El lado oscuro del Universo

Sergio de Régules Ruíz, Físico y divulgador en la Dirección General de Divulgación de la Ciencia en la UNAM, nos lleva por este sendero de conocimiento abstracto, “La creación del Universo” para preguntarnos ¿Cómo fue que se originó? ¿En cuánto tiempo? Y ¿Por cuánto tiempo?; reconocidos físicos se han adentrado en estos estudios generando hipótesis que con el paso del tiempo y atreves de nuevos descubrimientos se han tenido que replantear.

Dime cuánto brillas y te diré a qué distancia estás

Cuando no podemos acercarnos a un objeto luminoso, es posible obtener mucha información analizando su luz. La suposición más sencilla es ésta: si brilla mucho, está cerca; si brilla poco, está lejos. Pero la cosa no es tan simple: ¿qué tal si está lejos, pero su brillo intrínseco es altísimo? La luminosidad aparente de semejante objeto podría ser mayor que la de otro que está más cerca pero es más tenue, y concluiríamos erróneamente que el primero es el más cercano.

Los astrónomos usan el mismo método para determinar las distancias más grandes en el Universo —las que median entre las galaxias—. Pueden medir luminosidades con toda precisión y saben exactamente cuánto se atenúa la luz con la distancia (un mismo objeto al doble de la distancia se ve cuatro veces más tenue; al triple, nueve veces más tenue y al cuádruple, 16…). Lo único que necesitan para saber a qué 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 calculó en 1929 las distancias de alrededor de 90 “nebulosas espirales”, como se llamaba en esa época a lo que hoy conocemos como galaxias. Luego comparó sus datos con los estudios de velocidad de las galaxias, que habían hecho otros astrónomos.

Resulta que la luz de una galaxia también puede decirnos a qué velocidad se acerca o se aleja de nosotros. Una moto que pasa suena más agudo cuando viene y más grave cuando se va. Por una razón parecida, la luz de una galaxia se ve más roja cuando ésta se aleja y más 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 principios del siglo XX esperaban encontrar la misma proporción de nebulosas espirales con corrimiento al rojo (que se alejan) que con corrimiento al azul (que se acercan). En vez de eso descubrieron que todas (menos las más cercanas) presentan corrimiento al rojo. Es decir, todas las galaxias se están alejando entre sí.

Cuando, en 1929, Hubble comparó los datos de corrimiento al rojo con los de distancia, se llevó el susto de su vida: los datos se acomodaban en una bonita recta (bueno, más o menos), lo cual indica que cuanto más lejos está una galaxia, más 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, una al triple, al triple… Ésta es la llamada ley de Hubble, y se interpreta como signo de que el Universo se está 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 más juntas. En un pasado suficientemente remoto estaban concentradas en una región muy pequeña y muy caliente —y no eran galaxias, sino una mezcla increíblemente densa de materia y energía—. Hoy en día la huella de esas densidades y temperaturas aún debería estar rondando por el cosmos, pero ya muy diluida, en forma de una radiación muy tenue distribuida por todo el espacio. En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, dos físicos que estaban probando una antena de comunicación satelital, detectaron un ruidito persistente que no podían explicar. Éste resultó 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.

Según la hipótesis inflacionaria (Alan Guth), en la primera fracción de segundo 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 un tiempo brevísimo. Este modelo inflacionario resolvía tan bien las dificultades de la teoría original del Big Bang que no tardó en convertirse en el favorito de los cosmólogos.

Expansión acelerada

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: ocho minutos desde el Sol, unas horas desde Plutón, unos años desde las estrellas más cercanas, 30 mil años desde el centro de nuestra galaxia y muchos miles de millones de años desde las galaxias más lejanas. La luz de Albinoni y su galaxia, por ejemplo, llegó al espejo del telescopio Keck II 10 mil millones de años después de producirse la explosión.

El lado oscuro

En las ciencias, como en la vida, las cosas tienen muchas facetas. El efecto de aceleración del Universo nos pone ante un problema —el de buscar al responsable— pero al mismo tiempo resuelve otro. Porque el efecto de aceleración cósmica requiere energía en cantidades… ejém… cósmicas, de modo que hay más energía en el Universo de la que habíamos visto hasta hoy. Entonces podemos reconciliar por fin el modelo inflacionario con las observaciones. Aunque no sepamos qué es, esta nueva energía oscura (como la han llamado los cosmólogos, pero no porque sea maligna, sino porque no se ve) añadida a los recuentos anteriores de materia y energía, completa la cantidad necesaria para que el Universo sea de geometría plana, como exige el modelo inflacionario.

Pero, ¿qué es la energía oscura?

Dos posibilidades

O por lo menos, ¿qué podría ser?

Antes de 1929 todo el mundo creía que el Universo era estático. Cuando la teoría general de la relatividad mostró que no podía ser así, Einstein añadió a sus ecuaciones un término que representaba una especie de fuerza de repulsión gravitacional y que tenía el efecto de mantener quieto al Universo. Le llamó constante cosmológica. Cuando Hubble descubrió la expansión del Universo, Einstein retiró la constante cosmológica con cierto alivio. 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 y se acabó. 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 (prueba y verás, o más bien, oirás). 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, gravitacionales). Pese a todos tus esfuerzos, quedaría en esa región una energía irreducible, inseparable del espacio como el huevo es inseparable de la mayonesa. Esa energía es la constante cosmológica y podría ser la explicación de la energía oscura.

Otra posibilidad (que en realidad es toda una clase de posibilidades) es que la energía oscura provenga de un nuevo tipo de campo, parecido a los campos eléctricos y magnéticos, al que algunos cosmólogos llaman quintaesencia. En la teoría de la relatividad todos los campos producen atracción gravitacional por contener energía, pero la quintaesencia 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 quintaesencia sí podría interactuar con la materia y cambiar de valor. Otra diferencia detectable (pero aún no detectada) es que la quintaesencia acelera la expansión del Universo menos que la constante cosmológica. Los nuevos telescopios, tanto terrestres como espaciales, que se están construyendo nos ayudarán a elegir. (Por cierto, ¿no podrían ser las dos cosas?).

Antes de 1998 se consideraban, en esencia, dos posibles capítulos finales para el Universo: ¿sería la fuerza de gravedad total lo bastante intensa como para frenar la expansión e invertirla, o seguiría el Universo creciendo para siempre? En el primer caso el Universo terminaba con un colosal apachurrón exactamente simétrico al Big Bang; en el segundo, la expansión seguía eternamente, diluyendo el cosmos y haciéndolo cada vez más aburrido.

Con el descubrimiento de la expansión acelerada y la energía oscura las cosas han cambiado. Si bien aún no se puede decidir si la energía oscura es constante cosmológica o quintaesencia, está claro, en todo caso, que la posibilidad del Gran Apachurrón queda excluida. 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.

Pero nuestra propia galaxia seguirá acompañándonos, por así decirlo. Las estrellas que la componen seguirán unidas por la fuerza gravitacional, como también seguirán unidos los planetas a sus estrellas. De modo que, pese a todo, las cosas en la Tierra seguirán su curso normal. Pequeño detalle: al Sol se le acabará el combustible en 5 000 millones de años.

Si la energía oscura resulta ser de tipo energía fantasma, llamada así por los científicos,  el final del Universo será muy distinto a lo que nos habíamos imaginado. Según el físico Robert Caldwell y sus colaboradores, llegará un día, dentro de unos 22 mil millones de años, en que la aceleración de la expansión del Universo empezará a notarse a escalas cada vez más pequeñas para producir un final que se llama Big Rip (el “Gran Desgarrón”). Mil millones de años antes del Big Rip, la energía fantasma superará a la atracción gravitacional que une a unas galaxias con otras y se desmembrarán los cúmulos de galaxias. Sesenta millones de años antes del fin, se desgarran las galaxias. Tres meses antes del Big Rip, el efecto alcanza la escala de los sistemas planetarios: los planetas se desprenden de sus estrellas. Faltando 30 minutos para el postrer momento, los planetas se desintegran. En la última fracción de segundo del Universo los átomos se desgarran. Luego, nada.

De Régules, S. (2003). El lado oscuro del universo. ¿Cómo ves?, N°.58, (Pp. 10-15). México: UNAM. Recuperado el 13/04/15, de: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/58/el-lado-oscuro-deluniverso

Nos encontramos ante tantas posibilidades del origen del Universo, que a los científicos les exige buscar elementos en lo más  recóndito de nuestro ambiente y espacio tanto interior como exterior, ideas y objetos que nos “hablen” de lo que ha sucedido y sigue sucediendo con nuestro Universo.

Este tema fue seleccionado por su complejidad y  sus misterios, nos  adentran en un mundo de imaginación en donde tienen que ver el origen y el final del cosmos.

Iniciamos con la descripción del autor y  una breve reseña de lo que nos quiere dar a entender.