martes, 23 de junio de 2020

Un viaje virtual por el Universo observable - Jose Miguel Mas Hesse

8.1
Un viaje virtual por el Universo observable.
Viajes a través del espacio y el tiempo.


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(Voz Lara Vidal)




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.


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