Los misterios del universo

El siguiente texto es un extracto del libro Los misterios del universo(ISBN: 9781683254355). Conocerlo, entenderlo, interpretarlo y ayudarlo, escrito por L. Parravicini y L. Viazzo, publicado por de Vecchi /DVE ediciones.

El nacimiento del universo

La teoría que goza de más crédito sobre el nacimiento del universo se resume en la expresión inglesa big bang, cuya traducción literal —«gran explosión»— da una idea inmediata del fenómeno que quizá dio lugar a la evolución del cosmos.

¿Qué había antes del big bang?

Esta cuestión desemboca en un problema de orden metafísico, en el sentido de que el universo no empieza a existir hasta el big bang, a partir del cual empezó a extenderse formando el espacio y dando lugar al cómputo del tiempo. Antes del big bang no había ni espacio ni tiempo: su creación advino al producirse aquella gran explosión.

Según el astrónomo americano Edwin Hubble, aceptar la teoría de que el universo está en expansión permite dar respuesta a otro gran interrogante: la edad del universo, que estudios recientes han estimado en 14 mil millones de años. Esta evaluación ha sido determinada midiendo la distancia que separa las galaxias más alejadas mediante telescopios muy sofisticados.

La teoría del universe en expansión

Para entender la situación que precede al big bang, es preciso referirse a la teoría de un universo en expansión. Esta teoría se basa en la física de las partículas elementales (es decir, las partículas constituyentes de la materia consideradas como indivisibles).Según esta teoría, en su origen el cosmos era un «super-micro-universo» de radio nulo.

En el momento de su nacimiento se habría extendido de forma vertiginosa, aumentando su volumen en varios miles de millones de veces en una pequeña fracción de segundo. La teoría del universo en expansión establece que el cosmos experimentó esta expansión en razón de un «vacío de alta energía».

Después del big bang

En la fracción de segundo que sucedió al big bang se produjeron grandes cambios. El universo se extendió rápidamente de una dimensión infinitesimal a unos centímetros. Esta famosa explosión produjo una cierta cantidad de energía radiante y partículas elementales específicas, como los quarks y los antiquarks.

Su temperatura (de 1032 millones de grados Kelvin aproximadamente) era todavía millones de veces más alta que la que tiene el núcleo del Sol en la actualidad, y desde entonces empezó a descender. Durante el primer segundo que sucedió al big bang, la temperatura bajó a 10 mil millones de grados Kelvin.

Durante esta fase, el universo estaba dominado por las radiaciones y por partículas ligeras como los electrones y sus antipartículas, llamadas positrones. Cuando las partículas de materia y de antimateria se encuentran, se destruyen recíprocamente (se aniquilan), lo que produce una cierta cantidad de energía. Este fenómeno se produjo durante los primeros momentos de existencia del universo, aunque la cantidad de materia debía de ser ligeramente superior a la de antimateria, ya que, de lo contrario, el cosmos, dominado por la materia que conocemos hoy, no existiría. Así pues, los productos de esta aniquilación fueron la energía y las partículas materiales supervivientes, como los protones, los neutrones y los electrones.

Dispersados por el big bang durante dos minutos aproximadamente, los protones y los neutrones empezaron a combinarse entre ellos, formando así núcleos deuterio y posteriormente de helio. Después de esto ya no se produjo ninguna otra mutación significativa durante los 300.000 años siguientes.

El universo se enfrió de forma constante hasta alcanzar una temperatura de 4.000 °K (en la superficie solar se registra una temperatura de unos 5.000 °K), hecho que permitió a los electrones unirse a los núcleos hidrógeno, deuterio y de helio y formar los primeros átomos.

Entonces la materia empezó a hacerse más densa por la acción de la fuerza de la gravedad y, así, dos millones de años después empezaron a formarse las primeras estrellas y las primeras galaxias.

La radiación emitida desde el universo primordial, llamada radiación cósmica de fondo(o radiación fósil), y de la que hablaremos más adelante, fue descubierta en los años sesenta y constituye la mejor prueba dela validez de la teoría del big bang. Dicho de un modo resumido, es el eco de la gran explosión que todavía nos sigue llegando. La radiación, que tenía una cantidad enorme de energía, se debilitó considerablemente a causa de una bajada de la temperatura, que hoy en día ha descendido a –270 °C(unos 3 °K).

El universo está todavía en expansión

Actualmente el universo está constituido por numerosas galaxias agrupadas en grandes familias llamadas cúmulos, separadas unas de otras por distancias inimaginables. Las estrellas y las galaxias empezaron a formarse aproximadamente dos millones de años después del big bang. Antes, el universo sólo contenía partículas de materia y energía en forma de radiación electromagnética, como por ejemplo los rayos X, la luz y las ondas radio.

Edwin Hubble, el astrónomo americano que dio su nombre al telescopio espacial que está en órbita alrededor de la Tierra desde1990, fue el primero en descubrir que el universo está en expansión continua. Sus observaciones lo llevaron a deducir que las galaxias son menos luminosas cuanto más rápidamente se alejan de nosotros, y llegó a la conclusión de que las galaxias más débiles eran lógicamente las que estaban más alejadas, y que por tanto había una relación entre la distancia y la velocidad de alejamiento. Esta relación matemática (denominada ley de Hubble) establece una proporcionalidad directa entre distancia y velocidad de alejamiento; así, al aumentar una, la otra también lo hace. La medida de la constante de proporcionalidad, llamada constante de Hubble, se basa en el estudio de los espectros de la luz proveniente de las galaxias y puede explicarse mediante el llamado efecto Doppler (véase la explicación en el cuadro inferior).

¿Qué le ocurrirá al universo?

Para responder a esta pregunta hay que referirse a dos teorías, basadas en los diferentes valores de la densidad media de la materia que se encuentra en el cosmos. La primera se resume en el modelo del denominado universo cerrado: el cosmos sería capaz de expansionarse hasta una dimensión máxima para volver a continuación al punto de partida lentamente. En este caso, el universo sería cerrado, lo que representaría una expansión espacial y una duración temporal finitas.

El universo llamado abierto presentaría, por el contrario, una extensión espacial y una expansión infinitas. Según algunas teorías, el universo no podría extenderse sin límite sin llegar al «colapso». Entonces la expansión se ralentizaría al infinito y se mantendría el cosmos suspendido en un estado muy particular. El modelo de universo descrito en estos términos se define como plano y se sitúa en un punto entre la expansión infinita y el colapso. Los estudios efectuados en la radiación fósil, es decir, en el débil calor que dejó el big bang y que se encuentra difundido uniformemente en todo el universo, podrían confirmar o desmentir esta teoría.

La radiación fósil

La radiación fósil fue descubierta en 1965.Se trata de una radiación que se puede medir cada día con más precisión. La radiación fósil es la señal más lejana (y más antigua)que el hombre ha podido observar. En efecto, es un vestigio que data de poco más de 300.000 años después del big bang, que se extiende a 14 mil millones de años luz de nosotros, una distancia que podría revelar la edad del universo. Su estructura —abierta, cerrada o plana— depende exclusivamente de la cantidad de materia que contiene.

Si esta cantidad es de más de tres átomos de hidrógeno por metro cúbico, el universo estaría destinado a la destrucción. Si es menor, el resultado sería, por el contrario, una expansión infinita. Y finalmente, si este valor equivale con total exactitud a tres átomos de hidrógeno por metro cúbico, la expansión tendería al infinito ralentizándose hasta, idealmente, estabilizarse. Se han avanzado dos objeciones:

— la materia luminosa observable representa solamente el 5 % de la materia necesaria para producir un universo plano. Habría que buscar, pues, el 95 % de materia oscura que falta;

— llegar a la densidad exacta necesaria para obtener un universo plano (3 átomos/m3)es un caso muy improbable de que se produzca.

¿Existen universos infinitos?

La teoría del universo en expansión permite plantear la hipótesis de la existencia de otros universos diferentes al nuestro: el cosmos en el que está la Tierra podría ser simplemente un ejemplar de un vasto «zoo» cosmológico.

Como ya hemos dicho, la teoría del universo en expansión implica la transformación del vacío de alta energía en vacío de baja energía, un paso que no se hace de forma homogénea en cada parte del cosmos. En el interior del antiguo vacío de energía elevada se podrían formar bolas de nuevo vacío de baja energía, que se extenderían a la velocidad de la luz.

El antiguo vacío de alta energía, aprisionado dentro de las bolas de nuevo vacío, daría lugar a una nueva expansión, y así, a un universo hijo independiente, en donde a su vez podrían nacer otras bolas de nuevo vacío, constituyendo así lo que se llama universos sobrinos. Esta reproducción cosmológica podría sucederse hacia el infinito, y las estrellas y las galaxias que observamos a distancia «astronómica» podrían no ser más que eslabones de una red infinita.

Las teorías más osadas llegan a imaginar la existencia de unos nexos especiales, como una serie de «túneles espaciotemporales» (en inglés, wormholes), capaces de unir un «universo padre» con un «universo hijo». Estos túneles también se encontrarían dentro de cada universo y pondrían en contacto distintas regiones del espacio-tiempo que, sin la existencia de estos nexos, permanecerían separadas, lo cual permitiría recorrer miles de millones de años luz en sólo unos instantes.

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