Un viaje virtual por el
Universo observable.
Viajes a través del espacio y el tiempo.
Carl Sagan estimuló nuestra imaginación
hablándonos de viajes a otras estrellas, tal vez incluso más allá, a otras
galaxias, con naves que se desplazaran a velocidades próximas a las de la luz.
Estos viajes están todavía muy lejanos en el tiempo, pero antes de pensar en
viajar físicamente a lugares remotos del Universo, debemos aprender a movernos
(¡mentalmente!) por él. Y para ello necesitamos un conocimiento preciso del
Universo en que vivimos. La concepción del Cosmos en que habitamos ha
evolucionado a medida que las civilizaciones mejoraban su tecnología y eran
capaces de acceder a observaciones del Universo que nos rodea, y a interpretar
su significado físico. Vivimos una era de grandes avances en el pensamiento,
pero probablemente uno de los avances con mayor impacto filosófico lo
constituye el hecho de que, por primera vez en la historia de la Humanidad,
creemos haber alcanzado a explorar los límites del Universo observable.
El
gran cambio de paradigma se produjo en 1929, hace poco menos de un siglo. Hasta
entonces la idea que prevalecía era que el Universo se limitaba a nuestra
Galaxia, que “flotaba” en un vacío ilimitado, infinito y eterno. La idea estaba
tan arraigada que incluso forzó a Albert Einstein a incluir una “constante
cosmológica” que evitara que un Universo de esas características colapsara,
como preveían las ecuaciones de su Relatividad General. Gracias a una sucesión
de pequeños avances, como la calibración de distancias a partir de las
estrellas cefeidas que realizó Henrietta Levitt y la mejora de las
observaciones astronómicas realizadas por diversos astrónomos, Edwin P. Hubble
realizó dos descubrimientos sorprendentes:
en primer lugar, nuestra Galaxia era tan sólo una más en un Universo
compuesto por infinidad de ellas, y en segundo lugar, las galaxias se alejaban
unas de otras, y cuanto más lejos estaban, más rápidamente se alejaban. Este
resultado, combinado con los trabajos teóricos de Georges Lemaître basados en
la Relatividad General, llevaron a la conclusión de que el Universo no era
estático, sino que se encontraba en expansión. Einstein pudo eliminar su
constante cosmológica, a la que calificó como “el peor error de su carrera” (aunque
el reciente descubrimiento de la Energía Oscura nos haga pensar que en realidad
no fue tal error).
Este
descubrimiento tuvo unas tremendas implicaciones filosóficas. Por una parte, un
Universo en expansión no era eterno: una vez medida la velocidad a la que el
Universo se expandía, era relativamente sencillo calcular cuánto tiempo lo
llevaba haciendo. Con las medidas más precisas que tenemos hoy en día se estima
que el Universo lleva 13.800 millones de años expandiéndose. La segunda
implicación también tenía una enorme relevancia filosófica: dado que la luz
tiene una velocidad finita, cuanto más lejos están las galaxias que observamos,
su luz fue emitida más atrás en el tiempo. Como la edad del Universo es finita,
no podremos observar ningún objeto que se encuentre a más de 13.800 millones de
años luz. El Universo observable por lo tanto no es infinito, sino que tiene
límites, y estos límites se encuentran muy lejanos en el Espacio, pero sobre
todo, ¡muy lejanos en el Tiempo!
No
podemos concebir el Universo observable en que vivimos sin tener en cuenta su
estructura espacio-temporal. Realicemos una serie de experimentos mentales (Gedankenxperiment), como los que tanto
le gustaban a Albert Einstein, y viajemos virtualmente por el Universo.
Supongamos que observamos galaxias lejanas con el Gran Telescopio Canarias
desde la isla de La Palma. Con sus 10 metros de diámetro (¡el mayor telescopio
óptico-infrarrojo operativo en el mundo!) tiene capacidad de detectar la luz de
estrellas que se formaron en los primeros 1.000 millones de años tras el Big
Bang en que se formó el Universo que conocemos. Estamos viendo cómo era el
Universo joven, cuando se empezaron a formar las primeras galaxias. Dentro de
unos años, cuando nuevos telescopios como el
James Webb Space Telescope (JWST) o
el Extremely Large Telescope (ELT) se pongan en marcha, podremos
llegar a analizar en detalle la luz de las primeras estrellas que se
encendieron tan sólo unos 300 milones de años tras el Big Bang. Es sorprendente
que nos podamos acercar tanto con nuestros sentidos (¡electrónicos!) al origen
del Universo. Pero es que, sin salir de las Islas Canarias, podemos observar
con el telescopio Quijote la luz que
se emitió antes incluso, cuando el Universo tenía tan sólo unos 380.000 años de
edad. Antes de ese momento, el Universo era muy denso y caliente, la materia
estaba ionizada en forma de plasma, y era opaca a la radiación
electromagnética. Pero la expansión del Universo enfrió ese gas cósmico,
permitiendo que los protones y los electrones se ligaran de manera estable,
dando lugar a átomos de hidrógeno (74%) helio (25%) y trazas de otros
elementos, como el litio. Esta materia neutra apenas interactuaba con la luz, y
los fotones comenzaron un largo viaje por un Universo casi vacío (a medida que
la expansión progresaba, la densidad media de materia disminuía de manera
constante). Y con instrumentos como Quijote
podemos llegar a estudiar las propiedades de la luz emitida durante aquel
cambio de fase, a la temprana edad de 380.000 años, cuando la temperatura era
de unos 3.000 K. Mediante radiación electromagnética no podemos llegar más
lejos en el espacio, ni más atrás en el tiempo, ya que el medio era opaco. Pero
es posible que logremos extraer información de épocas anteriores por medio de
las ondas gravitacionales que tuvieron que emitirse durante una etapa
especialmente convulsa del Universo. O, mejor dicho, midiendo los efectos que
dichas ondas produjeron en el medio, generando patrones que buscan hoy en día
instrumentos como Quijote.
Continuemos
con nuestro experimento. Imaginemos ahora que nos vamos a observar con alguno
de los telescopios instalados en Australia, casi en nuestras antípodas. De
nuevo, observando objetos lo suficientemente alejados, llegaremos otra vez a
los primeros tiempos de nuestro Universo, y de hecho llegaremos otra vez a la
misma época en que se experimentó el cambio de fase que hizo el medio
transparente a la luz. Y lo mismo ocurriría si nos vamos al polo Norte, o al
polo Sur, o al Ecuador, miremos hacia donde miremos llegaremos siempre a la
barrera que se formó a los 380.000 años. En realidad, si nuestros ojos fueran
sensibles al rango de las microondas, el cielo nocturno no sería negro, sino
que estaría dominado en todas direcciones por la radiación cósmica de fondo que
se produjo tras el Big Bang. De hecho, así lo vemos observando con telescopios
espaciales como COBE, WMAP o Planck.
Supongamos
ahora que dicha barrera no existiera, y que el Cosmos fuera transparente desde
su primer momento (o que encontráramos alguna tecnología que nos permitiera
llegar más allá). Miráramos desde donde miráramos llegaríamos al mismo punto
inicial, el mismo punto en el espacio y en el tiempo: un punto que, por efecto
del Big Bang, se expandió hasta rodearnos como una burbuja. Amazing! como diría Carl Sagan. Es
difícil imaginarse un Universo como el que acabo de describir. En realidad,
vivimos en el centro de una burbuja de 4 dimensiones (3 espaciales y una
temporal) tal que la capa más externa corresponde al origen del Universo, y por
lo tanto al origen del Espacio y del Tiempo. Y esa capa más externa se aleja de
nosotros a gran velocidad debido a la expansión del Universo, por lo que la
burbuja es cada vez mayor. En la figura se trata de representar este concepto,
y se muestran las regiones que hemos podido explorar con nuestros telescopios.
Con el conocimiento que tenemos hoy en día, esta hiperesfera tendría un radio
espacial de unos 45.000 millones de años luz, y un radio temporal de unos
13.800 millones de años. Esta distancia, 45.000 millones de años luz,
aparentemente muy grande para un Universo con sólo 13.800 millones de años de
existencia, indica la distancia a la que en la actualidad se encontrarían las
galaxias que se formaron en las regiones cuya radiación cósmica de fondo
podemos ver ahora, pero por el efecto de regresión temporal no podemos recibir
su luz tal y como son ahora.
Representación gráfica
del concepto actual de Universo observable: una hiperesfera de 3 dimensiones
espaciales, con un radio de ~45.000 millones de años luz, y una dimensión
temporal con un radio de 13.800 millones de años. El observador se encuentra en
el centro de la hiperesfera, cuya superficie se expande de manera continua.
Cortesía del Consorcio DEUS
No
intentemos imaginarnos qué hay más allá de la “burbuja”: en el límite, cuando
nos acercamos a la escala de Planck (10-44
s, 10-35 m),
los conceptos físicos de Espacio y de Tiempo pierden el sentido físico que
tienen en nuestra realidad cotidiana. Entender qué pasó en aquellas condiciones
requerirá el desarrollo de una teoría cuántica de la gravitación, en la que se
afanan multitud de cosmólogos. El Prof. Pedro Naranjo Pérez nos cuenta en este
volumen qué pudo pasar en aquellas condiciones, e incluso si la expansión que
observamos hoy en día pudo haber estado precedida por un gran colapso de un
Universo previo.
La idea del Universo observable como una
hiperesfera centrada en el observador, con un tamaño finito y en continua
expansión, plantea nuevos interrogantes. En primer lugar, si aplicamos el mismo
razonamiento, veremos que el Universo observable para otro observador que
estuviera en una remota galaxia sería una hiperesfera similar, pero ¡no sería la misma! El Universo
observable no es único, sino que depende de la posición del observador. Amazing, indeed! Lo que nos lleva a la
segunda cuestión: ¿qué hay más allá del Universo observable? ¿Existe un
Universo físico que sea mucho más grande, del que sólo podamos observar una
pequeña fracción? Parece evidente que debería ser así, pero nos encontramos con
un problema conceptual de gran profundidad. Debido a la expansión del Universo,
y la velocidad finita de la luz (y de cualquier otro tipo de radiación, como la
gravitacional, que pudiera transportar información), no puede llegarnos ningún
bit de información de ninguna región que esté “fuera” de nuestro Universo observable
(como hemos visto, ¡el concepto de “fuera” ni siquiera estaría bien definido!).
¿Qué realidad física tendría un Universo con el que no podemos interactuar, y
del que no nos puede llegar ninguna información? Es una de las muchas paradojas que nos plantea
la Cosmología moderna, y para la que tal vez lleguemos a encontrar una
respuesta en el futuro. Una respuesta que aún desconocemos, pero que será sin
duda fascinante.
Jose Miguel Mas Hesse.
Doctor
en Astrofísica.
Investigador en el
Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), Madrid.
No hay comentarios:
Publicar un comentario