Un universo en constante cambio.
Las vidas de las estrellas.
"Hay más cosas en el cielo y en la tierra, Horacio, de las que han sido soñadas en tu filosofía"
WILLIAM SHAKESPEARE La tragedia de Hamlet, príncipe de Dinamarca, ¿1599-1601?
"Un
elevado conocimiento está sólo a medias en el círculo luminoso del intelecto;
la otra mitad tiene sus raíces en el oscuro suelo de lo más recóndito; de
suerte que un gran conocimiento es ante todo un estado de ánimo y sólo en su
punta más exterior está el pensamiento, como una flor."
ROBERT MUSIL Las
tribulaciones del estudiante Törless, 1906.
Mi recuerdo personal de la serie Cosmos fue un verano en Asturias,
siguiendo la serie después de cenar en un restaurante de playa en mi querida
villa de Llanes. Recuerdo especialmente la ciudad de Vinci (no me puedo
imaginar por qué), como ejemplo de lo que podría ser viajar a la velocidad de
la luz, después de rebajarle unos cuantos ceros, para que fuera perceptible
para un ciclista. Lo que no podía
imaginar es que, diez años después, iba a ser yo quien fuera a trabajar en
Relatividad General.
La idea que teníamos
del universo en los años ochenta, básicamente la que prevalecía desde los años
veinte, era la de un universo homogéneo a gran escala que, dependiendo de la
cantidad de materia que contuviera, podría expandirse indefinidamente (muerte
fría) o acabar reconcentrándose en una nueva singularidad, contrapartida del
Big Bang inicial.
Por aquella época,
las observaciones daban a entender que estábamos próximos a la divisoria entre
ambas posibilidades, lo que suscitó el problema de la "materia
oscura", ya que la cantidad de materia observable no permitía aproximarse
ni de lejos a dicho límite. Tenía que haber materia oculta en forma de
estrellas apagadas, planetas inobservados, neutrinos con masa... Discusiones
que, por cierto, siguen aún en pie.
El cambio de
paradigma se dio a finales de siglo cuando las observaciones basadas en
supernovas daban a entender que nuestro universo se estaba expandiendo, pero aceleradamente
[1], lo que no cuadraba con los modelos que acabo de mencionar.
Desde entonces este
dato se ha ido corroborando con otros tipos de observaciones, lo que ha
complicado aún más el problema de nuestro desconocimiento del universo. Con las
observaciones del satélite Planck [2], se estima que el 4.9% del contenido del
universo es materia ordinaria, un 26.8% es materia oscura y nada menos que un
68.3% es la "energía oscura" que alimenta la expansión acelerada del
universo. ¡Una buena dosis de humildad admitir que nuestro conocimiento apenas
alcanza el 5% del universo!
Habrá que esperar a
la siguiente actualización, al menos, de este enigma, ya que a fecha de hoy no
tenemos la solución definitiva. Hay científicos que proponen una modificación
de la teoría de la gravedad, más allá de la relatividad general, frente a
quienes mantienen que se puede mantener la teoría añadiendo algún campo nuevo
más, que explique la energía oscura.
Universo en expansión. Dominio Público. Credito: NASA / STSci / Ann Feild
De momento, el modelo
más simple que responde correctamente a más preguntas es el modelo LCDM:
este modelo propone un universo sin curvatura espacial dentro de la teoría de
la relatividad general, en el que la materia oscura es "fría" (de ahí
las siglas CDM, Cold Dark Matter), en el sentido de que se mueve a velocidades
muy inferiores a la de la luz, y la energía oscura viene descrita por una
constante cosmológica L [3]. Sí, amigos, esto es un bonito ejemplo de la retranca de la historia:
Einstein propuso la constante cosmológica para mantener el universo estático,
hasta que tuvo que aceptar el universo en expansión y admitió que la constante
cosmológica había sido su mayor error. Parece que la constante cosmológica se
resistía a morir, como por otro lado apuntaban las teorías cuánticas de campos,
que predecían constantes cosmológicas grandes.
Otras propuestas
sustituyen la constante cosmológica por un campo, como la
"quintaesencia" (los físicos tenemos un sentido del humor muy fino
escogiendo nombres) [4]. No es una cuestión menor, ya que, dependiendo de la
naturaleza de este campo el universo podría no expandirse indefinidamente, como
cabría suponer, sino acabar en un Gran Desgarro (Big Rip en inglés) [5], otro
tipo de singularidad, distinta de la inicial, en la que todas las estructuras,
galaxias, sistemas solares... se irían desgarrando al aproximarse al tiempo
final.
Nos estamos poniendo
un poco apocalípticos. Por eso, vayamos a las buenas noticias. Más allá de la
constante cosmológica, una de las grandes predicciones de la teoría de la
relatividad general, pendiente desde su publicación, era la existencia de ondas
gravitacionales.
Para situarnos, hasta
el siglo XIX eran conocidas las ondas materiales (olas en la superficie del
agua, sonido en el aire, ondas sísmicas en la corteza terrestre...) y la
publicación de las leyes de Maxwell del electromagnetismo vino a poner patas
arriba nuestras ideas sobre ondas, ya que describían un nuevo tipo de ondas,
las electromagnéticas, que se propagaban en el vacío, sin necesidad de soporte
material. Esto causó mucha controversia en su momento, invocando la existencia
(¿nos suena esta historia?) de un fluido, el éter, que permeaba el universo.
Pero hoy en día está plenamente aceptada la propagación de la luz, de las ondas
de radio, de los rayos X, de las microondas, en el vacío.
Pero la relatividad
general iba un paso más allá, ya que una de sus consecuencias es que el propio
espaciotiempo puede fluctuar, dando lugar a ondas gravitacionales.
¿Por qué no se habían
detectado las ondas gravitacionales? Por su extrema debilidad. A la escala de
los protones la fuerza gravitatoria es 10-36 veces más débil que la
fuerza electromagnética. Pero, no solo eso, la radiación electromagnética es
fundamentalmente dipolar (la antena más sencilla es el dipolo, formado por una
carga positiva y otra negativa oscilantes). Pero en la gravitación no hay masas
negativas, por lo que tenemos que bajar un orden para hallar la radiación
cuadrupolar (debida a objetos cuya densidad varía y que no son esféricos). Esto
supone que la radiación gravitatoria se diluye con la distancia mucho más
rápidamente que la radiación electromagnética, lo cual, unido a su debilidad,
ha supuesto un quebradero de cabeza para su detección [6].
Por la debilidad de
la fuerza gravitatoria, no podemos esperar la emisión de una antena gravitatoria,
del tipo de las habituales de radio, con experimentos en la superficie
terrestre. Nos vemos abocados a esperar acontecimientos muy energéticos, aunque
distantes, del tipo de explosiones de supernovas, colapso de sistemas binarios
formados por agujeros negros o estrellas de neutrones, rotando en torno a su
centro de masa a velocidades de vértigo. Como el efecto del paso de una onda
gravitacional altera el espaciotiempo, se esperaba que medidas ultraprecisas de
longitudes pudieran detectar el paso de dichas ondas.
De hecho, aunque no
se hubieran detectado directamente dichas ondas gravitacionales, sí que
teníamos pruebas indirectas de su existencia: en 1974 Hulse y Taylor detectaron
ondas de radio provenientes de un púlsar binario, PSR B1913+16, formado por dos
estrellas de neutrones rotando en torno a su centro de masas, con un periodo
cada vez más corto y órbitas cada vez más cerradas, lo que implicaba una
pérdida de energía. Esta disipación de energía se puede explicar con notable
precisión teniendo en cuenta la energía de las ondas gravitacionales emitidas
por el sistema, aunque no detectadas [7].
Así pues, para la
confirmación definitiva de la existencia de las ondas gravitacionales solo
faltaba su detección directa.
El funcionamiento de
un detector es fácil de entender, ya que es el mismo de la interferometría
láser: se basa en dividir un haz láser en dos haces con direcciones
perpendiculares, que se vuelven a reunir mediante espejos, pudiendo observarse
los patrones de interferencia entre los dos haces. La idea es que la llegada de
ondas gravitacionales del espacio causaría una distorsión del espaciotiempo,
que acortaría o alargaría el recorrido de los haces del interferómetro,
alterando el patrón de interferencia. En el observatorio LIGO (Laser Interferometer
Gravitational Wave Observatory), los brazos del interferómetro tienen cuatro
kilómetros de longitud y permite detectar variaciones de 10-18 metros. Obviamente, para evitar observaciones espúreas y ampliar las
posibilidades de detección, estas instalaciones están repartidas por el mundo
para evitar posibles fuentes de error locales.
El 14 de septiembre
de 2015 se detectó por primera vez la señal del colapso de un sistema formado
por dos agujeros negros [8]. Desde entonces, entre LIGO y Virgo (una instalación
europea similar ubicada en Italia) se ha incrementado el número de detecciones
de ondas gravitacionales, provenientes de sistemas binarios de agujeros negros,
estrellas de neutrones y mixtos. ¡La era de la astronomía de ondas
gravitacionales ha comenzado!
De cara al futuro,
está previsto llevar la detección al espacio, con proyectos como LISA (Laser Interferometer Space Antenna) con tres satélites enlazados con haces láser.
Aunque
los dos fenómenos anteriores parecen eclipsar todo lo demás, no quisiera
terminar esta reseña sin mencionar un tercero, el más antiguo de todos: la
detección de inhomogeneidades en la radiación de fondo del universo.
En
sus primeros instantes, el universo era un plasma formado por electrones,
protones, neutrones y fotones que no podían formar átomos por su elevada
energía. Solo cuando su temperatura bajó de los 3000 K, cuando el universo
tenía una edad de 380.000 años, la energía de los fotones dejó de ionizar los
nacientes átomos y la luz pudo viajar sin ser dispersada. Por la expansión del
universo, en la actualidad la temperatura de estos fotones es de 2,7 K [9].
Dicha radiación fue detectada por primera vez en 1965 por Penzias y Wilson de
manera fortuita [10], ya que apareció como ruido de fondo en su instrumental. De
hecho, ¡la "nieve" que observábamos en nuestros antiguos televisores
analógicos se debía en parte a la recepción de la radiación de fondo!
En
su momento la detección de la CMB se consideró una prueba de la teoría del Big
Bang frente a teorías hoy ya descartadas como la del universo estacionario. Sin
embargo, su éxito planteaba ciertos problemas, ya que la radiación presentaba
una notable isotropía, aunque debía presentar inhomogeneidades que dieran
cuenta de la irregular distribución de materia del universo actual. Fue el
satélite COBE el que en 1992 detectó por vez primera estas inhomogeneidades
[11]. Desde entonces otras misiones espaciales como WMAP y Planck, así como
otras observaciones en la superficie terrestre, han completado el mapa de las
inhomogeneidades, tanto en intensidad como en polarización, de la radiación de
fondo del universo, confirmando detalles como la existencia de una etapa de
expansión inflacionaria en los primeros instantes del universo.
Como
curiosidad personal, la publicación de los primeros resultados del COBE
coincidió prácticamente en el tiempo con la de mi primer trabajo sobre
cosmologías no singulares. ¡A eso se le llama tener ojo clínico! En mi descargo
he de decir que a fecha de hoy el papel de la singularidad inicial está lejos
de estar claro, algo que solo una teoría de la gravedad cuántica acabará por
dilucidar. Pero, eso, ¡tal vez en la próxima edición de este libro!
Referencias:
[1] A. Riess et al,
1998, Observational Evidence from
Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant, Astronomical J. 116,
1009.
[2] N. Aghanim et al,
2020, Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters, A & A (en imprenta).
[3] S. Carroll, 2001,
The Cosmological Constant, Living
Reviews in Relativity 4: 1.
[4] R.R. Caldwell, R.
Dave, P.J. Steinhardt, 1998), Cosmological
Imprint of an Energy Component with General Equation-of-State. Phys. Rev. Lett. 80,
1582–1585.
[5] R.R. Caldwell, M.
Kamionkowski, N.N. Weinberg, 2003, Phantom Energy: Dark Energy
with w<−1 Causes a Cosmic Doomsday, Phys. Rev. Lett. 91,
071301 (2003).
[6] C.W. Misner, K.S.
Thorne, J.A. Wheeler, 1973, Gravitation,
San Francisco, W. H. Freeman.
[7] J.M. Weisberg,
J.H.Taylor, L.A. Fowler, 1981 Gravitational
waves from an orbiting pulsar, Scientific
American 245, 74–82.
[8] B.P. Abbott et al,
2016, Observation of Gravitational Waves
from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102.
[9] R.A. Alpher, R.
Herman, G.A. Gamow, 1948, Thermonuclear
Reactions in the Expanding Universe, Physical Review 74: 1198.
[10] A.A. Penzias, R.W.
Wilson, 1965, A Measurement of Excess
Antenna Temperature at 4080 Mc/s, Astrophysical Journal 142, 419.
[11] N.W. Boggess et
al, 1992, The COBE Mission: Its Design
and Performance Two Years after Launch, Astrophysical Journal 397, 420.
Leonardo Fernández Jambrina.
Doctor en Ciencias
Físicas, Licenciado en Ciencias Físicas y en Ciencias Matemáticas.
Catedrático de Matemática
Aplicada, Universidad Politécnica de Madrid.
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