Ideas vigentes en la Cosmología contemporánea

Un artículo de Stephen Battersby para NewScientist, en el que el autor presenta las últimas ideas en la disciplina.

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 la década de 1920 cuando Edwin Hubble demostró que las "nebulosas espirales" 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 están corridas al rojo: su espectro de luz se mueve hacia longitudes de onda más largas y más rojas. Esto puede explicarse como un efecto Doppler si las galaxias se alejaran de nosotros. Las galaxias más tenues y más distantes tienen un corrimiento al rojo más pronunciado, y eso implica que se alejan más rápido, en una relación establecida por la constante de Hubble.

El descubrimiento de que el universo en su conjunto se expande lleva a la teoría del Big Bang. Dicha teoría sostiene que si ahora todo se está separando, es de suponer que alguna vez estuvo mucho más unido, en un estado denso y caliente. Una idea rival, la teoría del universo estacionario, sostiene que constantemente se crea materia nueva para tapar los huecos generados por la expansión. Sin embargo, el Big Bang obtuvo un amplio triunfo en 1965 cuando Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación del fondo cósmico de microondas. Es el remanente de la radiación de calor emitida por la materia caliente en la etapa inicial del universo, 380 mil años después del primer instante del Big Bang.

La curva del espacio-tiempo

Un modelo del crecimiento del universo lo proporciona la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, que describe cómo la materia y la energía curvan el espacio-tiempo. Sentimos esa curvatura como la fuerza de gravedad. Si aceptamos el principio cosmológico —el universo es uniforme en las grandes escalas—, la relatividad general presenta ecuaciones bastante simples, denominadas modelos de Friedmann, para describir cómo se curva y se expande el espacio.

La forma del universo podría ser, según estos modelos, como la superficie de una esfera o curvada como la superficie de una silla de montar. Pero las observaciones sugieren que en realidad está entre ambas superficies, casi exactamente plano. La teoría de la inflación explica esa propiedad diciendo que durante la primera fracción de segundo de existencia el espacio se expandió a una velocidad terrorífica con lo que aplanó cualquier curvatura que hubiere. Luego el universo observable de hoy creció a partir de un punto microscópico de la bola de fuego originaria. Esta hipótesis también explicaría el problema del horizonte: el porqué un lado del universo tiene casi la misma densidad y temperatura que el otro.

Sin embargo el universo no es totalmente plano y en 1990 el satélite COBE detectó ondas en el fondo cósmico de microondas, la firma de las fluctuaciones de densidad originarias. Estas leves ondas en el universo primigenio pudieron haberse generado a partir de fluctuaciones cuánticas aleatorias en el campo de energía que impulsó la inflación. También defectos topológicos en el espacio podrían haber causado las fluctuaciones, pero esta propuesta no se ajusta bien al modelo.

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

Materia oscura

Sin embargo, la materia visible no proporciona en las simulaciones la suficiente gravedad para crear la estructura que observamos: necesita la ayuda de alguna forma de materia oscura (ver el 7mo. apartado). Otra prueba de la materia oscura la proporcionan las galaxias que giran demasiado rápido para mantenerse unidas sin un pegamento extra gravitatorio.

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

Por el contario, la materia oscura tiene que ser algo exótico, una materia probablemente generada en los primeros momentos calientes del Big Bang: quizá partículas como los WIMP —partículas masivas con interacción débil— o axones más livianos o, también, aunque es menos probable, agujeros negros primigenios. Una alternativa para la materia oscura es la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND, por MOdified Newtonian Dynamics), una teoría en la cual la gravedad es relativamente fuerte a gran escala.

Energía oscura

Otro misterio oscuro apareció en los '90, cuando los astrónomos descubrieron que las supernovas lejanas son sorprendentemente débiles, lo que indica que la expansión del universo no está perdiendo velocidad como todos esperaban, sino que se acelera. El universo parece estar dominado por alguna fuerza repulsiva, o anti-gravedad, a la que se ha llamado energía oscura. Quizá sea una constante cosmológica —o energía del vacío— o un campo de energía cambiante como la quintaesencia. Podría derivarse de las extrañas propiedades de los neutrinos o podría ser otra modificación de la gravedad.

La nave espacial WMAP suministró la imagen estándar de la cosmología al medir con precisión el espectro de las fluctuaciones en el fondo de microondas, el cual se ajusta a un universo de 13700 millones de años de antigüedad, compuesto por un 4 % de materia común, un 22 % de materia oscura y un 74 % de energía oscura. La imagen de la WMAP también concuerda con la teoría inflacionaria. Sin embargo, una prueba más severa de la inflación espera por la detección de ondas gravitatorias cósmicas que los movimientos rápidos de la inflación deben crear y que dejarían marcas casi imperceptibles en el fondo de microondas.

La densidad de la energía oscura es mucho menor que la energía del vacío prevista por la teoría cuántica, lo que es visto como un ejemplo extremo del estrecho ajuste cosmológico, por cuanto un valor mucho más grande habría desgarrado las nubes de gas e impedido la formación de las estrellas. En respuesta a esta situación, algunos cosmólogos aceptaron el principio antrópico, una teoría que sostiene que las características de nuestro universo tienen que ser las adecuadas para la vida, de otro modo no estaríamos aquí para observarlo.

Preguntas sin respuesta

Aún no tenemos respuestas para las preguntas más importantes. Desconocemos el verdadero tamaño del universo, ni siquiera sabemos si es infinito o no. Tampoco conocemos su topología, o sea, si el espacio se cierra sobre sí mismo. Desconocemos la causa de la inflación o si ésta ha creado una pluralidad de universos paralelos alejados del nuestro, tantos como implican las teorías inflacionarias.

Y no está claro porqué el universo prefiere la materia a la antimateria. A comienzos del Big Bang, cuando las partículas se crearon, debió haber habido un fuerte desvío hacia la materia, algo inexplicable a la luz del modelo estándar de la física de partículas. De no haber sido así, la materia y la antimateria se habrían aniquilado mutuamente y, además de la radiación, no quedaría casi nada.

El destino del universo depende de la ignota naturaleza de la energía oscura y de su comportamiento futuro, ya que la aceleración podrían aislar a las galaxias o una gran explosión podría destruir toda la materia. Otra posibilidad es que el universo colapse con un gran crujido o big crunch, quizás para re-expandirse a la manera de un universo cíclico. Incluso un gigantesco agujero de gusano podría devorar al universo.

Y el verdadero comienzo, si es que lo hubo, todavía nos es desconocido, porque todas las teorías físicas conocidas se detienen ante la singularidad inicial. Es probable que una teoría cuántica de la gravedad sea necesaria para que podamos comprender el origen del universo.

Fuente: Stephen Battersby para NewScientist (en inglés). Para quienes deseen mayor información, el artículo original contiene numerosos enlaces a otros artículos de la misma página web y en inglés.

Nota: Otro punto de interés en la cosmología actual —y no tratado en el artículo— se manifiesta cuando con cierta perspectiva histórica se la compara con la visión presentada en La revolución copernicana, un libro de Thomas S. Kuhn editado en 1957, en el que se define a la cosmología como el estudio de la estructura del universo, esto es, una visión sincrónica de la naturaleza en su conjunto. En los '80 Carl Sagan señalaba la ruptura con esa concepción de la cosmología cuando en su conocido Cosmos definía el concepto como "El Cosmos es todo lo que es o lo que fue o lo que será alguna vez". En este sentido, la cosmología actual es marcadamente diacrónica, ya que la descripción del estado actual del universo es el punto de partida para inferir el origen y la evolución del universo. Llama la atención que, luego de un largo rodeo histórico, la cosmología se convierta nuevamente en una cosmogonía.

De todas maneras, no es un movimiento circular, a la manera de las viejas revoluciones de los astros, como si fuera un simple regreso al punto de partida. Más bien, lo entiendo como un movimiento helicoidal, ya que el aspecto cosmogónico está subordinado a la tarea permanente de la astronomía: Salvar los fenómenos.

El final de la cosmología es una entrada que desarrolla con mayor amplitud la hipótesis de la energía oscura.

Vía: El Sofista