EL LADO OSCURO DEL UNIVERSO.
El ser humano siempre se ha sentido atraído por el cielo
y sus constelaciones. Existen vestigios
de que civilizaciones antiguas como los egipcios y los mayas ( por
nombrar algunas) se dedicaban a su estudio y seguimiento, hasta la fecha de hoy
muchos nos preguntamos ¿ De que esta hecho el universo? ¿Qué es la energía
oscura? ¿ Como es el universo?.
El Universo tiene tantos enigmas como estrellas y quizá
varios de miles jamás tendrán respuestas. Recientemente la luz de unas
estrellas que explotaron hace unos miles de millones de años revelaron que 75%
del Universo esta hecho de una forma d energía nunca antes detectada, que
produce repulsión o desvió gravitacional y acelera la expansión del Universo.
La mayor parte del cosmos esta formado por materia
obscura, pero los científicos no tienen evidencia de su existencia. La
finalidad de este ensayo es indagar un poco de cómo los astrónomos han llegado
a estas determinaciones.
DESARROLLO.
Aun cuando no podemos acercarnos a un objeto luminoso, es
posible obtener mucha información con solo analizar su luz. La suposición mas
sencilla es que si brilla mucho, esta cerca y si brilla poco, esta lejos o un
mas bien:- “Dime cuanto brillas y te diré a que distancia estas”. Pero no es
tan simple: ¿qué tal si está lejos, pero su brillo características es altísimo?
La luminosidad aparente de semejante objeto podría ser
mayor que la de otro que esta mas cerca pero es mas tenue y concluiríamos
erróneamente que el primero es el mas cercano.
Los astrónomos usan el mismo método para determinar las
distancias mas grandes en el Universo. Pueden medir luminosidades con toda
precisión y saben exactamente cuánto se atenúa la luz con la distancia. Lo
único que necesitan para saber a que distancia se encuentra una galaxia es
localizar en ella algún objeto cuya luminosidad intrínseca se conozca: un
objeto que sirva como patrón de luminosidad.
Usando el primer patrón de luminosidad que sirvió para
medir distancias intergalácticas- las estrellas de brillo variable conocidas
como cefeidas- el astrónomo estadounidense Edwin Hubble calculo en 1929 las
distancias de alrededor de 90 “nebulosas
espirales”, conocidas hoy día como galaxias. Comparo sus datos con los estudios
de velocidad de las galaxias, que habían hecho anteriormente otros astrónomos.
Resulta que la luz de una galaxia también puede decirnos
a que velocidad se acerca o se aleja de nosotros; como por ejemplo cuando una
moto que pasa suena mas agudo cuando viene y mas grave cuando se va. Por una
razón parecida, la luz de una galaxia se ve mas roja cuando esta se aleja y mas
azul cuando se acerca.
El grado de enrojecimiento de la luz de una galaxia
debido a la velocidad con que se aleja se llama corrimiento al rojo, y se puede
medir con precisión. Los astrónomos de principio del siglo XX esperaban
encontrar la misma proporción de nebulosas espirales con corrimiento al rojo
que con corrimiento al azul.
En vez de eso descubrieron que todas menos las mas
cercanas presentan corrimiento al rojo. Es decir, todas las galaxias se están
alejando entre si. Cuando Hubble comparo los datos de corrimiento al rojo con
los de distancia, los datos se acomodaban en línea recta.
Esto indica que cuanto mas lejos esta una galaxia, mas
rápido se aleja y que la relación entre distancia y velocidad es una simple
proporcionalidad directa: una galaxia al doble de la distancia se
aleja al doble de la velocidad. Esta es la llamada Ley de Hubble, y se
interpreta como signo de que el Universo se esta expandiendo.
El descubrimiento de Hubble condujo al poco tiempo a la
teoría del Big Bang del origen del universo. Si las galaxias se están
separando, en el pasado estaban mas juntas. En un pasado remoto estaban
concentradas en una región muy pequeña y muy caliente y no eran galaxias, sino
una mezcla increíblemente densa de materia y energía.
Es posible que el dia de hoy, la huella de esas
densidades y temperaturas aun estén rondando por el cosmos, pero de una manera
ya muy diluida, quizá en forma de una radiación muy tenue distribuida o
rezagada por todo el espacio.
En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, dos físicos que
estaban probando una antena de comunicación satelital, detectaron un ruido
persistente que no podían explicar. Este resulto ser el rastro del violento
origen del Universo. Hoy se llama radiación de fondo, y sirvió para convencer a
casi todo el mundo de la teoría del Big Bang.
El modelo del Big Bang se fue ajustando con los años. A
principio de los años 80, los cosmólogos como el físico Alan Guth añadieron al
modelo el concepto de inflación para explicar los resultados de ciertas
observaciones. Según la hipótesis inflacionaria, en la primera fracción de
segundo de una fuerza de repulsión muy intensa hizo que el embrión de universo
pasara de un tamaño menor que el de un átomo al de una toronja en tiempo
brevísimo.
Una de las predicciones mas importantes del modelo
inflacionario atañe a la geometría del espacio. Caben tres posibilidades. Si el
espacio es plano no quiere decir que sea de dos dimensiones, sino solo que
satisface los postulados de la geometría euclidiana o geometría plana, los ángulos
de un triangulo trazado entre cualesquiera tres puntos sumaran 180 grados. Esto
es lo que todo el mundo hubiera esperado antes de 1916, cuando Albert Einstein
publico la teoría General de la relatividad, que es la que usan los cosmólogos
para describir la forma global del Universo. Esta teoría permite otras dos
posibilidades insólitas:
Si el espacio tiene curvatura positiva, como una esfera,
los ángulos de un triangulo suman mas de 180 grados y si el espacio tiene curvatura
negativa, como una silla de montar, los ángulos suman menos. Todo depende de
que tan fuerte jale la fuerza de gravedad total del Universo, o de cuanta
materia y energía contenga este en total:
1.- Poca materia y energía = curvatura negativa.
2.- Ni mucha ni poca= geometría plana.
3.- Mucha= curvatura positiva.
El asunto es importante porque de la cantidad de materia
y energía dependía también que el universo siguiera expandiéndose para siempre
(casos 1 y 2) o bien que en un dia la
expansión se detuviera y se invirtiera (caso 3), como una piedra que se lanza
hacia arriba y que empieza a bajar al llegar a cierta altura. Y por la misma
razón que la piedra: la atracción gravitacional de toda la materia y energía
del Universo.
Si bien las observaciones indicaban que había tan poca
materia que el Universo debía de tener curvatura negativa, la teoría el modelo
inflacionario exigía que el cosmos fuera de geometría plana.
En cualquiera de los tres casos, la fuerza de gravedad,
una fuerza de atracción, que tira hacia dentro, frenaba la expansión del
universo.
Para mediados de la década de los 90 la cosmología se
encontraba en la siguiente situación:
1.- Según el modelo inflacionario el universo debía
contener suficiente materia y energía para que la expansión se fuera defendiendo
sin nunca para por completo (geometría plana).
2.- Unos estudios de la radiación de fondo corroboran
observacionlamente que el universo es de geometría plana.
3.- Los recuentos del contenido de materia y energía del
universo decían categóricamente que estas no alcanzaban ni de lejos para
producir la geometría plana que exigía el modelo inflacionario y los estudios
de la radiación de fondo.
Entonces las conclusiones de los cosmólogos fue que
faltaba una parte del universo. De hecho, faltaba la mayor parte: Alrededor del
75% de la materia o energía necesaria para explicar que el universo cumple con
una geometría plana.
El 15 de Octubre de 1998 el telescopio Keck II, en Hawai
escudriñaba un retazo de cielo en el área
de la constelación de Pegaso. Hacia unas semanas, los científicos del Proyecto
de Cosmología con Supernovas (SCP) por sus siglas en inglés, dirigido por Saul
Perlmutter, habían tomado fotos de las galaxias de la misma región como
referencia. Al comparar las nuevas imágenes con las anteriores, vieron que en
una galaxia había aparecido un punto brillante. Era una supernova, una estrella
que hizo explosión justo lo que estaban buscando. Le llamarón Albinoni.
Nueve días después, el grupo uso el Telescopio Espacial
Hubble, además del Keck II, para medir la luminosidad aparente de Albinoni, así
como el corrimiento al rojo de la galaxia en la que se localiza. Al cabo de
varios días confirmaron que se trataba de una supernova de tipo Ia con un
corrimiento al rojo de 1.2, lo que indicaba que hizo explosión hace miles de millones de años.
Hoy en dia, las supernovas Ia son el patrón más usado
para determinar distancias a galaxias muy lejanas puesto que son muy intensas,
lo que permite verlas desde muy lejos y todas alcanzan aproximadamente el mismo
brillo intrínseco, por lo que son excelentes patrones de luminosidad.
El Universo se está expandiendo, así que los astros
visibles más lejanos están mucho más lejos que cuando emanaron la luz que viajo
en nuestra dirección hace 13 mil 800 millones de años y que ahora están a 46
mil millones de años luz de distancia.
Si todos esos supuestos son correctos el Universo sería
una esfera cuyo diámetro es de 92 mil 200 millones de años luz.
Aunque no podemos “ver”
su borde exterior (porque su luz no nos ha llegado aún), esa esfera teórica es
lo que se conoce como el “Universo observable”.
En astronomía mirar lejos es mirar al pasado. La luz
viajando a 300 mil kilómetros por segundo tarda cierto tiempo en llegar a la
Tierra desde sus fuentes 8 minutos desde el Sol, unas horas desde Plutón. La
luz de Albinoni y su galaxia, llego al espejo del telescopio Keck II 10 mil
millones de años después de producirse la explosión.
Para 1998, los científicos habían estudiado unas 40
supernovas que explotaron entre 4000 y 7000 mil millones de años atrás. Estos
datos les bastaron para convencerse de que algo andaba mal con la cosmología
del Big Bang. Las supernovas se veían 25% más tenues de lo que correspondía a
su corrimiento al rojo si la expansión del Universo se va frenando.
Luego de descartar posibles fuentes de error, los
investigadores anunciaron públicamente una conclusión nada prosaica: La
expansión del Universo, lejos de frenarse como casi todo el mundo suponía, se está
acelerando.
Por otro lado, la edad del Universo se calculaba
suponiendo que la gravedad frenaba la expansión y si en vez de frenarse, se acelera el cálculo
cambia y el Universo resulta más antiguo. Pero la implicación más tremenda que
el Universo acelerado tiene que ver con el asunto de la gravedad. Esta es una
fuerza de atracción y, en efecto, tiende a frenar la expansión del Universo.
Entonces, ¿Qué o quién la está acelerando?
En las ciencias como en la vida, las cosas tienen muchas
facetas. El efecto de aceleración del Universo, nos pone ante unos problemas
pero al mismo tiempo resuelve otro. Porque el efecto de aceleración cósmica
requiere de energía en grandes cantidades, de modo que hay más energía en el
Universo de la que habíamos visto hasta hoy. Entonces podemos reconciliar el
modelo inflacionario con las observaciones.
No obstante aunque no sepamos que es, esta nueva energía oscura como la llaman los
cosmólogos, porque no se ve, añadida a las cuentas anteriores de materia y
energía, completa la cantidad necesaria para que el Universo sea de geometría
plana, como exige el modelo inflacionario. Es aquí cuando surge otra
interrogante, ¿Qué es lo que podría ser la energía obscura?
Existen dos posibilidades:
Antes de 1929 todo el mundo creía que el Universo era estático.
Cuando la teoría general de la relatividad mostro que no podía ser así,
Einstein añadió a sus ecuaciones un terminó que representaba una especia de
fuerza de repulsión gravitacional y que tenía el efecto de, mantener quieto al
Universo. Le llamo constante cosmológica.
Cuando Hubble descubrió la expansión del Universo, Einstein retiro la constante
cosmológica, pero su extraña creación reapareció, por ejemplo en el modelo
inflacionario del Big Bang, y ahora podría ser el origen de la fuerza de
repulsión que le está ganando la partida a la atracción gravitacional.
La constante cosmológica es una propiedad
intrínseca del espacio, es decir, el espacio simplemente es así. Imagínate que
quieres conocer el silencio absoluto. Apagas todas las fuentes de ruido que hay
en tu cuarto, cierras rendijas, te tapas los oídos y metes la cabeza debajo de
la almohada. Con todo, tus oídos siguen percibiendo una señal.
Una cosa similar pasaría con el espacio si existe la constante
cosmológica. Si quisieras sacar
toda la energía de una región, tendrías que extraer toda la materia, aislarla
de fuentes de energía externas, eliminar todos los campos eléctricos,
magnéticos y gravitacionales. Pese a todos tus esfuerzos, quedaría en esa
región una energía irreducible,
inseparable del espacio. Esa energía es la constante cosmológica y podría ser
la explicación de la energía obscura.
Otra posibilidad es que la energía obscura provenga de un nuevo tipo de campo, parecido a los
campos eléctricos y magnéticos, al que algunos cosmólogos llaman quinta esencia. En la teoría de la relatividad
todos los campos producen atracción gravitacional por contener energía, pero la
quinta esencia produce repulsión gravitacional.
La constante cosmológica,
como propiedad intrínseca del espacio, no cambia con la expansión del Universo,
no interactúa con la materia y no cambia de valor en
distintas regiones. En cambio la quinta esencia si podría interactuar con la
materia y cambiar de valor. Ahora, otra diferencia detectable es que la quinta esencia acelera la expansión del
Universo menos que la constante cosmológica.
CONCLUSIÓN.
Como todo lo que tiene principio tiene su final, y el
Universo no se escapa de eso; el Universo se va a acabar o por lo menos, se van
a acabar las condiciones aptas para la vida, pero para eso aún falta muchísimo.
Con el descubrimiento de la expansión acelerada y la
energía obscura las cosas han cambiado. Si bien aún no se puede decidir si la
energía obscura es constante cosmológica o quinta esencia. El universo seguirá
expandiéndose para siempre hasta que desde la Tierra no veamos ya otras
galaxias por haber aumentado tanto las distancias que su luz ya no nos alcance.
Otro capítulo final para el Universo seria si la fuerza
de gravedad total fuera lo bastante intensa como para frenar la expansión e
invertirla, el Universo terminaría con un colosal apachurrón exactamente
simétrico al Big Bang según el físico Robert Caldwell y sus colaboradores,
llegara un dia dentro de unos 22 millones de años, en que la aceleración de la
expansión del Universo empezara a notarse a escalas cada vez más pequeñas para
producir un final que se llama Big Rip o “Gran Desgarrón”.
REFLEXIÓN.
Uno de los recuerdos más gratos de mi infancia fue el
estreno de la primera parte de la saga de la Guerra de las Galaxias en que uno
de los protagonistas el gran actor Harrison Ford interpretando a Han Solo
huyendo en su nave menciona que solo una Nave podría recorrer esa distancia en
Parsecs; en determinado momento no supe cual
era el significado de esa palabra solo me pareció elegante y sofisticada.
El tema del espacio como uno de los misterios de la
naturaleza, así como la biología sigue siendo para mí una de las cuestiones más
apasionantes que bordean lo que considero la ciencia y sus materias afines.
De lo anterior y muy seguramente gran parte de la población
solo nos asombramos con la lectura de estos textos no sabiendo exactamente
cuando serán en parte siquiera descubiertos una gran parte de los enigmas que
nos rodean.
El Universo seguirá siendo tema de ensayos y experimentos
en los siglos venideros
FUENTES
DE CONSULTA:
