Cosmos
X. El filo de la eternidad
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Capítulo X
EL FILO DE
LA ETERNIDAD
Hay una cosa formada confusamente,
Nacida antes que el Cielo y la Tierra.
Silenciosa y vacía
Está sola y no cambia,
gira y no se cansa.
Es capaz de ser la madre del mundo.
No conozco su nombre
y por lo tanto le llamo El camino.
Le doy el nombre improvisado de Lo Grande.
Siendo grande se le puede describir también como retrocediendo,
si retrocede se le puede describir como remoto
si es remoto se le puede describir retornando.
LAO TSE, Tao Te Ching; China,
hacia el 600 a. de C.
Hay un camino en lo alto, visible en los cielos transparentes, llamado la Vía Láctea, que resplandece con brillo propio. Los dioses van por ella a la morada del gran Tonante y su residencia real… Allí los famosos y poderosos habitantes del cielo han sentado sus reales. Esta es la región que podría atreverme a llamar la [Vía] palatina del Gran Cielo.
OVIDIO, Metamorfosis; Roma, siglo primero
Algunos necios declaran que un Creador hizo el mundo. La doctrina de que el mundo fue creado es equivocada y hay que rechazarla.
Si Dios creó el mundo, ¿dónde estaba Él antes de la creación?… ¿Cómo pudo haber hecho Dios el mundo sin materiales? Si dices que los hizo primero y luego hizo el mundo te enfrentas con una regresión infinita…
Has de saber que el mundo es increado, como el mismo tiempo, sin principio ni fin. Y que se basa en los principios…
Mahapurana (La Gran Leyenda),
Jinasena, India, siglo noveno
HACE DIEZ MIL O VEINTE MIL MILLONES DE AÑOS, sucedió algo, la Gran Explosión (Big Bang), el acontecimiento que inició nuestro universo. Por qué sucedió esto es el misterio mayor que conocemos. Lo que está razonablemente claro es que sucedió. Toda la materia y la energía presentes actualmente en el universo estaba concentrada con una densidad muy elevada —una especie de huevo cósmico, que recuerda los mitos de la creación de muchas culturas— quizás en un punto matemático sin ninguna dimensión. No es que toda la materia y la energía del universo estuvieran apretadas en un pequeño rincón del universo actual, sino que el universo entero, materia y energía y el espacio que llenan, ocupaba un volumen muy pequeño. No quedaba mucho espacio para que sucedieran cosas allí.
El universo inició con aquella titánica explosión cósmica una expansión que ya no ha cesado. Es engañoso describir la expansión del universo como una especie de burbuja ensanchándose, vista desde el exterior. Por definición nada de lo que podamos conocer estuvo nunca fuera. Es mejor imaginarlo desde dentro, quizás con unas líneas formando retículo y adheridas al tejido en movimiento del espacio expandiéndose uniformemente en todas direcciones. A medida que el espacio se iba estirando, la materia y la energía del universo se iban expandiendo con el espacio y se enfriaban rápidamente. La radiación de la bola de fuego cósmica, que tanto entonces como ahora llenaba el universo, fue desplazándose a través del espectro: de los rayos X a la luz ultravioleta; pasó luego por los colores en arco iris del espectro visible; llegó al infrarrojo y a las regiones de radio. Los restos de esta bola de fuego, la radiación cósmica de fondo que emana de todas las partes del cielo, pueden detectarse hoy en día mediante radiotelescopios. En el universo primitivo el espacio estaba brillantemente iluminado. A medida que el tiempo pasaba el tejido del espacio continuó expandiéndose, la radiación se enfrió y el espacio se volvió por primera vez oscuro, en la luz visible ordinaria, tal como ahora es.
El primitivo universo estaba lleno de radiación y de un plénum de materia, al principio hidrógeno y helio, formado a partir de las partículas elementales en la densa bola de fuego primigenio. Había muy poco que ver, suponiendo que hubiese alguien para contemplarlo. Luego empezaron a crecer pequeñas bolsas de gas, pequeñas inuniformidades. Se formaron zarcillos de vastas y sutiles nubes de gas, colonias de cosas grandes que se movían pesadamente, girando lentamente, haciéndose cada vez más brillantes, cada cual como una especie de bestia que al final contendría cien mil millones de puntos brillantes. Se habían formado las estructuras reconocibles mayores del universo. Las estamos viendo hoy. Nosotros mismos habitamos algún rincón perdido de una de ellas. Las llamamos galaxias.
La galaxia Remolino, M51 (objeto número 51 del catálogo de Charles Messier), llamada también NGC 5194. William Parsons, tercer barón de Rosse, descubrió en 1845 la estructura espiral de esta «nebulosa», la primera galaxia cuya estructura fue observada. Está a trece millones de años luz de distancia, y la está distorsionando gravitatoriamente su pequeño e irregular compañero galáctico, NGC 5195 (izquierda). (Cedida por los Observatorios Hale).
La gran galaxia de Andrómeda, M31 , es el objeto más distante del Cosmos visible desde la Tierra a simple vista. Tiene por lo menos siete brazos en espiral y se parece a nuestra propia Vía Láctea. Forma parte del Grupo Local de galaxias, y está a unos 2.3 millones de años luz de distancia. Alrededor de M31 orbitan dos galaxias elípticas enanas, NGC 205 y encima mismo de la espiral, M32. (NASA/ESA/HST).
Unos mil millones de años después del big bang, la distribución de materia en el universo se había hecho algo grumosa, quizás porque el mismo big bang no había sido perfectamente uniforme. La materia estaba empaquetada más densamente en estos grumos que en otras partes. Su gravedad atraía hacia ellos cantidades sustanciales del cercano gas, nubes en crecimiento de hidrógeno y de helio que estaban destinadas a convertirse en cúmulos de galaxias. Una inuniformidad inicial muy pequeña basta para producir condensaciones sustanciales mucho después.
A medida que el colapso gravitatorio continuaba, las galaxias primordiales empezaron a girar cada vez más rápido, debido a la conservación del momento angular. Algunas se aplanaron, aplastándose a lo largo del eje de rotación donde la gravedad no queda compensada por la fuerza centrífuga. Se convirtieron así en las primeras galaxias espirales, grandes ruedas de materia girando en el espacio abierto. Otras protogalaxias con gravedad más débil o con menor rotación inicial se aplanaron muy poco y se convirtieron en las primeras galaxias elípticas. Hay galaxias similares, como salidas del mismo molde por todo el Cosmos, debido a que estas simples leyes de la naturaleza —la gravedad y la conservación del momento angular— son iguales en todo el universo. La física que actúa en la caída de los cuerpos y en las piruetas de los patinadores sobre hielo, aquí en el macrocosmos de la Tierra, hace galaxias allá arriba, en el macrocosmos del universo.
Dentro de las galaxias en nacimiento había nubes mucho más pequeñas que experimentaban también el colapso gravitatorio; las temperaturas interiores se hicieron muy elevadas, se iniciaron reacciones termonucleares, y se encendieron las primeras estrellas. Las estrellas jóvenes, calientes y de gran masa evolucionaron rápidamente, derrochando sin cuidado su capital de hidrógeno combustible, y acabaron pronto sus vidas en explosiones brillantes de supernova, que devolvían la ceniza termonuclear helio, carbono, oxígeno y elementos más pesados al gas interestelar para generaciones subsiguientes de formación de estrellas. Las explosiones de supernova de las primitivas estrellas de gran masa produjeron ondas de choque sucesivas y sobrepuestas en el gas adyacente, comprimiendo el medio intergaláctico y acelerando la generación de cúmulos de galaxias. La gravedad es oportunista y amplifica incluso pequeñas condensaciones de materia. Las ondas de choque de las supernovas pueden haber contribuido a las acreciones de materia en cualquier escala. Se había iniciado la épica de la evolución cósmica, una jerarquía en la condensación de materia a partir del gas del big bang: cúmulos de galaxias, galaxias, estrellas, planetas y eventualmente vida e inteligencia capaz de comprender un poco el elegante proceso responsable de su origen.
La galaxia Sombrero, M104 (llamada también NGC 4594 ). Los brazos en espiral, marcados por pistas de polvo, están estrechamente arrollados alrededor de su núcleo de estrellas. Está a unos 40 millones de años luz de distancia, más allá de las estrellas de la constelación de Virgo, y puede contener un billón de soles. Nuestra galaxia espiral, Vía Láctea, vista de canto desde una distancia comparable, tendría el aspecto de M104 (NASA/ESA/HST).
Los cúmulos de galaxias llenan hoy en día el universo. Algunos son colecciones insignificantes y modestas de unas cuantas docenas de galaxias. El llamado cariñosamente grupo local contiene sólo dos grandes galaxias de un cierto tamaño: la Vía Láctea y M31. Otros cúmulos contienen hordas inmensas de miles de galaxias en mutuo abrazo gravitatorio. Algunos indicios dan para el cúmulo de Virgo decenas de miles de galaxias.
M81 , otra galaxia espiral cercana como la Vía Láctea; está a siete millones de años luz de distancia y no forma parte del Grupo Local. No vemos esta galaxia ni de canto ni de cara sino en un ángulo oblicuo. Las galaxias están orientadas al azar con respecto a nuestra visual. (NASA).
A la escala mayor habitamos un universo de galaxias, quizás un centenar de miles de millones de ejemplos exquisitos de arquitectura y de decadencia cósmicas, que manifiestan tanto el orden como el desorden: espirales normales, encaradas formando diversos ángulos con nuestra visual terrestre (si están de cara vemos los brazos en espiral, si están de canto la faja central de gas y de polvo donde se forman los brazos); espirales barradas con un río de gas y de polvo y de estrellas atravesando su centro; galaxias elípticas gigantes, majestuosas, que contienen más de un billón de estrellas y que han crecido tanto porque se han tragado y se han fundido con otras galaxias; toda una plétora de elípticas enanas, las miniaturas galácticas, cada una de las cuales contiene unos miserables millones de soles; una variedad inmensa de misteriosas irregulares, que demuestran que en el mundo de las galaxias hay lugares en los que desgraciadamente algo ha ido mal; y galaxias que orbitan una alrededor de otra, tan próximas que sus bordes se curvan por la gravedad de sus compañeras y en algunos casos saltan gravitatoriamente estelas de gas y de estrellas que forman un puente entre las galaxias.
NGC 1300, una espiral barrada. Un tercio aproximadamente de las galaxias en espiral tienen una «barra» visible de gas, polvo y estrellas, que es una extensión del núcleo de los brazos en espiral. Parece ser que la barra gira como un cuerpo sólido, al igual que el núcleo. Todas las espirales conocidas giran dejando atrás los brazos, y no al revés. (NASA/ESA/HST).
Algunos cúmulos tienen sus galaxias dispuestas en una geometría esférica carente de ambigüedad; se componen principalmente de elípticas, están dominadas a menudo por una elíptica gigante, el presunto caníbal galáctico. Otros cúmulos, con una geometría bastante más desordenada, tienen un número relativamente mucho mayor de espirales y de irregulares. Las colisiones galácticas deforman el aspecto de un cúmulo inicialmente esférico y pueden contribuir también a la génesis de espirales y de irregulares a partir de elípticas. La forma y abundancia de las galaxias tienen una historia que contarnos sobre acontecimientos antiguos a la mayor escala posible, una historia que apenas estamos empezando a leer.
El desarrollo de las computadoras rápidas ha permitido llevar a cabo experimentos numéricos sobre el movimiento colectivo de miles o de decenas de miles de puntos, cada uno de los cuales representa una estrella y está sometido a la influencia gravitatoria de todos los demás puntos. En algunos casos se forman por sí mismos brazos en espiral en una galaxia que ha quedado ya aplanada en forma de disco. A veces se puede producir un brazo en espiral por el encuentro gravitatorio de dos galaxias, cada una compuesta desde luego por miles de millones de estrellas. El gas y el polvo esparcidos de modo difuso a través de estas galaxias entrará en colisión y se calentará. Pero cuando dos galaxias entran en colisión, las estrellas pasan tranquilamente unas al lado de otras, como balas a través de un enjambre de abejas, porque una galaxia está compuesta en su mayor parte de nada y los espacios entre las estrellas son vastos. Sin embargo, la configuración de las galaxias puede quedar severamente deformada. Un impacto directo de una galaxia sobre otra puede enviar a las estrellas que la constituyen disparadas y desparramándose por el espacio intergaláctico, deshaciendo así la galaxia. Cuando una galaxia pequeña choca de cara contra otra mayor puede producir uno de los tipos más hermosos de las raras irregulares: una galaxia anular de miles de años luz de diámetro, dibujándose sobre el terciopelo del espacio intergaláctico. Es una salpicadura en el estanque galáctico, una configuración temporal de estrellas desorganizadas, una galaxia con una pieza central desgajada.
Los borrones carentes de estructura de las galaxias irregulares, los brazos de las galaxias en espiral y los toros de las galaxias anulares se mantienen únicamente durante unas pocas imágenes de la película cósmica, luego se disipan y a menudo se forman de nuevo. Nuestra idea de las galaxias como cuerpos rígidos y pesados está equivocada. Son estructuras fluidas con 100.000 millones de componentes estelares. Al igual que un ser humano, que es una colección de 100 billones de células, que normalmente está en un estado continuo entre la síntesis y la decadencia y que es más que la suma de sus partes, así es una galaxia.
La frecuencia de suicidios entre las galaxias es alta. Algunos ejemplos próximos a decenas o centenares de años luz de distancia son fuentes potentes de rayos X, de radiación infrarroja y de ondas de radio; tienen núcleos muy luminosos y su brillo fluctúa en escalas temporales de semanas. Algunas presentan chorros de radiación, penachos de miles de años luz de longitud y discos de polvo sustancialmente desorganizados. Estas galaxias se están haciendo estallar a sí mismas. Se sospecha la existencia de agujeros negros con masas de millones a miles de millones superiores a la del Sol en los núcleos de algunas galaxias elípticas gigantes como NGC 6251 y M87. Hay algo que tiene una masa muy grande, que es muy denso y muy pequeño y que está haciendo tic tac y ronroneando en el interior de M87, en una región más pequeña que el sistema solar. Se infiere de todo esto que allí hay un agujero negro. A miles de millones de años luz de distancia hay objetos todavía más tumultuosos, los quásar, que pueden ser las explosiones colosales de galaxias jóvenes, los acontecimientos de mayor potencia en la historia del universo desde el mismo big bang.
La galaxia de mayor masa conocida, M87 es una galaxia elíptica gigante cerca del centro del gran cúmulo de galaxias en Virgo, a unos 40 millones de años luz de distancia. Apenas hay gas y polvo en las regiones centrales, porque todo se ha convertido en estrellas o se ha disipado en el espacio. Este objeto de aspecto inofensivo es la tercera fuente más brillante de ondas de radio del cielo, después del Sol y la Luna, y una de las fuentes más brillantes de rayos X. Las estimaciones de su masa van de billones de soles a un centenar de billones. El núcleo está proyectando un chorro de gas de 100.000 años luz de longitud; este núcleo puede contener un agujero negro de gran masa. M87 está rodeada por miles de cúmulos estelares globulares, algunos de los cuales pueden verse en la fotografía. (CFHT).
La palabra «quásar» es un acrónimo de «quasi stellar radio source», fuente de radio cuasi-estelar. Cuando se descubrió que no todos eran potentes fuentes de radio, se les denominó QSO (objetos cuasi estelares). Su apariencia es estelar y se pensó de modo natural que eran estrellas situadas dentro de nuestra galaxia. Pero las observaciones espectroscópicas de su desplazamiento hacia el rojo (ver más adelante) demuestran que es probable que estén a distancias inmensas de nosotros. Parece que participan vigorosamente en la expansión del universo, y que algunos retroceden con respecto a nosotros a más del 90% de la velocidad de la luz. Si están muy alejadas, han de ser intrínsecamente muy brillantes para que puedan ser visibles a tales distancias; algunas son tan brillantes como mil supernovas explotando a la vez. Como sucede con Cyg X I, sus rápidas fluctuaciones demuestran que su enorme brillo está confinado a un volumen muy pequeño, en este caso inferior al tamaño del sistema solar. Ha de haber procesos notables causantes de las vastas cantidades de energía que emite un quásar. Entre las explicaciones propuestas están: l) los quásares son versiones monstruo de los púlsar, con un núcleo de masa enorme en rotación muy rápida asociado a un fuerte campo magnético; 2) los quásares se deben a colisiones múltiples de millones de estrellas densamente empaquetadas en el núcleo galáctico, explosiones que arrancan las capas exteriores y exponen a plena vista las temperaturas de mil millones de grados del interior de las estrellas de gran masa; 3) idea relacionada con la anterior, los quásares son galaxias en las que las estrellas están empaquetadas tan densamente que una explosión de supernova en una estrella arranca las capas exteriores de otra y la convierte también en supernova produciendo una reacción estelar en cadena; 4) los quásars reciben su energía de la aniquilación mutua y violenta de materia y de antimateria que de algún modo se ha conservado en el quásar hasta el presente; 5) un quásar es la energía liberada cuando gas, polvo y estrellas caen en un inmenso agujero negro en el núcleo de estas galaxias, agujero que quizás es a su vez el resultado de eras de colisión y coalescencia de agujeros negros más pequeños; y 6) los quásar son agujeros blancos, la otra cara de los agujeros negros, la caída en embudo y eventual emergencia ante nuestros ojos de la materia que se pierde en una multitud de agujeros negros de otras partes del universo, o incluso de otros universos.
Dos representaciones esquemáticas de quásars en el centro de galaxias de gran masa. Arriba, un disco de gas y polvo en acreción rodea un agujero negro invisible que está girando. A lo largo de los chorros se proyecta material a una velocidad cercana a la de la luz. Abajo, una masa en condensación de miles de millones de soles aumenta su rotación y refuerza su campo magnético. (Pinturas de Adolf Schaller).
Al considerar los quásar nos enfrentamos con profundos misterios. Sea cual fuere la causa de una explosión de quásar, algo parece claro: un acontecimiento tan violento ha de provocar estragos increíbles. En cada explosión de quásar pueden quedar totalmente destruidos millones de mundos, algunos con vida y con inteligencia para comprender lo que está sucediendo. El estudio de las galaxias revela un orden y una belleza universales. También nos muestra una violencia caótica a una escala hasta ahora insospechada. Es notable que vivamos en un universo que permite la vida. También es notable que vivamos en un universo que destruye galaxias, estrellas y mundos. El universo no parece ni benigno ni hostil, simplemente indiferente a las preocupaciones de seres tan insignificantes como nosotros.
Incluso una galaxia tan bien educada como la Vía Láctea tiene sus estremecimientos y sus contorsiones. Las observaciones de radio muestran dos nubes enormes de gas hidrógeno, suficientes para hacer miles de soles, que salen disparadas del núcleo galáctico, como si allí tuviera lugar de vez en cuando una explosión suave. Un observatorio astronómico de alta energía en órbita terrestre ha descubierto que el núcleo galáctico es una fuente intensa de una línea espectral particular de rayos gamma, lo cual concuerda con la idea de que allí hay oculto un agujero negro de gran masa. Las galaxias como la Vía Láctea pueden representar una media edad estable en una secuencia evolutiva continua, que incluye en su adolescencia violenta a quásars y galaxias en explosión: los quásars están tan distantes que los vemos en plena juventud, tal como eran hace miles de millones de años.
Centauro A (NGC 5128) constituye quizás la colisión de una galaxia elíptica gigante y de una galaxia espiral cuyos brazos destrozados estamos viendo de canto. Actualmente se suele considerar más bien como una elíptica gigante, con un escaso complemento de gas y de polvo, y completamente rodeada por un disco de gas y de polvo, y quizás algunas estrellas. Es una fuente intensa de ondas de radio, que surgen de dos grandes lóbulos orientados en ángulo recto con el disco de polvo; también rayos X y rayos gamma. Las rápidas fluctuaciones en la emisión de rayos X pueden deberse a que un agujero negro gigante oculto en su centro se está engullendo cúmulos enteros de estrellas. Centauro A está a 14 millones de años luz de distancia; sus lóbulos de radio tienen una longitud de 3 millones de años luz. (NASA).
Las estrellas de la Vía Láctea se mueven con una gracia sistemática. Los cúmulos globulares se precipitan a través del plano galáctico y salen por el otro lado, donde reducen su velocidad y se aceleran de nuevo. Si pudiésemos seguir el movimiento de estrellas individuales agitándose alrededor del plano galáctico parecería una olla de palomitas de maíz. Nunca hemos visto cambiar de modo significativo la forma de una galaxia, simplemente porque se necesita mucho tiempo para que lo haga. La Vía Láctea da una vuelta cada doscientos cincuenta millones de años. Si aceleráramos este movimiento veríamos que la Galaxia es una entidad dinámica, casi orgánica, parecida en cierto modo a un organismo multicelular. Cualquier fotografía astronómica de una galaxia no es más que una instantánea de una fase de su solemne movimiento y evolución.[64] La región interior de una galaxia gira como un cuerpo sólido. Pero más lejos, las provincias exteriores giran cada vez más lentamente cumpliendo, como los planetas alrededor del Sol, la tercera ley de Kepler. Los brazos tienen tendencia a enrollarse alrededor del núcleo formando una espiral cada vez más apretada, y el gas y el polvo se acumulan en formas espirales de densidad creciente, que a su vez son lugares adecuados para la formación de estrellas jóvenes, calientes y brillantes, las estrellas que perfilan los brazos en espiral. Estas estrellas brillan unos diez millones de años aproximadamente, un período correspondiente a sólo el 5% de una rotación galáctica. Pero cuando las estrellas que marcan el perfil de un brazo espiral se han quemado, se forman inmediatamente detrás de ellas nuevas estrellas y sus nebulosas asociadas, y la forma en espiral persiste. Las estrellas que dan el perfil de los brazos no sobreviven ni a una sola rotación galáctica; sólo permanece la forma de la espiral.
La velocidad de una estrella dada alrededor del centro de la Galaxia no suele ser la misma que la de una forma espiral. El Sol ha entrado y ha salido con frecuencia de los brazos en espiral durante las veinte vueltas que ha dado a la Vía Láctea a 200 kilómetros por segundo. El Sol y los planetas pasan en promedio cuarenta millones de años en un brazo en espiral, ochenta millones fuera, otros cuarenta dentro, etc. Los brazos en espiral marcan la región donde se está formando la última cosecha de estrellas acabadas de incubar, pero no necesariamente la región donde resulta que hay estrellas de media edad como el Sol.
En esta época nosotros vivimos entre brazos en espiral.
Es lógico imaginar que el paso periódico del sistema solar a través de los brazos en espiral haya tenido consecuencias importantes para nosotros. Hace diez millones de años el Sol emergió del complejo llamado Cinturón Gould del brazo espiral de Orión, que está ahora a algo menos de mil años luz de distancia. (Hacia el interior del brazo de Orión está el brazo de Sagitario, hacia el exterior el brazo de Perseo). Cuando el Sol pasa por un brazo espiral la posibilidad de que se meta entre nebulosas gaseosas y nubes de polvo interestelar, y de que encuentre objetos de masa subestelar, es mayor que ahora. Se ha sugerido que las eras glaciales mayores de nuestro planeta, que se repiten cada cien millones de años aproximadamente, pueden deberse a la interposición de materia interestelar entre el Sol y la Tierra. W. Napier y S. Clube han propuesto que algunas de las lunas, asteroides, cometas y anillos circumplanetarios del sistema solar fueron antes objetos que vagaban libremente por el espacio interestelar hasta que fueron capturados por el Sol cuando penetró en el brazo espiral de Orión. La idea es intrigante, aunque quizás no muy probable. Pero puede comprobarse. Lo único que necesitamos es tomar una muestra, por ejemplo, de Fobos o de un cometa y examinar sus isótopos del magnesio. La relativa abundancia de los isótopos del magnesio (todos los cuales comparten el mismo número de protones, pero tienen números diferentes de neutrones) depende de la secuencia precisa de acontecimientos estelares de nucleosíntesis, incluyendo el calendario de explosiones de supernovas cercanas, que produjo cualquier muestra concreta de magnesio. En un rincón diferente de la Galaxia tuvo que haber ocurrido una secuencia diferente de acontecimientos y debería predominar una relación diferente de isótopos de magnesio.
El descubrimiento del big bang y de la recesión de las galaxias se basó en un tópico de la naturaleza llamado el efecto Doppler. Estamos acostumbrados a notarlo en la física del sonido. Un conductor de automóvil toca la bocina cuando pasa por nuestro lado. Dentro del coche el conductor oye un sonido constante de tono fijo. Pero fuera del coche nosotros oímos un cambio característico del tono. El sonido de la bocina pasa para nosotros de las frecuencias altas a la bajas. Un coche de carreras a 200 kilómetros por hora va casi a una quinta parte de la velocidad del sonido. El sonido es una sucesión de ondas en el aire, una cresta y un valle, una cresta y un valle. Cuanto más juntas están las ondas, más alta es la frecuencia o tono; cuanto más separadas están las ondas, más grave el tono. Si el coche se aleja a gran velocidad de nosotros, estira las ondas de sonido, desplazándolas desde nuestro punto de vista a un tono más grave y produciendo el sonido característico que todos conocemos. Si el coche viniera hacia nosotros las ondas sonoras se apretarían, la frecuencia aumentaría, y sentiríamos un gemido agudo. Si supiéramos el tono normal de la bocina cuando el coche está en reposo podríamos deducir a ciegas su velocidad, a partir del cambio de tono.
El efecto Doppler. Una fuente estacionaria de sonido o de luz emite un conjunto de ondas esféricas. Si la fuente está moviéndose de derecha a izquierda, emite ondas esféricas que se van centrando progresivamente en los puntos indicados del 1 al 6. Pero un observador situado en B ve las ondas estiradas, mientras que un observador en A las ve apretadas. Una fuente que se aleja se ve desplazada hacia el rojo (las longitudes de onda resultan más largas) y una fuente que se acerca se ve desplazada hacia el azul (las longitudes de onda resultan más cortas). El efecto Doppler es la clave de la cosmología.
La luz es también una onda. Al contrario del sonido se desplaza perfectamente bien en el vacío. El efecto Doppler actúa también aquí. Si por algún motivo el automóvil en lugar de sonido emitiera por delante y por detrás un haz de luz amarilla pura, la frecuencia de la luz aumentaría ligeramente al acercarse el coche y disminuiría ligeramente al alejarse. El efecto sería imperceptible a velocidades ordinarias. Sin embargo si el coche corriera a una fracción considerable de la velocidad de la luz, podríamos observar que el color de la luz cambia hacia a una frecuencia superior, es decir hacia el azul cuando el coche se nos acerca, y hacia frecuencias inferiores, es decir hacia el rojo, cuando el coche se aleja. Un objeto que se nos acerca a velocidades muy altas se nos presenta con el color de sus líneas espectrales desplazadas hacia el azul. Un objeto que se aleja a velocidades muy altas tiene sus líneas espectrales desplazadas hacia el rojo.[65] Este desplazamiento hacia el rojo, observado en las líneas espectrales de galaxias distantes e interpretado de acuerdo con el efecto Doppler, es la clave de la cosmología.
Galaxias en colisión a unos 50 millones de años luz de distancia. NGC 4038 y NGC 4039 son probablemente galaxias que fueron normales y que ahora están emergiendo de un encuentro gravitatorio. Es evidente que sus interiores han quedado desorganizados. Cuando estas galaxias se fotografían con exposiciones más largas, los detalles interiores desaparecen y destacan zarcillos de luz largos y curvados apenas visibles en esta imagen. Los zarcillos están compuestos por mil millones de estrellas esparcidas por el espacio intergaláctico y explican el nombre dado a estos dos objetos: «Las antenas». Esta colisión duró desde el principio al final más de cien millones de años. (NASA/ESA/HST).
En los primeros años de este siglo se estaba construyendo en el monte Wilson, que dominaba lo que eran entonces los cielos transparentes de Los Ángeles, el telescopio más grande del mundo destinado a descubrir el desplazamiento hacia el rojo de galaxias remotas. Había que transportar a la cima de la montaña grandes piezas del telescopio, un trabajo adecuado para recuas de mulas. Un joven mulero llamado Milton Humason ayudaba a transportar equipo mecánico y óptico, científicos, ingenieros y signatarios montaña arriba. Humason conducía montado a caballo la columna de mulas, llevando a su terrier blanco puesto de pie detrás de la silla con sus patas delanteras sobre los hombros de Humason. Era un hombre útil para todo, que mascaba tabaco, gran jugador de cartas y lo que entonces se llamaba especialista en señoras. Su educación formal no había pasado del octavo grado. Pero era brillante y curioso, y de natural inquisitivo, interesado por el equipo que había transportado laboriosamente a las alturas. Humason hacía compañía a la hija de uno de los ingenieros del observatorio, el cual veía con reserva que su hija saliera con un joven cuya ambición no pasaba de ser mulero. De este modo Humason se encargó de trabajos diversos en el observatorio: ayudante del electricista, portero y fregaba los suelos del telescopio que había ayudado a construir. Una noche, según cuenta la historia, el ayudante del telescopio se puso enfermo y pidieron a Humason si podía ayudarles. Demostró tanta destreza y cuidado con los instrumentos que pronto se convirtió en operador permanente del telescopio y ayudante de observación.
Después de la primera guerra mundial llegó a Monte Wilson Edwin Hubble, que pronto iba a ser famoso: una persona brillante, refinada, sociable fuera de la comunidad astronómica, con un acento inglés adquirido en su único año con la beca Rhodes en Oxford. Fue Hubble quien proporcionó la demostración definitiva de que las nebulosas espirales eran en realidad universos islas, agregados distantes de cantidades enormes de estrellas, como nuestra propia galaxia Vía Láctea; había descubierto la candela estelar estándar necesaria para medir las distancias a las galaxias. Hubble y Humason se llevaron espléndidamente, formando una pareja, quizás impredecible, que trabajaba conjuntamente y de modo armonioso en el telescopio. Siguieron una indicación del astrónomo V. M. Slipher del observatorio Lowell, y empezaron a medir los espectros de galaxias distantes. Pronto quedó claro que Humason era más capaz de obtener espectros de alta cualidad de galaxias distantes que cualquier astrónomo profesional del mundo. Se convirtió en miembro de plantilla del observatorio Monte Wilson, aprendió muchos de los elementos científicos básicos de su obra y murió acompañado por el respeto de la comunidad astronómica.
La luz de una galaxia es la suma de la luz emitida por los miles de millones de estrellas que contiene. Cuando la luz abandona estas estrellas algunas frecuencias o colores son absorbidas por los átomos de las capas más exteriores de las estrellas. Las líneas resultantes permiten afirmar que unas estrellas situadas a millones de años luz de nosotros contienen los mismos elementos químicos que nuestro Sol y que las estrellas cercanas. Humason y Hubble descubrieron asombrados que los espectros de todas las galaxias distantes estaban desplazados hacia el rojo y, algo más asombroso todavía, que cuanto más distaba una galaxia, más desplazadas hacia el rojo estaban sus líneas espectrales.
El Quinteto de Stephan. Un grupo de cinco galaxias que parecen estar en interacción descubierto en 1877, el año en que Schiaparelli «descubrió» canales en Marte, y que plantean un enigma algo semejante. Se cree que cuatro de ellas están a unos 250 millones de años luz de distancia. Tienen velocidades de recesión idénticas (6000 kilómetros por segundo), según se deduce del desplazamiento al rojo de sus líneas espectrales, excepto NGC 7320, debajo a la izquierda (que tiene una velocidad Doppler de 800 kilómetros por segundo). Si NGC 7320 está realmente conectada por un puente de estrellas con las demás galaxias, el argumento de observación en favor de un universo en expansión pasaría algunos apuros. Pero datos recientes independientes sugieren que NGC 7320 está realmente mucho más cerca de nosotros y que la conexión con las demás galaxias es aparente. (NASA/ESA/HST).
Cúmulo de galaxias llamado a veces Sexteto de Seyfert. Todos los miembros tienen aquí el mismo desplazamiento al rojo, excepto la galaxia que parece una espiral de cara, la cual tiene un desplazamiento al rojo cuatro veces superior a las demás. El Quinteto de Stephan y el Sexteto de Seyfert son quizás las regiones más grandes del Cosmos bautizadas por personas con nombres de personas. (NASA/ESA/HST).
La explicación más obvia del desplazamiento hacia el rojo se basaba en el efecto Doppler: las galaxias se estaban alejando de nosotros; cuanto más distante estaba la galaxia mayor era la velocidad de recesión. Pero ¿por qué tenían que estar huyendo de nosotros las galaxias? ¿Era posible que nuestra situación en el universo tuviera algo especial, como si la Vía Láctea hubiese llevado a cabo, por inadvertencia, algún acto ofensivo en la vida social de las galaxias? Lo más probable era que el universo mismo se estuviera expandiendo y arrastrando a las galaxias consigo. Cada vez estaba más claro que Humason y Hubble habían descubierto el big bang: si no el origen del universo por lo menos su encarnación más reciente.
Casi toda la cosmología moderna y especialmente la idea de un universo en expansión y de un big bang se basa en la idea de que el desplazamiento hacia el rojo de las galaxias lejanas es un efecto Doppler y se debe a su velocidad de recesión. Pero hay otros tipos de desplazamientos hacia el rojo en la naturaleza. Hay, por ejemplo, el desplazamiento hacia el rojo gravitatorio, en el cual la luz que sale de un campo gravitatorio intenso ha de hacer tanto trabajo para escapar de él que pierde energía durante el proceso, proceso que un observador distante percibe como un desplazamiento de la luz hacia longitudes de onda más largas y colores más rojos. Nosotros suponemos que puede haber agujeros negros de gran masa en los centros de algunas galaxias, y por lo tanto, esta es una explicación imaginable de sus desplazamientos hacia el rojo. Sin embargo, las líneas espectrales concretas que se observan son a menudo características de un gas muy tenue y difuso y no de la densidad increíblemente elevada que ha de prevalecer en las proximidades de los agujeros negros.
O bien el desplazamiento hacia el rojo podría ser un efecto Doppler debido, no a la expansión general del universo, sino a una explosión galáctica más modesta y local. Pero en este caso lo lógico sería que hubiese tantos fragmentos de la explosión acercándose a nosotros como alejándose, tantos desplazamientos hacia el azul como hacia el rojo. Sin embargo, lo que vemos son casi exclusivamente desplazamientos hacia el rojo, sea cual fuere el objeto distante más allá del grupo local hacia el cual apuntamos el telescopio.
Una porción del Cúmulo de galaxias de Hércules, con unos 300 miembros conocidos, que se aleja de nuestra región del Cosmos a unos 10.000 kilómetros por segundo. En esta fotografía hay más galaxias (distantes más de 300 millones de años luz) que estrellas en primer término, pertenecientes a nuestra galaxia Vía Láctea. Si el Cúmulo de Hércules no está volando en pedazos es preciso que contenga cinco veces más masa de la que vemos en sus galaxias para mantenerla pegada gravitatoriamente. Si este «defecto de masa» fuera un elemento corriente del espacio intergaláctico, sería una contribución importante para cerrar el universo. (Cedida por los observatorios Hale).
Persiste sin embargo la sospecha entre algunos astrónomos de que quizás no todo sea correcto cuando a partir de los desplazamientos hacia el rojo de las galaxias y el efecto Doppler se deduce que el universo se está expandiendo. El astrónomo Halto Arp ha descubierto casos enigmáticos e inquietantes en los que una galaxia y un quásar, o un par de galaxias, que aparentemente están asociadas de modo físico, tienen desplazamientos hacia el rojo muy diferentes. A veces parece observarse un puente de gas, de polvo y de estrellas que las conecta. Si el desplazamiento hacia el rojo se debe a la expansión del universo, desplazamientos hacia el rojo diferentes implican distancias muy distintas. Pero dos galaxias que están físicamente conectadas no pueden presentar una separación muy grande entre sí, separación que en algunos casos es de mil millones de años luz. Los escépticos afirman que la asociación es puramente estadística: que, por ejemplo, una galaxia brillante próxima y un quásar más distante, que tienen respectivamente desplazamientos hacia el rojo muy diferentes y velocidades de recesión muy distintas también, han podido quedar alineados por puro accidente en nuestra visual, y que no tienen una asociación física real. Estas alineaciones estadísticas pueden darse por casualidad de vez en cuando. El debate se centra en si el número de coincidencias es superior al que cabría esperar por acción del azar. Arp señala otros casos en los que una galaxia con un desplazamiento hacia el rojo pequeño está flanqueada por dos quásars de desplazamiento hacia el rojo grande y casi idéntico. Él cree que los quásars no están a distancias cosmológicas, sino que son proyectados a izquierda y a derecha por la galaxia de primer plano; y que los desplazamientos hacia el rojo son el resultado de algún mecanismo hasta ahora inexplorado. Los escépticos replican con la alineación coincidente y con la interpretación convencional de Hubble-Humason sobre los desplazamientos hacia el rojo. Si Arp está en lo cierto, los mecanismos exóticos propuestos para explicar la fuente de energía de los quásars distantes —reacciones en cadena de supernovas, agujeros negros de masa extraordinaria y otros semejantes— resultarían innecesarios. Los quásars no tendrían que ser muy distantes. Pero se precisará otro mecanismo exótico para explicar el desplazamiento hacia el rojo. En todo caso algo muy extraño está pasando en las profundidades del espacio.
La recesión aparente de las galaxias, con el desplazamiento hacia el rojo interpretado de acuerdo con el efecto Doppler, no es la única prueba en favor del big bang. Una prueba independiente y muy persuasiva deriva de la radiación de fondo cósmica de cuerpo negro, la débil estática en las ondas de radio que proviene muy uniformemente de todas las direcciones del Cosmos y que tiene la intensidad precisa que hay que esperar en nuestra época si procede de la radiación fuertemente enfriada del big bang. Pero también aquí hay algo intrigante. Las observaciones con una antena de radio sensible volando encima de la atmósfera de la Tierra en un avión U-2 han demostrado que la radiación de fondo es en primera aproximación de igual intensidad en todas las direcciones: como si la bola de fuego del big bang se expandiera con mucha uniformidad, y el origen del universo tuviera una simetría muy precisa. Pero si se examina con una precisión más fina la radiación de fondo resulta que tiene una simetría imperfecta. Hay un pequeño efecto sistemático que podría comprenderse si la entera galaxia Vía Láctea (y probablemente otros miembros del grupo local) estuviera volando hacia el cúmulo de galaxias Virgo a más de 600 kilómetros por segundo. A esta velocidad llegaremos allí en diez mil millones de años, y la astronomía extragaláctica será entonces bastante más fácil. El cúmulo de Virgo es ya la colección de galaxias más rica que conocemos, repleta de espirales, elípticas e irregulares, un estuche lleno de joyas en el cielo. Pero ¿por qué tendríamos que ir disparados hacia allí? George Smoot y sus colegas, que hicieron estas observaciones de gran altitud, sugieren que la Vía Láctea es arrastrada gravitatoriamente hacia el centro del cúmulo de Virgo; que el cúmulo tiene muchas más galaxias de las que se han detectado hasta ahora, y algo más asombroso, que el cúmulo es de proporciones inmensas y se extiende a través de mil o dos mil millones de años luz de espacio. El mismo universo observable tiene sólo unas cuantas decenas de miles de millones de años luz de diámetro, y si hay un vasto supercúmulo en el grupo de Virgo, quizás haya otro supercúmulo a distancias mucho mayores, que por lo tanto son más difíciles de detectar. Parece ser que en la vida del universo no ha habido tiempo suficiente para que una uniformidad gravitatoria inicial haya podido recoger la cantidad de masa que parece contener el supercúmulo de Virgo. Por ello Smoot llega a decir que el big bang fue mucho menos uniforme de lo que sugieren sus demás observaciones, que la distribución original de material en el universo era muy desigual. (Hay que esperar un cierto grado de desigualdad, incluso es preciso que esta haya existido para comprender la condensación de las galaxias, pero una desigualdad a esta escala constituye una sorpresa). Quizás la paradoja puede resolverse imaginando dos o más big bangs casi simultáneos.
Si el cuadro general de un universo en expansión y de un big bang es correcto, tenemos que enfrentamos con preguntas aún más difíciles. ¿Cómo eran las condiciones en la época del big bang? ¿Qué sucedió antes? ¿Había un diminuto universo carente de toda materia y luego la materia se creó repentinamente de la nada? ¿Cómo sucede una cosa así? Es corriente en muchas culturas responder que Dios creó el universo de la nada. Pero esto no hace más que aplazar la cuestión. Si queremos continuar valientemente con el tema, la pregunta siguiente que debemos formular es evidentemente de dónde viene Dios. Y si decidimos que esta respuesta no tiene contestación ¿por qué no nos ahorramos un paso y decidimos que el origen del universo tampoco tiene respuesta? O si decimos que Dios siempre ha existido, ¿por qué no nos ahorramos un paso y concluimos diciendo que el universo ha existido siempre?
Cada cultura tiene un mito sobre el mundo antes de la creación, y sobre la creación del mundo, a menudo mediante la unión sexual de los dioses o la incubación de un huevo cósmico. En general se supone, de modo ingenuo, que el universo sigue el precedente humano o animal. He aquí, por ejemplo, cinco pequeños extractos de tales mitos, en niveles diferentes de sofisticación, procedentes de la cuenca del Pacífico:
Al principio de todo, las cosas estaban descansando en una noche perpetua: la noche lo oprimía todo como una maleza impenetrable.
El mito del Gran Padre
del pueblo aranda de Australia Central
Todo estaba en suspenso, todo en calma, todo silencioso; todo inmóvil y tranquilo; y los espacios del cielo estaban vacíos.
El Popol Vuh de los mayas quiché
Na Arean estaba sentado solo en el espacio como una nube que flota en la nada. No dormía porque no había el sueño; no tenía hambre porque todavía no había hambre. Estuvo así durante mucho tiempo, hasta que se le ocurrió una idea. Se dijo a sí mismo: Voy a hacer una cosa.
Mito de Maia, islas Gilbert
Hubo primero el gran huevo cósmico. Dentro del huevo había el caos, y flotando en el caos estaba Pan Gu, el No desarrollado, el Embrión divino. Y Pan Gu salió rompiendo el huevo, cuatro veces más grande que cualquier hombre actual, con un martillo y un cincel en la mano con los cuales dio forma al mundo.
Mitos de Pan Gu, China, hacia el siglo tercero
Antes de que el cielo y la tierra hubiesen tomado forma todo era vago y amorfo… Lo que era claro y ligero se desplazó hacia arriba para convertirse en el cielo, mientras que lo pesado y turbio se solidificó para convertirse en tierra. Fue muy fácil que el material puro y fino se reuniera, pero muy difícil que el material pesado y turbio se solidificara. Por eso el cielo quedó completado primero y la tierra tomó su forma después. Cuando el cielo y la tierra se unieron en vacuidad y todo era una simplicidad tranquila, las cosas llegaron al Ser sin ser creadas. Esta fue la Gran Unidad. Todas las cosas salieron de esta Unidad pero todas se hicieron diferentes.
Huainan Zi, China, hacia el siglo 1 a. de C.
Izquierda: Antigua imagen china de la creación con dos dobles hélices entrelazadas, representando la interacción de los contrarios, que da por resultado la Creación. Detrás de los dioses creadores hay imágenes de constelaciones. (Cedida por el Museo de Bellas Artes, Boston). Derecha: La visión tradicional judeo-cristiana de la creación del Cosmos. Dios (arriba) crea la Tierra y sus habitantes (los primeros hombres, Adán y Eva, están en el centro). Alrededor de la Tierra hay pájaros, nubes, el Sol, la Luna y las estrellas, encima de ella están «las aguas del firmamento». De la Biblia de Martín Lutero publicada por Hans Luft, Wittenberg, 1534.
