¡Cosmoflipes!

Seguramente, si le preguntamos a cualquier persona por la calle que cómo empezó el universo, nos dirá que con el Big Bang. Es la teoría más generalizada, la que estudiamos en los libros de texto en el colegio y la que la mayoría de físicos dan por válida. Sin embargo, este modelo presenta muchas lagunas y respuestas sin resolver, tantas que equipos de cosmólogos de todo el mundo trabajan en teorías alternativas que puedan explicar el universo en que vivimos.

cosmos

(reportaje publicado en la revista MUY interesante)


Hace 13.700 millones de años no había nada. Ni estrellas, ni galaxias, ni planetas ni ninguno de los componentes que forman hoy en día el cosmos que vemos. Toda la materia y la energía y el tiempo y el espacio estaban comprimidos en un punto pequeñísimo, del tamaño de un electrón, que estaba mucho más caliente que hoy lo está el núcleo del sol. Y entonces, en un instante, cambió todo. Se produjo un enorme estallido, ¡bang!, y una billonésima de segundo después, emergió toda la materia. Millones de partículas elementales salieron disparadas y comenzaron a alejarse muy rápidamente las unas de las otras. Y tal y como ocurre con un globo que comenzamos a inflar, el Universo, poco a poco, se fue desperezando y extendiéndose.

Fueron apareciendo las más de mil millones de galaxias que observamos desde la Tierra, con sus más de mil millones de estrellas cada una; y las nebulosas, y los planetas, e incluso la vida. Desde que en 1948 el físico ruso George Gamow planteara que éste fue el origen del Universo y el avance de la tecnología ha permitido oír las huellas de esa gran explosión, la ciencia ha dado por buena esta teoría, que se ha impuesto como modelo estándar. Era aceptada por cristianos y laicos, y se la enseñaban a los niños en las escuelas.  Pero, ¿y si no fuera así? ¿Y si esa teoría no fuera realmente la explicación al origen del universo? Quizás el espacio y el tiempo ya existían antes; quizás el Big Bang no es único. Quizás lo que vemos son tan sólo son los vestigios de los acontecimientos que ocurrieron antes de la gran explosión.

Desde que se formulara, la teoría del Big Bang ha generado controversia, sobre todo porque tal y como se explica, parece como si universo hubiera sido “creado” y no que se hubiera originado. Esa idea incomoda a algunos físicos, de ahí que, en parte, haya numerosos grupos de cosmólogos que ponen en duda esta teoría y trabajan para dar con una explicación que resuelva todos los misterios que deja abiertos este modelo. Algunos hablan de universos paralelos; otros, de grandes explosiones y concentraciones; de rebotes, de expansiones aceleradas.

La gran explosión

Los primeros años de la cosmología fueron embriagadores: los descubrimientos se sucedían, la tecnología avanzaba a un ritmo vertiginoso e iba empujando las fronteras de la observación y la medición; y los datos que se iban obteniendo iban corroborando la teoría que formuló en 1930 un jesuita belga, Georges Lemaître, de que el universo se había iniciado en un tiempo finito, en un estado de mucha densidad y temperatura, con la explosión de un átomo primigenio, el “Big Bang”. Un año antes, Edwin Hubble, había descubierto, además, que las galaxias se alejaban unas de otras a velocidades directamente proporcionables a su distancia, lo que sugería que el universo estaba en expansión. Tres décadas más tarde, en 1964, se descubrió la radiación del fondo de microondas, que venía a corroborar la expansión de que hablaba Hubble y llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar aquella teoría.

Y ahora teóricamente vivimos en el escenario posterior a esa explosión. Sin embargo, a pesar de que es el modelo estándar más aceptado, lo cierto es que deja muchas dudas por resolver. Para el astrónomo Rafael Rebolo, profesor del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y Coordinador de Investigación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), “la teoría del Big Bang tiene algunos problemas. Por ejemplo, no da una explicación clara de cómo se han generado las estructuras que dieron lugar a las galaxias que hoy observamos en el universo. Tampoco permite explicar por qué la geometría a gran escala del universo es de tipo euclidiano [o dicho de otra forma, tridimensional pero plano]”.

Otra de las grandes incógnitas es la razón por la que se configuró ese escenario con esas condiciones primigenias.  O qué había antes de esa explosión, si es que hubo algo. “No sabemos cómo se produjo este inicio –señala Jordi Miralda, profesor de investigación ICREA de astrofísica del Instituto de estudios espaciales de Cataluña (IEEC)-CSIC-.Siempre hay una frontera del conocimiento y lo único que sabemos es que si fuéramos muy al inicio encontraríamos este escenario. ¿Por qué el universo comenzó en este estado de tanta densidad y temperatura? El Big bang no lo explica. Simplemente son unas condiciones iniciales que tenemos que poner allí y que están de acuerdo con lo que se observa”.

Es como si la historia del universo se dividiera en tres actos y nosotros hubiéramos llegado con la obra comenzada. Ignoramos qué pasará en el desenlace y desconocemos lo que ocurrió durante primera parte, por lo que, para tratar de entender lo que estamos viendo, tenemos que imaginarnos a partir de lo que sucede en ese segundo acto el inicio de la obra. “Para un astrónomo, mirar el cielo es mirar hacia el pasado –considera  Rebolo-. El universo nos proporciona rastros de cómo fue su origen y nosotros construimos telescopios e instrumentos complejos para tratar de descubrir esas huellas que a lo largo de la historia se han ido quedando impresas en fenómenos que hoy en día podemos registrar, medir”. Y estas huellas nos llegan a través de la luz de galaxias remotas y son un reflejo de cómo eran éstas en su juventud.

“El problema fundamental –considera Carlos Frenk, director del Instituto de cosmología computacional de la Universidad de Durham- es que las leyes de la física son incapaces de explicar qué ocurre en ese instante inicial en el que la densidad de la materia tiende a infinito. Para ello, habría que combinar la teoría de la relatividad general, de Albert Einstein, [inexpugnable cuando se aplica a los objetos grandes] , con la mecánica cuántica, que explica las propiedades de las partículas elementales, porque a estas altísimas densidades cerca del Big Bang los procesos se vuelven cuánticos. Y por el momento, nadie ha conseguido resolver ese problema”.

Aún así, los avances en telescopía, junto con la gran cantidad de datos aportados por el satélite COBE, el telescopio espacial Hubble y la sonda WMAP, han permitido a los cosmólogos calcular muchos de los parámetros del Big Bang con nuevos niveles de precisión. Se han obtenido observaciones que parecen confirmar que el universo sí nació de este estado inicial de gran densidad y temperatura. Por este motivo, actualmente, casi todos los trabajos que se desarrollan en cosmología investigan algún aspecto del Big Bang, ya sea para ampliarlo o para tratar de arrojar luz sobre alguna de las lagunas que presenta.

Aceleradamente escapista

Una de estas teorías fue la del físico Alan Guth, quien en los años 80 dio con una elaboración más compleja del modelo estándar que intentaba despejar alguno de los interrogantes del Big Bang. Postuló que una billonésima de segundo después de la gran explosión, el universo comenzó a expandirse como si estuviera autopropulsado, a una velocidad mucho mayor que la de la luz, y que fue así como multiplicó su tamaño mucho más que miles de millones de veces en un intervalo de tiempo muy pequeño. Después, continuó expandiéndose rápidamente pero a otro ritmo. Según Guth, esa expansión de los primeros instantes explicaba que el Universo fuese tan homogéneo, tan isótropo. Es la teoría de la inflación, aceptada por la mayoría de científicos que dan por válido el modelo del Big Bang.

Una década después, a finales de los años 90, se dio otro gran paso más hacia el conocimiento del Universo cuando, tras la observación de una supernova distante y del fondo de raduación de microondas. Se observó que, al contrario de lo que hasta entonces se creía, la expansión del universo no se estaba frenando, sino que iba cada vez más aprisa, que se estaba acelerando. “Aquellas observaciones estaban en contra de lo que los cosmólogos pensaban, puesto que si haces explotar una cosa con masa, ésta tenderá a frenarse. En cambio, el universo no sólo no se frena sino que va cada vez más rápido”, explica Ignasi Ribas, astrofísico del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)”. Eso dio una pista a los astrofísicos para pensar que había algo más, una energía oscura que hacía que la expansión del universo fuera acelerada.

Estas observaciones no vaticinan un futuro nada prometedor para el Universo: “Nos da respuesta a una pregunta que hasta entonces no podíamos responder, que es cómo se acabará el universo. Y será así: se diluirá. Cada vez aumentará más la distancia entre las galaxias, entre los cuerpos celestes que las componen; la materia se irá desperdigando más y más, hasta que el universo se quede vacío y se borren las huellas dejadas por el Big Bang”, indica Ribas. “A medida que el espacio se vacíe debido a la aceleración de la expansión cósmica, la galaxia donde se encuentra la Tierra se irá rodeando de una total oscuridad y nos quedaremos solos en la nada”, sentencia el cosmólogo Lawrence M. Krauss, que dirige el centro para la educación e investigación en cosmología y astrofísica.

Algunos de los datos que corroboran esta expansión acelerada del Universo y la inflación de los primeros instantes proceden del Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM), en La Palma, donde se encuentra una de las baterías de telescopios más completa del mundo, con la que los astrofísicos estudian la distribución de las galaxias en el universo y miden la expansión del mismo, unas medidas clave para consolidar el modelo del Big Bang. “Con telescopios ópticos se ha podido determinar cuál es la composición química del material dominante en el universo y se sabe que es hidrógeno y helio, los mismos elementos que se producen en los primeros minutos de la evolución del universo”, explica Rebolo, Coordinador de Investigación del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)

Allí se encuentra, además, uno de los pocos telescopios de microondas que existen en el mundo y que permite  a los astrofísicos obtener información sobre la temperatura de la inflación. “Esta temperatura predice una expansión acelerada del universo en los primeros instantes y nos proporciona el esquema para pensar en las condiciones iniciales del modelo del Big Bang”, explica el director de este Observatorio. Con este experimento y similares, los científicos han podido recabar evidencias que les hacen pensar que el modelo de la inflación puede ser correcto.

Y aunque ya en los años 40 se había desarrollado una teoría que predecía su existencia, el fondo de radiación cósmica fue, de hecho, descubierto por azar en 1964, cuando dos radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson, confundieron la radiación que llegaba a los receptores de radio que estaban construyendo con un “ruido” de fondo sin importancia.  Pronto se dieron cuenta de que aquello que escuchaban era la banda sonora de la historia del Universo, las huellas de la radiación procedente de los primeros instantes tras el Big Bang. “Es la mejor herramienta de que disponemos para indagar sobre las condiciones físicas del Universo más primitivo, porque esta radiación ha permanecido prácticamente inalterada desde unos 400 mil años después de la singularidad inicial”, explica Rafael Rebolo.

Pero aunque la inflación aclara algunas cosas, no resuelve el principal misterio que alberga el Big Bang: ¿habría algo antes de aquella explosión? ¿Fue aquella explosión  el instante 0 de la historia del Universo?

El universo sin fin

Y quizás son esas las preguntas que atormentaban a dos físicos,  Paul J Steinhardt y Neil Turok.“Estábamos convencidos de que el Universo tenía un principio bien denifido; que pasó de la nada, de ningún espacio y ningún tiempo, de ninguna energía y ninguna materia a algo por una serie de procesos que no acabamos de entender”, explica el astrofísico Steinhardt, profesor de la Universidad de Princeton, que, junto al físico matemático Turok, de la Universidad de Cambridge, está revolucionando la cosmología moderna. “Pero, ¿y si no fue así? Quizás el espacio y el tiempo existían antes y los acontecimientos cruciales que fueron dando lugar a todo lo que observamos en el universo actual no sucedieron después del Big Bang sino antes y todo lo que vemos son las huellas, los vestigios de los acontecimientos que sucedieron antes de la gran explosión

Para Steinhardt y Turok, el universo no comenzó compacto, en un punto tan condensado como un electrón, ni tampoco estalló de forma violenta y dio lugar a toda la materia que vemos. Estos dos científicos defienden la idea de que nuestro universo es tan sólo una pequeñísima parte de un universo mucho mayor que nosotros, humanos, somos incapaces de observar. A esta idea la han bautizado como teoría del universo cíclico y, a diferencia de la teoría del Big Bang, no predice un inicio ni un final de los tiempos.

Vayamos por partes. Las teorías de universos cíciclos se pusieron de moda en la década de los años 20 y 30 y se basaban en la idea de que el Big Bang iba seguido de un gran crujido, Big Crunch, que, a su vez, iba seguido de otro Big Bang, y así hasta el infinito. En esos modelos, la materia “se reciclaba” una y otra vez, por lo que la entropía del Universo, es decir, su tendencia al desorden a lo largo del tiempo, aumentaba a cada ciclo y hacía, además, que cada ciclo fuera más largo. El modelo propuesto por Steinhardt y Turok también predice que se producen una serie continua e infinita de grandes explosiones y de grandes concentraciones de materia, separadas por etapas de expansión y contracción que duran miles de millones de años. Estos cosmólogos defienden que en la historia del universo se han producido ya varios Big Bang y otros cuantos Big Crunch, pero, y aquí radica una de las diferencias fundamentales entre la teoría de estos físicos y las anteriores, en el nuevo modelo de universo sin fin, éste empieza vacío cada vez, de manera que no se recicla materia.

Esta idea, claro, es sumamente compleja de explicar y mucho más de comprobar empíricamente, por lo que muchos astrofísicos han optado por descartar o dejarla de lado. Pero Steinhardt y Turok no han tirado la toalla y tratan de explicarla a partir de la teoría de cuerdas, uno de los avances más importantes en la cosmología de los últimos años y que ha dado lugar a una nueva comprensión del espacio y del tiempo. Es compleja y para tratar de entenderla, los físicos teóricos han tenido que renunciar a un mundo de cuatro dimensiones (tres en el espacio y una en el tiempo), para admitir que vivimos en una realidad con 10 u 11 dimensiones. Esta nueva teoría predice que vivimos en una realidad, una especie de membrana o “brana”, de cuatro dimensiones, que se mueve alrededor de las demás y las va ocultando a escalas muy pequeñas o muy grandes, y cada vez que dos de estas membranas se encuentran en el espacio y colisionan, generan un nuevo Big Bang.

El principio de mediocridad

Y si Steinhardt y Turok proponen que vivimos en un universo sin fin, el tándem formado por el ruso Alexander Vilenkin, director del Instituto de Cosmología de Tufts, y el catalán Jaume Garriga, profesor de la Universidad de Barcelona, afirman que el Big Bang no fue un episodio aislado en la historia del Universo, sino que es un fenómeno corriente y recurrente que crea universos paralelos en regiones remotas del espacio y del tiempo.

“No hay un solo universo, lo que llamamos nuestro universo  y podemos ver es tan sólo una parte ínfima del multiverso [un universo formado por múltiples universos], que está en eterno proceso de expansión explosiva acelerada, la inflación cósmica”, sentenciaVilenkin. Nuestro Big Bang, el  que sucedió en nuestro rincón de universo, ocurrió, en efecto, hace casi 14 mil millones de años, pero, en otros rincones de ese multiverso que no podemos ver ocurren y ocurrirán otros Big Bangs. Seguramente, mientras leen este reportaje, estarán estallando otros en algún lugar, más allá de las naves de Orión. Y así se seguirán creando regiones universales nuevas, puede que algunas parecidas a la nuestra y otras, totalmente diferentes. “Puede que haya otras regiones del universo con historias absolutamente idénticas a las nuestras. Puede que no seamos tan único e irrepetibles como pensamos. Puede que, en estos mismos instantes, haya otros seres que vivan en planetas similares a la Tierra”, apunta Alexander Vilenkin, cosmólogo y uno de los físicos teóricos más importantes del mundo.

Pero, ¿cuántos universos se crean? Pues… infinitos. “El multiverso está infinitamente en expansión ocasionando infinitos big bangs, que a su vez crean otros universos -afirma Vilenkin-. De manera que lo que pasa, volverá a suceder infinidad de veces: igual y con variaciones”.

Nuestro lugar en el mundo

Casi un siglo después de que el físico Albert Einstein afirmara que “lo más incomprensible acerca del universo es que es comprensible”, ese comentario sigue albergando mucha verdad. Diferentes equipos de cosmólogos trabajan en todo el mundo para intentar dar con la llave de esa gran caja de música que es el universo. Pero,¿y entonces?, on tanta teoría distinta, ¿dónde estamos? “Actualmente, hay muchas hipótesis que intentan o bien esclarecer algunas de las incógnitas que deja abiertas el Big Bang, o explorar caminos alternativos para tratar de hallar una explicación al origen del universo –explica el astrofísico Jordi Miralda, profesor ICREA del Institut d’Estudis Espacials-. Muchas de ellas son puramente especulativas, porque teorías hay muchas y, en cambio, la evidencia observacional es muy limitada en este campo. La idea de la inflación está bastante generalizada; se propuso hace tiempo y muchos científicos la consideran como la teoría principal a seguir. No obstante, y aunque seguramente va por buen camino, nos quedan aún que resolver muchas pistas para saber cómo se originó el Big Bang. Otras ideas, como los universos paralelos, no están necesariamente opuestas a la inflación y pueden ser perfectamente compatibles”

“Hay muchas teorías que no se podrán comprobar nunca a no ser que cambien las leyes de la física –opina el investigador Ignasi Ribas, del ICE-CSIC-. Lo que hems aprendido a lo largo de la historia es que no hemos tenido una situación privilegiada. Primero, el ser humano pensó que era el centro del mundo, luego del sistema solar, pero lo cierto es que somos muy normalitos, nada de ser especiales. Y a la pregunta de si somos los únicos seres vivos en el Universo, estoy convencido de que la respuesta es que no. Somos demasiado antropocéntricos”.

Para Rafael Rebolo,“ la investigación del origen del Universo nos abre la puerta hacia nuevas leyes que, quizás, puedan hacernos entender mejor la naturaleza”.Pero, ¿de qué sirve saber cuándo y cómo empezó todo? “Simplemente, porque a los seres humanos nos interesa saber cuál es nuestro lugar en el universo y qué sentido tiene que estemos aquí”. Y esa es una de las preguntas fundamentales de la especie humana.

(Despi)

Teoría del rebote

¿Y si el universo en lugar de estar en expansión constante, tal y como propone el modelo de la inflación, hubiera sufrido una especie de contracción y hubiera rebotado para después expandirse de nuevo? Desde hace una década, medio centenar de físicos trabajan en la teoría del rebote. Parten de la idea de que existe un universo muy grande y vacío, que se hunde sobre sí mismo hasta que los fenómenos de gravitación cuántica u otros comienzan a intervenir; entonces rebota y pasa a una fase de expansión.  Esta teoría del rebote es sumamente nueva, por lo que habrá que esperar un tiempo para ver si las observaciones la descartan o la corroboran.

¿De dónde salen las galaxias?

“Cuando se produjo el Big Bang, el estallido fue bastante homogéneo. Sin embargo, hubo algunas fluctuaciones de la energía que variaron un poco la densidad de la materia. Eran fluctuaciones sumamente pequeñas, pero a causa de la gravedad fueron creciendo y creciendo y dieron lugar a las galaxias, a los cúmulos de galaxias, a las estrellas y planetas dentro de las galaxias. Esas fluctuaciones determinaron la geografía del espacio”, explica Jordi Miralda, profesor de investigación ICREA de astrofísica del Instituo de Estudios Espaciales de Catalunya (IEEC)

Un Universo en expansión

El universo se expande a una velocidad de 71 km/s/MParsec. Un MParsec equivale a 3,26 millones de años luz, que es la distancia a la cual viajaría la luz en 3,26 millones de años. Eso significaría que si pusiéramos un objeto a 3,26 millones de años luz delante de nosotros, se alejararía a 71 km/s. Si lo pusiéramos el doble de lejos, entonces lo haría a 142 km/s, y así.

El Universo, claro, es mucho mayor que 3,26 millones de años luz. Y aunque todos nuestros vecinos galácticos se están alejando de nosotros y nuestra galaxia se va a quedar sola, esto ocurrirá en un futuro muy muy lejano. Nada más y nada menos que dentro de 100.000 o 200.000 millones de años. De hecho, cuando el Sol muera –y eso que aún le quedan unos 4.500 millones de años de vida- y la Tierra desaparezca, todavía faltará mucho para que nuestra galaxia se quede aislada.

Y esto se sabe porque los científicos miden detenidamente dónde están los objetos en el Universo y cómo los vemos desde la Tierra. Por ejemplo, el brillo de las supernovas es conocido y, además, son lo suficientemente luminosas para poder ser vistas a través del Universo. Comparando su brillo aparente con el real se calcula la distancia a la que están y, al analizar su espectro, se obtiene la velocidad a la que se alejan. De este modo, se diseña un mapa del Universo que muestra dónde están las cosas y a qué velocidad se están moviendo.

También se puede medir la Radiación de Fondo Cósmico de Microondas (Cosmic Microwave Background – CMB). Como es una radiación profunda, que existe desde el comienzo del Universo, muestra dónde estaban la energía y la materia poco después del Big Bang. Por lo tanto, los astrofísicos pueden comparar dónde estaban los objetos entonces y dónde están ahora, de manera que pueden hacerse una idea de cómo se ha transformado el Universo en los últimos 13.000 millones de años.

(*** Datos e información  extraídos de la web de divulgación de la astronomía Caosyciencia.com, del Instituto de Astrofísica de Canarias IAC)

Hitos cósmicos

10 ¯³º segundos

La inflación cósmica

100 segundos

Se crean el deuterio y el helio

400.000 años

Se libera la radiación de microondas

8.000 millones de años

La expansión comenza a acelerarse

13.700.000.000 años

Actualidad

100.000 millones de años

Las galaxias que rodean a la Vía Láctea se harán invisibles

100 billones de años

La última estrella se apagará

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Una respuesta a “¡Cosmoflipes!

  1. Interesante artículo!!

    Ahora sería bueno ahondar más en todas esas teorías…

    Personalmente, me gusta más la idea de varios big bang y que el universo no tenga principio ni final conocido…

    Saludos!
    J.A.

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