ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO

[*ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO*]

Ahora que la Física de altas energías está preparando un importante experimento que es posible que arroje alguna luz sobre la constitución última de las partículas y, paradójicamente, de la estructura del vacío, lo cual nos puede conducir a un mejor conocimiento de la era inflacionaria, una de las primeras etapas después de la Gran Explosión, nos planteamos la pregunta evidente: ¿Cuál fue el origen de nuestro universo?

Esta cuestión ha preocupado desde siempre a la humanidad y en muchas culturas la ha incluido dentro de los “dogmas” o creencias religiosas. Sin embargo, el estado actual de los conocimientos científicos nos permite diseñar una teoría con muchas posibilidades de ser cierta.

El origen del universo se trata de un acontecimiento postulado por la teoría cosmológica generalmente aceptada, en el que tuvo lugar la aparición, en un momento definido del pasado, hace unos 13500 millones de años, de toda la materia y energía existentes en la actualidad.

Los primeros indicios provinieron del descubrimiento del astrónomo estadounidense Edwin Hubble, en la década de 1920, de la expansión del Universo, pues los cúmulos de galaxias se alejan entre sí a una velocidad directamente proporcional a la distancia que las separa. Por su parte, la teoría de la relatividad general de Einstein también predice esta expansión. Si los componentes del Universo se están separando, se induce que en el pasado estaban más cerca, y retrocediendo lo suficiente en el tiempo se llega a la conclusión de que todo salió de un único punto matemático, una singularidad, en una bola de fuego conocida como Gran Explosión o Big Bang. El descubrimiento de Penzias y Wilson, en 1965, de la radiación de fondo cósmica, interpretada como un “eco” del Big Bang, fue considerado una confirmación de esta idea y una prueba de que el Universo tuvo un origen.

No hay que imaginarse el Big Bang como la explosión de un trozo de materia situado en el vacío. En el Big Bang no sólo estaban concentradas la materia y la energía, sino también el espacio y el tiempo, por lo que no había ningún lugar fuera de la bola de fuego primigenia, ni ningún momento antes del Big Bang, ni siquiera podemos hablar de la existencia entonces de un espacio vacío como hoy lo concebimos. Es el propio espacio lo que se expande a medida que el Universo envejece, alejando los objetos materiales unos de otros.
Si se conoce la tasa de expansión del Universo, se puede calcular su edad según el tiempo requerido para alcanzar su tamaño actual. Hace pocos años, un equipo de Suiza con Gustav Tamman a la cabeza y otro en Estados Unidos, dirigido por Wendy Freedman, han determinado la edad del Universo entre 13500 y 15500 millones de años. Para ello han calculado con mucha mayor exactitud el valor de la constante de Hubble, acotándola entre 60 y 70 km/s, gracias a los datos suministrados por el telescopio espacial del mismo nombre. Las medidas más recientes basadas en estrellas cefeidas y supernovas de galaxias situadas a unos 50 millones de años luz arrojan un valor de 71 km/s, concediendo a nuestro universo una edad muy aproximada de 13500 millones de años con bastante probabilidad.

Quedan por averiguar muchos detalles, como la manera exacta en que se forman las galaxias, pero el modelo estándar de las primeras etapas evolutivas del Universo descansa sobre bases sólidas. Esto se corrobora por una serie de aspectos en los que convergen la física de partículas y la cosmología.

Por un lado, las modernas teorías de la gran unificación, que son objeto de estudio de la física teórica, predicen tanto la inflación como la presencia de “materia oscura”, sin las cuales la cosmología tendría graves problemas. Los astrónomos saben desde hace décadas que hay mucha más materia en el Universo de la que podemos ver. Se manifiesta a través de la atracción gravitatoria que ejerce sobre las galaxias y cúmulos de galaxias visibles, lo que afecta a la forma en que se mueven. Los cálculos arrojan una cantidad de materia oscura en el Universo como mínimo diez veces mayor que la de materia luminosa. Ahora bien, no es posible que toda esta materia se halle en la forma conocida, llamada a veces materia bariónica, porque en ese caso no funcionaría el modelo del Big Bang, pues fallaría en alguna de sus predicciones. En particular, la cantidad de helio esperada no coincidiría con la cantidad observada en las estrellas más antiguas, que se formaron poco después.

Dicha materia oscura estaría constituida por partículas que no participan en interacciones electromagnéticas ni en ninguna de las dos interacciones nucleares, y sólo se ven afectadas por la cuarta fuerza fundamental, la gravedad. Así, cuando el Universo surgió del Big Bang y la materia ordinaria y la radiación se desacoplaron, las irregularidades en la distribución de la materia oscura en el espacio crearon enormes “baches” gravitatorios que frenaron el movimiento de las partículas de materia bariónica. Esto habría posibilitado la formación de estrellas y galaxias en torno a esos “puntos”, y explicaría la distribución actual de los cúmulos de galaxias en el Universo, en una estructura esponjosa formada por hojas y filamentos arrollados alrededor de zonas o “burbujas” oscuras carentes de galaxias.

Satélite COBE

Hay varios candidatos posibles para ser los constituyentes de la materia oscura: neutrinos con masa, enanas marrones (objetos resultantes de la evolución de las estrellas, más pequeñas y más débiles que el Sol y que no están sometidos ya a reacciones nucleares), agujeros negros y partículas subatómicas exóticas, cuyas propiedades impiden su detección observando la radiación electromagnética.
Es interesante resaltar que estas teorías fueron desarrolladas de forma aislada de la cosmología, sin pensar que sus resultados podían aplicarse al Universo en su conjunto, lo que puede animarnos a creer en su veracidad con mayores argumentos.

Por otro lado, las medidas de la actual radiación de fondo de microondas (una temperatura alrededor de 3 K) revelan la temperatura que existía en el Universo en la fase de nucleosíntesis, y llevan a la predicción de que el 25 % de la materia de las estrellas antiguas debería encontrarse en forma de helio, lo que coincide con las observaciones. Además, la estructura detallada de ondulaciones en la radiación de fondo, detectada por el satélite COBE en primera instancia y perfeccionada por el WMAP posteriormente, revela la influencia de una cierta materia oscura que actuó gravitatoriamente sobre la materia luminosa algunos cientos de miles de años después del principio, cuando la temperatura aún era de unos 3000 K, y que debió formar el tipo de estructuras a gran escala que corresponde a la distribución actual de las galaxias.

La coincidencia entre los hallazgos de la física de partículas, esto es, del mundo de lo extremadamente pequeño, obtenidos en experimentos terrestres y la estructura del Universo en expansión, el mundo de lo extremadamente grande, deducida de las observaciones astronómicas, es lo que convence a los cosmólogos de que la idea general del origen del Universo es esencialmente correcta. Aún así, quedan muchos detalles por resolver. Precisamente es en el CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) de Ginebra donde se esperan resolver alguna de estas incógnitas en la primavera de 2009.

Y finalmente nos asalta una última duda: ¿Cómo será el futuro del universo? Podemos afirmar que se trata de uno de los problemas clave del modelo del Universo en expansión: saber si el Universo es abierto o cerrado, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer. Un intento de resolverlo es determinar si la densidad media de su materia es mayor que el valor crítico establecido por los cálculos de Friedmann. Si hay relativamente poca materia, la atracción gravitatoria mutua entre las galaxias disminuirá escasamente las velocidades relativas y el Universo se expandirá indefinidamente, resultando un Universo abierto, infinito en extensión. Sin embargo, si la densidad está por encima de un valor crítico estimado en 9,5•10-30 g/cm3, la expansión descenderá hasta detenerse y comenzará la contracción, que acabará en el colapso gravitatorio total. Éste sería un Universo cerrado. El destino de este universo colapsado es incierto, pero según el modelo de universo pulsante u oscilante, explotaría de nuevo, originando una nueva expansión, luego se volvería a colapsar y así hasta el infinito.