Universo en Expansión: Incertidumbres Astrofísicas.

Erase una vez el firmamento…

Desde los albores de la historia los seres humanos han levantado su mirada al firmamento, maravillados por aquellos fenómenos que no comprendían y buscando la esencia de su naturaleza.

Paralelamente, han intentado analizar, cada vez con mayor profundidad, el detalle de todo aquello que les rodeaba…

El llamado «grabado Flammarion», de Camille Flammarion (publicado originalmente en «L’atmosphère: météorologie populaire», Hachette, Paris, 1888, p.163), en una versión posterior coloreada por el austriaco Hugo Heikenwaelder ([email protected], www.heikenwaelder.at). CC BY-SA 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=680837

Ambos caminos transcurrieron de forma paralela hasta el siglo XX, cuando una serie de elementos nos hicieron sospechar la existencia de una estrecha relación entre ambos extremos: La naturaleza del Universo, modelado por la Cosmología y la Relatividad General; y la naturaleza de la Materia, modelada por la Mecánica Cuántica.

La serie de artículos que iniciamos hoy intentará hacer una pequeña introducción a algunos de estos conceptos que la Ciencia ha abordado en las últimas décadas para intentar hacer esa unificación de ambos extremos, el macrocosmos y el microcosmos, bajo una “Teoría del Todo” que pueda explicar de forma integral el suprasistema cósmico en que estamos inmersos.

Comenzaremos nuestra serie con un artículo sobre el concepto de la Energía Oscura y las implicaciones que supone su existencia en la concepción del Universo como un sistema abierto en expansión creciente acelerada. Pero, antes de hacerlo, debemos retrotraernos unas cuantas décadas en el tiempo para comprender cómo surge su postulado…

Un error… que no lo fue tanto

A los seres humanos siempre nos ha parecido que el Cosmos era algo estable e inmutable. Si lo entendemos etimológicamente, el firmamento no era más que la cúpula firme donde residían las estrellas…

Más allá de algunos elementos dinámicos como los planetas, sus satélites y los cometas, todos ellos desplazándose por el cielo siguiendo unos patrones que los astrónomos sistematizaron hace siglos, a principios del siglo XX el conjunto del universo parecía bastante estático, quizá infinito (o quizá no) pero estático al fin y al cabo.

Fotografia de una parte del Universo De NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI) – http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/27/image/a/ (image link), Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=33189266

Pero… un momento… aquí hay algo que no encaja:

• Si de acuerdo a la ley newtoniana de la gravedad todos los cuerpos se atraen entre sí, ¿cómo es posible entonces que las estrellas y galaxias se mantengan alejadas unas de otras en el transcurso de los miles de millones de años de historia del universo? ¿no deberían acercarse entre ellas? ¿qué las mantiene separadas?

Ya el propio Einstein había percibido tempranamente que faltaba “algo” en su Teoría de la Relatividad General. Para ajustar sus ecuaciones a la visión general de la época (que él compartía) acerca de un universo plano e inmutable, incorporó a sus ecuaciones en 1915 un factor de “repulsión” que contrarrestase la gravedad, la conocida “Constante cosmológica”, para así mantener un modelo de universo estático.

Sin embargo, unos años después –a caballo entre los años 20 y los años 30– matemáticos y físicos como A. Friedman y G. Lemaître publicaron algunos artículos en los que se mostraba que las ecuaciones originales de la Relatividad General establecían, de forma más que plausible, unos fundamentos teóricos que justificaban una naturaleza en expansión del universo.

A este trabajo teórico se unieron las observaciones de Edwin Hubble respecto a la posición y movimiento de diversas galaxias, que demostraban que las galaxias no estaban quietas ni se acercaban entre sí por efecto de la gravedad sino que… se estaban alejando unas de otras y, de hecho, las más lejanas lo hacían más deprisa que las cercanas.

Telescopio espacial Hubble, nombrado así en honor del astrónomo Edwin Hubble. De NASA – http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap021124.htmlhttp://spaceflight.nasa.gov/gallery/images/shuttle/sts-82/html/s82e5937.html, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=118762

A la vista de esta evidencia tanto teórica como empírica respecto a la expansión del universo, Einstein (como buen científico que era) tuvo que admitir su error al haber establecido en sus ecuaciones que el universo era plano y estático, y –aunque la anécdota es hasta cierto punto apócrifa- etiquetó a la Constante Cosmológica como “el mayor error de su vida”, un error que como veremos al final de este artículo quizá no lo fuese tanto.

Este descubrimiento, que el universo se expande, supuso abrir la puerta a nuevas preguntas:

• Si la teoría y las observaciones confirman que el universo se expande, ¿cuál será su final? ¿se seguirá expandiendo lenta y eternamente? ¿alcanzará dicha expansión un punto de equilibrio con la fuerza gravitatoria y quedará estable? ¿o acabará ganando la gravedad y acabará colapsando?

De la “expansión» a la «expansión acelerada»: la necesidad de un nuevo factor

En medio del debate entre las diversas posturas respecto al posible destino de nuestro universo en expansión, a finales de los años 90 del siglo pasado se produjo un descubrimiento totalmente sorprendente: Los estudios acerca de supernovas de tipo Ia (que tienen como característica principal una luminosidad constante, lo que permite que sean usadas como referencia para medir la distancia a la galaxia donde se encuentran), mostraban claramente no solo que las galaxias se alejan unas de otras sino que además lo hacen ACELERADAMENTE.

Restos de una supernova tipo Ia. De NASA/CXC/U.Texas – http://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/g299.jpg, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38492852

En pocas palabras, nuestro universo no sólo se expande, sino que… ¡lo hace cada vez más deprisa!

Este descubrimiento se vio ratificado por estudios posteriores en otros ámbitos de la astrofísica, como los relativos a la oscilación acústica de bariones o la distribución del fondo cósmico de microondas, y suponía a todos los efectos la necesidad de incorporar un nuevo elemento al modelo cosmológico.

Ya no nos encontrábamos tan solo con un universo que se expande a partir de un Big Bang, y que muy posiblemente tuvo un proceso inflacionario al inicio de su existencia (conceptos ambos de los que también hablaremos en otro momento). A ese marco había que añadir “algo” que sustentase las observaciones, un factor contrario a la gravedad que aportase ese efecto de repulsión, y además de forma acelerada.

A este factor –del que hablaremos con mayor profundidad en nuestro próximo artículo- es al que se denominó Energía Oscura, y si bien a día de hoy todavía hay distintas teorías y formulaciones respecto a su naturaleza, ha quedado suficientemente demostrado que como concepto es una necesidad: la expansión acelerada del universo es un fenómeno físico real cuya existencia se infiere a partir de todos los resultados empíricos obtenidos hasta el momento.

A partir de este momento uno de los mayores retos de la comunidad científica ha sido comprender y conocer la energía oscura…

Entre las varias propuestas de sistematización de esa misteriosa y abundante “Energía Oscura» (constituye cerca del 70% del contenido del universo), una de las más sencillas ha sido la recuperación de la ya mencionada Constante Cosmológica de Einstein.

Escultura de Einstein en el Parque de las Ciencias de Granada. De Frobles – Trabajo propio, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3891346

Aunque Einstein la introdujo como elemento que mantuviese la  naturaleza estática del universo, sus características han hecho que se la incorpore al Modelo Lambda-CDM, el modelo cosmológico con seis parámetros básicos –entre los que se encuentra la Lambda o Constante Cosmológica de Einstein- sobre el que siguen trabajando gran parte de los astrofísicos y matemáticos en sus investigaciones acerca de la naturaleza del universo.

Pero, como es habitual en Ciencia, el postulado de nuevas respuestas siempre conduce a nuevas preguntas…

• ¿Cómo se supone que funciona la Energía Oscura? ¿cómo puede haber un “algo” que se oponga a la fuerza de la gravedad y haga que los cuerpos se alejen, y encima cada vez más deprisa? ¿ha ejercido este efecto desde el origen del universo? ¿seguirá ejerciéndolo hasta desgarrarlo?
• ¿Qué implicaciones tiene respecto a nuestra percepción del cosmos? ¿tiene alguna relación esta «Energía Oscura» con la también misteriosa «Materia Oscura», o con los nuevos modelos de física de partículas?
• ¿Son todos estos postulados y teorías un conjunto de artefactos que se establecen ad hoc para justificar algo que no comprendemos, o existen realmente y forman parte del Sistema?…

Todas estas son preguntas que nos conducen a los debates científicos de mayor actualidad, a un escenario dinámico y en acelerada expansión (como el universo) que esperamos dibujar entre todos a partir de la serie que hemos iniciado con este artículo, una serie que supondrá un viaje a través de los últimos y más extraños descubrimientos sobre la naturaleza del Cosmos: el Big Bang, la Teoría Inflacionaria, la Materia Oscura,… ¿Nos acompañan?