Desde hace un tiempo en Celtiberia.net abunda las preguntas y artículos sobre temas cosmológicos, yo le pedí a un amigo que me ayudara a dar respuestas apropiadas y así también el podía conocer este sitio. Al final me envió este artículo que yo cuelgo y pongo a la consideración de usted.

Arquímedes Ruiz

En los comienzos una fuerte explosión lo sacudió todo. El Universo comenzó entonces una expansión que dura hasta nuestros días y en la cual los objetos más distantes se alejan a velocidades mayores. Gracias a la expansión, la densidad de la materia y su temperatura fueron decreciendo paulatinamente, y cuando el Universo tenía sólo 300 000 años de edad la luz fue capaz de abrirse paso y se disiparon las tinieblas. Hoy la edad del Universo se estima en unos 15 mil millones de años, las galaxias se alejan unas de las otras y, al menos en nuestro planeta, existen seres pensantes que tratan de entender los detalles de tan magna evolución.


A grandes rasgos el párrafo anterior presenta la explicación más aceptada en el mundo científico actual sobre el origen del Universo. Conocida en inglés como “The Big Bang Theory” (una sonora expresión gracias a lo onomatopéyico que es dicha lengua), esta teoría apareció como resultado de la aplicación consecuente de la Teoría General de la Relatividad de Alberto Einstein (1879-1955). Quizás sea oportuno decir que lo que hoy llamamos Cosmología devino parte de las ciencias físicas en un tiempo relativamente reciente, y que los problemas sobre la formación y desarrollo del Universo como un todo eran considerados hasta hace poco un tema religioso. Una breve reseña histórica ilustrará lo antes dicho.


Georges LeMaître (1894-1966) fue un cura católico belga que devino cosmólogo después de estudiar Astrofísica en el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y terminar su PhD en Cambrigde, Inglaterra, en 1927. Ese año LeMaître adelantó la hipótesis de que un Huevo Cósmico había explotado en el preciso momento de la creación. Sus críticos, siempre los hay, denominaron la hipótesis como Big Bang y así la conocemos hoy. Este cura y cosmólogo era realmente el puente necesario para convertir un tema claramente religioso en aquel tiempo en un tema científico, un rol que la Iglesia de Roma ha jugado frecuentemente en la historia y que merece una mejor evaluación de parte de los historiadores de la Ciencia. Lo asombroso de la historia es que unos pocos años antes, en 1922, un físico soviético llamado Alexander Friedmann (1888-1925) había publicado en Alemania una hipótesis similar a partir de la Teoría Einsteniana, algo que el propio Einstein al principio desestimó como especulación matemática. Lo que Einstein no sabía entonces era que Friedmann le había superado en la aplicación de su propia teoría a los problemas cosmológicos, y que se había adelantado no sólo a LeMaître sino también a Edwin Hubble con la idea de un universo en expansión.


Edwin P. Hubble (1889-1953) es considerado por muchos el más importante astrónomo del siglo XX. En 1910 Hubble obtuvo un Bachillerato en Astronomía en la Universidad de Chicago, pero luego se dedicó por tres años a estudiar leyes y obtuvo una maestría en esa disciplina en 1913. Sin embargo, su vocación original era muy fuerte y retornó a la Astronomía donde obtuvo su PhD en 1917. De 1919 hasta su muerte trabajó en Monte Wilson, Pasadena, donde hizo sus grandes descubrimientos. Hubble descubrió en 1929 que muchas de las nebulosas conocidas por los astrónomos se encontraban realmente fuera de la Vía Láctea (nuestra galaxia) y eran en realidad otras galaxias, pero además se percató que estas galaxias se alejaban unas de las otras a velocidades proporcionales a sus distancias respectivas al observador. Hubble atribuyó el valor de 500 kilómetros por segundo y por megaparsec a la constante de proporcionalidad, pero hoy sabemos que sobreestimó su valor el cual es estimado según las más recientes observaciones en 73.29 kilómetros por segundo y por megaparsec. Un megaparsec es una unidad astronómica enorme de distancia, equivalente a unos 30 860 000 000 000 000 000 kilómetros (¡30 860 mil billones de kilómetros!). Una mente versada en cálculos con unidades se percatará que como en la expresión de la constante 73.29 kilómetros son divididos por segundo pero también por otra unidad de distancia, el megaparsec, esta constante tiene finalmente unidad de inverso de segundo. El valor inverso de esta constante resulta entonces en unos 13.4 mil millones de años, una estimación actualmente aceptada de la edad del Universo. Cálculos similares con el valor inicial de Hubble resultan en un universo más joven con una edad aproximada de 2 mil millones de años.


En 1929 Hubble no sabía nada de las especulaciones de Friedmann y LeMaître, pero este último inmediatamente percibió como los nuevos descubrimientos apoyaban su hipótesis (Friedmann había ya muerto de fiebre tifoidea después de romper un record de ascenso en globo aerostático para hacer mediciones meteorológicas y médicas). LeMaître había predicho además que era posible la existencia en el espacio de los ecos de la Gran Explosión, y cuando en 1964 Arno Penzias y Robert Wilson, dos radioastrónomos de los laboratorios Bell en New Jersey, anunciaron el descubrimiento de la “radiación relicta” la Teoría de la Gran Explosión recibió la bendición final. Esta radiación es omnidireccional lo cual significa que no existe ninguna dirección privilegiada para detectarla, señala la imposibilidad de encontrar un punto particular del espacio como centro de la explosión primigenia y apoya el llamado principio cosmológico:

El Universo a gran escala parece el mismo en todas direcciones y desde cada punto del espacio.

Después de presentar este breve sumario histórico quisiera adentrarme en las sutilidades de la Gran Explosión. Friedmann fue el primero en destacar que la expansión obtenida de las ecuaciones de Einstein era una expansión de espacio donde las partículas de materia estaban como incrustadas, y eso hace de la Gran Explosión una explosión muy sui géneris. En una explosión normal, de una granada por ejemplo, las partículas de materia son expulsadas desde un centro de masas con un movimiento detectable por cualquier observador en reposo con respecto al mencionado centro. En la Gran Explosión es el espacio mismo quien se expande, incrementando las distancias entre galaxias y ofreciendo la ilusión de un movimiento cinemático tradicional, cuando lo que esta pasando es que se crea más espacio entre las galaxias debido a la expansión. Comprender esto es esencial porque si se concibe a la expansión como un movimiento puramente cinemático de las galaxias entonces puede ser que encontremos galaxias moviéndose a velocidades mayores que la de la luz, algo en franca contradicción con la teoría que originó estas consideraciones. En realidad el movimiento cinemático de las galaxias es casi despreciable. Esta interpretación de la expansión como un factor de escala indica el carácter geométrico de los resultados de la Teoría de la Relatividad y muestra además que el Universo realmente no tiene un centro. Cualquier observador tendrá la ilusión de ser el centro de la expansión (algo muy edificante para la autoestima).

Algunas preguntas aparecen ahora como muy naturales. La primera de ellas: ¿tiene el Universo límites? Para contestar a esa pregunta refrescaré el concepto de velocidad de escape. Una nave espacial para iniciar su vuelo desde la Tierra necesita romper la barrera gravitacional que la lía al planeta. Eso significa que debe tener suficiente energía cinética, o sea de movimiento, para contrarrestar la gravedad terrestre. Para quienes conocen las expresiones matemáticas es fácil resolver el problema pues la expresión es muy sencilla:


mv²/2≥GMm/r


En esta expresión M es la masa del planeta, m la masa de la nave espacial, v es su velocidad, r es la distancia de la nave al centro del planeta, y G es la constante de gravitación (= 6.67 x 10^-11N m²kg^-2). Los cálculos indican que para obtener una órbita circular una nave necesita en nuestro planeta una velocidad inicial de 7.9 kilómetros por segundo, mientras que para escapar necesita 11.2 kilómetros por segundo. Estas son velocidades enormes si se comparan con las que se usan al manejar un automóvil. La idea anterior puede ser aplicada al caso de una galaxia tratando de escapar de todas las otras que conforman el Universo. La ecuación sería la misma pero ahora m sería la masa de la galaxia que trata de escapar y M la masa del Universo (en rigor la masa del Universo menos la de la galaxia fugitiva, pero podemos aceptar la aproximación). Si recordamos además la ley de proporcionalidad entre la velocidad de una galaxia y su distancia al observador (ley de Hubble), y que debemos trabajar con densidades pues realmente eso es lo observable y no la masa total del Universo, se obtiene entonces una expresión muy elegante para la densidad de materia que permitiría el escape de la galaxia:


Densidad de materia ≤ 3 (constante de Hubble)²/ (8πG)


El término de la derecha es llamado densidad crítica. Esta última expresión muestra que el valor de la densidad crítica de materia depende sólo de valores constantes y es otra constante más de valor 10^-26 kg/m³= 0.00000000000000000000000001 kg/m³.

Los valores de densidad para la materia visible en el Universo son aproximadamente una décima de ese valor. Si la única materia en el Universo fuera la visible entonces las galaxias podrían escapar para siempre, y el Universo estaría en eterna expansión. Sin embargo hay evidencias que indican que existe materia obscura que sólo es detectada indirectamente, por sus efectos gravitatorios. Algunos estiman que esta materia obscura es nueve o diez veces la masa correspondiente a la materia visible, y con esa consideración la densidad del Universo se vuelve muy cercana a la densidad crítica, implicando que quizás la expansión pueda ser frenada o al menos desacelerada. No obstante, datos recientes del telescopio en órbita Hubble indican que este factor podría ser sólo 5, lo cual daría un universo en acelerada expansión. Detalles sobre la materia obscura los ofreceré en el próximo ensayo (1).

Lo interesante es que si consideramos la materia obscura podríamos estar en presencia de un Universo que es llamado Euclidiano, lo que significa que la distancia entre dos puntos se determina con el famoso Teorema de Pitágoras, la curvatura promedio del espacio es nula y su expansión es eterna pero lo más lenta posible. Un universo con densidad actual mucho menor que la crítica sufriría una expansión violenta, mientras que uno con densidad actual mucho mayor que la crítica frenaría su expansión, la invertiría, y terminaría en una contracción mortal (Big Crunch en inglés). Al primero de estos dos monstruos se le llama Universo abierto, mientras que al segundo se le denomina Universo cerrado. La pregunta es ahora, ¿cómo el Universo fue capaz de sintonizar un valor no monstruoso?


Alan Guth, un físico graduado en MIT ofreció en 1980 la explicación más aceptada actualmente a la cual llamó Modelo Inflacionario. De acuerdo con este modelo, cuando el Universo era un bebé sufrió una aceleración en su expansión (una inflación) que le hizo incrementar enormemente en tamaño (un factor 10⁵⁰) en un tiempo muy pequeño. Esta tremenda expansión parece haber sintonizado el valor de la densidad a su valor crítico debido a que la curvatura del espacio se acercó al valor nulo, lo cual significa que el Universo devino casi-euclidiano. Además, como el factor de escala fue tan enorme, la expansión fue más rápida que la interacción, y por eso los espacios que la luz conquista continuamente son similares a los ya conocidos ya que la nueva materia detectada estuvo en interacción con todo el Universo antes de la inflación. Eso explica porque las galaxias que están en direcciones opuestas con relación a nosotros y que aún no pueden observarse unas a las otras porque la luz de unas no ha tenido tiempo de llegar a las otras (nosotros estamos a medio camino) son muy similares y parecen cumplir las mismas leyes. Este es el llamado Problema de Horizonte, resuelto muy bien con el Modelo Inflacionario (2).


¿Qué produjo la Inflación? Nadie a ciencia cierta lo sabe. Sin embargo, una explicación plausible puede encontrarse si consideramos que la materia es capaz de ofrecer sorpresas cuando sufre enfriamientos repentinos. Un vaso con agua destilada en un congelador puede llegar a temperaturas cercanas a – 40 º C sin que el agua se congele, y entonces una pequeña vibración, o una partícula extraña, puede producir la congelación. El agua líquida a temperaturas menores que su punto de congelación es denominada agua sobre-enfriada y cuando se congela libera calor latente, i.e energía. La materia en el Universo recién nacido puede haberse logrado un estado de sobre-enfriamiento, y perturbaciones locales del campo gravitatorio pueden haber destruido ese estado, liberando el calor latente que entonces puede haber producido la inflación de marras. De ser así, un fenómeno muy común en las nubes de tormenta podría ser también la causa del Universo como lo vemos hoy. La Naturaleza parece seguir patrones similares en muy diferentes escalas espacio-temporales.

Referencias (lecturas adicionales)

(1) Ned Wright's Cosmology Tutorial Online: http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm


(2) João Magueijo: Faster than the speed of light, Perseus Publishing, 2003