El universo en expansión (y II)

Terminamos hoy el artículo sobre el big bang, recordando que la semana pasada veíamos como desde los tiempos de Einstein y Lamaitre se había llegado a la concepción del inicio del universo, ya verificada por el gran maestro Hubble, que hoy mantiene su nombre en el espacio merced al más extraordinario de los telescopios. 

Posteriormente a Lemaître y Hubble, ya en la década de 1940, George Gamow (1904-68) -científico ruso nacido en Ucrania y nacionalizado estadounidense (originalmente Georgy Anthonovich Gamow)-, aplicó sus conocimientos de física nuclear a la astrofísica y la cosmología; para reconfirmar la idea del big bang a finales de la década de 1940. Junto a los físicos norteamericanos Ralph Asher Alpher (1921-2007) y Robert Herman (1914-1997), lo que propusieron fue, fundamentalmente, que el cosmos experimentaba una rápida expansión, a partir de un universo inicial que en tres cuartas partes era hidrógeno y en un cuarto helio[1].

Gamow se refirió a «los días de la creación» que siguieron el nacimiento de los sistemas estelares y sus planetas.  Entre ellos el nuestro, el Solar, con la Tierra, enunciándose entonces, definitivamente, la teoría de que todo venía de una gran explosión[2]. Algo que fue criticado por el astrónomo inglés Fred Hoyle[3]; quien precisamente, al burlarse de esa idea, le dio su nombre actual: despectivamente, no podía creerse que todo hubiera surgido “de un gran estallido” (onomatopéyicamente, en inglés, big bang).

Gamow defendió esa teoría, como origen de un universo que sigue en expansión, y del que se conocen muchos datos. Pero sin que por entonces se supiera qué sucedió en los primeros nanosegundos; y aún menos qué hubo antes de ese gran comienzo.

A pesar de su grandeza, las tesis de Gamow et alia,casi fueron olvidadas. Hasta que en 1965, los radioastrónomos, A.A. Penzias y R.W. Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo, que presuntamente originó el big bang; que de ese modo pasó a convertirse en la teoría dominante. Para explicar el nacimiento del universo, que en sus primeros instantes fue una ardiente sopa cósmica, de partículas libres (no asociadas aún en átomos), a miles de millones de grados de temperatura.

Más concretamente, en 1963, Penzias y Wilson, preparaban una antena de comunicaciones de los laboratorios Bell para hacer uso de ella a efectos de la investigación del cielo. Y fue entonces, cuando oyeron un ruido de fondo, cuyo origen no lograron identificar de inmediato. Lo revisaron todo, una y otra vez, e incluso sospecharon del “material dieléctrico blanco” -deyecciones, en palabras menos elegantes-, depositado por dos palomas que por allí rondaban.

Pero una vez que limpiaron la antena, la señal seguía, sin que pudiera explicarse el origen de una radiación que parecía envolverlo todo, emitida desde un fondo espacial para el que estimaron una temperatura equivalente a sólo unos 3,5 grados por encima del cero absoluto de Kelvin (-170 grados centígrados).

Una charla de los dos radioastrónomos, con colegas de la Universidad de Princeton, les dio la pista: la radiación procedía del universo primitivo superconcentrado y supercaliente, que se habría enfriado por su propia inflación, hasta bajar la temperatura a pocos grados por encima del cero absoluto.

Penzias y Wilson publicaron el histórico artículo sobre su hallazgo en mayo de 1965 en la revista Astrophysical Journal, citando a los científicos de Princeton que les habían dado la interpretación cosmológica de la radiación referida. “El descubrimiento del fondo de microondas, abrió las puertas a la consagración de la teoría del big bang.

Frente a esa visión expansiva, un manuscrito ignorado durante décadas, demuestra que Albert Einstein se planteó en 1931 una teoría en otra dirección que el big bang: en vez de un universo en expansión, adoptó un enfoque cósmico estacionario. El referido texto se halló en los Archivos Albert Einstein de Jerusalén[4]. Y con la misma orientación de Einstein, en la década de 1940, se pronunciaron el astrofísico Fred Hoyle, y además, Herman Bondi y Thomas Golds, que esbozaron la idea de un Universo estático: infinito, sin principio ni fin, con galaxias, estrellas, planetas que continuaban formándose a partir de la creación espontánea de materia (hidrógeno).

En fin de cuentas, las observaciones de Lemaître, y las verificaciones con telescopios por Hubble, junto a las ideas de Gamow y el descubrimiento de Arno Penzias y Robert Wilson (la radiación del fondo), llevaría a descartar el modelo estacionario en favor del big bang.

Según la misma teoría del big bang, cuando el universo fue expandiéndose y enfriándose, las partículas -que hemos estudiado en el capítulo 1 de este libro- dieron lugar a los primeros átomos simples (hidrógeno), que tiempo después la gravedad uniría para formar las primeras estrellas y galaxias, en las que por transmutación surgirían todos los elementos[5]. Todo eso empezó con la gran explosión de hace unos 13.800 millones de años.

Interpretación y continuidad del big bang

¿Cómo se originó la materia que luego generaría las estrellas, galaxias y demás estructuras a gran escala? La contestación a esas y otras preguntas fundamentales sobre el cosmos es lo que motivó el lanzamiento del satélite Planck, de la Agencia Europea del Espacio, en 2009. Que permitió confirmar, una vez más, que el universo está en fase de expansión acelerada, fenómeno que actualmente se explica por las fuerzas gravitatorias de la materia y la energía oscuras. El Planck también afinó la edad del universo, de modo que con 13.800 millones, resultó ser cien millones más viejo de lo que anteriormente se creía.

A partir de las verificaciones del satélite Planck, hay varios experimentos en curso, desde la Tierra o en globos estratosféricos diseñados y construidos para estudiar la radiación de fondo del big bang. Y entre esos proyectos figura el denominado Quijote,: un experimento hispano-británico centrado en el observatorio de Izaña (Tenerife), destinado a detectar la polarización primordial; entendiéndose que si se hallaran indicios de esa polarización[6], se abriría la puerta a las grandes agencias espaciales, para construir un nuevo satélite de microondas; desde el cual estudiar aún más cabalmente la radiación de fondo[7].

Algunos científicos, entre ellos John A. Wheeler[8], identifican el máximo de energía acumulada que hipotéticamente se desató en el momento de iniciarse el big bang con la prueba del primer motor que Tomás de Aquino utilizó, junto a otros, para demostrar la existencia de Dios. Al tiempo que se atrevió a subrayar que, a su juicio, ese primer impulso se produjo con la sabiduría justa: para que el bang no fuera ni más ni menos violento de lo necesario; intuyendo así algo parecido a lo que luego plantearía Einstein con su constante cosmológica; explicativa de la gravitación espacial dentro de las galaxias que mantiene sus componentes en conjuntos permanentes con rotaciones constantes.

En otras palabras, en el interior de cada galaxia, el movimiento ge­neral de expansión del universo no actúa, queda en suspenso; y se sustituye por una gravitación propia, configurándose de ese modo las galaxias; en palabras de Hubbel ya citadas, como pequeños universos aislados. Un equilibrio que den­tro del movimiento general, permite la armonía y, en defi­nitiva, la existencia de la propia vida en la Tierra, que se sitúa en el sistema solar en lo que parece ser un tranquilo arrabal de la Vía Láctea.

Así pues, las galaxias tienen su propia armonía interior, si bien como conjunto están distanciándose más y más unas de otras. Separación cuyo cálculo se realiza mediante espectroscopia; sobre la base de que la luz blanca es la suma de todas las frecuencias y, por tanto, cabe separarla en sus colores primarios pasándola a través de un prisma. Así, en el análisis espectroscópico de la luz que nos llega desde otras galaxias, es aprovechable lo que se llama el corrimiento hacia al rojo, según el efecto Doppler; fenómeno puramente ondulatorio que se produce cuando dos móviles se alejan entre sí. Análogo a un fenómeno muy conocido en acústica: un tren entra en la estación, y al salir de ella e ir silbando, la frecuencia sonora cambia debido a la velocidad a que se mueve. Eso es lo mismo que ocurre con la separación de las galaxias: el corrimiento al rojo es proporcional a la velocidad de separación entre ellas[9].

Por consiguiente, y así lo subraya Steven Weinberg, el big bang continúa, se manifiesta de modo perma­nente[10], sin que sea posible afirmar de manera totalmente definitiva si el proceso expansivo actual seguirá de manera indefinida. O si, por el contrario, en un cierto momento -desde luego más lejano de lo que pode­mos concebir-, se iniciaría el proceso inverso, el de la gran implosión o contracción, que como opuesto al big bang. Se denominaría big crunch. Si bien es cierto que a los efectos indicados, han de tenerse muy en cuenta las ya mencionadas materia y energía obscuras.

La existencia de la materia oscura -a la que luego nos referimos- es lo que podría aumentar la densidad media del universo, hasta alcanzar una intensidad crítica[11], suficiente para, por gravedad, vencer la fuerza original de expansión. Entonces el universo entraría en un proceso de contracción, lo que podría llevar al big crunch, a la condensación de todo en un solo grano de densidad infinita. En cambio, si la masa total del universo no resultara suficiente para su contracción, éste seguiría en el proceso de creciente dispersión; para terminar todo en un enorme vacío, negro por completo cuando la última de las estrellas se apagara. Una hipótesis más nihilista que la del big crunch.

La creación evolutiva, a partir del big bang podrían cronificarse en las grandes secuencias siguientes: 

-    10-35segundos. La gran inflación produce una sopa grumo­sa de quarks.

-    10-30segundos. La materia oscura se sintetiza.

-    10-20segundos. La materia se impone a la antimateria.

-    10-10segundos. Surge un posible tipo de materia oscura.

-    10-5 segundos. A partir de los quarks se forman los protones y los neutrones.

-    0,01-300 segundos. A partir de los protones y neutrones se forma el helio, el litio y el hidrógeno.

-    380.000 años. Los átomos formados por los núcleos y los electrones liberan la radiación de fondo cósmico de microondas.

-    380.000 a 300 millones de años. La gravedad amplifica las di­ferentes densidades en el gas que llena el espacio.

-    300 millones de años. Se forman las primeras estrellas y galaxias.

-    3.000 millones de años. Se forman los cúmulos de galaxias.

-    9.000 millones de años. Se forma nuestro sistema solar.

-    10.000 millones de años. La energía oscura toma el control y la expansión comienza a acelerarse.

-    13.800 millones de años. Llegamos al día de hoy[12].

Tras esa cronología, será bueno recordar que poco después del Big Bang, el gran estallido que dio origen a la materia y al tiempo, el cosmos estaba compuesto por muy pocos elementos: fundamentalmente hidrógeno, helio y pequeñas cantidades de litio; los demás fueron generándose después, en los hornos de las estrellas. El oxígeno que hoy respiramos, el hierro que corre por la sangre de nuestros hijos, y el sodio que está en la pasta dentífrica, llegaron hasta la Tierra después de ser expulsados por alguna estrella moribunda[13]. En ese sentido, existe un cuento que se repite en las reuniones de aficionados a la astronomía: un hombre se encuentra a un borracho agachado buscando algo debajo de una farola.

-     ¿Qué busca, caballero?

-     Las llaves de mi casa- responde el borracho

-     ¿Y las ha perdido justo aquí?

-     No lo sé, pero aquí hay luz

Algo similar ocurre con la astronomía: por desgracia, sólo podemos encontrar cosas donde hay luz. La mayor parte de los fenómenos del cosmos se escapan a nuestro escrutinio, porque muchas partes del espacio carecen de fuentes lumínicas.

La expansión del universo, empezando por el Big Bang, es un fenómeno físico más que comprobado. Sin embargo, en los últimos 400 años el universo también ha sido objeto de un tipo diferente de expansión, la mental, que comenzó con una gran explosión, la ruptura a principios del siglo XVII por astrónomos como Galileo Galilei y Johannes Kepler, de las esferas de cristal de Ptolomeo, que hasta el momento se suponía que encauzaban los cuerpos celestes en sus cursos adecuados, con una concepción terrocentrista[14].

Durante un tiempo, nuestra galaxia, conocida por el nombre, de origen griego de la Vía Láctea[15], se pensaba que era todo el universo. Luego, hace unos cien años, cuando los telescopios crecieron en alcance, los astrónomos se dieron cuenta de que la Vía Láctea era sólo uno de los muchos grupos de estrellas que había en el espacio: una mera de tantas galaxias. Y actualmente, algunos físicos sospechan que al igual que la galaxia no es más que un ejemplo de mundo estelar, así también el universo puede no ser la última frontera de la realidad, sino que podemos estar en algún tipo de multiverso.

Multiuniversos y creación evolutiva

Y del Universo del Big Bang, adónde vamos, mucho más lejos cabe decir, como Alexander Vilenkin -físico teórico, Director del Instituto de Cosmología en la Universidad de Tufts- defiende la idea de que el big bang no es un fenómeno único. Por el contrario, fue algo que ahora está sucediendo en regiones lejanas del universo. Y por eso mismo, se refiere a multiuniversos interconectados y nacidos del vacío, asegurando que hay regiones donde no existen nuestras dimensiones sino otras. Y contradice a la NASA, sobre el hecho de quesi hay agua en Marte, eso no significa que exista o haya habido vida: “Notenemos ni idea de cómo se origina la vida”.

Vilenkin opina que “la relación entre la física y la filosofía es como la de la física y la ingeniería: lo que ayer era física, es hoy ingeniería; y lo que ayer era filosofía, actualmente es física. Cuando averigüemos cómo plantear una pregunta y resolverla, se convierte en física y deja de ser filosofía. Pero para ser física, es preciso que antes sea filosofía”[16].

Actualmente, uno de los principales proponentes de multiversos es Max Tegmark del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien sugiere una clasificación en cuatro tipos posibles de multiverso. El primero es el más simple multiverso con una extensión infinita familiar, pero ampliado con los telescopios modernos, que nos permiten ver un espacio muy amplio, de un tamaño determinado por radio de Hubble, unos 13.800 millones de años luz de distancia, en principio. Aunque de hecho, debido a la expansión del espacio después del Big Bang, el radio de Hubble es de 42.000 millones de años luz. Lo que pueda haber más allá del radio de Hubble nadie lo sabe. Sin embargo, algunas teorías sugieren que la posibilidad es que el referido espacio tienda al infinito.

El segundo tipo de multiverso según Tegmark podría estar en otro lugar y sus leyes físicas podrían ser diferentes.

En el tercer tipo de multiverso, como en el primero caso, las leyes de la Física serían las mismas. Sin embargo, los componentes del multiverso estarían separándose continuamente uno de otro con el paso del tiempo. Sin embargo, en cada momento dentro de un tal multiverso, todos los futuros posibles permitidos por la incertidumbre de la mecánica cuántica, ocurrirían en alguna parte, en algún lugar.

El último tipo de multiverso que Tegmark propone es uno en el que todos los sistemas coherentes de la matemática describirían: una realidad física de algún tipo, lo que resulta difícil de concebir. Se trataría más de una expresión metafísica que Física.

A pesar de la observación de Max Tegmark, cuando físicos como Stephen Hawking se refieren a la posibilidad de universos simultáneos, algo choca con nuestros sentidos, con la forma que tenemos de pensar usualmente: más bien parecen lucubraciones sin base alguna. Pero en verdad la tienen, y si aceptamos los últimos descubrimientos de la ciencia, tal hipótesis prima facie absurda, resulta posible, e incluso probable. Más en concreto, el periodista-filósofo Pedro G. Cuartango, reflexiona así[17]:

Lo que quiero decir es que damos por sentado que tenemos el control de nuestras vidas y que podemos entender lo que sucede en nuestro entorno. Pero no es así: hay fuerzas fuera de nuestro alcance, que nos mueven y que somos incapaces de explicar.

Soy consciente de que nos hallamos ante una descomunal paradoja y que nos falta la respuesta a las grandes preguntas. La incertidumbre es nuestra condición [humana] y tenemos que aprender a vivir con ella. Incluso la fe es una apuesta, como escribía el gran Pascal, quien sostenía la idea de que no podemos estar seguros de nada.

Por lo demás, el multiverso es una consecuencia de la teoría de la inflación cósmica, que se refiere al rapidísimo crecimiento del universo en el primer instante del Big Bang. “Si la inflación es cierta, el multiverso parece algo natural, y la diversidad de universos podría haberse formado como burbujas independientes”, en palabras de Tom Banks, físico de la Universidad de California en Santa Cruz: “Siendo todo eso algo posible, no es obligatorio creerlo. Y además nunca tendríamos la oportunidad de ver esos otros universos, y menos aún de visitarlos”[18].

Materia y energía obscuras

La historia de la materia oscura se remonta a 1933, cuando Fritz Zwicky -un astrofísico suizo que trabajaba en el Instituto de Tecnología de California-, notó algo extraño: las galaxias que estaba observando: parecían moverse de manera inexplicable por la atracción gravitatoria de sus vecinas. Esto le llevó a sostener que el universo está lleno de muchas más cosas de las que pueden verse a través de los telescopios[19].

¿Y qué es lo que vemos, y qué no vemos? Según cálculos recientes, sólo el 4,6 por 100 del universo cabe ser considerado materia común visible: átomos y partículas. En tanto que el 72 por 100 podría ser energía oscura, y el 23 por 100 restante sería materia oscura; que no absorben ni emiten luz; pero cuya presencia se manifiesta por su efecto gravitatorio en el movimiento de las galaxias.

Según la teoría actualmente más aceptada, la materia oscura estaría compuesta de partículas elementales pesadas todavía desconocidas, ante lo cual hay varias iniciativas de observación de galaxias y las estructuras que forman. Pero sobre todo, las esperanzas están puestas en el gran acelerador LHC del CERN[20].

También para investigar la energía oscura funciona ya una cámara (DECam), de tamaño de una cabina telefónica, que pesa 11 toneladas ubicada en el telescopio Víctor M. Blanco, del observatorio estadounidense de Cerro Tololo (Chile): “es la máquina más poderosa jamás creada para cartografiar el cielo”, dicen sus responsables, que trabajan en el proyecto denominado DES (Dark Energy Survey, sigla en inglés de rastreo de la energía oscura).

“La cámara DES es capaz de ver la llamada primera luz de más de 100.000 galaxias a distancias de 8.000 millones de años luz, con una sensibilidad sin precedentes en infrarrojo”; explican los científicos españoles del Ciemat, que participan en el proyecto, y que están liderados por el Prof. Eusebio Sánchez. Quien manifiesta que “la energía oscura es el descubrimiento más sorprendente que se ha producido en la física en los últimos veinte años, y solamente puede explicarse si existe una nueva física más allá de las teorías actuales... Si conseguimos descubrir la naturaleza de la energía oscura, será una revolución en el conocimiento del universo, y en ese sentido, el proyecto DES está concebido para avanzar en la resolución de ese problema”. Por su parte Juan García-Bellido, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y miembro también del proyecto DES, manifiesta que “el descubrimiento del agente responsable de la expansión acelerada del universo, marcaría un hito histórico que nos permitiría conectar el origen y el destino del cosmos”[21].

Cabe comentar que en un principio, se intentó responder a la cuestión de la materia oscura con la hipótesis de que ésta podría estar integrada por neutrinos, partículas con masa nula o insignificante, según vimos en páginas anteriores. Pero lo cierto es que para explicar la materia obscura, los investigadores prefieren desechar las partículas ordinarias, in­clinándose más bien por otras que aún no están descubiertas y cuyas propiedades se desconocen[22]. En esa dirección, Rolf Heuer, director del CERN, plantea que el gran objetivo del LHC a partir de 2015, cuando aumente su potencia, será investigar la materia oscura: «Sabemos que existe, pero no tenemos idea de qué es. Realmente esperamos que el LHC abra la primera ventana y nos proporcione nuevas ideas»[23].

[1] Diccionario Oxford-Complutense de Astronomía”, Editorial Complutense, Madrid, 2004.

[2] En 1948 Fred Hoyle junto a H. Bondi y a T. Gold, propuso la teoría del estado estacionario del universo en la que existiría una creación continua de materia. Aunque fue abandonada más tarde por la mayoría de los astrónomos a favor del big bang,Hoyle planteó una serie de ideas, en la línea de Arrhenius según veremos después, sugiriendo que los virus y otras formas de vida fueron traídas a la Tierra por cometas.

[3] George Gamow, The Creation of Universe, Viking Press, Nueva York, 1952. A nivel divulgativo, John Gribbin, En busca del big bang, versión espa­ñola, Pirámide, Madrid 1988.

[4]Cormac O'Raifeartaigh, Brendan McCann, Werner Nahm y Simon Mitton, Einstein's steady-state theory: an abandoned model of the cosmos, Arxiv.org, 1.II.2014.

[5] Para una buena divulgación del tema, José Manuel Nieves, “Últimas noticias del universo”, ABC, 27.XI.2010.

[6] Sobre la definición de polarización véase la nota 19 de este capítulo.

[7] E. Martínez/P. Vielva, “La mejor imagen del universo”, El País, 3.IV.2013.

[8]Pueden encontrarse extensas referencias al tema en el libro de Robert Jastrow, God and che Astronomers, Warner Books, Nueva York, 1978.

[9] Este párrafo procede del comentario de Francisco Guzmán Vázquez al autor, en comunicación del (12.VII.2011).

[10] Steven Weinberg, The First Three Minutes, Fontana, Londres, 1977.

[11] Ian Ridpath, Diccionario Oxford-Complutense de Astronomía”, Editorial Complutense, Madrid, 2004.

[12] Jorge Blaschke, Los gatos sueñan con física cuántica y los perros con universos paralelos, Ediciones Robinbook, Barcelona, 2012.

[13] Jorge Alcalde. “Hallan las estrellas más viejas en la Galaxia”, La Razón, 12.XI.2015.

[14] “Multiversal truths”, The Economist, 15.VIII.2015.

[15] El nombre Vía Láctea proviene de la mitología griega y en latín significa camino de leche. Esa es, en efecto, la apariencia de la banda de luz que rodea el firmamento, y así lo afirma la mitología griega, explicando que se trata de leche derramada del pecho de la diosa Hera (Juno para los romanos). Sin embargo, ya en la Antigua Grecia, Demócrito sugirió que aquel haz blanco en el cielo era en realidad un conglomerado de muchísimas estrellas, demasiado tenues individualmente, como para ser reconocidas a simple vista. Su idea, no obstante, no halló respaldo hasta 1609, cuando Galileo Galilei hizo uso del telescopio y constató que Demócrito estaba en lo cierto.

[16] María Dubón, “Cierzo”, 2.4.2009

[17] Pedro G. Cuartango, “Entre la magia y la racionalidad”, El Mundo, 5.I.2015.

[18] Alicia Rivera, “¿Existen otros universos?”, El País, 12.X.2014.

[19] Dark matter, “Absence of evidence, or evidence of absence?”, The Economist, 2.XI.2013.

[20] Alicia Rivera, "Ocho misterios del universo", El País, 3.VI.2012.

[21] Alicia Rivera, "Una gran cámara astronómica pone su foco en la energía oscura", El País, 18.I.2012

[22] Eduardo Punset, El universo sin fin, Planeta Agostini, Barcelona, 2011, pág. 36.

[23] Teresa Guerrero, “El CERN se renueva tras el bosón”, El Mundo, 9.XII.2013.

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