El universo en su infancia

Autor: Carlos A. Marmelada
Publicado en: Ampliación del artículo Materia oscura y energía oscura, enigmas de la cosmología. Foto de infancia del universo publicado en Aceprensa 038/03
Fecha de publicación: 12 de marzo de 2003

Una sonda de la NASA, WMAP, ha permitido componer la "foto" más detallada que se ha obtenido hasta ahora del universo primitivo, a los 380.000 años de edad. Los nuevos datos permiten explicar mejor cómo se formó el cosmos actual a partir del Big Bang; pero a la vez refuerzan la importancia de la materia oscura y la energía oscura, sin desvelar la naturaleza de estas entidades. Y, claro, siguen sin decir de dónde vino el Big Bang.

1. Foto de infancia del Universo

Actualmente la inmensa mayoría de los miembros de la comunidad científica considera, grosso modo, que la teoría del big bang es la concepción cosmológica más correcta de que tenemos sobre el origen del universo. Según esta teoría, el universo habría surgido hace unos 15.000 millones de años (tal como se venía estimando durante la década de los setenta y los ochenta) a partir de la gran explosión (big bang) producida en una singularidad que habría dado lugar al espacio-tiempo y a toda la materia-energía existente hasta ahora.

Nuestras teorías científicas no tienen forma de saber qué sucedió entre el momento de la gran explosión (t = 0) y el llamadotiempo de Planck (t = 10 elevado a -43 segundos). Al periodo comprendido entre ambos instantes el físico James S. Trefil le denomina la Edad de los dragones, para expresar de una forma simpática el desconocimiento que tienen los cosmólogos de ese lapso de tiempo crucial. Cualquier cosa que digamos acerca de lo sucedido en la Edad de los dragones es pura especulación. En muchas ocasiones será un despliegue intelectual realmente admirable gracias al grandioso aparato matemático que le acompaña, pero especulaciones al fin y al cabo. ¿Por qué? Pues porque no existe forma humana posible de realizar experimentos que reproduzcan las condiciones físicas que debieron darse en ese lapso de tiempo. Para ello necesitaríamos construir un acelerador de partículas del tamaño del sistema solar y, además, sería necesario utilizar unas cantidades de energía absolutamente fuera de nuestro alcance. Se trata de dos dificultades prácticas insalvables. Son dos handicaps demasiado grandes como para pensar que se van a poder soslayar a corto o medio plazo, incluso resulta impensable poder solventar estas cuestiones a largo plazo. Desde luego, pueden diseñarse otros experimentos más modestos, pero no podrán reproducir las condiciones exactas de la Edad de los dragones. Serán experimentos cuyos resultados sólo podrían ser extrapolables, con todas las limitaciones que ello implica. Así, pues, todas las explicaciones que nos den las teorías que quieran describirnos los sucesos acaecidos en la edad de los dragones serán especulaciones puramente teóricas.

Una vez pasado el tiempo de Planck la cosa cambia substancialmente. Las teorías físicas pueden explicarnos con un grado de verosimilitud ciertamente elevado lo que muy probablemente debió de suceder en realidad. Para mayor seguridad, en los aceleradores de partículas se han podido comprobar muchas de las predicciones que esas teorías habían hecho.

Sin embargo, una cosa es tener un conocimiento teórico del universo en su infancia a través de cálculos matemáticos o de experimentos realizados en aceleradores de partículas extrapolando sus conclusiones, y otra muy distinta es tener una observación empírica del universo en su más tierna infancia.

El desarrollo tecnológico nos ha permitido lanzar al espacio una sonda capaz de hacer la "foto de infancia" del universo, la foto más antigua y con mejor resolución jamás lograda hasta ahora, aunque esperamos que la sonda europea Planck pueda superarla en el 2007.

2. WMAP

La sonda WMAP de la NASA ha permitido componer por ordenador la foto más detallada que se ha obtenido hasta ahora del universo primitivo, cuando "sólo" tenía 380.000 años de antigüedad; es decir: cuando tan apenas era "bebé", si lo comparamos con los 13.700 millones de años que tiene actualmente. Los datos que ha suministrado WMAP nos han permitido comprender un poco mejor cómo se ha formado el universo a partir del big bang; sobre todo en lo que se refiere a las grandes estructuras como las estrellas o las galaxias. Sin embargo, como sucede casi siempre en ciencia, junto a las respuestas que proporcionan los nuevos conocimientos aparecen, concomitantemente, nuevos interrogantes. Así, los datos obtenidos por WMAP confirman la importancia que tienen la materia oscura y la energía oscura en la configuración del universo tal como lo conocemos hoy; aunque, lamentablemente, WMAP no nos ha podido desvelar nada acerca de la naturaleza de ambas entidades, que son los dos grandes enigmas a los que se enfrenta la cosmología actual. Dos retos fascinantes que tienen en jaque a la cosmología y que están absorbiendo los esfuerzos más notorios de físicos teóricos y astrónomos.

Pese a este déficit de información sobre la energía y la materia oscuras, las aportaciones de la sonda WMAP son muy importantes. Al analizar sus datos, los científicos no han podido dejar de sorprenderse. Tanto los cosmólogos como los astrofísicos coinciden en reconocer que nuestros conocimientos acerca de los orígenes y la evolución del universo, el nacimiento de las primeras estrellas y la formación de las primeras galaxias deberán ser revisados a la luz de los nuevos datos.

Hasta hace poco los cosmólogos creían que las primeras estrellas se habían formado casi mil millones de años después del big bang; que la materia oscura no había jugado un papel relevante en la formación de dichos astros; que el universo tenía una antigüedad comprendida entre los 10 y los 20 mil millones de años, y que su expansión se venía decelerando por la acción de la gravedad. Estos eran los elementos básicos de nuestra visión del cosmos hasta principios de los noventa. Durante esa década, numerosas anomalías en este paradigma hacía sospechar que las cosas no podían ser exactamente así. Los datos proporcionados por WMAP confirman estas sospechas y nos obligan a revisar nuestros conocimientos acerca de estos temas.

El satélite MAP (Microwave Anisotropy Probe o sonda de anisotropías de microondas) fue lanzado al espacio el 30 de junio de 2001. Más tarde fue rebautizado con el nombre: WMAP en honor a la memoria de David Wilkinson, cosmólogo de la NASA y uno de los primeros directores del proyecto hasta su fallecimiento en septiembre de 2002. La sonda tardó tres meses en alcanzar su órbita, situada a 1'5 millones de kilómetros de la Tierra. En cada revolución hace una exploración completa del firmamento cada seis meses.

3. La edad del universo

A principio de los años treinta del siglo pasado y gracias a los trabajos de Edwing Hubble, se hizo "observacionalmente" evidente de forma indirecta que el universo no era estático sino dinámico y que se estaba expandiendo, de modo que las galaxias se alejaban unas de las otras. De este modo se hizo popular la evidencia, sugerida teóricamente por George Lemaîttre a finales de los años veinte, de que si pasábamos la película al revés llegaría un momento en que toda la materia y la energía estarían unidas en una singularidad espacio-temporal. Ahora bien, ¿cuánto tiempo habría transcurrido desde que ocurrió el big bang hasta nuestros días? O lo que es lo mismo, ¿cuál es la edad del universo?

Los primeros cálculos, realizados por le propio Hubble en los años treinta, arrojaron una cifra desconcertante, ya que le otorgaban al universo unos 2500 millones años de antigüedad. Algo que era absolutamente imposible porque ya se sabía que la edad de la Tierra superaba los 4000 millones de años. Desde luego había habido algún error en el cálculo. Esta situación paradójica, de un modo u otro, se ha seguido manteniendo hasta hace muy poco, ya que se producía la inquietante situación de que los nuevos cálculos para la edad del universo solían dar cifras en las que éste resultaba ser más joven que las estrellas más antiguas¹, lo que es imposible. Aunque nuevos cálculos aumentaron la edad del universo, no era suficiente y, sobre todo, estas vacilaciones y estas modificaciones ad hoc servían a los críticos del big bang como argumento a favor de la debilidad de esta teoría. En los 70 y los 80 era normal afirmar que el universo tenía unos 15000 millones de años de antigüedad, se trataba de una cifra casi estándar, aceptada un tanto convencionalmente. Sin embargo, en los 90 con la puesta en servicio de unos satélites como Hipparcos², o del telescopio espacial Hubble se intentó resolver el problema de la edad del universo. De hecho, una de las razones principales por las que se construyó el Hubble fue para poder determinar de una vez por todas el valor real de la constante de Hubble (Ho), una constante fundamental para determinar muchos de los parámetros esenciales para nuestro conocimiento adecuado del universo.

El satélite europeo Hipparcos fue puesto en órbita el 8 de agosto de 1989 por un cohete Ariane 4. Estuvo en servicio hasta 1994. Los datos definitivos de la misión estuvieron listos en 1996, justo el mismo día que se cumplía siete años del lanzamiento del satélite. Se trataba de un verdadero mapa del universo en tres dimensiones. Hipparcos midió el brillo y la distancia de más de cien mil estrellas con una precisión sin precedentes hasta aquellas fechas. Gracias a ello se pudo establecer que: "la edad de las estrellas más viejas ha rejuvenecido unos 4000 millones de años; la edad del universo se estima ahora entre 10.000 y 20.000 millones de años"³.

Ya hemos dicho que encontrar el valor de Ho, la citada constante de Hubble, es crucial para determinar nuestro conocimiento sobre muchos aspectos del universo. Los especialistas en el estudio de la evolución del universo necesitan conocerla con total exactitud para poder determinar el destino del universo. Los expertos en la formación de galaxias necesitan saber su valor exacto para poder precisar cuánto tiempo transcurrió desde el big bang hasta la formación de las primeras galaxias. Quienes se dedican a profundizar en la teoría de la relatividad necesitan conocer su valor para poder precisar si es necesaria o no la introducción de la constante cosmológica. La constante cosmológica es una de las posibilidades más factibles para explicar la actual expansión acelerada del universo. Dicha constante sería la representante de una fuerza de repulsión antigravitatoria procedente de la energía del vacío cuántico y que haría que el universo se estuviera expandiendo actualmente de forma acelerada, en vez de decelerar, tal como mandaría la lógica del concepto clásico de big bang. Volveremos sobre ella más adelante.

Los estudios a partir de los datos proporcionados por Hipparcos determinaban que la constante de Hubble tenía un valor aproximado de 60 más-menos (+/-) 10 km/s/Mpc. Es decir: que una galaxia se alejaría de nosotros a una velocidad de 60 km por segundo por cada megaparsec⁴ de distancia al que se halle de nosotros. Lo que significa que: las galaxias que se encuentran a 3'3 millones de años luz se alejarán a una velocidad de 60 km/s; en cambio, las que se hallan a dos megaparsecs de la Tierra (o sea: a 6'6 millones de años luz) lo harán a 120 km/s, las que estén a tres megaparsecs lo harán a 180 km/s... y así sucesivamente. Si el valor de Ho fuera realmente 60 km/s/Mpc entonces el universo tendría una antigüedad próxima a los 12.000 millones de años⁵.

Estudios de Cefeidas⁶ variables llevados a cabo por el telescopio espacial Hubble permitieron determinar que la constante de Hubble tenía un valor de 70 +/- 10 km/s/Mpc con lo que la edad mínima del universo no podía ser inferior a los 12.000 millones de años, y, para sus valores superiores, debería de rondar los 13.000 millones de años. Estos datos se hicieron oficiales durante el congreso anual de la Sociedad Americana de Astronomía, celebrada la primera semana de junio de 1999.

Sin embargo, los datos proporcionados por la sonda WMAP son mucho más precisos... y tranquilizadores. En efecto, según este satélite de la NASA la antigüedad del universo debe de ser de 13.700 millones de años, con un margen de error de tan sólo el 1%.

Son resultados tranquilizadores porque a mediados de los 90 del siglo pasado se decía que "las recientes mediciones encaminadas a conocer la velocidad de la expansión cósmica, la constante de Hubble, sugieren que el universo podría ser más joven de lo que se pensaba. Algunas de las observaciones apuntan a que podría no haber cumplido los 10.000 millones de años de antigüedad, aunque en nuestra Vía Láctea se han visto estrellas que, según se cree, superan de lejos esa edad. ¡Si son correctos tanto los datos de la constante de Hubble como las edades de las estrellas se produce, pues, una contradicción, un imposible! Si hay que admitir que las galaxias elípticas cercanas a 3C234, con un corrimiento hacia el rojo de 1'2, ya contaban con edades avanzadas, los problemas se agudizan aún más"⁷.

Como hemos visto, WMAP ha arrojado luz sobre el valor de Ho, y sus datos parecen ganarse la confianza de los científicos ya que "las mediciones (de las pequeñas fluctuaciones de la radiación de fondo cósmica de microondas realizada por) el satélite WAMP, combinadas como otros análisis, han arrojado una Ho muy similar a la del Key Project: el valor central, dentro de un margen de error experimental, es 71"⁸.

Una de las razones principales por la que se construyó el Telescopio Espacial Hubble (TEH) fue la de poder medir con mayor precisión Ho. El Key Project (o Proyecto Clave) es uno de los programas del TEH encaminado a conseguir este objetivo. Fue el mayor proyecto acometido por el telescopio en su primer decenio de servicio y quedó acabado en el 2001, tras ocho años de trabajo. El Key Project combinó los resultados de diversos métodos de medición de Ho y obtuvo "una media ponderada de estos valores [que] da un resultado para Ho de 72 +/- 8"⁹.

4. La formación de las primeras estrellas y las primeras galaxias

Durante décadas se pensó que las primeras estrellas se debieron de formar unos mil millones de años después del big bang. Sin embargo, los datos proporcionados por WMAP sugieren que se formaron muchísimo más pronto, alrededor de unos 200 millones de años después de la gran explosión. Confirmando así lo que se venía sospechando recientemente, que "según modelos cosmológicos, los primeros sistemas pequeños capaces de formar estrellas aparecieron transcurridos de 100 millones a 250 millones de años desde la gran explosión"¹⁰.

La sonda WMAP no pudo observar directamente la luz emitida por las primeras estrellas, sino que identificó una señal polarizada que es una huella inequívoca de la energía liberada por las primeras estrellas del universo. Por otra parte, el mapa del universo primigenio, cuando éste contaba con tan sólo 380.000 años de existencia, ofrecido por WMAP muestra que no es perfectamente homogéneo. Si hubiera sido así hoy no existiríamos nosotros. En aquella época se daban unas pequeñas fluctuaciones de temperatura (conocidas como inhomogeneidades o anisotropías de la Radiación Cósmica de Fondo o del Fondo Cósmico de Microondas; RCF o FCM respectivamente) que indican la presencia de diminutos agregados de materia que, con el paso del tiempo (unos doscientos millones de años) darían lugar a las primeras estrellas y, posteriormente, a las primeras galaxias, generando así las inmensas macroestructuras galácticas que hoy componen nuestro universo. Dichas estructuras, en la actualidad, además de las estrellas y las galaxias, comprenden los cúmulos de galaxias y los supercúmulos de galaxias. Por ejemplo: nuestro planeta, y la estrella en torno al cual gira, se halla en la Vía Láctea, concretamente en el exterior de un extremo de uno de sus brazos. Nuestra galaxia, a su vez, pertenece al cúmulo de galaxias del Grupo Local, formado por unas 30 galaxias. Por su parte, este cúmulo, junto con otros, forman un supercúmulo de galaxias denominado: Supercúmulo de Virgo. Al parecer, los supercúmulos son las megaestructuras más grandes que permite el universo. Hasta ahora no se habían detectado macroestructuras mayores que los supercúmulos de galaxias, por ejemplo: cúmulos de supercúmulos de galaxias. Ahora bien: ¿no los hemos detectado porque no hemos desarrollado la tecnología o el aparato matemático para ello o porque no pueden existir? Desde estudios muy recientes, sabemos que se trata de esto último; la geometría, la densidad y, en definitiva, los parámetros de nuestro universo no lo permiten.

Ahora bien, ¿cómo supo WMAP que las estrellas se habían formado cinco veces antes de lo que mayoritariamente se venía suponiendo? Porque "tras la emisión de la radiación de FCM, unos 380.000 años después de la gran explosión, la mayoría de los fotones viajaron por el universo sin dispersarse. Pero algunos sí fueron dispersados por partículas cargadas, que polarizaron la radiación a lo largo de anchas franjas del cielo. Las observaciones de esta polarización a gran escala realizadas por el satélite WMAP muestran que una fina niebla de gas ionizado dispersó alrededor del 17 por ciento de los fotones del FCM unos cientos de millones de años después de la gran explosión. Este porcentaje tan alto es quizás una de las mayores sorpresas de los datos del WMAP. Se suponía que la radiación de las primeras estrellas, de una masa y un brillo muy grandes, ionizó la mayor parte del hidrógeno y del helio del universo. Este proceso se conoce como reionización, porque devuelve el gas al estado de plasma en que se encontraba antes de la emisión del FCM. Pero se calculaba que ocurrió casi mil millones de años después de la gran explosión; en tal caso, sólo, se habría dispersado un 5 por ciento de los fotones. Que WMAP haya observado un porcentaje mayor señala que la reionización sucedió antes. Este descubrimiento pone en un brete a los modelos de formación de las primeras estrellas"¹¹.

Así, pues, el elevado porcentaje de fotones que fueron reionizados (y dispersados) tras la emisión de la radiación de fondo de microondas indica que las estrellas se formaron mucho más pronto de lo imaginado hasta ahora. Por consiguiente, la datación de la formación de las primeras estrellas es posible gracias a la capacidad que tiene WMAP para hacer mediciones de la polarización de la RCF. Como ya hemos dicho, los cosmólogos pensaban que las primeras estrellas se habían formado mucho más tarde y se explicaba mediante modelos que incorporaban la materia oscura caliente. Los nuevos datos aportados por WMAP hacen pensar que la materia oscura es fría (CDM o Cool Dark Matter).

5. Anisotropías e inhomogeneidades de la RCF

Los cosmólogos calculan que el universo se empezó a hacer transparente (es decir: que la materia y la radiación se separaron) unos 300.000 años después del big bang. El satélite WMAP ha podido detectar las características de esa radiación cuando tenía 380.000 años. Por ello, las imágenes obtenidas por WMAP se corresponderían, prácticamente, con los primeros instantes del universo visible. Entonces ni siquiera existían las estrellas. Lo que ha captado WMAP es la célebre radiación cósmica de fondo (la RCF) predicha por la teoría del big bang; algo así como el eco de la gran explosión con la que, según el paradigma vigente, empezó a existir el universo. WMAP fue lanzado al espacio con la misión de conseguir imágenes más detalladas de la RCF que las que había obtenido COBE (Cosmic Background Explorer), un satélite que en 1992 logró causar un gran revuelo al ofrecer imágenes de dicha radiación. La resolución de los instrumentos transportados por COBE lograron demostrar que existían ciertas inhomogeneidades (irregularidades en la distribución de la materia y la energía en el espacio que ocupaba entonces el universo naciente) que podían dar cuenta de la formación de los supercúmulos de galaxias (las macroestructuras más grandes que conocemos hasta la fecha). WMAP fue lanzado al espacio con la tecnología apropiada para encontrar inhomogeneidades o anisotropías que pudiesen explicar la formación de los cúmulos galácticos (los elementos componentes de los supercúmulos galácticos). WMAP ha logrado captar las imágenes de la RCF con mayor resolución y definición obtenidas hasta la fecha (lo que significa un nuevo espaldarazo a favor de la teoría del big bang); mostrándonos que aunque la RCF es muy homogénea, por fortuna, no lo es absolutamente, ya que existen pequeñas irregularidades en su isotropía o distribución de la materia-energía en el espacio.

Distribución de la radiación cósmica de fondo en el universo según la sonda COBE.

Distribución de la radiación cósmica de fondo en el universo 380.000 años después del Big Bang, según la sonda WMAP. Los puntos más claros, que representan zonas donde la radiación tenía más energía, son las "semillas" de los cúmulos y supercúmulos galácticos. (Imagen: NASA/WMAP Science Team)

WMAP ha conseguido determinar que cuando el universo tenía 380.000 años de antigüedad, había algunos lugares en los que la temperatura de la radiación cósmica de fondo era de 2,7251 grados Kelvin (es decir: poco más de 2'7º por encima del cero absoluto, cifrado en -273º Celsius o 0º Kelvin); mientras que en otros lugares la radiación presentaba una temperatura de 2'7249º K. Como puede comprobarse se trata de una diferencia de millonésimas de grado, pero es lo suficientemente grande como para poder determinar la presencia de anisotropías o irregularidades de la distribución espacial de la radiación cósmica de fondo. Gracias a estas inhomogeneidades hoy podemos estar nosotros aquí viviendo nuestras vidas. Las zonas del espaciotiempo con mayor temperatura serían, precisamente, las semillas que darían lugar a las primeras estrellas. No obstante, a gran escala, la radiación cósmica de fondo presenta una gran homogeneidad, incluso en la infancia del universo, algo que concuerda con la teoría del estado inflacionario, postulada en los ochenta por Alan Guth y Andrei Linde, según la cual inmediatamente después del big bang la aceleración con la que se expandía el universo se incrementó súbitamente y entró en una fase de expansión acelerada, transcurrida la cual volvió a entrar en una fase de expansión "normal".

La RCF es un residuo fósil de la gran explosión con la que suponemos que se inició el universo. Fue predicha teóricamente por George Gamow y la descubrieron en la naturaleza en 1964, de un modo totalmente casual, los ingenieros Arno Penzias y Robert Wilson. La RCF fue fotografiada por primera vez en 1992 por el satélite COBE.

Una millonésima de segundo después de la gran explosión se formaron las primeras partículas y antipartículas materiales, que se aniquilaban mutuamente. Sobre este aspecto, cabe comentar, aunque muy someramente, pues su estudio detallado nos alejaría demasiado del tema a tratar, que todavía sigue siendo un auténtico misterio para los cosmólogos por qué existe materia en vez de antimateria en el universo; de hecho, "la existencia de la materia es un capítulo inacabado de la teoría de la gran explosión del origen del universo, que, por lo demás acierta a explicar casi todo lo que observamos"¹². Pocos segundos después la temperatura descendió a unos tres mil millones de grados y la energía de la radiación perdió la capacidad de crear pares de partículas de materia y de antimateria en una cantidad significativa.

Ya dijimos que cuando un par homólogo de partículas de materia y antimateria se encuentran se aniquilan mutuamente liberando energía. Dichos aniquilamientos dejaron a los fotones (las partículas que transportan la luz, también llamados cuantos de interacción electromagnética) como las partículas más numerosas; el universo estaba en la era de la radiación. Los fotones, los neutrones y los protones no dejaban de colisionar entre sí, al mismo tiempo que el universo se expandía y se enfriaba. En teoría la materia y la antimateria deberían de haberse destruido mutuamente, sin embargo algo de materia prevaleció sobre la antimateria. La existencia de las inhomogeneidades es una buena prueba de ello. Pero esto constituye, precisamente, uno de los grandes interrogantes de la cosmología actual: explicar por qué la materia se impuso a la antimateria¹³. Las Teorías de la Gran Unificación (TGU; GUT's en inglés: Greatest Unification Theories) proponen que debió de producirse una violación de la simetría carga-paridad (violación CP), dos propiedades cuasisimétricas de las partículas. Aún así, la pregunta clave sigue en pie: ¿Cómo pudo producirse dicha violación CP?

Tres minutos después del big bang la temperatura del universo, de su "sopa cósmica", bajó hasta los mil millones de grados, la misma temperatura que puede hallarse en el núcleo de muchas estrellas actuales. En estas circunstancias las numerosas colisiones de fotones con protones y neutrones ya no podían impedir que, ocasionalmente estos últimos se uniesen formando los núcleos de futuros átomos. Pero los fotones todavía tenían la capacidad de evitar que los electrones se unieran a los núcleos formados por protones y neutrones, los llamados nucleones por ser las partículas que forman los núcleos de los átomos. Sin embargo, durante miles de años no se pudieron formar los átomos porque la radiación dominaba sobre la materia.

Ahora bien, unos 300.000 años después del big bang, la temperatura había bajado hasta los 3.000 grados. Mucho antes de esa fecha la temperatura había bajado tanto que los fotones ya no podían evitar la unión entre los electrones y los núcleos atómicos y se pudieron empezar a formar los primeros átomos de hidrógeno, helio, deuterio, etc. Por esas fechas la materia y la radiación se separaron y aquélla empezó a dominar la evolución del universo. Se dice que entonces éste se volvió transparente, ya que los fotones podían desplazarse sin colisionar con ninguna partícula de materia. Así, a partir de ese instante, la radiación ya no colisionaba con la materia y empezó a viajar junto a ésta a lo largo de la evolución del universo. De modo que, la radiación cósmica de fondo no es otra cosa que los fotones que quedaron libres para desplazarse por el universo a partir de unos 300.000 años después de la gran explosión, y que hoy captamos con satélites como WAMP, COBE o BOOMERANG y MAXIMA, en su momento, y dentro de muy pocos años con la sonda europea Planck.

6. La materia y la energía oscura

Los datos confirmados por WMAP parecen confirmar que el universo está formado por un 4% de materia bariónica ordinaria (los átomos y las partículas subatómicas que forman los cuerpos naturales tales como las estrellas o los seres humanos); un 23% demateria oscura (fría y caliente, aunque ésta última está perdiendo protagonismo en la cosmología actual dejando el terreno despejado para la materia oscura fría o Cool Dark Matter, CDM), una entidad que no se sabe exactamente qué es, aunque se supone que debe de estar formada por elementos pesados de materia bariónica como los MACHOS (del inglés: massive astrophysical compact halo objects; en castellano: OHCM, es decir, objetos de halo compacto masivo), tales como agujeros negros o enanas marrones; o partículas exóticas como los neutrinos, los hipotéticos axiones, los photinos o los célbres WIMPs (acrónimo inglés procedente de las palabras: weakly interacting massive particle, es decir: partículas masivas de interacción débil). El 73% restante lo debe de componer una forma exótica de energía: la energía oscura¹⁴, una misteriosa energía del vacío asociada al espaciotiempo, considerada como una de sus propiedades, con la cualidad de dilatarlo o expandirlo haciendo que las galaxias se alejen unas de otras, tal como lo harían una serie de puntos dibujados en la superficie de un globo a medida que éste se fuera hinchando. Según esto, la velocidad de escape de las galaxias superaría a la de recesión fruto de la atracción gravitatoria, de modo que la expansión del universo sería indefinida; acabando su existencia en una muerte térmica. El universo se enfriaría irremisiblemente. El espacio se iría expandiendo más y más y el universo se convertiría en un lugar frío y oscuro.

No obstante se ha de confirmar que la cantidad de materia existente en el universo no supere una cierta densidad crítica de masa que haría que la expansión se detuviera y se iniciara un proceso de implosión. Esto último, pese a que no es lo que actualmente se cree que sucederá, ya que la energía de repulsión es positiva, o sea existe y actúa, no puede descartarse definitivamente hasta que no sepamos cuál es el papel exacto que juega la materia oscura, pues aún no sabemos en qué consiste, ni cuáles son sus propiedades físicas. Cuando sepamos cuáles son las propiedades y cómo es el comportamiento de la materia oscura podremos predecir mejor la evolución del universo. Lo mismo cabe decir de la energía oscura que, al parecer, le está ganando claramente la partida a la gravedad, expandiendo al universo de una forma indefinida.

7. Planck. El satélite de tercera generación

Si COBE fue el primer gran paso en el estudio y medición de las fluctuaciones del Fondo Cósmico de Microondas y WMAP es el presente, la sonda Planck de la Agencia Espacial Europea es el futuro más inmediato. Se trata de una misión programada por la Agencia Espacial Europea (ESA) desde hace varios años y que será lanzada al espacio en el 2007, si no se produce ningún retraso. La finalidad principal de esta misión es hacer un mapa de las fluctuaciones de temperatura de la Radiación de Fondo de Microondas en todo el cielo.

El satélite Planck es el fruto de la combinación de dos proyectos: SAMBA (Satellite for Measurament of Background Anisotropies) y COBRAS (Cosmic Backgroun Radiation Anisotropy Satellite). Tras ser seleccionados ambos proyectos se unieron en uno solo denominado Planck en honor del famoso científico alemán que puso los fundamentos teóricos de la mecánica cuántica y del estudio de la radiación de un cuerpo negro. El Fondo Cósmico de Microondas emite radiación con las características propias de un cuerpo negro. Sí se compara la gráfica de emisión de la radiación del FCM y de la que la teoría predice para un cuerpo negro coinciden plenamente, algo que avala la hipótesis del big bang, ya que esta teoría predice la existencia de ese tipo de radiación de microondas.

La sonda Planck se enviará al espacio para realizar mediciones de la Radiación Cósmica de Fondo aún más precisas que las que ha hecho WMAP. Planck tiene un rango de frecuencia más amplio que WMAP, así como una percepción angular (una capacidad para determinar imágenes) superior, de modo que las mediciones de Planck han de superar con creces las de WMAP. Si no se produce ningún fallo, la información de Planck sobre el universo en su infancia, cuando la radiación se separó de la materia, la medición de la temperatura de la Radiación Cósmica de Fondo, el estudio de la formación de las primeras estructuras, la posible geometría del universo, y otras cuestiones, ha de ser mucho más completa y precisa que la brindada hasta ahora por ninguna otra sonda, incluida WMAP.

El proyecto Planck se aceptó justo un par de semanas después que la NASA aprobara el proyecto WMAP. Pudiera parecer que se trataba de establecer una fuerte competencia entre las dos agencias, pero no fue así. Planck es un proyecto mucho más ambicioso y caro que WMAP. Es un proyecto más potente; de hecho, una de las razones por las que la NASA seleccionó a WMAP fue por su sencillez e inmediatez, es decir: por su simplicidad y rapidez en su puesta en marcha. Era una misión barata y de rápida ejecución. Aunque sufrió varios retrasos se ejecutó con bastante rapidez; Planck, por su parte, ha tardado mucho más en ir concretándose por ser una misión mucho más complicada con muchos problemas tecnológicos que se han tenido que ir superando progresivamente. Un ejemplo de estas dificultades las representan la refrigeración activa de los detectores del instrumental científico que transporta la nave. Estos detectores, al ser extremadamente sensibles necesitan actuar a temperaturas mucho más bajas que los de WMAP. De hecho, la complejidad de la misión Planck se puede calibrar también por el tiempo que se lleva trabajando en su preparación: se empezó a pensar en ella a principios de los noventa.

Otra diferencia fundamental entre WMAP y Planck es que aquél proyecto necesita utilizar datos de otros experimentos para poder obtener información cosmológica importante, algo que genera cierta incertidumbre, ya que son experimentos realizados en otros contextos, con otras frecuencias, y se debe hacer una extrapolación de sus resultados. En cambio, Planck está concebido de tal manera que, por sí sólo pueda obtener la información que se está buscando con este experimento, de modo que no se tengan que hacer extrapolaciones a partir de otros datos. Ambos proyectos no son, pues, comparables, excepto en el objeto de investigación: La Radiación Cósmica de Fondo.

Más allá de Planck la Agencia Espacial Europea ya está preparando las nuevas misiones. De momento únicamente están en la fase inicial de diseño ya que la programación en firme de la ESA llega sólo hasta el 2010. La década siguiente se está empezando a planificar ahora y de momento se hallan en una fase muy embrionaria. En la NASA sucede algo similar. Allí están preparando los Einstein probes (las sondas Einstein): son proyectos a largo plazo enmarcados dentro de un mismo programa. Una de estas sondas tiene como misión estudiar la Radiación de Fondo de Microondas, concretamente su polarización. Se espera que aporte información interesante relacionada con la posible inflación que pudo haber sufrido el universo poco después del big bang. La sonda Planck también va a medir la polarización de la RCF, pero se ignora a qué nivel lo realizará, aunque se es optimista y se cree que lo hará a fondo. Sin embargo la ESA también está interesada en hacer una misión específica para determinar la polarización de la RCF; aunque, de momento, se trata sólo de ideas que no se han concretado. Desde luego, las restricciones presupuestarias que sufren las agencias espaciales podría llevarles a colaborar en una misión conjunta en este campo.

8. Cosmología e ideología

Desde un punto de vista ideológico tiene interés advertir que no deja de haber quienes intentan resucitar la vieja teoría del big crunch, según la cual el universo no necesitaría de un Creador ya que sería eterno, puesto que estaría en un continuo proceso de expansión e implosión. Resurrección que, eso sí, incorporaría los nuevos descubrimientos relativos a la materia oscura y a la energía oscura, así como a la última versión de la teoría de la inflación. En esta línea va la propuesta de Paul J. Steinhardt, de la Universidad de Princeton, y Neil Turok, de la Universidad de Cambridge, quienes en su trabajo: A Cyclic Model of the Universe¹⁵, afirman que el tiempo no tiene ni comienzo ni final, sino una serie infinita de bucles de expansión y contracción.

Pese a los grandes logros que se están consiguiendo en el campo de la cosmología, todavía no sabemos cómo fue exactamente el origen del universo. Además, la física de los primeros instantes de existencia de la materia y la energía nos permanecen desconocidos. Todavía no se ha logrado una teoría de la gravedad cuántica (que nos explicaría lo sucedido entre t=0 y el tiempo de Planck, t=10 elevado a -43 segundos) que resulte lo suficientemente convincente como para conseguir un mínimo de consenso entre la comunidad científica. Sirvan de ejemplo, a este respecto, las palabras del célebre cosmólogo Martín Rees: "Es preciso distinguir entre lo que ocurrió en los primeros instantes del primer segundo del universo y el resto de la evolución cósmica. Los datos de que disponemos permiten describir la historia del universo desde el segundo uno hasta el presente (...) En el curso del primer segundo, en cambio, las leyes de la física actualmente vigentes pierden sentido, las hipótesis dejan de ser verificables y entramos en el terreno de la especulación (...) No tenemos pruebas de lo que pudo haber ocurrido en los primeros instantes del segundo uno. La hipótesis de la explosión inicial -es decir de un instante cero de energía infinita- es una extrapolación de las leyes de la física a una situación en que estas leyes dejan de ser aplicables. Por ello, es perfectamente probable que la extrapolación sea incorrecta y que el big bang nunca haya ocurrido"¹⁶.

Notas

(1) "El cálculo de la velocidad de expansión del universo (expresada por la constante de Hubble) ha puesto en dificultades más de una vez a los cosmólogos. ¡Ha sugerido que el universo es más joven que algunas estrellas de nuestra galaxia!" (Joseph Silk:Nacimiento e historia del universo; en Mundo Científico: El nacimiento del cosmos; p. 9).

(2) Llamado así en honor del célebre astrónomo griego que, junto con Apolonio, propuso, entre el siglo III y II antes de Cristo, el sistema de epiciclos y esferas excéntricas que, posteriormente, tanto popularizó Claudio Ptolomeo, con la finalidad de sustituir el sistema de esferas homocéntricas. Grosso modo, el modelo astronómico de estos personajes duró hasta la revolución copernicana del S. XVI.... ¡Casi dieciocho siglos!.

(3) Michel Froeschlé: Hipparcos retoca la edad del universo; Mundo Científico, nº 182, septiembre de 1997; p. 716.

(4) Un megapársec equivale a una distancia de un millón de parsecs, es decir: de 3'3 millones de años luz. Un kilopársec equivale a mil parsecs, o sea: 3'3 mil años luz. De modo que un pársec serán 3'3 años luz.

(5) Cf. Guilles Theureau: El universo desvela finalmente su edad; Mundo Científico Extra: El nacimiento del cosmos, pp. 70-74.

(6) Las Cefeidas son estrellas de luminosidad variable. Como existe una relación entre su luminosidad absoluta y su período, midiendo el período de una Cefeida y su brillo aparente se puede determinar su distancia.

(7) F. Ducci Macchetto y Mark Dickinson: Las galaxias del universo joven; Investigación y Ciencia, julio de 1997, p. 56.

(8) Wendy Freedman: La constante de Hubble y el universo en expansión; Investigación y Ciencia, junio de 2004, nº 333, p 45.

(9) Ibidem, p. 42.

(10) Richard B. Larson y Volker Bromm: Estrellas primigenias; Investigación y Ciencia, febrero de 2002, p. 52.

(11) Wayne Hu y Martín White: La sinfonía cósmica; Investigación y Ciencia, nº 331, abril de 2004, p. 48.

(12) James M. Cline: El origen de la materia; Investigación y Ciencia, nº 345, junio de 2005, p. 48. El autor de este artículo añade que: "Para un cosmólogo, la existencia de materia es desconcertante, un problema que no ha encontrado solución desde que la física teórica hubo de planteárselo hace casi cuarenta años". Ibidem.

(13) Cf. Helen R. Quin y Michael S. Witherell: Asimetría entre materia y antimateria; Investigación y Ciencia, nº 267, diciembre de 1998; pp. 42-47.

(14) Cf. Carlos A. Marmelada: El misterio de la energía oscura; Aceprensa Servicio 101/04, 21 de julio de 2004.

(15) Science, Vol. 296, pp. 1436-1439; 24 de mayo 2002.

(16) La Vanguardia, entrevista a Martín Ree; suplemento de Ciencia y Tecnología, sábado 7 de noviembre de 1992, p. 11.

Bibliografía

• Aceprensa, servicios 79/95 (Mariano Artigas, "Georges Lemaître, el padre del Big Bang"), 154/00 (Carlos A. Marmelada, "Teorías sobre el Big Bang, con Dios al fondo") y 103/01 (Carlos A. Marmelada, "¿Qué había antes del Big Bang?"). Estos servicio están disponibles en el CD-ROM de Aceprensa.
• Hay amplia información divulgativa sobre los temas tratados en este artículo en un número monográfico de IAC Noticias (especial 2002), revista del Instituto de Astrofísica de Canarias, titulado "Materia oscura y energía oscura en el Universo". Se puede acceder a él desde la página del Instituto de Astrofísica de Canarias (documento PDF, 1.540 Kb).
• Sobre la RCF: J.L. Sanz y E. Martínez-González, "Radiación cósmica de fondo de microondas", Investigación y Ciencia (abril 1993). La revista, edición española de Scientific American, se puede obtener, previo pago, en la página de Investigacion y ciencia.
• Sobre la formación de las primeras estrellas se pueden consultar los trabajos: Ron Cowen, "Cazadores de galaxias. En busca del amanecer cósmico", National Geographic (febrero 2003); Richard B. Larson y Volker Bromm, "Estrellas primigenias", Investigación y Ciencia (febrero 2002).
• Sobre la materia oscura: Mordehai Milgrom, "¿Existe realmente la materia oscura?", Investigación y Ciencia (octubre 2002).
• Sobre la energía oscura: Lawrence M. Krauss: "Antigravedad cosmológica", Investigación y Ciencia (marzo 1999).