Cosmología

Los cosmólogos estudian el universo como un todo: su nacimiento, crecimiento, forma, tamaño y destino final.

La vasta escala del universo se hizo patente en los '20 cuando Edwin Hubble probó que las "nebulosas de espiral" eran en realidad otras galaxias como la nuestra, a millones o miles de millones de años-luz de distancia.

Hubble descubrió que la mayoría de las galaxias se mueven al rojo: su espectro de luz se mueve hacia longitudes de onda más largas y más rojas. Puede ser explicado como un movimiento oscilante si las galaxias se alejan de nosotros. Las galaxias más pálidas y lejanas tienen un cambio al rojo más alto, y eso implica que retroceden más rápido, en una relación establecida por la constante de Hubble.

El descubrimiento de que todo el universo se está expandiendo conduce a la teoría del Big Bang. Ésta establece que si todo se está separando ahora, una vez estuvo presumiblemente mucho más compacto, en un estado denso y caliente.

Una idea rival, la teoría del estado constante, sostiene que constantemente se crea nuevo material para llenar las brechas generadas por la expansión. Pero el Big Bang triunfó en gran parte en 1965 cuando Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación de microondas del fondo cósmico. Es el remanente de la radiación de calor emitida por materia caliente en el universo muy temprano, 380.000 años después del primer instante del Big Bang.

Curva de espacio-tiempo

El crecimiento del universo puede ser modelado con la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que desribe cómo la materia y la energía curvan el espacio-tiempo. Sentimos esa curvatura como la fuerza de gravedad. Asumiendo el principio cosmológico (que a grandes escalas el universo es uniforme), la relatividad general produce ecuaciones bastante simples denominadas modelos de Friedmann, para describir cómo se curva y se dilata el espacio.

De acuerdo con estos modelos, la forma del universo podría ser como la superficie de una esfera, o curva como la superficie de una silla de montar. Pero de hecho, las observaciones sugieren que está entre las dos, casi exactamente plano. Una explicación es la teoría de la inflación. Ésta establece que durante la primera fracción de segundo de existencia, el espacio se dilató a una velocidad terrorífica, aplanando cualquier curvatura original. Entonces, el universo que hoy observamos, creció de un microscópico punto de la bola de fuego original. También explicaría el problema del horizonte: por qué un costado del universo tiene casi la misma densidad y temperatura que el otro.

El universo no es totalmente liso, de todos modos, y en 1990 el satélite COBE detectó las ondas en el fondo cósmico de microondas, la firma de las fluctuaciones de densidad primigenias. Estas leves ondas en el universo temprano podrían haber sido generadas por fluctuaciones cuánticas aleatorias en el campo de energía que provocó la inflación. Los defectos topológicos en el espacio también podrían haber causado las fluctuaciones, pero no se ajustan bien al patrón.

Esas fluctuaciones de densidad forman las semillas de galaxias y cúmulos de galaxias, que están esparcidos en todo el universo con una estructura espumosa a gran escala, escalas de hasta mil millones de años-luz. Todas estas estructuras se forman porque la gravedad amplifica las fluctuaciones originales, haciendo que los trozos más densos de materia se junten.

Materia oscura

En las simulaciones, de todos modos, la materia visible no proporciona la suficiente gravedad para crear la estructura que vemos: tiene que ser ayudada por alguna forma de materia oscura. Más pruebas de la cosa oscura vienen desde las galaxias que están girando demasiado rápido para mantenerse unidas sin un pegamento gravitatorio adicional.

La materia oscura no puede ser como la materia corriente, porque habría hecho demasiado deuterio en la núcleo-síntesis del Big Bang. Cuando el universo tenía menos de 3 minutos de edad, algunos protones y neutrones se fusionaron para hacer elementos ligeros, y los cosmólogos calculan que si hubiera habido mucha más materia corriente que la que vemos, entonces el denso caldero habría cocinado mucho más deuterio que el que se observa.

En cambio, la materia oscura debe ser algo exótico, probablemente generada en los primeros momentos calientes del Big Bang, tal vez partículas como los WIMP (partículas grandes con débil interacción) o axones más livianos, o primigenios agujeros negros, menos probables. Una alternativa para la materia oscura es la dinámica de Newton modificada, o MOND, una teoría en la que la gravedad es relativamente poderosa a largo plazo.

Energía oscura

Otro misterio oscuro apareció en los '90 cuando los astrónomos descubrieron que las distantes supernovas son asombrosamente débiles, y sugirieron que la expansión del universo no está perdiendo velocidad como todos esperaban, sino acelerando. El universo parece estar dominado por alguna fuerza repulsiva, o anti-gravedad, que ha sido apodada como energía oscura. Podría ser una constante cosmológica (o energía del vacío) o un campo de energía cambiante como la quintaesencia. Podía provenir de las extrañas propiedades de los neutrinos, o podría ser otra modificación de la gravedad.

La nave espacial WMAP puso la imagen estándar de la cosmología en una situación estable al medir con precisión el espectro de las fluctuaciones en el fondo de microondas, que se ajusta a un universo de 13.700 millones de años de edad, que contiene un 4% de materia corriente, un 22% de materia oscura, un 74% de energía oscura. La imagen de WMAP también se ajusta a la teoría inflacionaria. Sin embargo, una prueba más precisa de la inflación aguarda la detección de ondas gravitatorias cósmicas que deberían crear los rápidos movimientos de la inflación, y que dejarían marcas sutiles en el fondo de microondas.

La densidad de la energía oscura es mucho menor que la energía de vacío predicha por la teoría cuántica. Se ve como un ejemplo extremo del afinado cosmológico, en el que un valor mucho mayor habría destrozado las nubes de gas e impedido la formación de cualquier estrella. Esto ha llevado que a algunos cosmólogos adopten el principio antrópico, que las propiedades de nuestro universo tienen que ser las adecuadas para la vida, de otro modo no estaríamos aquí para observarlo.

Preguntas sin respuesta

Las mayores preguntas todavía están sin respuesta. No conocemos el verdadero tamaño del universo, ni siquiera si es infinito o no. Tampoco conocemos su topología, si el espacio se cierra sobre sí mismo. No sabemos qué causó la inflación, o si ha creado una plétora de universos paralelos lejos del nuestro, tantos como implican las teorías inflacionarias.

Y no está claro por qué el universo favorece a la materia sobre la antimateria. A comienzos del Big Bang, cuando las partículas eran creadas, debe haber habido un fuerte prejuicio a favor de la materia, que el modelo estándar de la física de partículas no puede explicar. De otra manera, la materia y la antimateria se habrían aniquilado mutuamente, y no quedaría casi nada excepto la radiación.

El destino del universo depende de la naturaleza desconocida de la energía oscura y cómo funciona en el futuro: galaxias podrían quedar aisladas por la aceleración, o toda la materia ser destruida en una gran explosión, o el universo podría colapsar con un gran crujido, quizás para re-dilatarse como un universo cíclico. El universo incluso podría ser tragado un gigantesco agujero de gusano.

Y el verdadero comienzo, si hubo alguno, todavía es desconocido, porque en la singularidad inicial todas las teorías físicas conocidas se vienen abajo. Para comprender el origen del universo probablemente necesitaremos una teoría cuántica de la gravedad.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard

Vía: Axxón