hay que destacar también que esta familia de teorías no explica el origen del universo, ya que las ecuaciones que se usan para extrapolar el tiempo a los momentos iniciales fallan al no poder usar cantidades infinitas, como la densidad por ejemplo.
Por lo tanto es un error afirmar que el universo tuvo su inicio en el “Big Bang”, o decir que esa familia de teorías explica el origen del universo.
¿Por qué se usa entonces ese nombre para dicha teoría? El responsable fue el destacado físico británico Fred Hoyle, este científico defendía la hipótesis del Estado Estacionario del universo, para él, nuestro universo siempre había existido y no había cambios apreciables en su dinámica. En unas entrevistas radiales en la BBC de Londres, Hoyle intentó graficar con palabras la teoría contraria a la que él creía correcta y usó el término “Big Bang” (Gran Explosión) para referirse a ella. Se suele decir que uso el término en forma despectiva, pero eso sería faltar a la verdad.
Fred Hoyle acuño el nombre Big Bang para la teoría en la cual el universo se expande con el tiempo.
El nombre cayó muy bien, así que a la teoría contraria a la del Estado Estacionario se la nombró “Gran Explosión” a pesar de que no hubo una explosión y a pesar de que en dicha teoría no se describe o nombra ninguna explosión.
Así las cosas, el nombre de la teoría cosmológica más aceptada en la actualidad se presta fácilmente a malas interpretaciones, ya que en lenguaje común la palabra teoría la usamos como sustantivo de idea y “Big Bang” como explosión.
Muchas veces, cuando se habla de la teoría del Big Bang se suele asociar el origen de nuestro universo a una singularidad, entendiendo esta como un punto sin dimensiones, infinitamente denso.
Nuevamente, esta teoría no puede decir nada sobre el inicio, porque las herramientas matemáticas que se usan dejan de funcionar al retroceder el tiempo arbitrariamente hasta el tiempo cero. Una singularidad no es un lugar o un punto, se llama así a esa situación justamente porque es singular, las ecuaciones con las que contamos no la pueden describir, la singularidad no es un objeto.
Como toda teoría científica, la teoría del Big Bang fue evolucionando con el tiempo.
En 1.948 los cálculos de George Gamow y unos colegas mostraron que el universo primitivo debería ser muy caliente y que a medida que se expandía, esta temperatura debería descender.
El universo temprano, contenía solo plasma debido a su temperatura, la cual estaba en el rango de los millones de grados, esta sopa densa y caliente de partículas donde los fotones estaban acoplados a los electrones, hacía imposible que la luz pueda viajar por el joven universo.
Gamow calculó que más o menos cuando el universo alcanzó una edad de 380.000 años se había expandido los suficiente para poder enfriarse a una temperatura de unos miles de grados, lo que permitió a los electrones unirse a los núcleos atómicos, por lo tanto los fotones encontraron el camino libre y el universo se llenó de luz.
Los números de Gamow indicaban que esta primera luz tendría que poder detectarse aun en nuestros días y que debería estar alrededor de los tres grados Kelvin en el rango de las microondas.
Tres grados por encima del cero absoluto es algo extremadamente difícil de medir, pero en 1.965 unos científicos de los laboratorios Bell estaban probando una antena muy sensible y captaron una señal, un ruido muy molesto. Esta señal no variaba independientemente si la lectura se hacía en el día o en la noche, o durante cualquier estación del año. Apuntaban la antena en cualquier dirección y el sonido seguía ahí. Estos científicos hicieron de todo para deshacerse del ruido, pero fue imposible.
Arno Penzias y Robert Wilson frente a la antena con la cual captaron por primera vez el CMB
Finalmente al consultar con otros colegas, estos les dijeron que probablemente estaban captando esta primera luz cuya existencia era predicha por los cálculos de Gamow. Así fue como Arno Penzias y Robert Wilson, recibieron el premio Nobel de física, por descubrir sin querer la evidencia más fuerte a favor de la teoría del Big Bang. En la actualidad a ese sonido captado por la antena de Penzias y Wilson se le llama Fondo Cósmico de Microondas (CMB por sus siglas en Ingles) y no se conoce ningún fenómeno natural que lo pueda producir, exceptuando lo que la propia teoría del Big Bang predice.
Uno de los principios de la cosmología establece que nuestro universo es homogéneo e isotrópico (Principio Cosmológico), esto quiere decir que a gran escala, la masa y la radiación están distribuidas con la misma densidad promedio en todas partes (homogéneo) y en todas las direcciones (isotrópico). Dicho de otra formar, si observamos el universo desde distancias extremadamente lejanas cualquier parte de él sería indistinguible de cualquier otra.
Las observaciones también muestran que la forma geométrica del universo es plana, el universo es plano. Una forma de visualizar esto es proyectando líneas paralelas imaginarias, en un universo plano están líneas seguirán paralelas por siempre, mientras que un universo curvo las líneas volverían al punto del cual partieron porque el universo se curvaría sobre sí mismo, otra forma de ver la no planitud sería diciendo que el espacio no es euclídeo, en un espacio así las suma de los ángulos de un triángulo no sería igual a 180 grados.
Hasta la actualidad se han enviado al espacio tres sondas para estudiar en detalle el CMB, estas misiones fueron COBE, WMAP y Plank. Todas cartografiaron la totalidad de la bóveda celeste y encontraron que hay pequeñas fluctuaciones de temperatura de aproximadamente un parte en 100.000, hay que recordar que la temperatura del CMB en la actualidad está por debajo de los tres grados Kelvin (-270,43 grados centígrados). Así que la detección de tales fluctuaciones es todo un
logro científico.
Imagen de la diferencia de temperatura en el CMB medidas por las distintas misiones, Plank es la más sensible y de mejor resolución.
Complejos estudios realizados sobre el Fondo Cósmico de Microondas nos dicen que el universo efectivamente es plano y que cumple con el Principio Cosmológico, estos estudios también muestran que la edad del universo es de unos 13.820 millones de años, que está constituido por 68,3% de Energía Oscura, 26,8% de Materia Oscura y 4,9 % de Materia Bariónica. Un poco más adelante hablaremos de dicha composición.
Composición del universo según los estudios realizados por las mediciones de la nave Plank.
Inicialmente la Teoría del Big Bang no podía explicar por qué el universo es igual en todas partes y por qué tiene una geometría plana. Este problema fue resuelto en la década de los 80 por el estadounidense Alan Guth y por el soviético Andrei Linde, ambos propusieron la hipótesis de la
Inflación.
Inflación se inicia cuando el universo era extremadamente joven, cuando su edad estaba en el orden de las millonésimas de segundo. La teoría dice que un campo escalar llamado Inflatón (el campo escalar más famoso es el Campo de Higgs) hizo que este diminuto universo se expanda exponencialmente a una tremenda velocidad.
.
El esquema muestra el radio del universo en comparación con el tiempo, la franja azul nos indica lo poco que duro Inflación y lo mucho que se incremento el radio del universo en ese lapso.
Inflación duró una cantidad de tiempo ridículamente pequeña, una que nuestro cerebro no puede graficar (pero que la teoría fija con exactitud), entonces el Inflatón decayó, toda su energía se transformó en calor y en las partículas elementales que darían origen posteriormente a todo lo que conocemos.
Inflación también eliminó cualquier tipo de curvatura que haya tenido el universo primordial e hizo que el universo adquiera su característica de homogéneo e isotrópico. Por lo general, otra manera de llamar al problema de la homogeneidad del universo es “Problema de Horizonte”.
Si el lector quiere profundizar sobre dicha definición al final encontrara unos vínculos que aclararan el tema.
Llegados a este punto, podemos decir que actualmente cuando los cosmólogos hablan de Big Bang se refieren al punto en el cual finaliza Inflación. Desde este punto en adelante la física que conocemos puede describir con toda claridad la evolución de nuestro universo. Tenga en cuenta el lector que Inflación termina cuando la edad del universo seguía estando en el orden de las millonésimas de segundo.
Desde el punto de vista del tamaño, estamos hablando de pasar de algo 100 trillones de veces más pequeño que un átomo al del diámetro de una polota. El universo creció en un factor de 10 a la 26. Para quienes gustan de los números eso equivale a la diferencia que hay entre un nanómetro y 10,6 años luz.
Al finalizar Inflación (que duro millonésimas de segundo), el universo continúo con su aumento de tamaño y con la disminución de la temperatura y la densidad. Pasados unos 380.000 años la temperatura rondaba los 3000 Kelvin, lo que permitió que los fotones se desacoplaran de los electrones, pudiendo por fin la luz vagar por todo el universo. Esta primera luz es lo que recibe el nombre de CMB y es lo más lejano en el tiempo que podemos ver con nuestros instrumentos.
En el Big Bang el universo no era completamente homogéneo, había pequeñas fluctuaciones de densidad, estas diferencias son las que se pueden notar en el CMB y son como las semillas que con el tiempo dieron lugar a las grandes estructuras cosmológicas, como galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos.
Algunas ecuaciones de los modelos de Inflación predicen también que el Inflatón dejó como grumos, que podrían dar lugar con el tiempo a otros universos, multiversos ajenos y desconectados del nuestro, pero esto más que nada es especulación, no hay una sola evidencia de que hayan multiversos pululando quien sabe dónde.
El universo fue evolucionando, aún no había estrellas y por eso a esa época se la suele llamar “Edad Osura” (la iglesia no tuvo nada que ver con esto), la composición del universo entonces era de prácticamente un 25% de Helio y un 75% Hidrogeno con ligeras trazas de otros elementos ligeros.
Muestra la idea general de la Teoría del Big Bang, no tenemos datos del inicio, hay una inflación constante que luego se ve acelerada, la figura humana marca el tiempo actual.
Aproximadamente unos 200 millones de años después del Big Bang, las nubes formadas por estos gases colapsaron por efecto de la gravedad y se formaron las estrellas, con ello finalizó la Edad Oscura.
El tiempo sigue corriendo, el universo sigue expandiéndose, las estrellas se forman y mueren llenando el espacio con los elementos que componen la tabla periódica, este es el gran trabajo de las estrellas, producir en sus núcleos los elementos de los cuales están formadas todas las cosas que conocemos.
Pasados unos 13.800 millones de años, el universo tiene un diámetro de alrededor de 90.000 millones de años luz y su temperatura no está lejos del cero absoluto. En un punto dentro de esta inmensidad, los elementos químicos formados por las estrella, se combinan de manera azarosa y siguen un proceso llamado evolución darwiniana, este proceso da origen en el planeta Tierra a seres capaces de interpretar la historia del universo que los contiene.
Actualmente la cosmología ha llegado a la conclusión (de acuerdo a la evidencia disponible) de que toda la materia que conocemos solo representa un 4.9 % del universo. Un 26,8 le corresponde a la Materia Oscura, un tipo de materia que sigue siendo indetectable por nuestros instrumentos y que solo interactúa con la gravedad.
La primera evidencia sobre esta exótica clase de materia nos viene del estudio de los movimientos propios de las galaxias (no los de recesión) y de la velocidad de rotación de las estrellas en los brazos extremos de las galaxias, estos movimientos no son coherentes con la cantidad de materia que se ve o se puede medir, existe por lo tanto algún tipo de materia que está produciendo el movimiento peculiar en las galaxias y en las estrellas, a ese algo se lo denomina Materia Oscura.
La Energía Oscura es el tercer componente, le corresponde un 68.3 %. Los cosmólogos le atribuyen la causa de la expansión acelerada del universo, no se conoce su origen y junto con la Materia Oscura representa un enorme desafío para la física.
Habíamos dicho que la teoría cosmológica más aceptada por la comunidad científica es la Teoría del Big Bang Lambda-CDM o ΛCDM, Lambda hace referencia a la expansión acelerada, la responsable de que el volumen del universo aumente (la constante cosmológica de Einstein). CMD son las siglas en Ingles de Materia Oscura Fría, ya sabemos lo que es la DM y se la llama fría por que la teoría dice que este tipo de materia no se mueve a velocidades relativistas.
Continuando con nuestro viaje cosmológico, el universo seguirá expandiéndose sin nada que aparentemente lo detenga, finalmente esta expansión hará que todo se enfrié, llegará la muerte térmica y muy probablemente este será el fin del cosmos que conocemos.
El esquema muestra las posibles formas de evolución del universo, en la inferior la inflación es detenida por la gravedad y el universo colapsa sobre si mismo, en la del medio la inflación se mantiene constante y en la superior la Energía Oscura acelera la inflación cada vez más, provocando finalmente la muerte térmica del cosmos.
La cosmología aun no puede responder con propiedad como exactamente se inició nuestro universo, pero nos permite hacer una descripción detallada de lo que pasó desde la millonésima de la millonésima de la millonésima de segundo de su existencia, sin dudas un enorme logro de nuestra especie.
Con el desarrollo de la tecnología y una teoría de la gravedad cuántica, tal vez en un corto tiempo podamos ver que hay antes del Big Bang y le corresponda a los sapiens responder a la pregunta más importante de todas, ¿cuál es el origen todo?
Fin del paseo.
Material de Referencia:
Sobre los conceptos del Big Bang:
https://www.youtube.com/watch?v=In85bmP5rk0
https://www.youtube.com/watch?v=wBylI9P4fS8
https://www.youtube.com/watch?v=FhxDuH9rmaM
Sobre el CMD:
https://cienciasdelsur.com/2018/09/10/entendiendo-ciencia-fondo-cosmico/
Sobre los Objetos Oscuros:
https://cienciasdelsur.com/2018/06/09/el-lado-oscuro-del-universo/
Lectura recomendada:
Steven Weinberg “Los tres primeros minutos del universo”
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