Evolución del universo y modelos
explicativos
Ernesto Domingo Suarez y Olga Delfiore
Introducción
Observar el cielo estrellado, después de cazar y
comer, e interrogarse sobre la naturaleza del mismo viene desde las épocas más
remotas de la humanidad, como asimismo elaborar teorías sobre su origen.
El conocimiento que en la antigüedad se tenía de
los astros se plasma en el Modelo Tolemaico que perduró cerca de veinte siglos.
Éste describía el universo como compuesto por la Tierra, el Sol, la Luna y los
planetas cercanos y consideraba a las estrellas como fuegos fijos situados
sobre una esfera que rodeaba al universo.
Esta visión del cosmos se amplió sucesivamente,
reflejando cada vez más la realidad objetiva, a partir de la sugerencia hecha
en 1584 por el sacerdote Giordano Bruno (incinerado en la hoguera por sus
ideas) y comprobada por Galileo Galilei, de que las estrellas son soles como el
nuestro, visión continuada con la demostración de Edwin Hubble en 1923 de que
parte de las luces que observamos como si fueran estrellas son en realidad
grandes conglomerados de estrellas, galaxias como nuestra Vía Láctea en la que
estamos inmersos, pero tan distantes que a simple vista se ven solo como un
punto. En esta misma dirección hoy hay sugerencias de ampliar la noción de
Universo, lo que es muy controvertido aunque no improbable, basándose en la
proyección de nociones conocidas de la física hacia procesos de los cuales aún
no tenemos datos experimentales.
Modernamente, para explicar la evolución estelar se
han desarrollado distintos modelos que pretenden dar cuenta del Universo a
partir de los principales hechos observados. El más difundido entre el gran
público es a su vez el ampliamente dominante en la comunidad científica, el
modelo de la Gran Explosión Caliente (Big Bang). Sin embargo, no es
universalmente aceptado, hay un grupo reducido de investigadores que lo
cuestionan desde diferentes ángulos y con distintas respuestas alternativas. A
su vez dentro de la mayoría que sostiene la teoría dominante, hay diferentes
posiciones.
En este trabajo se van a presentar el modelo de la
Gran Explosión y algunos de los principales modelos de evolución estelar
alternativos disponibles en la literatura. Se discutirá el alcance de los
mismos en función de los conocimientos físicos en que se basan.
Previamente se van a resumir los principales hechos
observacionales sobre la evolución y estructura del Universo.
Evolución estelar
El Sol y las otras estrellas no son más que enormes
esferas de gas incandescente. En su interior, la fuerza de gravedad y la
presión (producto de la agitación térmica de las partículas) compiten entre sí.
La gravedad intenta atraerlo todo hacia el centro; pero esta compresión
calienta el gas y la presión resultante equilibra la gravedad. La superficie del
Sol brilla al rojo blanco, a una temperatura cercana a los 6.000ºC. Pero para
proporcionar la presión suficiente su centro debe estar mucho más caliente, por
encima de los 15 millones de grados.
¿Qué es lo que hace brillar al Sol? Sin una fuente
de combustible, la gravedad haría que la estrella se contrajera gradualmente a
medida que el calor se escapa de su interior. El Sol genera calor por el mismo
proceso que explotan las bombas de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno son las
estructuras atómicas menos complejas: su núcleo consiste en un solo protón. A
medida que un gas se calienta, los átomos que lo forman se agitan más deprisa.
En el centro del Sol, los protones chocan con tanta violencia que se fusionan.
Una serie de estas reacciones puede fusionar cuatro núcleos de hidrógeno (o
protones) en un núcleo de helio. Como el núcleo de helio pesa un 0,7% menos que
los cuatro átomos de hidrógeno originales, la conversión del hidrógeno en helio
proporciona energía de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 (la masa, m,
perdida en el proceso se transforma en energía, E, con la velocidad de la luz
al cuadrado, c2, como factor de proporcionalidad). Esta 'quema' del hidrógeno
es suficiente para que el Sol brille durante varios miles de millones de años.
A diferencia de las explosiones nucleares, la energía producida en una estrella
se libera de manera regular y 'controlada'. Esto se debe a que la gravedad, a
pesar de la enorme presión producida en el centro, presiona las capas
exteriores con firmeza suficiente para 'sujetar la tapa'. En el Sol, la
producción de energía de fusión compensa precisamente la pérdida de calor
superficial, del cual depende la vida terrestre.
El Sol nació a partir de una nube interestelar.
Esta nube empezó girando de forma casi imperceptible, pero a medida que se
contraía por efecto de la gravedad su giro se fue haciendo cada vez más rápido,
lo que hizo que la fuerza centrífuga creciera hasta compensar la atracción
gravitatoria. A continuación se formó un disco en forma de remolino alrededor del
proto-Sol, el cual siguió contrayéndose gradualmente, pero esta contracción
lenta se detuvo cuando el centro se calentó lo suficiente para que se iniciara
la fusión del hidrógeno. Mientras tanto, el disco circundante se enfriaba;
parte del gas se condensó en forma de polvo y fragmentos rocosos, los cuales se
aglomeraron formando planetas.
El Sol quedó así rodeado de un sistema planetario y
se situó en un estado cuasi estacionario, convirtiendo el hidrógeno en helio en
forma lenta pero constante. Estas reacciones producen tanto calor que, a pesar
de tener 4.500 millones de años, el Sol aún no ha consumido ni la mitad de su
hidrógeno. Sus reservas le permitirán seguir brillando durante otros 5.000
millones de años. Luego se expandirá hasta convertirse en lo que se conoce como
una "gigante roja", tan grande y brillante que absorberá los planetas
interiores y volatilizará toda la vida terrestre.
¿Cómo es este proceso que ha podido ser observado
en otros soles de nuestras galaxias de masas similares?
A medida que se va consumiendo el combustible -el
hidrógeno- la estrella se contrae por acción de la gravedad, lo que genera una
mayor agitación térmica de los átomos, creándose así las condiciones para
generar una nueva reacción en la que el helio se convierte en carbono y oxígeno
liberando una energía mayor. Esa presión que se genera ya no puede ser
contenida por la acción gravitatoria y se produce la expansión. Después de esta
fase las capas exteriores se desprenderán violentamente y el núcleo se
contraerá hasta convertirse en lo que se conoce como una enana blanca, una
estrella compacta no mayor que la Tierra, pero cientos de veces más pesada.
Esta estrella brillará con un fulgor azulado, más pálido que el de nuestra
Luna, rodeada de los restos de ese extinto sistema solar.
La disciplina que estudia estos procesos es la
astrofísica. La astrofísica, al igual que describe la evolución del Sol, puede
calcular los ciclos vitales de estrellas con diferentes masas gaseosas
iniciales: la mitad, el doble, cuatro veces más pesadas que el Sol, etc. (ver
Recuadro 1).
La relación entre la atracción gravitatoria y las
reacciones nucleares que hacen presión hacia fuera provoca distintos
comportamientos cualitativos, dependiendo de la masa que provee la fuerza de
atracción gravitatoria. Las estrellas de mayor masa, en general, son más
brillantes y su ciclo vital transcurre más deprisa. Estos cálculos están
basados en los datos físicos de las reacciones posibles entre átomos y núcleos
obtenidos a partir de experimentos de laboratorio. Estas teorías se verifican
mediante la observación de poblaciones enteras de estrellas. El mejor campo de
pruebas para comprobar las teorías sobre la evolución estelar son los llamados
cúmulos globulares, enjambres de millones de estrellas de diferentes tamaños,
formadas al mismo tiempo y unidas por su mutua atracción gravitatoria.
Las enanas blancas, las 'cenizas' que dejan
estrellas como el Sol cuando completan sus ciclos vitales, son objetos muy
comunes en nuestra galaxia, pero su escaso brillo hace difícil su estudio. Las
enanas blancas recién formadas tienen superficies muy calientes (y son más
azules que blancas), pero se enfrían gradualmente porque no pueden compensar
con energía nuclear las pérdidas por radiación. Podemos determinar la temperatura
de las enanas blancas a partir de su color (que se enrojece a medida que se
enfrían), y la teoría nos proporciona su edad (es decir, el tiempo transcurrido
desde que la estrella madre agotó su combustible nuclear). Las enanas blancas
más frías tienen varios miles de millones de años, de lo que podemos inferir
que algunas estrellas agotaron su combustible nuclear antes de que apareciera
nuestro sistema solar.
No todos los sucesos cósmicos transcurren con
lentitud. A veces las estrellas explotan de manera catastrófica originando el
fenómeno conocido con el nombre de supernova. Durante unas pocas semanas, la
explosión de una supernova cercana puede superar en luminosidad a cualquier
otro objeto del cielo nocturno; este objeto seguirá siendo visible durante unos
pocos milenios más, mientras se expande y difumina gradualmente. Después se
hará tan difuso que se confundirá con el polvo y el gas diluido que llena el
espacio interestelar.
La razón de la importancia de estos sucesos es que
de no ser por las supernovas nunca habrían aparecido en la Tierra elementos
como el carbono y oxígeno -entre otros- esenciales para la vida.
Trataremos de explicar esto.
En nuestro planeta encontramos de forma natural
noventa y dos tipos diferentes de átomos, pero algunos son mucho más comunes
que otros. Por cada átomo de carbono que encontramos, podemos hallar veinte de
oxígeno y unos 5 de nitrógeno o de hierro. En cambio, el oro es centenares de
millones de veces más escaso que el oxígeno, y otros elementos, como el uranio,
son aún más raros.
Todas las palabras de nuestra lengua están
constituidas a partir de 29 letras. De la misma manera, los átomos pueden
combinarse en moléculas de muchas maneras diferentes: algunas tan simples como
el agua (dos hidrógenos y un oxígeno) o el dióxido de carbono (un carbono y dos
oxígenos), otras compuestas por miles de átomos. Los principales ingredientes
de los organismos vivos (incluidos los seres humanos) son los átomos de carbono
y oxígeno, ensamblados (junto a otros) en cadenas moleculares de enorme
complejidad. Si esos átomos en particular no fueran comunes en la Tierra,
nuestra forma de vida no sería posible.
Los átomos están formados a su vez por partículas
más simples. Cada tipo de átomo tiene un número específico de protones (con
carga eléctrica positiva) y neutrones (de masa aproximadamente igual a los
protones pero sin carga eléctrica) en su núcleo, y un número igual de
electrones (de masa muchísimo menor y carga eléctrica negativa) en órbitas a su
alrededor: esta cantidad de protones o electrones se denomina "número
atómico". El número atómico del hidrógeno es 1, mientras que el del uranio
es 92. Las propiedades químicas de los elementos están dadas por este número, o
sea, la cantidad de carga que poseen.
Los núcleos de todos los átomos están formados por
las mismas partículas elementales (protones y neutrones), lo cual permite la
transmutación de los elementos de unos en otros. Esto sucede, por ejemplo, en
una explosión nuclear. No obstante, los núcleos son lo bastante "robustos"
para sobrevivir a las transformaciones químicas que se dan en los seres vivos o
en los laboratorios.
Los diferentes tipos de átomos que pueden
encontrarse en la Tierra existen en las mismas proporciones que cuando se formó
el sistema solar, hace 4.500 millones de años: ningún proceso natural puede
crear o destruir átomos en la Tierra (la única excepción son los
"elementos radioactivos raros" que se transmutan en forma
espontánea). ¿Es una casualidad la proporción en que se hallan los distintos
elementos? Los astrónomos dicen que no es una casualidad y han proporcionado
otra teoría: el universo tenía átomos simples que se fusionaron y convirtieron
en otros más pesados dentro de las estrellas supernovas.
Ni siquiera el centro del Sol es lo bastante
caliente para producir estas transmutaciones. Las estrellas diez veces más
pesadas que el Sol brillan mucho más, y evolucionan de una forma más complicada
y dramática. Su hidrógeno central se consume (transformándose en helio) en unos
cien millones de años (menos del 1% de la vida del Sol). Luego la gravedad
comprime estas estrellas pesadas haciendo que su temperatura interna aumente
aún más, hasta que los átomos de helio se fusionan para producir núcleos de
átomos más pesados (como el carbono de 6 protones, oxígeno de 8 protones, y
hierro de 26 protones). A partir de este momento se desarrolla una estructura
que recuerda una cebolla: una capa exterior de carbono rodea otra de oxígeno,
que a su vez rodea otra de silicio. Las capas internas más calientes contienen
elementos superiores de la tabla periódica de los elementos (que los agrupa de
acuerdo a sus propiedades químicas) y rodean un núcleo constituido
principalmente por hierro.
Cuando el combustible se acaba (en otras palabras,
cuando el centro caliente se ha convertido completamente en hierro), la gran
estrella se enfrenta a una crisis. Un aplastamiento catastrófico comprime su
centro (la gravedad supera la presión) hasta la densidad de un núcleo atómico,
iniciando una explosión colosal que expulsa las capas externas a más de 10.000
kilómetros por segundo. Esta explosión se manifiesta como una supernova. Los
residuos contienen el resultado de los procesos nucleares que mantuvieron el
brillo de la estrella durante toda su vida. Esta mezcla contiene grandes
cantidades de oxígeno y carbono, así como trazas de muchos otros elementos
formados durante la explosión.
La teoría de la evolución estelar y la
nucleogénesis (formación de los núcleos) reconstruye la historia de los átomos
remontándose hasta épocas anteriores a la formación de la Tierra. Desde esta
perspectiva, una galaxia aparece como un vasto sistema evolutivo. Dentro de las
estrellas, el hidrógeno original se transforma en las piezas básicas de la vida
(carbono, oxígeno, hierro y demás). Parte de este material vuelve al espacio
interestelar y se recicla en forma de nuevas generaciones de estrellas. Así,
por ejemplo, el gas a partir del cual se formó nuestra galaxia, tiene una
proporción de "elementos pesados" que se formaron durante tres
generaciones previas de estrellas. Como dice M. Rees: "...la mismísima
raza humana está compuesta de polvo de estrellas, o menos románticamente, de
desechos nucleares del combustible que hace brillar las estrellas"1.
Las proporciones calculadas de los elementos son
razonablemente cercanas a las proporciones observadas en nuestro sistema solar.
Sin embargo, las cantidades de carbono, oxigeno, sodio y otros elementos
pesados no son las mismas en otras partes del universo. Sus abundancias
relativas son menores en las estrellas más antiguas. Esto es normal si los
elementos se sintetizan gradualmente en generaciones sucesivas de estrellas:
las más viejas habrían surgido de un material menos "contaminado" que
las más nuevas. Una segunda observación es que las abundancias de estos elementos
son más altas en los lugares donde la formación de estrellas es más rápida y el
reciclado más reciente.
En un futuro lejano, tras la muerte de nuestro
sistema solar, esos átomos se dispersarán otra vez por la galaxia y se
incorporarán a nuevas estrellas, repitiendo un nuevo ciclo.
Ahora mismo están naciendo nuevas estrellas. A unos
1.500 años luz2 de distancia se encuentra la nebulosa de Orión, con gas y polvo
suficiente para formar millones de estrellas. Además de estrellas jóvenes y
brillantes, la nebulosa de Orión contiene protoestrellas en proceso de
condensación que aún no están lo bastante calientes para empezar a quemar su
combustible nuclear. Discos de polvo y gas giran alrededor de algunas
protoestrellas. Se trata de sistemas solares embrionarios: las partículas de
polvo se condensarán en "protoplanetas" rocosos, que a su vez
evolucionarán en planetas.
Hasta hace poco se atribuía la formación de
sistemas planetarios a sucesos improbables e inusuales. Pero ahora está claro
que la formación de planetas no requiere ningún accidente inusual. Los planetas
son una consecuencia natural de la formación de estrellas. Además, su formación
es inevitable a menos que el material de la protoestrella tenga rotación nula,
lo cual sí sería muy poco probable. Así pues, los sistemas planetarios deben
encontrarse por doquier. Pero la observación de los planetas plenamente
formados que orbitan en torno a otras estrellas es sumamente difícil por su
falta de luminosidad.
Otros objetos muy luminosos que existen en el
Universo son los cuásares (ver Recuadro 1). Estos multiplican por mil el brillo
de la Vía Láctea entera, aunque su intensidad en la luz visible puede variar en
un 50% en el transcurso de un solo día. Los cuásares más luminosos contienen
agujeros negros que engloban 1.000 millones de veces la masa del sol en una
región que cabría en la órbita de Plutón alrededor del Sol. Como en otros
fenómenos estelares conocidos como Binarias de Rayos X, habría nubes de gas
girando en círculos que se calentarían y radiarían con violencia justo antes de
ser absorbidas por el agujero negro central. En ciertos casos, la materia que
rodea el agujero negro lanzaría chorros de partículas cargadas, de decenas de
miles de años luz de longitud. Los cuásares y sus primos hermanos, los objetos
BL Lac, son los núcleos galácticos activos más luminosos; sus parientes más
tranquilos reciben el nombre de galaxias de Seyfert. Hay núcleos galácticos con
agujero negro masivo pero sin materia cerca que atraer, entonces no son
activos, no emiten estas radiaciones, eventualmente se detectan por otras
causas, por ejemplo la gravedad.
Estructura del universo
Veamos cómo es la estructura del Universo, hasta
donde podemos llegar con el alcance de los instrumentos de medición disponibles
en la actualidad. Empezaremos con el Sol, nuestra estrella madre, hasta llegar
a las más grandes estructuras conocidas.
El Sol, la estrella de nuestro sistema solar, tiene
un diámetro de 1.392.000 Km (como comparación, el diámetro de la Tierra es de
unos 12.600 Km) Allí se producen reacciones nucleares de fusión, del tipo de
una bomba de hidrógeno controlada, que generan la energía que mantienen la vida
en la Tierra. La distancia del Sol a la Tierra es de 149.500.000 Km (1,6x10-5
años-luz). La distancia entre el Sol y Plutón, el planeta más alejado
perteneciente al sistema solar, es de 5.913.520.000 Km (6,3x10-4 años-luz). La
estrella más cercana al Sol, Alfa Centauri, está a una distancia de éste de
30.318.000.000.000 Km, (3,26 años luz). O sea unas 5.000 veces la distancia Sol-Plutón
(radio del sistema solar).
Esta distribución de la materia, donde la distancia
entre los agrupamientos de orden superior (entre soles, por ejemplo) es mucho
mayor que la que separa a sistemas inferiores (distancia entre soles y planetas
asociados) va a ser una característica general de la asociación de la materia a
gran escala.
Tanto el Sol
como Alfa Centauri forman parte de un mismo conglomerado de estrellas, la Vía
Láctea. La Vía Láctea es una más de las miles de millones de galaxias
distribuidas por el firmamento. Es una galaxia espiral, tiene la forma de un
disco chato con cuatro brazos espirales de 98.000 años-luz de diámetro y de 980
años-luz de espesor con un bulbo esferoide aplanado en su centro de 3.300 por
20.000 años-luz. Hay aproximadamente 200.000 millones de estrellas en ella y
nuestro sistema solar orbita a dos tercios de su centro tardando unos 200
millones de años en dar una vuelta en torno al mismo. Si miramos el cielo una
noche despejada la Vía Láctea se ve como una franja irregular de luz que lo
atraviesa ya que a simple vista no podemos ver la mayoría de estas estrellas en
forma individual sino colectivamente, como un resplandor.
En el disco predominan estrellas azules
relativamente jóvenes y de mediana edad y hay gas. En el bulbo predominan las
estrellas rojas que son viejas (10.000 millones de años de edad o más). Otra
región es el halo, zona esférica difusa que rodea todo el disco, de baja
densidad y donde son mayoritarias las estrellas viejas. En el centro del bulbo
hay evidencias de un agujero negro.
Hay otros tres tipos, esencialmente, de galaxias
aparte de las espirales: elípticas, lenticulares e irregulares. La presencia de
gas en el disco de la Vía Láctea es una característica general de las galaxias
espirales e indica que la formación de estrellas se mantiene activa en ellas y
tienen por lo tanto la población de estrellas más jóvenes. Estas galaxias se
hallan en zonas poco densas donde su estructura no se ve muy afectada por la
atracción de galaxias vecinas. Las galaxias elípticas poseen luminosidad
uniforme y son similares a la zona del bulbo de una galaxia espiral. No hay gas
presente, por lo tanto las estrellas son viejas. Estas galaxias se suelen
hallar en regiones de alta densidad, en el centro de cúmulos galácticos (ver más
adelante). Las galaxias lenticulares poseen tanto bulbo como disco pero no los
brazos espirales. Tienen poco o nada de gas así que sus estrellas son viejas.
Parecen ser un caso intermedio entre las espirales y elípticas. El último tipo
de galaxias, las irregulares, son pequeñas, sin bulbo y forma no definida.
Las galaxias se encuentran a su vez agrupadas en
grupos y cúmulos de galaxias. Los grupos de galaxias son estructuras del orden
de las decenas de galaxias mientras que un cúmulo de galaxias está compuesto
por cientos de galaxias. La Vía Láctea forma parte del Grupo Local junto con la
galaxia de Andrómeda y otras 34 galaxias más pequeñas, distribuidas en unos
pocos millones de años luz. Andrómeda, la galaxia más cercana a nuestra Vía
Láctea se halla a dos millones de años luz. Un ejemplo de un cúmulo de galaxias
es el Cúmulo de Virgo, que se halla cercano al Grupo Local. Virgo está
compuesto por unos cuantos cientos de galaxias y se halla a unos 50 millones de
años luz. La característica común de los grupos y cúmulos de galaxias es que
las galaxias en ellos forman estructuras en equilibrio gravitatorio (como los
planetas en nuestro sistema solar, las galaxias componentes de los grupos y
cúmulos están ligados).
Los cúmulos de galaxias pueden ser regulares o
irregulares. Los cúmulos regulares tienen un núcleo central concentrado y una
estructura esférica bien definida. Tienen un tamaño entre 3 y 10 millones de
años luz y una masa de alrededor de 1015 masas solares. Un cúmulo de galaxias
muy rico es el de Coma, que posee miles de galaxias elípticas. Los cúmulos de
galaxias irregulares no tienen un núcleo bien definido, poseen un rango de
tamaños similar a las regulares pero son más pobres en masa, entre 1012 y 1014
masas solares. El citado cúmulo de Virgo es de este tipo.
A su vez, conjuntos de cúmulos de galaxias forman
supercúmulos. Estos consisten usualmente en una cadena de unos doce cúmulos de
galaxias, tienen una masa del orden de 1016 masas solares. Nuestro propio
supercúmulo local está centrado en el cúmulo de Virgo y tiene una masa
relativamente pobre, y un tamaño de 48,9 millones de años luz. Un supercúmulo
mayor como el asociado con el cúmulo de Coma tiene un tamaño de 326 millones de
años luz y unas 1.300 galaxias en su zona central.
Los sondeos de galaxias lejanas muestran de
conjunto una estructura "burbujeante" con las galaxias
fundamentalmente ubicadas en forma de hojas y filamentos (estructuras
alargadas). Las "burbujas" son espacios vacíos (regiones sin galaxias
brillantes) con un diámetro típico de unos pocos cientos de millones de años
luz y ocupan cerca del 90% del espacio. La mayor "burbuja" observada,
el vacío de Bootes, tiene un diámetro de unos 400 millones de años luz.
Otra estructura observada es la que conocemos como
Gran Muralla, una "hoja" de galaxias de un largo de unos 500 millones
de años luz y una altura de 300 millones de años luz ubicada a unos 300
millones de años luz de nosotros. Los sondeos indican que hay muchas
estructuras como la Gran Muralla pero no hay evidencia de estructuras
significantemente mayores que ella.
Otra estructura estelar es el Gran Atractor.
Mediciones de velocidades (peculiares) efectuadas en nuestro Universo más
cercano, muestran un movimiento de conjunto, en escalas que exceden los 200
millones de años luz. Consistentemente con este flujo, nuestra galaxia se mueve
a alrededor de 600 m/seg hacia un objeto distante denominado Gran Atractor,
que, como se halla en dirección del núcleo central de nuestra galaxia, es
difícil de observar. Este objeto yace a una distancia de 75 millones de años
luz y posee una masa que se aproxima a los 5x1016 masas solares, masa similar a
la del cúmulo de Coma.
En el Gráfico 1 se muestran en forma esquemática
las distancias y masas de las estructuras descriptas.
En el Gráfico 2 se muestra la distribución de
galaxias vistas desde la Tierra (por eso ésta es el punto en el centro del
gráfico correspondiente a 0). Cada punto a derecha e izquierda de la Tierra en
el gráfico corresponde a una galaxia. Se observa allí la estructura "burbujeante"
con los "vacíos", filamentos y paredes citados. La distancia de cada
galaxia a la Tierra (escala en el gráfico) se determinó por los corrimientos
Doppler relativos, Z (ver más adelante).
Para finalizar este punto veamos un problema que se
presenta con relación a la fuerza gravitatoria que mantiene unidas las
estructuras. A mediados de los años 30 del siglo XX, F. Zwicky y S. Smith
midieron las velocidades de galaxias del cúmulo de Virgo y de Coma. Así como
los planetas giran alrededor del centro de masas del sistema solar, las
galaxias lo hacen alrededor del centro de masas de su cúmulo. Pero Zwicky y
Smith vieron que éstas giraban a tal velocidad, que su masa global no
proporcionaba la gravedad suficiente para mantenerlas juntas. La masa de los
cúmulos debía poco menos que centuplicar la de las galaxias visibles; si no,
las galaxias se hubieran desprendido de los cúmulos hacía ya mucho. La
solución, inevitable, fue proponer que los cúmulos están formados en su mayor
parte por materia "oscura", invisible. Algo más se ha progresado en
el conocimiento de las características de la materia oscura desde las
observaciones de Zwicky, pero se sigue ignorando qué compone esta "materia
oscura".
Otros hechos
experimentales
Veamos ahora un conjunto de hechos experimentales
que tienen particular importancia en el desarrollo de los modelos teóricos.
Sobre estos hechos es que se basa la teoría dominante de la evolución estelar:
la teoría de la Gran Explosión.
Ley de Hubble
En los años '20 E. Hubble, usando el telescopio de
2,50 metros del observatorio de Monte Wilson (EE.UU.), detectó estrellas de
brillo variable (Cefeidas variables) en diferentes nebulosas. Las nebulosas son
objetos difusos cuya naturaleza era objeto de acalorado debate en la comunidad
astronómica de aquella época: ¿eran nubes dentro de nuestra propia galaxia? ¿O
se hallaban fuera de ella?
Esta cuestión era difícil de resolver para la
mayoría de los objetos astronómicos, por la ausencia de puntos de referencia
para comparar distancias. El descubrimiento de Hubble fue revolucionario:
midiendo el período de variación de estas estrellas y su brillo aparente,
Hubble fue capaz de determinar la distancia de estas estrellas variables a la
tierra. Así, demostró que pertenecían a nebulosas, no de nuestra galaxia, sino
de otras galaxias, ubicadas mucho más allá del confín de la nuestra.
El segundo descubrimiento revolucionario de Hubble,
conocido como ley de Hubble, lo obtuvo comparando las distancias de distintas
galaxias a la Tierra (mediciones basadas en su descubrimiento anterior) con
mediciones del corrimiento hacia el rojo3 de la luz proveniente de esas
galaxias. Halló que el corrimiento relativo hacia el rojo de la luz de estas
galaxias es proporcional a la distancia entre la Tierra y la galaxia. El factor
de proporcionalidad (a menos de un factor c, la velocidad de la luz) se llama
constante de Hubble, H.
Con los datos disponibles en la actualidad se sabe
que esta relación es válida hasta una distancia de unos 3.000 millones de años
luz. A partir de esa distancia se observa un apartamiento de esta relación
lineal (más adelante veremos la interpretación tanto de esta ley como de su
apartamiento en el marco de la teoría cosmológica dominante). La estructura del
universo descripta en el punto anterior se base en esta ley.
Un prestigioso astrofísico experimental, H. Arp,
cuestiona esta Ley4. Sostiene que observa objetos estelares que poseen
corrimiento al rojo muy disímiles, pero que sin embargo están espacialmente
correlacionados, o sea son cercanos. Esto contradice directamente la ley de
Hubble, que dice que el corrimiento al rojo indica distancia. Su posición es
minoritaria dentro de la comunidad astrofísica, pero muy respetable.
Más allá del cuestionamiento planteado por Arp,
cualquier teoría sobre el Universo, tiene ineludiblemente, que explicar la ley
de Hubble.
Radiación cósmica de
fondo
En 1965, A. Penzias y R. Wilson en los laboratorios
de la Bell descubrieron casualmente una radiación que interfería con los
receptores de radio que estaban desarrollando. Esta radiación, de longitud de
onda en el rango de microondas (el mismo tipo de radiación que emplean los
hornos de microondas pero de mucha menor intensidad) provenía de todas las
direcciones del espacio y no tenía como origen ni la atmósfera ni las fuentes
típicas de radiación de origen cósmico conocidas. Si fuera visible a los ojos
brillaría en todo el cielo con una asombrosa uniformidad en todas direcciones.
Mediciones satelitales, a comienzo de los '90,
mostraron que las intensidades correspondientes a las distintas longitudes de
onda de esta radiación están distribuidas como la radiación de cuerpo negro5 en
forma casi perfecta. Este espectro de cuerpo negro corresponde a una
temperatura equivalente de 2,725 ± 0,002 ºKelvin. Las mediciones en distintas
direcciones dan variaciones de esta radiación de 1 parte en 100.000 (efectuadas
las correcciones por el movimiento de la Tierra). Esto significa que la
radiación de fondo está distribuida en forma extremadamente uniforme con un
nivel de variación angular muy pequeño.
Esta temperatura de 2,725ºKelvin, correspondiente
en grados centígrados a -270,425ºC, puede parecer extremadamente fría, pero
visto de otro modo permite afirmar que el espacio intergaláctico contiene
muchas partículas: en promedio, cada 10 metros cúbicos el espacio contiene 400
millones de cuantos de radiación (fotones). En el mismo volumen se puede hallar
solo un átomo de hidrógeno en promedio. Es decir, si todos los átomos que
forman los distintos cuerpos del universo se distribuyeran en el mismo en forma
uniforme, habría un átomo por cada 10 metros cúbicos, frente a los 400 millones
de fotones de esta radiación de fondo.
El origen de esta radiación como el hecho de
ajustarse tan bien a las características de la radiación de un cuerpo negro es
un hecho a explicar. Asimismo se debe explicar su nivel de fluctuación.
Elementos livianos
En astronomía se llama "elementos
livianos" a los primeros elementos de la tabla periódica (hidrógeno,
deuterio, helio3, helio4 y litio). Las ideas originales sobre la proporción en
que se hallan los distintos elementos se basaron en la proporción hallada en la
Tierra. Ahora bien, ¿es extensiva esta distribución de abundancias a todo el
cosmos? En cierto sentido, no: el hidrógeno y los elementos livianos son
demasiado volátiles para que la Tierra desde su formación los hubiera retenido,
se escapan de ella. En consecuencia, los elementos más livianos (que en el Sol
son los más abundantes) están poco representados en la Tierra. Aun así, como
dijimos antes, las proporciones de los otros elementos (los "elementos
pesados" formados en supernovas) son representativas del sistema solar. El
helio, por ejemplo, representa casi un cuarto del total de la masa de la
mayoría de las estrellas (Sol incluido, de hecho se descubrió allí antes que en
la Tierra) pero su proporción es muy pequeña en la Tierra por la
"evaporación".
La teoría de la nucleogénesis estelar si bien
explica la abundancia de los elementos "pesados" no puede explicar la
abundancia de los "livianos". Veamos el caso del helio: las
estrellas, en la mayor parte de sus vidas, producen helio a partir del
hidrógeno; sin embargo, la mayor parte del helio así formado se transforma a su
vez en elementos más pesados antes de retornar al espacio interestelar por una explosión
de supernova. Las estrellas convierten su hidrógeno tanto en helio como en
elementos más "pesados", sin embargo, lo que observamos es que los
elementos pesados constituyen el 1 o 2 % del material del sistema solar y de
las estrellas semejantes al Sol, mientras que la abundancia del helio es muy
superior.
Hasta ahora no se ha encontrado ninguna estrella,
galaxia o nebulosa, con una proporción de helio menor al 24%. Lo que sugiere
que las galaxias no se formaron a partir de hidrógeno puro sino a partir de una
mezcla de hidrógeno y helio. F. Hoyle y su colega R. Tayler propusieron para
resolver este problema que el exceso de helio se producía en explosiones de
estrellas mucho mayores que una supernova, con una masa millones de veces
superior a la de una estrella ordinaria. Estas superestrellas sin embargo
tendrían que ser muy inestables, explotar muy pronto y existir en un número
enorme, y de hecho no han sido detectadas.
Otro elemento cuya abundancia no se puede explicar
por el mecanismo de la explosión de supernovas es el deuterio (hidrógeno
pesado). El deuterio es un átomo compuesto por un protón y un neutrón, presente
en las estrellas en una proporción centenares de miles de veces inferior a la
del hidrógeno. Su origen plantea un problema, pues en las estrellas este
elemento se destruye más rápido que lo que se crea. Esto se debe a que el
deuterio se consume antes que el hidrógeno, por lo que las estrellas recién
formadas agotan su deuterio antes de empezar a consumir hidrógeno.
En definitiva, no se ha descubierto un mecanismo de
formación de los elementos "livianos" que explique la proporción en
que se hallan en las estrellas del mismo modo que se puede explicar la
formación de los elementos "pesados" en las supernovas.
Teorías
Hemos descripto distintos aspectos del Universo tal
cual se observa. Para explicar: la ley de Hubble, la radiación cósmica de
fondo, el origen de los elementos livianos y el origen de la estructura del
universo a gran escala, se han desarrollado distintas teorías.
Estas teorías siguen básicamente dos caminos; uno
astrofísico, y otro cosmológico. El primero es muy minoritario dentro de la
comunidad científica, mientras que el segundo es ampliamente dominante.
La vía astrofísica trata de explicar estos
fenómenos a partir de distintos procesos físicos de forma independiente.
Mientras que la segunda vía -la cosmológica- ve la evolución del Universo en su
conjunto y a esos fenómenos citados como su consecuencia. También hay caminos
intermedios que combinan ambas metodologías.
Veamos
primero algunas consideraciones generales sobre las teorías cosmológicas para
detenernos luego en la teoría cosmológica dominante: la de la Gran Explosión
Caliente. Luego nos referiremos sucintamente a algunas de las teorías
alternativas.
Teorías cosmológicas
Las teorías cosmológicas tienen su fundamento en la
teoría de la relatividad general desarrollada por A. Einstein. Veamos el
contenido de esta teoría. Daremos un par de resultados particulares que se
obtuvieron de ella y a continuación presentaremos sintéticamente su enunciado
general.
Una consecuencia de la teoría de la relatividad
general es que las grandes masas de los cuerpos celestes desvían la trayectoria
rectilínea de los rayos de luz. Esto lo anunció Einstein ya en 1915 al formular
la teoría. Tal efecto fue medido en 1919, durante un eclipse de sol, por los
astrofísicos británicos A. Eddington y F. Dyson. Fue la primera confirmación
experimental de un resultado predicho por esta teoría.
La desviación de una trayectoria rectilínea de los
rayos de luz se debe a que las grandes masas (de una estrella, galaxia, etc.)
curvan en mayor o menor medida el espacio que tienen a su alrededor, de
resultas que los rayos de luz siguen necesariamente caminos curvos. Este efecto
es despreciable si la masa es pequeña. Otra consecuencia de esta deformación
del espacio es que los astrónomos pueden observar imágenes múltiples de un
objeto celeste cuando entre este y la Tierra se interpone otro objeto celeste
de gran masa. Ese efecto se denomina de lente gravitatoria. Por ejemplo, el
cuasar doble HE1104-1805, descubierto por L. Wisotzki, es uno de esos casos.
Con la ayuda de técnicas de análisis de imágenes se detectó una galaxia muy
débil que se halla entre los dos cuásares observados y provoca el efecto de
lente gravitatoria produciendo la imagen doble de un único cuásar.
Sintéticamente, la idea sobre la que se basó
Einstein para desarrollar la teoría fue la de asociar la gravitación a la
curvatura del espacio-tiempo. En el marco de la teoría del movimiento desarrollada
por Newton en el siglo XVIII, el espacio-tiempo está dado de una vez por todas,
independientemente de su contenido material. La atracción gravitatoria se
considera como una acción a distancia instantánea entre estrellas, planetas,
galaxias, etc. En la teoría de Einstein, donde ninguna acción o señal puede
viajar más rápido que la luz, la gravedad se asocia a la curvatura del
espacio-tiempo, que a su vez está vinculada al contenido material del Universo.
Más precisamente, esta vinculación se traduce en las ecuaciones de campo de
Einstein de la Relatividad General que unen dos tipos de objetos distintos: uno
de los términos de la ecuación describe la curvatura del espacio-tiempo; el
segundo define el contenido material en términos de la densidad de materia y de
la presión de la materia-energía. El contenido material es la fuente de la
curvatura del espacio tiempo. A partir de 1917, Einstein aplicó su teoría al
Universo considerado como una totalidad. Fue el punto de partida de la
cosmología moderna.
Partiendo de la relatividad general y formulando
hipótesis simplificadoras se llega a los modelos cosmológicos. El modelo
cosmológico de la Gran Explosión, asociado con los nombres de A. Friedmann, G.
Lemaitre, H. Robertson y A. Walker, se basa en el principio según el cual el
Universo puede ser considerado a gran escala, como isótropo y homogéneo (es
decir sin direcciones preferenciales y siendo cualquier punto equivalente). A
escala de estrellas individuales, galaxias, cúmulos, etc. este principio
obviamente no es válido. Se deben considerar distancias mayores que las
correspondientes a las estructuras más grandes observadas para que esta
aproximación sea válida.
Teoría de la gran
explosión caliente
La teoría de la Gran Explosión caliente tiene su
fundamento teórico en la Teoría de la Relatividad General de Einstein (1916).
Friedmann (1922) halló soluciones del sistema de ecuaciones de la Relatividad
aplicadas al Universo en su conjunto (supuesto éste isótropo y homogéneo) en
las que el Universo en su conjunto se expande, siendo la velocidad de expansión
entre dos puntos cualquiera proporcional a la distancia entre ellos.
Estas soluciones de Friedmann empezaron a ser
tenidas en cuenta a partir del hallazgo por Hubble de la ley que lleva su
nombre (1927). Esta ley, como vimos, muestra que la distancia de la Tierra a un
objeto celeste suficientemente lejano es proporcional al corrimiento al rojo de
la luz por él emitida. La interpretación usual del significado del corrimiento
al rojo es por el efecto Doppler: cuando una fuente emisora de ondas se acerca
a una velocidad dada, la longitud de onda se acorta y a la inversa, si la
fuente se aleja, la longitud de onda se alarga (estrictamente, en el marco de
la cosmología, no es que se acerquen dos objetos celestes sino que el espacio
entre ellos se "estira" y provoca el corrimiento el rojo). Esto es lo
que pasa con las ondas sonoras en una estación de tren: escuchamos el pito del
tren más agudo (longitud de onda más corta) cuando el tren se acerca y más
grave (longitud de onda más larga) cuando se aleja. La ley de Hubble
interpretada a partir del efecto Doppler indica que la velocidad con que se
mueve un objeto celeste con respecto a la Tierra es proporcional a la distancia
entre el objeto emisor de ondas y la Tierra. Esta noción generalizada a dos
objetos cualesquiera coincide con lo hallado por Friedmann a partir de las
ecuaciones simplificadas de Einstein.
El desarrollo de esta teoría fue casi inmediato
(Lemaitre 1928): si ahora tal cual se observa, en el marco de esta interpretación
de la Ley de Hubble, el universo se expande, si fuéramos hacia atrás en el
tiempo, encontraríamos al Universo en un estado con la materia más concentrada,
más denso y más caliente. Más denso y caliente cuanto más se retroceda en el
tiempo; finalmente se llegaría a una singularidad, un estado donde toda la
materia estaría concentrada en un punto de densidad infinita (ver recuadro 2).
El apartamiento de la ley de Hubble en el marco del
corrimiento Doppler, observado cuando se trata de grandes distancias, indica
que, contra lo que se presumía, la expansión del universo no se está frenando
sino que se está acelerando. El origen de esta aceleración estaría en una
desconocida "energía oscura" (ver recuadro 3).
Con relación al Modelo de la Gran Explosión
caliente vale una aclaración. Desde nuestro punto de vista, con "Gran
Explosión caliente" se expresan dos cosas distintas que no siempre están
bien deslindadas en los distintos autores. Por un lado, se señala el proceso
por el cual el Universo observable a medida que retrocedemos en el tiempo se
hallaba en un estado más "concentrado". Y por otro lado se identifica
con un instante particular: el instante en que retrocediendo en el tiempo ese
estado concentrado llega a ser "un punto" (la singularidad).
El estado del Universo en realidad deja de poder
explicarse por las leyes de la física conocidas desde el momento en que se
llega a un estado caracterizado por una distancia del orden de 10-31 metros
(longitud de Planck). Allí empiezan a valer las leyes de la gravedad cuántica
(ver recuadro 2). Sin embargo, es un método usual extrapolar, hacia regiones
donde, aunque se sabe que no tiene validez el principio que se está usando,
sirve como aproximación tentativa. Así, tiempo = 0 es producto de una
extrapolación, que lleva asimismo a decir: "tal hecho sucedió a 300.000
años del gran estallido".
Después de este paréntesis sigamos adelante. La
radiación cósmica de fondo y la formación de los elementos livianos, en este
contexto, se deben a la expansión y enfriamiento del universo a partir de un
estado anterior más concentrado y caliente. El origen de la radiación y los
elementos livianos está en los cambios cualitativos en el proceso de evolución
de la materia cuando se dan condiciones apropiadas de temperatura y densidad
por la expansión. Las estructuras observadas a su vez se explican por la
ampliación, por la acción de la atracción gravitatoria, de las pequeñas
fluctuaciones de ese estado "concentrado" y caliente.
Estas elaboraciones teóricas no fueron aceptadas
inmediatamente por la mayoría de la comunidad científica. Como dice S.
Weinberg: "Una aureola de mala reputación rodeó siempre a tales
investigaciones. Recuerdo que en la época en que yo era estudiante y luego,
cuando comencé mis propias investigaciones (sobre otros temas), en el decenio
de 1950, el estudio del Universo primitivo era considerado en general como algo
a lo que no debía dedicar su tiempo un científico respetable.."6.
Como vimos, en la década de 1960 Penzias y Wilson
hallaron una radiación que provenía de todas las direcciones del espacio. Esta
radiación fue interpretada inmediatamente como la radiación predicha
teóricamente por la teoría de la Gran Explosión. A partir de ese descubrimiento
esta teoría empezó a ser aceptada mayoritariamente.
Observando lo que sucede en el cosmos -la
expansión- y partiendo de las leyes de la física conocida, puede reconstruirse
lo que debe haber sucedido en el pasado, de acuerdo a esta teoría. La evolución
del Universo se puede describir en tres etapas distintas que reflejan el estado
actual de nuestro conocimiento de los procesos físicos: Cosmología Estándar,
Cosmología de Partículas y Dominio de la Gravedad Cuántica (a medida que
retrocedemos en el tiempo la temperatura del Universo aumenta y la física
asociada a esas temperaturas es menos conocida).
Cosmología Estándar
La Cosmología Estándar describe (desde esta óptica)
los procesos acontecidos desde una centésima de segundo posterior al gran
estallido hasta nuestros días. Los conocimientos físicos involucrados son
enteramente confiables. El modelo estándar de la evolución del Universo en este
período ha pasado muchas pruebas observacionales estrictas.
Esta teoría describe el universo desde un momento
del pasado, aproximadamente entre 10.000 y 15.000 millones de años, en que toda
la materia estaba tan comprimida que no podía haber galaxias, ni estrellas, ni
aun átomos o núcleos de átomos. Había únicamente partículas de materia,
antimateria7 y luz llenando uniformemente todo el espacio. No se conoce cual
sería la temperatura de ese estado, pero los cálculos dicen que debe haber sido
una temperatura de por lo menos 1.000.000 de millones de grados centígrados.
A esa temperatura las partículas de materia y
antimateria se convertirían continuamente en luz y a su vez los fotones de luz
al chocar entre sí se convertirían nuevamente en materia y antimateria.
Entretanto, producto de la expansión, las partículas también se estarían
separando rápidamente entre sí del mismo modo que las galaxias lo hacen ahora.
Y esa expansión habría causado un rápido enfriamiento de las partículas, de la
misma manera que una heladera es enfriada por la expansión del gas freón en sus
espirales. Después de unos pocos segundos la temperatura de la materia,
antimateria y la luz habría bajado aproximadamente 10.000 millones de grados
(eso representa aproximadamente 1.000 veces la temperatura en el centro del
sol, temperatura que se alcanza en el interior de la bomba H). La luz ya no
tuvo suficiente energía para convertirse en materia y antimateria. Casi todas
las partículas de materia y antimateria se aniquilaron entre sí, pero por
razones que se desconocen quedó un ligero exceso de partículas (electrones,
protones y neutrones) que no hallaron partículas de antimateria para
aniquilarse y por consiguiente sobrevivieron a esta extinción. Después de tres
minutos más de expansión, el sobrante de materia fue lo suficientemente frío
(1.000 millones de grados) para que los protones y neutrones se ligaran
formando los núcleos de los elementos más ligeros: hidrógeno, helio y litio.
Por 300.000 años la materia y la luz en expansión
fueron demasiado calientes como para que los núcleos y los electrones se
juntaran dando átomos. Recién cuando la temperatura cayó aproximadamente a
3.000 grados, los electrones y núcleos pudieron ligarse dando átomos. A esa
temperatura la radiación dejó de interactuar con las partículas y desde ese
instante se propaga libremente, perdiendo energía a medida que el universo se
expande al alargarse su longitud de onda. Esta radiación es la que en la
actualidad vemos como radiación cósmica de fondo a 2,73 grados. A partir de ese
instante, la atracción gravitatoria empezó a amplificar las pequeñas
fluctuaciones de densidad preexistentes formando galaxias y después estrellas.
Allí "se cocinaron" todos los elementos pesados, incluyendo el hierro
y el oxígeno, de los que millones de años más tarde se formó la Tierra8.
A partir de diferentes mediciones, interpretadas en
el marco de este modelo estándar, se infiere que el contenido de materia en el
Universo actual está en las siguientes proporciones: materia normal (bariónica)
@ 4%, neutrinos @ 0,1%, radiación cósmica de fondo (fotones) @ 0,01%, materia
oscura fría (materia cuya naturaleza se desconoce) @ 29% y finalmente energía
oscura (energía cuya naturaleza se desconoce) @ 67%9.
Cosmología de Partículas
La Cosmología de Partículas desarrolla una imagen
de la evolución del Universo en tiempos anteriores a los que llega a estudiar
la Cosmología Estándar. Las temperaturas imperantes (energías) que estudia la
Cosmología de Partículas están todavía dentro de los límites de la física
actualmente conocida y sus generalizaciones. Por ejemplo, el acelerador de
partículas de altas energías del laboratorio del CERN o del Fermilab permite
verificar modelos físicos de procesos que ocurrieron a solo 10-11 segundos
después del gran estallido (temperaturas del orden de 3x1015 ºKelvin). Esta
área de la cosmología es más especulativa, ya que involucra al menos algunas
extrapolaciones y con frecuencia tiene cálculos inmanejables. Muchos cosmólogos
opinan que se pueden realizar extrapolaciones razonables hasta tiempos tan
tempranos (10-35 segundos) que correspondan a la transición de fase de la gran
unificación (temperaturas de 3x1027ºKelvin).
Dominio de la Gravedad
Cuántica
La región dominada por la Gravedad Cuántica abarca
las preguntas sobre el origen del Universo observable. Esto lleva a considerar
procesos cuánticos en los tiempos mas tempranos concebibles en un
espacio-tiempo clásico, eso es lo que se llama "época de Planck" a
10-43 segundos del gran estallido (que se corresponde a temperaturas del orden
de 3x1031 ºKelvin). Dado que aún no se desarrolló una teoría autoconsistente de
la gravedad cuántica, esta área de la cosmología es todavía más especulativa.
En el Gráfico 3 se muestran los principales eventos
que ocurrirían en los tres regímenes descriptos. La Cosmología Estándar
corresponde desde la actualidad hasta 0,01 segundo, la de partículas desde 0,01
segundo hasta 10-43 segundos y el dominio de la gravedad cuántica de ahí para
atrás.
Objeciones a la teoría de
la gran explosión
Se cuestiona esta teoría, fundamentalmente -desde
nuestro punto de vista- a partir de tres hechos experimentales. Este
cuestionamiento apunta a la parte de la teoría basada en física poco o nada
conocida pero también a la Cosmología Estándar:
1) Las estructuras más grandes observadas como el
Gran Atractor o la Gran Muralla no habrían tenido tiempo de formarse en los
13.500 millones de años transcurridos desde el comienzo de la expansión.
2) De igual modo, está en discusión la edad de las
estrellas más antiguas. Aparentan tener más edad que el tiempo transcurridos
desde el comienzo de la expansión.
3) El cuestionamiento a la Ley de Hubble, realizado
por H. Arp que hemos visto en el apartado correspondiente.
Estos tres puntos están en discusión y hay
contrargumentaciones y nuevos modelos explicativos tanto en el mismo sentido
como en su contrario.
Otra crítica al modelo de la Gran Explosión es que
el mismo implica un comienzo del espacio-tiempo, una singularidad.
Estrictamente, la "ciencia aceptada" es lo descripto por el Modelo
Estándar, es decir lo explicado sobre la base de física ampliamente verificada
experimentalmente. La respuesta "científica" a qué sucedió
previamente es: "no se sabe", aunque mucho se especule sobre la base
de física poco o nada conocida.
Otro "inconveniente" de la teoría de la
Gran Explosión, tal cual fue originalmente concebida, es no poder explicar el
grado de homogeneidad observado del Universo a gran escala (por ejemplo la
homogeneidad de la radiación cósmica de fondo). Tampoco puede explicar el
"problema del horizonte": regiones aparentemente sin conexión causal
y que sin embargo tienen propiedades similares, como si alguna vez hubieran
interactuado (nuevamente vale como ejemplo la radiación cósmica de fondo). Se
intenta explicar estos hechos con un agregado a la teoría: una etapa
inflacionaria. Esta es una propuesta de una fase de expansión ultrarrápida del
Universo. Se basa en la energía potencial asociada a un hipotético campo
escalar. Si existiera, este campo estaría distantemente relacionado al campo
escalar de Higgs. Dentro del Modelo Estándar de partículas y fuerzas este campo
de Higgs y su partícula asociada es el que explica porqué las partículas poseen
masa. La partícula de Higgs aún no ha sido detectada pero ha partir de lo ya
conocido, hay certeza de su existencia y su próximo descubrimiento. El campo
escalar que generaría la inflación ya es una cuestión más especulativa.
Algunas propiedades del cosmos predichas por esa
supuesta etapa inflacionaria se han comprobado9 pero no es la única teoría que
puede explicar estas propiedades9. Este "marco inflacionario" también
tiene una singularidad de origen ya que no se basa en una teoría de la gravedad
cuántica que la resuelva10.
Algunas teorías
alternativas
Veamos sucintamente un conjunto de teorías
alternativas a la de la Gran Explosión caliente, poniendo el acento en la
física en la que se basan.
Haremos una enumeración sin profundizar en sus
contenidos ni en las distintas críticas que pueden efectuarse (éstas se pueden
hallar en las citas proporcionadas).
Veremos teorías que son globales, cosmológicas, y
otras que presentan mecanismos parciales para explicar los distintos fenómenos:
• Teoría del Universo de plasma desarrollada
principalmente por el premio Nobel de física, especialista en plasma, H.
Alfvén.
• Teoría desarrollada por los marxistas leninistas
alemanes Lutz, Rochlitz y Balzer, que proponen una serie de mecanismos
independientes para explicar la ley de Hubble, la radiación cósmica de fondo,
elementos livianos, etc., sin acordar con la teoría de la Gran Explosión.
• Teoría del Universo "cuasi
estacionario" asociado al nombre de Hoyle, ilustre físico ya citado, que
realizó contribuciones esenciales al desarrollo de la nucleogénesis, y
contradictoriamente, fue quien bautizó a la teoría dominante como "teoría
de la gran explosión", en la década del 40, como forma de satirizarla.
• La Teoría del escenario Ekpyróptico desarrollado
entre otros por Steinhardt, uno de los padres del modelo inflacionario.
Steinhardt también desarrolló junto con Turok el Modelo Cíclico.
El universo
de plasma
La teoría de H. Alfvén parte de considerar que el
99% de la materia del Universo es plasma. El plasma está compuesto por gases
calientes conductores de electricidad: mientras que en un gas normal los
electrones están ligados a un núcleo y no se pueden mover fácilmente, en el
plasma los electrones se separan por el intenso calor, lo que les permite
moverse libremente. Los cosmólogos del plasma plantean "un Universo
entrecruzado por vastas corrientes eléctricas y potentes campos magnéticos
ordenados por el contrapunto cósmico del electromagnetismo y la gravedad".
(11, Lerner).
Este modelo se basa en física clásica ampliamente
conocida, aunque hace hipótesis sobre la presencia de antimateria sin evidencia
experimental. Acepta la expansión de la materia expuesta por la ley de Hubble,
pero no en un contexto cosmológico. La expansión observada se produciría como
resultado de la explosión de materia y antimateria, localmente, no en un
contexto de expansión einsteniano, global, del universo.
Los otros fenómenos observados de formación de
estructuras, radiación cósmica de fondo, etc., son explicados por este modelo
mediante distintos mecanismos clásicos, propuestos a partir de la física del
plasma
En el escenario de Alfvén sólo una pequeña parte
del universo -la que observamos- habría colapsado primero y luego explotado. En
lugar de iniciarse en una zona acotada, la explosión provendría de una vasta
región de cientos de millones de años luz de anchura y cientos de millones de
años luz de desarrollo11.
Propuesta de Lutz,
Rochlitz y Balzer
Explica los fenómenos observados mediante distintos
mecanismos, algunos clásicos otros no, en un contexto donde se considera que la
ley de Hubble interpretada como expansión del universo, es errada.
Estos autores explican la ley de Hubble a partir de
un mecanismo por el que el corrimiento al rojo se debe a que la luz, a medida
que se propaga por el espacio, interactúa con lo que llaman "materia en
forma continua" y pierde energía. Esa energía es irradiada por esta
"materia en forma continua" dando lugar a la radiación cósmica de
fondo. No aceptan la validez del fenómeno Doppler con relación a la ley de
Hubble12.
Modelo del universo cuasi
estacionario
Este modelo combina una solución cosmológica de las
ecuaciones de Einstein, según la cual el Universo se expande y se vuelve a
contraer en forma muy lenta e ininterrumpida, con otros mecanismos parciales.
Ahora estaríamos en un periodo de expansión como el observado por la ley de
Hubble, interpretada como velocidad Doppler. La contracción no llegaría a un
estado de muy alta energía, por lo cual no requiere de una física fuera de la
física convencional. La radiación cósmica de fondo es explicada en este modelo
por un mecanismo clásico; la homogeneidad de esa radiación es explicada por
interacciones que se producen en la fase en que el Universo está comprimido.
Las proporciones de los elementos livianos se explican por mecanismos estelares
clásicos13.
El escenario ekpyóptico y
cíclico
Éste es también un modelo cosmológico alternativo
al de la Gran Explosión. Acepta como válido el Modelo Estándar de la cosmología
pero no la fase inflacionaria. Se basa en una teoría que combina la mecánica
cuántica con la gravedad (teoría M), sin base experimental por el momento. Esta
teoría de la gravedad cuántica, en la aproximación de bajas energías, reproduce
algunas teorías conocidas. Según estos modelos existiría un movimiento cíclico
del Universo como en el modelo cuasi-estacionario, pero con una contracción
muchísimo mayor, de ahí una teoría de altas energías14.
Conclusiones
El Modelo Estándar de la Cosmología, es decir, la
teoría de que el Universo observable en un pasado lejano se encontraba en un
estado concentrado a alta temperatura y densidad, tiene una fuerte evidencia
experimental.
Las teorías alternativas mencionadas son menos
probables, porque requieren un número mayor de suposiciones, que escapan de las
leyes de la física conocida.
Cuando hablamos de la Teoría Estándar, nos
referimos a la que describe la evolución del Universo desde el momento en que
comienzan a formarse los nucleones, que se corresponde a la física de altas
energías, comprobada en aceleradores de partículas (con las limitaciones del
caso: problema del horizonte y energía oscura por ejemplo).
Estados previos más concentrados donde la densidad
y temperatura son mayores tienen una menor base experimental y es sumamente
complejo elaborar conclusiones sobre ellos. Aquí la teoría inevitablemente
conduce a una singularidad, debido a su limitación intrínseca de no poder
basarse directamente en la gravedad cuántica. Esos estados previos del Universo
más densos y calientes a los cuales se está muy lejos de llegar
experimentalmente, se estudian teóricamente proyectando las leyes de la física
conocida. De proyecciones de este tipo se desprenden teorías como las del
"Universo inflacionario" que sirven para explicar la homogeneidad y
causalidad, o las teorías del multiuniverso (inflación caótica en que "el
Universo observable" no es más que una burbuja con leyes físicas
particulares, de un desarrollo más amplio de la materia). También de estas
proyecciones, avanzando sobre la gravedad cuántica se elaboran las teorías del
Universo Cíclico.
En el Gráfico 4 se muestra lo conocido sobre física
de altas energías. Comparar las escalas de energía de este gráfico con las del
Gráfico 3, para tener una idea de lo conocido y lo proyectado.
Hemos cuestionado la idea de la singularidad desde
el punto de vista metodológico. Es decir, por extrapolar las leyes de la física
conocida a un punto donde habría que aplicar leyes aún desconocidas.
Corresponde también una crítica, desde el punto de vista filosófico, a la
concepción metafísica, que implica aceptar como posible que la totalidad del
universo observable tuvo un inicio en el tiempo a partir de un punto en el
espacio,
Todo lo conocido sobre la evolución del Universo,
confirma que los sucesos cósmicos se comportan de acuerdo a las leyes
descubiertas por el materialismo dialéctico: todo lo que existe en el cosmos
existe en un proceso permanente de desarrollo y cambio, donde todo nace, se
desarrolla y muere, dando lugar a otra cosa, y donde el motor de este proceso
son las contradicciones internas de diferente naturaleza.
En cuanto a las leyes de la física conocidas hasta
ahora, no sería extraño que en un futuro, en la medida en que se realicen
experimentaciones (directas o indirectas) para confirmar las teorías de la
física de altas energías, se encuentren hechos experimentales que conduzcan a
nuevas visiones sobre el desarrollo del estado del Universo y su naturaleza, en
momentos previos a los conocidos por el Modelo Estándar de la cosmología.
Lo que se conoce sobre el universo observable,
indica un estado de continua evolución y cambio. Pero la manera en que se
conoce esa evolución y cambio está limitada, en cada momento, por la finitud de
las posibilidades científicas y tecnológicas de desarrollar experiencias en
ámbitos cada vez mayores y de energías cada vez más grandes, y la posibilidad
de sintetizar estas experiencias en teorías.
Este es en síntesis, el método científico: "Se
observa un hecho nuevo que hace imposible el método anterior de explicación de
los hechos correspondientes al mismo grupo. A partir de ese momento hacen falta
nuevos métodos de explicación -al principio basados sólo en una cantidad
limitada de hechos y observaciones. Nuevos materiales de observación depuran
esta hipótesis, eliminan algunas y corrigen otras, hasta que al cabo la ley
queda establecida en forma pura. Si se esperase hasta que el material para una
ley se encontrare en forma pura, ello equivaldría a suspender el proceso del
pensamiento en la investigación hasta entonces, y, aunque sólo sea por este
motivo, la ley jamás surgiría." F. Engels15.
Sobre esta contradicción real entre las
posibilidades abiertas y las limitaciones del campo experimental es que se abre
paso el positivismo y las posiciones idealistas.
F. Engels en el mismo trabajo de la cita anterior
expresó: "Aquel en el cual se mueve la materia es un ciclo eterno, un
ciclo que por cierto sólo completa su órbita en períodos de tiempo para los
cuales nuestro año terrestre no es una medida adecuada; un ciclo en el cual el
tiempo de máximo desarrollo, el de la vida orgánica y más aun el de los seres
conscientes de la naturaleza y de sí mismos, es tan estrictamente limitado como
el espacio en que llegan a realizarse la vida y la conciencia de sí; un ciclo
en el cual todos los modos finitos de existencia de la materia, sea sol o vapor
de nebulosa, animales aislados o género de animales, combinación o disociación
químicas, son igualmente transitorios, y en que nada es eterno, salvo la
materia en eterno movimiento, en eterno cambio, y las leyes según las cuales se
mueve y cambia. Pero por frecuente e inexorable que sea la completación de este
ciclo en el tiempo y el espacio; por mucho que sean los millones de soles y
tierras que surgen y desaparecen; por mucho que pueda durar antes que en un sistema
solar, y sólo en un planeta, se desarrollen las condiciones necesarias para la
vida orgánica; por innumerables, además, que sean los seres orgánicos que deben
surgir y desaparecer a su vez antes que se desarrollen de su seno animales con
un cerebro capaz de pensar, y que por un breve lapso encuentren condiciones
aptas para la vida, sólo para ser exterminados más tarde sin piedad, abrigamos
la certidumbre de que la materia es eternamente la misma en todas sus
transformaciones, que jamás puede perderse ninguno de sus atributos, y también,
por lo tanto, que con la misma férrea necesidad con que exterminará en la
tierra su más elevada creación, el cerebro pensante, volverá a producirlo en
alguna otra parte y momento"15.
Este pensamiento elaborado por Engels en 1875, con
una relativamente pobre base experimental y una amplia base filosófica, ha
demostrado su acierto en general, a través del tiempo y los grandes avances de
la ciencia. ¿A qué se debe?. A que partió de los hechos conocidos, supo ver la
dirección de su desarrollo y los generalizó a través de las leyes de la
dialéctica materialista. Leyes a su vez que están sostenidas por el desarrollo
de la ciencia. Engels pone el centro en lo conocido y no en lo desconocido, que
siempre será mayor, infinito.
Agradecimientos
Agradecemos a Pilar Sánchez y al Centro Cultural
Raíces.
Recuadro 1
La evolución de una estrella
puede ser más rápida o más lenta según sea la masa de la misma. En el juego
entre la fuerza gravitatoria que atrae la masa y las distintas reacciones
nucleares de fusión que se pueden dar, hay estados cualitativamente distintos
de acuerdo a la masa de la estrella.
Si la masa de la estrella es
menor a 1,4 veces la masa del sol, su comportamiento será cualitativamente
similar al de nuestro sol. Terminará convirtiéndose en una enana blanca.
A su vez, las estrellas con
masa menor a 0,08 veces la del Sol nunca alcanzarán la temperatura suficiente
para iniciar las reacciones nucleares por su baja atracción gravitatoria. Se
las llama "enanas marrones".
Si la masa de la estrella está
entre 1,4 y 2,5 veces la masa del sol, la estrella se transformará en una
supernova. Su núcleo seguirá colapsando y alcanzará densidades gigantescas,
mucho mayores que las que se daban en el interior de una enana blanca. Estos núcleos
pueden estabilizarse como una estrella de neutrones donde el Principio de
Exclusión de Pauli aplicado a los neutrones detiene la contracción.
Si se supera el límite de 2,5
veces la masa del sol el núcleo colapsa ya que el principio de Pauli no puede
contener la fuerza de compresión gravitatoria. Por ejemplo, se conocen muchas
estrellas con masas comprendidas entre diez y cien veces la masa del sol. En
este caso se llega a un agujero negro, una región del espacio en la que el
campo gravitatorio es tan intenso que ni siquiera la luz puede escapar de él.
Un agujero negro crearía en
sus alrededores grandes efectos. Al caer en un agujero negro toda forma de
materia, cuerpos masivos o partículas de polvo o gas, serían aceleradas a la
velocidad de la luz y liberarían su energía en forma de radiación. En los
centros de algunas galaxias el gas y las estrellas se arremolinan hacia
agujeros negros, millones y hasta miles de millones de veces más pesados que
nuestro sol, los cuales se manifiestan como cuásares o fuentes de radio
intensas.
Recuadro 2
A medida que vamos hacia atrás
en el tiempo, según esta teoría, la temperatura y densidad aumenta y
eventualmente se llega a un estado de densidad infinita, es lo que se llama una
singularidad. Veamos: en la mecánica clásica de Newton, la materia es atraída
entre sí por la gravedad. En una situación de colapso gravitatorio (agujero
negro) con simetría esférica, todo es atraído hacia un centro común (centro de
la esfera). Si las masas atraídas superan cierto umbral, la fuerza de atracción
gravitatoria supera las fuerzas repulsivas que hay en la naturaleza
(electromagnéticas por ejemplo) y como la fuerza gravitatoria aumenta al
disminuir la distancia esta atracción es cada vez mayor y toda la masa se
concentra en un punto de densidad infinita; una singularidad. Ahora bien, esta
es una situación idealizada en el sentido que no hay simetrías perfectas,
cualquier pequeña asimetría o perturbación hace que haya una región más densa
que 'tira' distinto lo que hace que el movimiento deje de ser radial y no vaya
toda la materia a un solo punto. Es decir, el estado singular es inestable,
dentro de la misma teoría de Newton la presencia inevitable de pequeñas
asimetrías rompe la singularidad.
En la teoría de la relatividad
general clásica de Einstein sucede algo distinto. Penrose y Hawking demostraron
teoremas de singularidad para esta teoría que muestran que el colapso
gravitatorio se produce aún en situaciones asimétricas O sea las singularidades
de la relatividad general clásica son inevitables dentro del marco de la misma
teoría.
De esto se concluyó a mediados
de los 60 que: "Análogamente, si utilizamos la dirección inversa del
tiempo, llegamos a una correspondiente singularidad inicial en el
espacio-tiempo, que representa el gran estallido, en cualquier universo en
expansión. Aquí, en lugar de representar la destrucción final de toda la
materia del espacio-tiempo, la singularidad representa la creación de
espacio-tiempo y materia" Penrose*.
Pero sucede que esta línea de
razonamiento falla ya que la misma teoría deja de tener validez cuando la
densidad es demasiado grande: hay que tener en cuenta los efectos cuánticos. Es
el dominio de la gravedad cuántica (teoría aún no desarrollada). En definitiva,
lo que indican los teoremas de Penrose y Hawking es que es inevitable que se
llegue a un estado en que la teoría física que se venía usando deje de tener
validez y se deban usar nuevos conceptos físicos que unifiquen la relatividad
general con la mecánica cuántica (gravedad cuántica).
* R. Penrose La Mente Nueva del Emperador. Fondo de Cultura
Económica, México, 1996.
Recuadro 3
Una posible causa de la
aceleración de la expansión del Universo según la teoría del gran estallido
podría estar en la fluctuación del vacío. El "vacío" nombrado anteriormente
no es la "nada" para la física sino un estado que no se conoce pero
cuyas fluctuaciones se detectan. En los años 30 al combinar las leyes de la
mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad, se vio que las
partículas elementales podían brotar espontáneamente de la "nada" y
desaparecer de nuevo, siempre y cuando fuese en un tiempo cuya brevedad
impidiera la medición. Estas partículas (llamadas "virtuales" por la
física*) producen efectos mensurables: alteran los niveles de energía de los
átomos y crean fuerzas entre las placas metálicas neutras (efecto Casimir).
Estas fluctuaciones del vacío podrían ser la causa de una constante cosmológica
no nula, que en el marco de la teoría general de la relatividad, produce una
aceleración de la expansión. Otra explicación estudiada, por efectos dinámicos,
se denomina Quintaesencia. Genéricamente la aceleración es producida por
"energía oscura" de origen desconocido.
* J. M. Pérez Hernández,
Problemas Filosóficos de las Cs. Modernas -Cap. IV-. Editorial Agora, Bs. As.,
2001.
Notas:
1. M. Rees. Antes del Principio. 1999 Tusquetes
Editores, Barcelona.
2. Las distancias estelares son enormes, usualmente
se dan en años luz. Esto es el tiempo en años que tarda la luz en recorrer la
distancia en cuestión. Así, una distancia de 1 año luz equivale a
9.460.800.000.000 kilómetros; esta es la distancia que recorre la luz en 365
días. Esto proviene de multiplicar la velocidad de la luz (300.000 kilómetros
por segundo) por 1 año (31.536.000 segundos). Ya que la luz se desplaza a una
velocidad finita, los astrónomos cuando observan objetos distantes están
observando un objeto que emitió luz en el pasado. La mayoría de las estrellas
visibles a ojo desnudo en una noche estrellada se encuentra a una distancia entre
diez y cien años luz. O sea, las vemos como eran entre diez y cien anos atrás.
A la galaxia más cerca, Andrómeda, la vemos como era hace tres millones de
años, pues se encuentra a una distancia de 3 millones de años luz.
3. Cuando la luz pasa a través de un prisma, se
descompone en un conjunto de diferentes colores, llamado su espectro. El
espectro de una galaxia muestra pautas características según las longitudes de
onda emitidas o absorbidas por los elementos presentes (carbono, sodio, etc.).
Hubble determinó que estas pautas características se desplazan hacia longitudes
de ondas mayores (corrimiento hacia el rojo) en comparación con mediciones de
laboratorio o con la luz de estrellas de nuestra propia galaxia.
4. H. Arp. Seeing Red. Apeiron, Montreal 1998. Para un análisis crítico de uno de los casos más famoso de coincidencia
espacial de objetos celestes de distinto corrimiento al rojo descubierto por H.
Arp ver: http://heritage.stci.edu/2002/23/supplemental.html
5. Radiación de cuerpo negro: es el patrón de
radiación característica que emite un objeto a una temperatura dada cuando esta
radiación llega al equilibrio con las partículas que componen el objeto. Esta
radiación característica depende de la temperatura a que se halla el cuerpo
negro.
6. S. Weinberg. Los Tres Primeros Minutos del
Universo. 1993 Salvat Editores, Barcelona.
7. Antimateria es el nombre que se le da a la
materia con carga eléctrica opuesta a la de la materia comunmente conocida. Por
ejemplo, un antielectrón (positrón) tiene las mismas propiedades que el
electrón pero carga eléctrica positiva.
8. S. Weinberg. Before the Big Bang. Junio 1997
The NY Review of Books. Nueva York. M. S. Turner y J. A. Tyson. Cosmology at
the Millennium, enero 1999 en http://xyz.lanl.gov/astro-ph/9901113. P. J. E. Peebles. The Standart Cosmological Model, junio 1998 en:
http://xyz.lanl.gov/astro-ph/9806201. Sitio web del grupo de cosmología de
Cambridge: http://www.damtp.cam.ac.uk.
9. W. L. Freedman y M. S. Turner. Measuring and
Understanding the Universe. Reviews of Modern Physics,
octubre 2003, vol.75 pag. 1433. Para una crítica de esta interpretación ver: S.
L. Bridle, O. Lahav, J. P. Ostraker y P. J. Steinhardt. Precision Cosmology? Not Just Yet. Marzo 2003,
http://xyz.lanl.gov/astro-ph/0303180.
10. A. H. Guth. Inflation and Cosmological
Perturbations, enero 2003 en: http://xyz.lanl.gov/astro-ph/0306275
11. A. L. Peratt. Sitio web: http://public.lanl.gov/alp/theUniverse.html. E. J. Lerner. The Big Bang Never Happened. 1991 Vintage Books, Nueva York. Una crítica
de esta teoría se puede ver en el sitio web de N. Wright: Cosmology Pages,
errors en "The Big Bang Never Happened":
http://www.astro.ucla.edu/~wright/lerner_errors.html. Ver también, A. Woods y
T. Grant. Reason in Revolt, cap. 9: The Big Bang. Mayo
1995, Ed. Reason in Revolt, Londres. Posteriormente, este
grupo pasó a apoyar el modelo Ekyptiotico: A. Woods. An
Alternative to the Big Bang. Abril 2002,
http://www.marxist.com/scienceandtech/big_bang.html . Una
crítica a las posiciones de estos autores se puede ver en:
http://www.mail-archive.com/marxism-thaxis@lists.econ.utah.edu/msg00578.html.
12. J. Lutz, W. D. Rochlitz y G. Balzer-J.
Perplejos Ante el Gran Muro. Septiembre 1991, Ed. Camino Nuevo, Essen.
13. G. Burbidge, F. Hoyle y J. V. Narlikar. A Different Aproach to Cosmology, abril 1999, pag 38, Physics Today. En el mismo número hay una crítica al mismo: de A. Albrecht. Reply to "A Different approach to Cosmology", abril 1999, pag.
44, Physics Today.
14. Carlos Figueroa, De cómo la Teoría de la Gran
Explosión resultó equivocada. Política y Teoría, vol. 52, agosto 2003. J.
Khoury, B. A. Ovrut, P. J. Steinhardt y N. Turok. Density
Perturbations in the Ekpyrotic Scenario, septiembre 2001 en:
http://xyz.lanl.gov/hep-th/0109050. P. J. Steinhardt y N. Turok. A Cyclic Model
of the Universe. Science, mayo 2002, vol. 296, pag. 1436. Una
crítica a estos escenarios en, A. Linde. Inflationary
Theory versus Ekpyrotic/Ciclic Scenario, mayo 2002,
http://xyz.lanl.gov/hep-th/0205259.
15. F. Engels, Dialéctica de la Naturaleza.
Editorial Cartago. México, 1983.
Fuente: www.pcr-arg.com.ar