El universo en una taza de café
15. El origen del universo: el Big Bang
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EL ORIGEN DEL UNIVERSO:
EL BIG BANG
El tamaño del universo siempre había sido una incógnita hasta que Hubble más o menos aclaró el asunto. Pero existía una cuestión que había intrigado aún más al ser humano desde el inicio de los tiempos: ¿de dónde viene todo?
El origen de todo lo que nos rodea y cuánto tiempo lleva ahí es una cuestión más inquietante que el propio tamaño del universo.
Las explicaciones más antiguas sobre el origen del mundo datan de los primeros años del Imperio egipcio, en el reino viejo, entre el año 2780 a. C. y el 2250 a. C. Las historias son distintas para cada región de Egipto, pero todas tenían elementos en común: en todas ellas la Tierra (o las masas de tierra, mejor dicho) emerge de entre unas aguas caóticas y sin vida. Los mitos contienen también un monte en forma piramidal que es lo primero en surgir de entre las aguas y a lo que llamaban benben, y que aparecía representado en sus construcciones como la piedra con la que remataban la cima de las pirámides.
Por supuesto, estos mitos no se ajustaban a la realidad y es probable que estuvieran inspirados por la crecida del río Nilo, que, al volver a su cauce habitual, dejaba porciones del suelo al descubierto de nuevo.
Para los griegos, el universo era un vacío rodeado por una corriente de agua interminable en el que vivía la diosa Eurínome. Mientras bailaba sobre el agua, la diosa fue creando las masas de Tierra y llenándolas de criaturas.
La teoría más aceptada actualmente no tiene elementos humanos de por medio… Y es muchísimo más violenta.
En realidad, la tecnología necesaria para desvelar el misterio del origen del universo no estaría disponible hasta el siglo XX, así que hasta entonces poco podía hacer un astrónomo para acercarse a la respuesta correcta.
Pero habíamos avanzado bastante en la dirección correcta hasta entonces: se había descubierto que se podía calcular la velocidad a la que las estrellas se acercan o se alejan de nosotros analizando cómo se mueven las líneas de su espectro electromagnético hacia el rojo o el violeta y, con la mejora de los telescopios durante el siglo XX, se pudo analizar el espectro de la luz de objetos cada vez más lejanos. Y, ahora que Hubble había descubierto que esas nebulosas eran en realidad galaxias como la nuestra, quedaba por ver si las galaxias también daban vueltas alrededor de algo aún más grande. ¡Sólo nos faltaba eso! ¡Después de ser obligados a admitir que no éramos el centro del universo, ahora teníamos que aceptar también que nuestro sistema solar tampoco es único y que existen miles de millones de galaxias ahí fuera como la nuestra, cada una con miles de millones de estrellas y planetas!
En 1912, más de una década antes de que supiéramos que esos cuerpos nebulosos eran en realidad otras galaxias, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher (no sé qué anomalía extraña se generó con los nombres de los astrónomos a principios de siglo) estuvo midiendo el desplazamiento al rojo de la luz de las galaxias para ver a qué velocidad se movían. Descubrió que «la espiral Andrómeda tiene la excepcional velocidad de –300 kilómetros por segundo», donde ese signo negativo ante el número significa que se está acercando hacia nosotros.
¡¿En serio?!
En serio. Pero no, no te preocupes, voz cursiva. Aunque la galaxia de Andrómeda y la Vía Láctea están en trayectoria de colisión, están separadas por una distancia de casi 2,5 millones de años luz. O sea, que incluso acercándose a 300 km/s aún tardarán tres mil millones de años en chocar. Y el día en que las galaxias se encuentren, teniendo en cuenta que una galaxia es en su mayor parte espacio vacío, seguramente tampoco le pasará nada a nuestro sistema solar.
La cuestión es que el bueno de Vesto analizó los espectros de 15 galaxias y descubrió que 12 de ellas se estaban alejando de nosotros. Pero, claro, por aquel entonces no sabía ni el tamaño de estos objetos ni si se encontraban dentro o fuera de la Vía Láctea, así que el asunto quedó un poco en el aire como una curiosidad sin importancia hasta que Hubble retomó el trabajo en 1929 y realizó el descubrimiento que ya te avancé antes que iba a cambiar la visión del universo.
Hubble localizó algunas estrellas variables en otras galaxias, y observando sus períodos de luminosidad pudo calcular tanto la distancia a la que se encontraban como el ritmo al que se estaban alejando de nosotros. A estas observaciones añadió los datos sobre galaxias obtenidos por Vesto, así como los de Milton Lasell Humason.
DATO CURIOSO
Milton era un tipo especialmente curioso, porque, sin estudios más allá de los catorce años, empezó como conserje en el observatorio del monte Wilson (Estados Unidos). Pero, debido a su profundo interés por la astronomía y todo lo que aprendió echando una mano a los astrónomos durante sus observaciones, al final terminó siendo contratado en un puesto reservado para doctorados. Y así terminó observando los espectros luminosos de las galaxias, que utilizaría Hubble para hacer uno de los descubrimientos astronómicos más importantes de la historia.
Al analizar los datos de un total de 46 galaxias, Hubble se dio cuenta de que existía un patrón en su movimiento: las galaxias que se encontraban más lejos se alejaban de nosotros mucho más deprisa[95] que las que se encontraban más cerca. Es decir, que había algún tipo de fuerza que estaba acelerándolas a un ritmo que, según los cálculos de Hubble, era de unos 160 km/s por cada millón de años luz que las separa de nosotros.
Oye, pero ¿no habías dicho que hay galaxias que se acercan a nosotros?
Tienes razón; aquí falta una cosa por matizar.
La Vía Láctea forma parte del llamado Grupo Local, que no es una banda de música de barrio (perdonad los chistes malos, es que estos temas no dan pie a un humor mucho más complejo), sino un conjunto de 54 galaxias que se atraen gravitacionalmente y cuyo centro de gravedad común está en algún punto entre la Vía Láctea y Andrómeda, las dos galaxias más grandes del sistema. El propio Hubble reconoció este grupo en 1936 y, por supuesto, debido a su cercanía entre sí estas galaxias son atraídas gravitacionalmente hacia el centro de masas del sistema.
A su vez, el Grupo Local se encuentra dentro del Cúmulo de Virgo, una agrupación de unas 1.300 galaxias unidas gravitacionalmente, algunas de las cuales se están acercando entre sí a velocidades de hasta 1.600 km/s.
Las galaxias que se alejan de nosotros a velocidades mayores cuanto más lejos se encuentran son las que están fuera de este grupo al que estamos gravitacionalmente anclados.
Y aquí la gran pregunta que atormentaría a los astrónomos después de este descubrimiento: en el espacio, una vez que un objeto tiene cierta velocidad, va a seguir moviéndose a esa velocidad a menos que actúe una fuerza sobre él. Así que ¿cómo podían estar las galaxias lejanas alejándose a un ritmo mayor? ¿Qué fuerza las estaba acelerando?
Curiosamente, este fenómeno ya había sido calculado una década antes por el matemático y meteorólogo ruso Alexander Friedman en 1922, que había descubierto que la teoría de Einstein predecía que el universo podía estar expandiéndose a un ratio predecible mediante las ecuaciones de la relatividad. A esta misma conclusión llegó el astrónomo belga Georges Lemaître en 1927. Pero sus descubrimientos tenían un matiz muy importante que desafiaba, una vez más, a la lógica: las galaxias se alejan entre sí porque el propio espacio que las separa se estaría expandiendo.
O sea, que el motivo por el que la luz de las galaxias estaba siendo desplazada hacia el rojo (y, por tanto, se alejaban) no era el efecto Doppler, como ocurre con las estrellas. El espacio expandiéndose podía explicar perfectamente esta observación, ya que a medida que el espacio se expande entre dos puntos, una onda que esté recorriéndolo será estirada y su longitud de onda aumentará, produciendo un color más rojizo.
Este resultado explicaba por qué, además, el desplazamiento hacia el rojo era mayor para objetos lejanos. Como el espacio parece expandirse a una mayor velocidad cuanto más lejos se encuentran, la luz proveniente de esos lugares estaría mucho más estirada que la generada por las estrellas de las galaxias más cercanas.
La consecuencia directa de todo esto era bastante lógica: si el universo se está expandiendo y, en un instante cualquiera es un poco mayor que en el instante anterior, significa que el universo era más pequeño en el pasado. Y, si nos remontáramos los años suficientes en el pasado, llegaría un punto en el que el espacio debió de estar comprimido en un solo punto. O sea, que algo tuvo que pasar para que ese punto, de repente, reventara y creara todo el universo.
Y así nació la teoría del Big Bang.
UN CONCEPTO ERRÓNEO SOBRE EL BIG BANG
De alguna manera, parece que la idea del Big Bang que tiene el público en general es que toda la materia estaba compactada en el mismo sitio en el momento anterior a la creación del universo y que una explosión la lanzó «volando por los aires» en todas direcciones. Luego ya se unirían los pedazos entre sí para dar lugar a estrellas, galaxias, planetas, a nosotros y un largo etcétera.
Pero esto no es así. Como hemos visto, Einstein había predicho que la masa y la energía están estrechamente relacionadas, una relación que aparece representada en su famosa fórmula E = mc2. Igual que aprovechamos esta ley para producir grandes cantidades de energía a partir de pequeñas masas (de ahí la eficiencia de la tecnología nuclear), es posible crear masa si se acumula suficiente energía en un mismo punto… Y eso es lo que habría ocurrido durante el Big Bang que básicamente fue la liberación repentina de una cantidad ingente de energía.
Al juntar mucha energía en el vacío empiezan a formarse pares de partículas y antipartículas, que son lo mismo que las partículas a las que estamos acostumbrados (protones, neutrones y electrones) pero con la carga opuesta. Los antiprotones, archienemigos de los protones, tienen carga negativa y los positrones, el equivalente a los electrones, tienen carga positiva. A este tipo de materia con carga contraria se le llama antimateria y probablemente habréis oído hablar de ella en películas de ciencia ficción. Como las partículas tienen una carga igual y opuesta, la carga combinada de ambas sigue siendo nula y su creación no incumple ningún principio físico. Así de extraña es a veces la legislación que rige el universo.
Pero, en condiciones normales, cuando un par de partículas y antipartículas aparece espontáneamente de la nada, las dos se ven atraídas debido a sus cargas opuestas y se aniquilan entre sí al combinarse, liberando una gran cantidad de energía. Hummm, creo que la expresión gran cantidad de energía no hace justicia a este fenómeno. La aniquilación entre materia y antimateria es el proceso más energético que se conoce: el 100% de la materia se convierte en energía, liberada en forma de luz, rayos gamma y calor.
En contraste, las reacciones de fisión nuclear que hacen estallar las bombas atómicas tienen una eficiencia, en términos de convertir masa en energía, de sólo el 1%, para que veáis lo violento que es este proceso.
El concepto de antimateria existe desde la década de 1880, aunque en aquel entonces era más un ejercicio de imaginación que un planteamiento fundamentado basado en las observaciones. En vez de una carga eléctrica opuesta, se le atribuía una fuerza gravitatoria negativa. En 1898, Arthur Schuster publicó un curioso artículo en la revista Nature en el que fantaseaba sobre el tema. Su nombre, de hecho, ya sugiere su poca seriedad: «Materia potencial. Un sueño de un día festivo».
En él imaginaba la posibilidad de sistemas solares enteros compuestos por una forma de antimateria que se viera repelida por los campos gravitatorios de la materia convencional,[96] como de la que está hecha la Tierra. En sus propias palabras:
Mundos de este material podrían haberse formado, con elementos y compuestos que poseyeran propiedades idénticas a los nuestros, indistinguibles entre ellos hasta que fueran llevados a sus inmediaciones. Si hay electricidad negativa, por qué no oro negativo, tan amarillo y valioso como el nuestro, con el mismo punto de ebullición y líneas espectrales idénticas; diferente sólo en el hecho de que al ser traído hasta nosotros despegaría hacia el espacio con una aceleración de 9.81 [m/s2].
Luego continuaba diciendo que, cuando la materia y la antimateria entraran en contacto, la atracción química podría superar la repulsión gravitatoria y los dos materiales se podrían combinar. Con esto intentaba sugerir que un cuerpo que se acercara hacia el sistema solar y estuviera compuesto por mitad materia y mitad antimateria vería su parte de antimateria repelida por el Sol y ésta intentaría alejarse de él formando una prominencia en dicho cuerpo. ¿Os suena esta característica? Schuster estaba intentando usar esta idea para explicar la cola de los cometas. Por suerte, las misiones espaciales modernas que han aterrizado en los cometas para estudiar su composición han desmentido esta idea (aunque ya hacía tiempo que se sospechaba que no era correcta).
La verdad es que una sustancia con propiedades antigravitatorias es una idea bonita, pero no tiene nada que ver con la antimateria que se descubrió más tarde, que se diferencia de la materia ordinaria por tener la carga eléctrica contraria y no presentar propiedades antigravitatorias.
La existencia de la antimateria tal y como la conocemos hoy fue postulada por primera vez en 1928 por el físico Paul Dirac, en parte basándose en la teoría de la relatividad de Einstein. Y las primeras partículas de antimateria fueron detectadas en 1932 por Carl D. Anderson.
Pero, bueno, volvamos al tema que nos ocupa.
Lo importante es que las matemáticas detrás de la teoría del Big Bang no sugieren que toda la materia estaba congregada en el mismo punto en el momento del inicio del universo. De hecho, predicen que ni siquiera el tiempo y el espacio existían en ese momento y que la expansión ocurrió en todo el volumen a la vez.
¡¿Cómo?!
Esto va a ser complicado.
No tenemos ni idea de lo que había antes de que el universo empezara a expandirse. Y que conste que digo expandirse; no hablo de ninguna gran explosión, porque una explosión implica que hay materia por algún lado interviniendo en el proceso explosivo, y en el momento del nacimiento del universo no existía la materia.
Como la dimensión temporal se creó durante el Big Bang, en el momento en el que el universo empezó a expandirse nos encontramos en el momento cero del espacio y el tiempo. Preguntarse qué ocurría antes no tiene sentido. Sé que suena difícil de asimilar… Y no seréis los primeros en reaccionar con escepticismo ante esta idea.
Si alguna vez habéis trabajado con ecuaciones matemáticas sabréis lo molestos que pueden ser los ceros en física, porque los resultados se llenan de absurdidades matemáticas. O sea, que las leyes de la física fallan en el momento preciso del origen del universo, así que lo único que podemos hacer es acercarnos a valores muy cercanos al cero para ver qué pasa.
Lo máximo que podemos acercarnos al origen del Big Bang es diez septillones de segundo por encima del momento inicial o, lo que es lo mismo, 0,00000000000000000000000000000000000000000001 segundos. Hay 43 ceros, por si ibais a contarlos.
Y ahora preparaos para ver números igual de inimaginables.
Cuando las cosas se contraen, se calientan, así que Hubble logró calcular que la temperatura del universo en ese momento inicial era del orden de un quintillón de grados (un 1 seguido de 32 ceros) y tenía un tamaño de 10–35 metros. Durante su primer segundo de expansión se enfrió lo suficiente como para que se formara materia y antimateria (protones, neutrones y sus correspondientes antipartículas). Las fuerzas fundamentales de la naturaleza (la gravedad, el electromagnetismo y las dos fuerzas nucleares que mantienen los núcleos atómicos pegados) también aparecieron en ese momento… Lo que tiene bastante sentido porque, si no hay materia, las fuerzas que la gobiernan tampoco existen.
Tres minutos después del inicio de la expansión se formaron los electrones y su contrapartida de antimateria, los positrones, que empezaron a aniquilarse entre sí liberando fotones (las partículas que componen la luz y el resto de la radiación electromagnética), que, al colisionar contra otras partículas, crearon más electrones y positrones.
Oye, pero si la materia y la antimateria tienden a aniquilarse entre sí nada más formarse…, ¿por qué no se desintegraron todas las partículas con sus antipartículas? Según esta lógica no debería existir materia en el universo porque cada partícula habría sido aniquilada por su antipartícula, ¿no?
Tienes razón, voz cursiva, éste es un misterio que aún está pendiente de resolver. Pero tenemos unas cuantas explicaciones que podrían ayudarnos.
Podría ser que en realidad sí que se hubieran creado montones iguales de materia y antimateria, pero que no hubieran tenido tiempo de aniquilarse entre sí porque la rápida expansión del espacio las hubiera separado enseguida. En este caso, existirían regiones del universo compuestas únicamente por antimateria.
Estas regiones resultarían totalmente indistinguibles de las regiones formadas por materia ordinaria porque emitirían radiación de la misma manera, así que, sin viajar ahí y tocarla con algo para ver si revienta, no podríamos decir si es antimateria o no. Pero deberían existir zonas donde la materia y la antimateria están suficientemente cerca como para interaccionar y aniquilarse entre sí, lo que produciría una gran cantidad de rayos cósmicos que no es radiación electromagnética, sino núcleos atómicos que salen despedidos a una fracción considerable de la velocidad de la luz durante algún fenómeno especialmente violento, como una supernova o los núcleos de las galaxias que contienen agujeros negros supermasivos especialmente activos…,[97] y algunos terminan impactando contra la atmósfera terrestre. Aunque podemos detectar estos rayos cósmicos con facilidad, no tenemos indicios de que estén viniendo de zonas del universo donde materia y antimateria se estén aniquilando.
En la actualidad hay proyectos destinados a buscar señales de que, en algún lugar, haya galaxias hechas de antimateria.[98]
Luego está la posibilidad de que, en realidad, durante el proceso de formación de materia y antimateria, exista algún tipo de mecanismo que aún no conocemos y que descomponga la antimateria en otras partículas después de su formación. Podría ser que las partículas de antimateria tendieran a descomponerse en otros elementos que no son exactamente contrarios a los de las partículas, por ejemplo, aunque no se ha encontrado evidencia al respecto.
Pero bueno.
Tres minutos después del Big Bang, la temperatura del universo bajó hasta unos refrescantes mil millones de grados, lo que significaba que estaba suficientemente frío como para que los protones y los neutrones pudieran unirse para formar los primeros núcleos atómicos de otra cosa que no fuera hidrógeno, que, como recordaremos, son simplemente un protón suelto. La temperatura era suficientemente alta como para permitir la fusión nuclear del hidrógeno en helio (2 protones en el núcleo) y pequeñas cantidades de litio (3 protones). A los veinte minutos, las reacciones de fusión se detuvieron porque la temperatura había bajado demasiado como para que los átomos pudieran fusionarse en medio del espacio.
A partir de este momento y hasta unos 300.000 años después, el universo estuvo lleno de un plasma (que no es más que gas al que le faltan electrones, por lo que tiene carga eléctrica) tan denso que no permitía el paso de la luz. Pero, al final de esta época, la temperatura del universo bajó hasta alcanzar una temperatura similar a la de la superficie del Sol y los electrones pudieron ser capturados por los núcleos atómicos, formando los primeros átomos con carga eléctrica neutra y permitiendo que los fotones pudieran viajar por el espacio sin ser absorbidos por ningún otro átomo.
Éste es un acontecimiento muy importante porque, por primera vez, los fotones podían viajar libremente por el espacio. El universo se volvió transparente al paso de la luz.
Y a partir de aquí todo va sobre ruedas: el hidrógeno y el helio empiezan a acumularse en grandes nubes que se ven atraídas por su propia fuerza gravitatoria, formando estrellas que en su interior empiezan a fusionar el helio y el hidrógeno en elementos más pesados que luego esparcen por todo el universo al reventar en forma de supernovas. Y esos elementos son los que nos forman a nosotros y que nos permiten estar aquí, tranquilamente leyendo sobre nuestro propio origen.
La verdad es que esta teoría explica muy bien cómo se formó la materia y por qué observamos el universo en su estado actual. Pero ¿hay alguna evidencia de todo esto? Quiero decir, me parece un buen razonamiento pensar que si todo se está separando, en algún momento tuvo que estar todo junto… Pero ¿hay alguna señal de que el universo empezara expandiéndose con una temperatura inicial de no sé cuántos quintillones de grados?
Muy buena pregunta, voz cursiva. Como tantas cosas otras que han resultado ser importantes, la evidencia más fuerte a favor de la teoría del Big Bang fue encontrada por accidente.
RADIOASTRONOMÍA
En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson estaban probando una antena de 6 metros de diámetro muy sensible con el fin de detectar las señales de radio de los satélites que iban a formar parte del primer experimento con sistemas de comunicación por satélite del mundo.
Escanearon el cielo en busca de las ondas de radio del satélite, conscientes de que encontrarían datos que no encajarían porque la atmósfera está llena de ondas de radio emitidas por los repetidores de televisión y radio que interferirían con la señal. Pero, después de rastrear el cielo con la antena y analizar los datos obtenidos, se dieron cuenta de que habían medido un ruido de fondo 100 veces mayor de lo que habían estimado y que éste estaba repartido de manera uniforme por todo el cielo. Además, se podía percibir de manera constante tanto de día como de noche.
Los dos científicos hicieron lo que haría cualquier buen investigador en su situación: quitaron algunos nidos de paloma que habían tomado residencia en el plato de la antena y limpiaron las heces de pájaro con entusiasmo. Luego comprobaron que los sistemas eléctricos funcionaban correctamente, repitieron el experimento y descubrieron que el ruido seguía ahí. La conclusión era obvia: las palomas no emiten ondas de radio.
No, no, es broma. El hecho de que el sonido fuera constante tanto de día como de noche y que estuviera repartido de una manera tan uniforme por el cielo significaba que no podía venir de la Tierra, del Sol o de cualquier otra fuente puntual de radiación que se encontrara dentro de nuestra galaxia. O sea, que la radiación tenía que venir de fuera de la galaxia, aunque tampoco se conociera ninguna fuente de radio omnipresente que pudiera explicarla.
Al mismo tiempo y de manera independiente, Robert H. Dicke, Jim Peebles y David Wilkinson, de la Universidad de Princeton, que se encontraba sólo a 60 kilómetros del radiotelescopio de Penzias y Wilson, habían llegado a la conclusión de que, si el Big Bang realmente hubiera ocurrido, habría producido una cantidad tremenda de radiación electromagnética de alta energía que, con el tiempo, habría sido estirada por la expansión del propio espacio hasta convertirla en una radiación con una longitud de onda más larga (microondas, en concreto) que podría ser detectable.
Un amigo de Penzias pudo ver el informe inicial en el que se explicaba esta teoría y se lo comentó a su colega. Penzias comprendió que la señal que habían descubierto él y Wilson por accidente se ajustaba a la idea presentada en esta nueva teoría y se puso en contacto con la universidad, desde donde le mandaron una copia del borrador y, efectivamente, vio que lo que había observado concordaba perfectamente con la predicción. Incluso invitó a Dicke a los laboratorios Bell para que pudiera medir el ruido él mismo a través de la antena.
Ya no quedaba ninguna duda: esta radiación tan uniforme que habían detectado era la huella de ese período, 300.000 años posterior al Big Bang, en el que el universo se volvió transparente a la radiación electromagnética. Los cinco presentaron la tesis juntos y Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel por su descubrimiento en 1978.
Vale, pero hay una cosa que no tengo clara. Si hoy en día han pasado 13.700 millones de años desde el Big Bang, ¿cómo puede ser que veamos radiación que se emitió 300.000 años después de que ocurriera?
Aquí viene lo interesante.
El Big Bang ocurrió por todo el volumen del universo. Pero, por supuesto, todo el universo era mucho más pequeño por aquel entonces y se ha ido expandiendo hasta nuestros días.
Recordemos que Hubble descubrió que las galaxias se alejan de nosotros a velocidades mayores cuanto más lejos están. Por este motivo, llegará un punto en el que la distancia que nos separa de algunas de ellas será tan grande que se alejarán de nosotros a velocidades superiores a las de la luz y, por tanto, la luz emitida por ellas nunca podrá alcanzarnos porque la luz está viajando a través de un espacio que se está estirando más deprisa de lo que ella puede viajar a través de él.
Éste es el concepto del volumen de Hubble,[99] la esfera que se extiende a nuestro alrededor y en cuyo interior están las cosas que se alejan de nosotros a velocidades menores a las de la luz (y por tanto la luz que emiten es capaz de viajar hacia nosotros desde el momento de su emisión). Luego existe una «barrera», la frontera de la esfera en la que las galaxias se alejan de nosotros a la velocidad de la luz y, por tanto, ésta intenta acercarse a nosotros al mismo tiempo que el espacio la aleja. Más allá están los objetos que se desplazan más rápido que la luz respecto a nosotros y cuya luz no sólo no se puede acercar hacia la Tierra sino que, de hecho, se aleja.
O sea que, a primera vista, nunca podríamos ver objetos que se encuentren fuera de esta esfera que se extiende a nuestro alrededor… Pero en realidad no es así: podemos ver más allá del volumen de Hubble.
El espacio se está expandiendo a un ritmo cada vez mayor, así que, mientras las cosas se alejan cada vez más de nosotros, nuestra esfera de Hubble se está expandiendo también. Y aunque existan objetos fuera de la esfera de Hubble que se estén alejando de nosotros a una velocidad superior a la de la luz, la luz que emiten hacia nosotros se aleja a un ritmo menor, precisamente porque intenta acercarse hacia la frontera de Hubble a la velocidad de la luz.
Y llega un punto en el que la frontera de Hubble se expande lo suficientemente deprisa como para que esta luz pueda entrar en su interior y llegar hasta nuestros ojos.
Espera un momento… Esto significaría que en el momento que veamos la luz de una de estas galaxias increíblemente lejanas, en realidad se encontrará mucho más lejos de nosotros de lo que percibimos, ¿no?
¡Exacto!
De hecho, de ahí viene el concepto de universo observable: la esfera de espacio que nos rodea y dentro de la cual la luz de las estrellas y galaxias lejanas ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros. Esta esfera tendría un diámetro, centrado en nosotros, de unos 93.000 millones de años luz.
Pero grabemos esto en nuestras cabezas: el universo tiene 13.700 millones de años, así que la luz sólo ha tenido tiempo de recorrer 13.700 millones de años luz desde el Big Bang. O sea que, aunque el universo observable mida 93.000 millones de años luz de diámetro (el tamaño del universo puede ser mayor de lo que su edad sugiere porque, recordemos, hay puntos que se alejan entre sí a velocidades superiores a la de la luz), esto no significa que podamos observar las cosas que están a esa distancia, sino cómo eran en el pasado.
Uf, 93.000 millones de años luz es una barbaridad… Pero ¿es ése el tamaño del universo, o existen cosas más allá del universo observable?
Claro. De hecho, el universo observable es un concepto que depende totalmente de nuestro punto de vista. En este sentido, somos como un barco en medio del océano: sólo podemos ver el mar hasta ahí donde alcanza el horizonte, pero habrá barcos que estén un poco más alejados de nosotros que tengan una perspectiva diferente del horizonte. O incluso barcos que no compartan el horizonte con ninguno de los demás.
Sin embargo, como he comentado antes, todas estas galaxias que están más allá de nuestra frontera de observación no van a ser invisibles para siempre. A medida que el universo se expanda, la frontera del universo observable irá aumentando.
Y precisamente por este motivo podemos detectar la radiación reminiscente del Big Bang, el momento en el que el universo se volvió transparente. La radiación emitida en estas zonas tan alejadas de nosotros se ha alejado a velocidades superiores a las de la luz durante todo este tiempo, llevándose consigo toda esa luz emitida 240.000 años después del Big Bang. A medida que nuestro universo observable ha crecido, y la luz emitida en estas zonas ha dejado de alejarse de nosotros a velocidades superlumínicas, su radiación ha tenido la oportunidad de alcanzarnos.
Así es como podemos «mirar al pasado» para conocer el Big Bang, y lo que observamos es la radiación de fondo de microondas en todas las direcciones del espacio, que es algo parecido a esto:
En el fondo, éste no es más que un mapa que nos dice cuál es la temperatura en cada punto del universo. Estudiando la distribución de la temperatura en ese instante en el que la luz brilló por primera vez, podemos hacernos una idea de cómo estaba distribuida la masa en el universo 300.000 años después del Big Bang.
Y el hecho de que se hubiera podido hacer una predicción teórica de esta radiación y luego fuese observada es una de las grandes evidencias a favor de la teoría del Big Bang.
¿Y ya está? ¿Esto demuestra que hemos descubierto cómo empezó el universo?
No, querida voz cursiva. El Big Bang es la mejor herramienta que tenemos de momento para responder al misterio de cómo empezó todo. Y aunque es capaz de dar explicación a una enorme cantidad de fenómenos que somos capaces de ver hoy en día, ha habido que incluir cambios para que se ajuste mejor a ciertas observaciones que no tenían mucho sentido.
Las diferencias de temperatura en el mapa de radiación de fondo de microondas son mínimas, del orden de unas 4 milésimas de grado. Teniendo en cuenta que para obtener estas imágenes hay que separar esta radiación del resto de la radiación que nos llega de las estrellas y galaxias que nos rodean, no resulta raro saber que no se ha podido estudiar en detalle hasta que han aparecido herramientas capaces de proporcionar la resolución suficiente en las últimas décadas.
Es precisamente esta temperatura tan regular que vemos por todo el cielo la que no encajaba con otras predicciones hechas por muchos astrofísicos: no encaja que el universo presente una temperatura tan uniforme y unas propiedades tan parecidas en todas las direcciones, incluso en zonas que ni siquiera han podido intercambiar información (con información me refiero a radiación y calor, por ejemplo) porque se alejan entre sí a velocidades superiores a las de la luz.
Es como cuando echamos leche en una taza de té caliente: la leche fría baja la temperatura del té, pero no lo hace de manera instantánea por todo su volumen, sino que se forma una «nube» de leche de distinta densidad que la del té que tarda un poco en esparcirse por el líquido hasta mezclarse completamente con él e igualar la temperatura de todo el té.
Pero, claro, el té está quieto mientras la leche ocupa todo ese volumen e iguala la temperatura. Si todo el tinglado se estuviera expandiendo, partes de la nube de leche y del volumen de té se separarían sin llegar nunca a interactuar entre sí y, por tanto, se formarían acumulaciones de té muy caliente o de leche muy fría dentro de nuestra taza en expansión.
Eso es, precisamente, lo que no encajaba: deberíamos observar diferencias bastante mayores entre las zonas más calientes y las más frías del universo, dado el «poco» tiempo que éste ha tenido para expandirse desde que se produjo el Big Bang.
Por otro lado está el problema de la planitud del universo, que tiene que ver con la geometría del propio espacio. Cuando se habla de la geometría del espacio no se hace referencia a que el universo tenga una forma geométrica concreta como un cubo o una esfera. Se trata más bien de la curvatura que presenta el espacio debido al efecto de la gravedad producida por la masa que contiene.
Si el universo contiene suficiente masa como para detener el proceso de expansión, entonces se dice que vivimos en un universo cerrado, representado generalmente por una esfera. En este escenario, la expansión del universo no sólo terminaría por detenerse, sino que se invertiría y toda la materia del universo empezaría a atraerse entre sí para condensarse de nuevo en una singularidad igual a la que le dio origen.
Si el universo no tiene la masa suficiente para detener su expansión, llegará un punto en el que ésta se estabilizará y entonces simplemente el universo seguirá expandiéndose para siempre a un ritmo constante. Se suele representar la geometría de este universo como una especie de silla de montar (lo comento para que si algún día lo veis por ahí, estéis familiarizados con el tema, porque realmente es lo de menos).
Asimismo existe un tercer caso en el que el universo tiene la masa justa para no invertir la dirección de la expansión ni quedarse estancado expandiéndose a un ritmo constante para toda la eternidad. En este escenario, la expansión del universo se ralentizaría con el tiempo hasta que, tras un período de tiempo infinito, se detendría por completo. Y ahí se quedaría, estático. Durante el proceso, las estrellas dejarían de brillar, los agujeros negros se evaporarían y sólo quedaría un espacio vacío con algunas partículas flotando por ahí.
Es un escenario deprimente pero, dada la cantidad de masa observada en el universo, parece ser que es el caso en el que nos encontramos.[100]
Pero, claro, aquí hay otro problema: si el universo hubiera empezado con una geometría ligeramente cerrada, esta característica se habría visto magnificada a medida que el universo se expande y, según los cálculos de los astrofísicos, hace tiempo que el universo debería haber llegado a su fin en cualquiera de los dos escenarios posibles.
Estos dos problemas se pueden solucionar añadiendo un breve período de inflación justo después del Big Bang: un intervalo de tiempo que duró entre 10–36 y 10–33 o 10–32 segundos tras la «gran explosión». Aunque es un período de tiempo extremadamente corto, habría sido suficiente para que el universo se hubiese expandido a un ritmo muchísimo mayor que el que presenta ahora.
Esta inflación repentina habría estirado bruscamente cualquier pequeña diferencia en el diminuto universo recién formado y la habría esparcido por un volumen muchísimo mayor. Esto explicaría por qué la radiación de fondo de microondas es tan uniforme. Por otro lado, durante este período podría haber existido una concentración de energía distinta en el universo a la que hay hoy en día, así que podría haber estado curvado durante un breve período de tiempo sin llegar a colapsarse sobre sí mismo, y luego, tras bajar el ritmo de expansión, seguir expandiéndose con la concentración actual de materia y energía respecto a su volumen.
Aun así, nos falta información para saber si este período de inflación ocurrió porque…, bueno, básicamente porque no nos puede llegar información en forma de radiación electromagnética de la época previa a que el universo se volviera transparente. Pero se están desarrollando nuevos métodos que permitan observar fenómenos a los que les diera igual si el universo era una bola opaca de plasma y que pudieran haberse propagado por el espacio hasta nuestros días como, por ejemplo, la presencia de ondas gravitacionales que pudieran haber sido generadas durante aquella época.
Aunque sospechamos que el modelo actual del Big Bang va en la buena dirección, no podremos asegurar que es correcto hasta que encontremos pruebas de la inflación o sepamos dónde está toda esa antimateria que parece faltar.