El Universo en expansión

El Universo en expansión
I. La recesión de las galaxias
Parece ser inevitable que al preguntarnos acerca del Universo en su conjunto
choquemos con cuestiones que dificilmente podemos concebir. Ante la noción de
que el Universo tuvo un principio surje la pregunta ¿qué hubo antes? Si por otro
lado postulamos que el Universo es eterno, debemos aceptar que ya ha vivido un
tiempo infinito y tiene por delanto otro tanto. Estas cuestiones rebasan los límites
de la ciencia, tornandose metafísicas, y no es de extrañar que descubrimientos
relacionados con la naturaleza del Universo en su conjunto hayan sido de gran
impacto en el pensamiento humano.
Utilizando la rama de la física conocida como espectroscopía, los astrónomos
pueden medir con mucha mayor precisión que el ojo humano el color de la luz de
las estrellas y demás astros. Al hacer pasar la luz de estrellas, galaxias y cuasares
a través de primas, o sistemas ópticos similares a ellos, pueden identificar los
colores azul y rojo del hidrógeno, el verde del oxígeno, el amarillo del sodio. Es
posible "medir el color" asociado a brillo de un elemento químico, como el
hidrógeno, oxígeno o sodio, mediante la longitud de onda de la luz. Así el
hidrógeno se identifica por su firma con el azul de longitud de onda de 486.2
nanómetros y el rojo de 656.3 nanómetros; mientras que el oxígeno en las
nebulosas brilla con el color verde de 500.7 nanómetros y el sodio puede
apreciarse en el color amarillo de 589.2 nanómetros característico de algunas
lámparas de iluminación de bajo consumo de energía (por ejemplo en las casetas
de cobro de la autopista México-Puebla). Los colores que el ojo humano puede
percibir se hallan normalmente entre el violeta a 390 nanómetros hasta el rojo de
780 nanómetros, aunque algunos experimentos sugieren que algunas personas
pueden percibir luz ultravioleta de hasta 310 nanómetros y otras luz infrarroja por
encima de 1000 nanómetros. A mediados del siglo pasado el físico austriaco
Christian Doppler mostró que el color de una fuente de luz debería verse afectado
por su movimiento con respecto a quien la observa, siendo la luz detectada mas
azul si la fuente se acerca y mas roja si se aleja. En 1868 William Huggins midió
por primera vez la velocidad de una estrella, estimando que Sirio se aleja del Sol a
48 kilómetros por segundo (el valor real es en realidad menor). La medición de
velocidades en astronomía mediante espectrógrafos es una herramienta poderosa
que ha sido utilizada exitosamente por mas de un siglo.
En un reporte escrito en 1918 acerca de la naciente teoría de la relatividad
general, Eddington hizo mención de mediciones realizadas por Vesto Slipher
hacia 1912, las cuales indicaban "grandes velocidades de recesión de las
nebulosas espirales", añadiendo que "no es posible asegurar que estas nebulosas
tienen un movimiento de recesión sistemático pero, hasta donde se ha
determinado a la fecha, las nebulosas en recesión son preponderantes".
Curiosamente una de las primeras mediciones de Slipher fue la de gran nebulosa
de Andrómeda la cual se acerca hacia nosotros a mas de 300 kilómetros por
segundo. Hacia 1914 Slipher había medido las velocidades de trece nebulosas
espirales, y para 1925 ya tenia las de cuarenta y cinco. Con contadas
excepciones, como la de Andrómeda, todas mostaban su luz "corrida al rojo",
indicando un movimiento de alejamiento, o recesión.
Desde 1919 Edwin Hubble había estado estudiando las nebulosas espirales y
elípticas con el telescopio de metro y medio de Mount Wilson, el mayor del mundo
por unos años, y en 1923, con el flamante telescopio de dos metros y medio, pudo
distinguir estrellas individuales en Andrómeda, probando que se trata de galaxias
separadas de las nuestras. Hubble buscó métodos para estimar la distancia de
estas nebulosas y para 1929 tenía una lista de dieciocho galaxias con distancia y
velocidad de recesión medidas. Con esta muestra de objetos Edwin Hubble
enunció que "el Universo de las galaxias está en expansión y que la velocidad de
recesión de las galaxias es proporcional a su distancia al Sol".
La expansión del Universo lleva a la conclusión de que toda la materia debió estar
en un solo punto en un pasado remoto. Las primeras mediciones de Hubble
indicaban que este "primer instante" debió haber sucedido hace cuando mucho
dos mil millones de años. Estudios posteriores de elementos radiactivos en rocas
indicaron que la edad de la Tierra es de mas de cuatro mil millones de años, es
decir mas del doble que la edad de Universo. Los astrónomos salieron del aprieto
cuando en 1952 Walter Baade, usando el telescopio de cinco metros de Monte
Palomar, mostró que Hubble había cometido algunos errores en sus métodos de
estimación de distancias y el Universo podía tener más de diez mil millones de
edad. La tasa a la cual se alejan las galaxia (medida por la llamada constante de
Hubble) indica en principio la edad máxima que puede tener el Universo. Las
mediciones más recientes, algunas de ellas con el telescopio espacial, indican que
el Universo tiene cuando mucho trece mil millones de años, edad similar a la de
algunos cúmulos globulares, los objetos mas viejos que se conocen.
Hoy en día se debate fuertemente el valor de la constante de Hubble, si este es
realmente un límite superior para la edad del Universo y otras cuestiones
relacionadas. Sin embargo, el concepto del Universo en expansión está aceptado
por la mayoría, aunque no la totalidad, de la comunidad científica.
Esto se debe a la evidencia que aporta no solo la ley de Hubble que enuncia la
recesión de las galaxias, sino también al descubrimiento en 1965 de la radiación
de fondo y la llamada abundancia del helio primigenio.
II. el fondo de radiación de microondas
En la década de los cincuentas los laboratorios Bell ya hacian estudios para
trabajar en comunicaciones vía satélite. Con este fin desarrollaron equipos
receptores capaces de captar señales de radio muy débiles y para ello se requería
desarrollar instrumentos que tuvieran poco ruido ("estática").
Entre estos equipos novedosos estaba una antena en forma similar a la de un
cuerno, aunque de sección rectangular, la cual fue empleada varios años para
captar señales del satélite Echo. Posteriormente, cuando ya no fue requerida para
mas pruebas, empezó a ser utilizada para trabajo astronómico. Con este
instrumento Arno Penzias y Robert Wilson planeaban hacer mediciones de
fuentes astronómicas de radio con muy alta precisión. Sin embargo, desde que se
empleaba con el satélite Echo, la antena invariablemente media una señal mayor
de lo esperado. Penzias y Wilson observaron que, mientras que parte de esta
señal podía atribuirse a nuestra atmósfera y a la antena, mas de la mitad no era
explicable y aparecía independiente de la dirección del cielo a la cual apuntara la
antena. Sospechando que se pudiera tratar de un problema no considerado del
instrumento, checaron todos los componentes posibles de la antena, incluso
desalojando a un par de palomas que ya habian hecho nido en su interior, sin
lograr deshacerse de la señal. Después de repetidos intentos, y sospechando que
podía haber algún gato (cósmico) encerrado, decidieron ir a la Universidad de
Princeton y discutir este asunto con el famoso y brillante físico Robert Dicke. Dicke
se dió cuenta de que Penzias y Wilson habían encontrado la débil radiación de
fondo cósmico, vestigio del violento nacimiento del Universo.
La primera predicción concreta de este fenómeno fue hecha en 1949 por Alpher y
Herman quienes, siguiendo algunas ideas de George Gamow acerca del
nacimiento del Universo, expuestas diez años antes, quien consideraba algunas
consecuencias del posible nacimiento del Universo en una gran explosión. Al
expanderse, el Universo se iría enfriando paulatinamente y, según los cálculos de
Alpher y Herman, hoy en día, unos quince mil millones de años después de la
explosión, la temperatura del Universo debería haber bajado hasta -268 grados
centígrados, es decir cinco grados por encima del cero absoluto, la temperatura
mas baja permitida por las leyes de la física. Desgraciadamente Alpher y Herman
terminaron su artículo expresando dudas de que esta radiación primigenia pudiera
habr sobrevivido hasta nuestra época y ser detectada. Ya sea por este o algún
otro motivo, la predicción de un fondo cósmico de radiación de cinco grados fue
mayormente olvidada y solo existía un grupo, encabezado por el propio Dicke, que
estaba planeando una búsqueda específica de este fondo de radiación. Cuál
debió ser la sorpresa de Dicke cuando Arno Penzias y Robert Wilson le
presentaron el descubrimiento fortuito del eco distante de la Gran Explosión!
Penzias y Wilson publicaron el descubrimiento del fondo de radiación de tres
grados (la predicción de Alpher y Herman falló por dos) en un artículo con el
modesto título de "Una medición de exceso de temperatura de antena a 4080
MHz", el cual apareció en la revista "Astrophysical Journal" acompañado de un
trabajo de Dicke y dos colaboradores explicando el profundo significado de este
hallazgo. Trece años después, Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel de
física. Con el tiempo pudo saberse que la fortuna ya había rondado a algunos
grupos anteriormente: un jápones llamado Hauro Tanaka y un par de canadienses
habian ya detectado esta señal, pero de forma tan marginal que no era posible
establecer el resultado. También fue posible explicar unas observaciones de
moléculas de cianógeno hechas en 1940 por Andrew McKellar las cuales
requerián de una fuente de energía a 2.7 grados sobre el cero absoluto. Al
desconocerse esta fuente, que resultó ser el Universo como un todo, los
resultados de McKellar habían sido fuertemente rechazados por varios científicos
(y olvidados por muchos mas). Dicke, quién murió este año después de haber sido
rondado él también por el Nobel, jugó un papel importante en prevenir que este
resultado pasara desapercibido, al proveer una explicación acompañante.
El descubrimiento el fondo cósmico de radiación inclinó el debate de aquél
entonces entre las dos teorías cosmológicas mas plausibles: la de la Gran
Explosión y la del estado estacionario, la cual postulaba la creación continua y
espontánea de materia. Mientras que en esta última debía buscarse como
acomodar la presencia del fondo cósmico, en la primera el fondo cósmico es
manifestación directa de la Gran Explosión. Aun cuando algunos partidarios de la
teoría del estado estacionario no se han rendido, el descubrimiento de Penzias y
Wilson es considerado como la prueba mas clara de que vivimos en un Universo
en expansión originado en una explosión colosal. Existe otra evidencia importante
que es la abundancia de helio observada en el Universo, la cual puede explicarse
al considerar las reacciones nucleares que se dieron cuando el Universo en su
totalidad se hallaba a miles de millones de grados. Esto, instantes después de la
Gran Explosión que quince mil millones de años después todavía es posible
escuchar.
III. el helio primigenio
La química de los siglos XVIII y XIX mostró que de todas las substancias que hay
en la naturaleza, cerca de noventa de ellas, llamadas elementos, forman la base
de todas las demás. Así por ejemplo, el agua es una combinación de los elemetos
hidrógeno y oxígeno. Posteriormente, la física del siglo XX descubrió que los
elementos pueden transmutarse entre ellos por medio de los procesos de fusión
nuclear, la unión de elementos ligeros para formar uno mas pesado, o fisión
nuclear, la división de un elemento pesado en elementos mas ligeros. En 1939
Hans Bethe encontró cómo se produce la fusión de cuatro átomos de hidrógeno
en un átomo de helio dentro de las estrellas, siendo este proceso su fuente de
energía. Cada segundo en el interior del Sol, donde prevalecen temperaturas
suficientes para que se den las reacciones nucleares, se transforman 609 millones
de toneladas de hidrógeno en 605 millones de toneladas de oxígeno,
convirtiendose cuatro toneladas de materia en la energía que permite al Sol seguir
brillando.
En las primeras décadas de este siglo se descubrió no solo como brillan las
estrellas, sino también que el Universo probablemente tuvo un inicio. El
descubrimiento de Edwin Hubble de que las galaxias están alejandose unas de
otras se interpretó rapidamente como que el Universo se encuentra en expansión.
Y si el Universo ha estado expandiendose en forma continua, cabe suponer que
originalmente tuvo dimensiones mucho menores y densidades mucho mayores a
las actuales. En la década de los treintas el ábate belga Georges Lemaître se
planteó por primera vez la cuestión de cómo fue el Universo recien formado (o
Universo temprano), razonando que debió tener una densidad parecida a la de los
núcleos atómicos, la materia mas densa conocida (1).
Algunos años después, George Gamow y otros científicos realizaron los primeros
cálculos de las posibles condiciones del Universo temprano, considerando
también la presencia de enormes temperaturas. Gamow concluyó que las
condiciones del Universo temprano serian propicias para que se dieran reacciones
nucleares, como sucede en el centro del Sol, y que en estas parte del hidrógeno,
único elemento existente en la formación del Universo, pudo convertirse en helio.
Este trabajo probablemente pareció en aquel momento demasiado especulativo,
pero comenzó a cobrar particular importancia después de que en 1965 Penzias y
Wilson descubrieran el fondo de radiación de microondas y la mayoría de la
comunidad científica fuera aceptando el modelo de la Gran Explosión (o "Big
Bang").
En los últimos treinta años han ido surgiendo fuertes evidencias de que,
efectivamente, existieron reacciones nucleares en los primeros momentos del
Universo, mucho antes de que se formara cualquier estrella. De hecho parece ser
que practicamente todo el helio que existe se formó en la primera hora de vida del
Universo. Los estudios teóricos indican que además de helio se formó también
deuterio ("hidrógeno pesado") y un poco de litio. Las condiciones que permitieron
las reacciones nucleares fueron sin embargo demasiado breves para permitir la
producción de elementos mas pesados, como el carbono y el oxígeno. Estos, y los
demás elementos, fueron producidos millones de años después en los interiores
de la primera generación de estrellas. La materia de la cual estamos formados los
seres vivos estuvo alguna vez en el centro de una estrella que vivó y murió antes
de que se formara nuestro Sol.
Apoyando estos cálculos, han habido observaciones astronómicas que muestran
que el Universo contiene mas helio que el que las estrellas han podido producir en
los quince mil millones de años que nos separan de la Gran Explosión. La
conclusión inescapable es que practicamente todo el helio que hay se formó en
los primeros minutos del Universo. Al comparar las abundancias primigenias (3)
de elementos ligeros estimadas observacionalmente con las calculadas por los
modelos teóricos es posible definir con cierta precisión las condiciones del
Universo temprano y, tal vez mas importante, la densidad de materia en el
Universo. Estos estudios llegan a la incómoda conclusión de que la mayor parte
de la materia en el Universo no es del tipo que conocemos y que debe existir
algún tipo extraño de materia que no forma ningún elemento y que no puede
brillar. Si es esto cierto, las estrellas, las galaxias y todo lo que podemos ver en el
cosmos es tan solo una muy pequeña parte de un Universo dominado por materia
oscura y exótica, cuya naturaleza nos es aun desconocida.
Notas:
1. las estrellas de neutrones son mas densas, pero en aquel entonces no se
conocían
2. primigenio: primitivo, originario
3. el término técnico es "materia no bariónica"
IV. el modelo de la Gran Explosión
Como comentamos en los últimos artículos, existen por los menos tres evidencias
observacionales que sugieren que el Universo se encuentra en expansión y que
tuvo un principio con altas densidades y temperaturas: la recesión de las galaxias,
el fondo de radiación de microondas y la abundancia de helio. El modelo de la
Gran Explosión es el único que concuerda con estas observaciones y a la fecha
no hay un modelo alternativo que las explique. Sin embargo, cuando este modelo
se elabora con detalle surjen algunos problemas que hacen pensar si en realidad
hubo o no una Gran Explosión.
El modelo va mas o menos como sigue: hace entre 10 y 15 mil millones de años
el Universo se inició en una Gran Explosión donde todo era radiación y partículas
elementales. El desarrollo del Universo estaba ya predeterminado por su densidad
la cual determinó desde un principio la tasa de expansión, y si esta debería ser
irreversible o si continuaría para siempre. Como haya sido, complejas
interacciones entre partículas y radiación ocurrieron en los primeros instantes.
Unos cien segundos después del inicio, cuando la temperatura del Universo bajó a
unos mil millones de grados, algunos protones y neutrones se combinaron para
formar prácticamente todos los núcleos de helio que existen hoy en día.
Trescientos mil años después, la temperatura había descendido a tres mil grados
y los protones empezaron a capturar los electrones libres para formar hidrógeno.
Al dejar de haber electrones libres la radiación pudo ir de un lado al otro del
Universo, dando lugar al famoso fondo de radiación. Con el tiempo la temperatura
del fondo de radiación fue bajando hasta llegar a 2.7 grados por encima del cero
absoluto que medimos hoy en día.
Mas adelante, al paso de por lo menos cientos de millones de millones de años,
de alguna forma el gas primigenio, hidrógeno y helio, al enfriarse dió lugar a las
primeras galaxias, al parecer con formas irregulares, a los cuasares, cuya relación
con las primeras galaxias no ha sido esclarecida, y a las primeras estrellas,
donde se formaron los primeros núcleos de carbono, oxígeno, nitrógeno y otros
elementos. Y, si todo esto realmente sucedió, eventualmente se dieron en el
Universo las condiciones necesarias para la formación de nuevas estrellas como
el Sol, enriquecidas con elementos creados por generaciones anteriores de
estrellas. Con estrellas como el Sol se formaron planetas como la Tierra y vida
como la nuestra, la cual cobró conciencia y pudo descifrar la historia del Universo
hasta remontarse a su primera millonésima de millonésima de segundo (o por lo
menos eso pretendemos).
Aunque buena parte de los científicos se adhieren en términos generales al
modelo de la Gran Explosión, existen serios problemas relacionados con la
cantidad de materia que observamos en el Universo y la que inferimos del modelo,
la edad del Universo comparada con la de sus constituyentos y el tiempo
disponible para formar las primeras galaxias (sin mencionar los mecanismos de
formación de galaxias). Estas dificultades del modelo de la Gran Explosión han
dado lugar a un replantamiento de alternativas, como el modelo del estado
estacionario. Sin embargo, ninguna otra teoría puede explicar en forma tan natural
la recesión de las galaxias, el fondo de microondas y la abundancia del helio. Así,
mientras no haya ninguna otra forma de explicar el Universo tal y como lo
observamos, tendremos que continuar con el concepto de la Gran Explosión.
------------------------------------------------------------Esperanza Carrasco Licea & Alberto Carramiñana Alonso
Diario Síntesis, 16 de diciembre de 1997
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