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Juan Leyva


"Una pugna entre teorías no es un

desastre, es una oportunidad."


– Alfred North Whitehead. -




ORIGEN DEL UNIVERSO


 

La comprensión del Universo va intrínsecamente ligada a la aceptación de unas leyes físicas como verdaderas, así la de la ‘relatividad general’, que enseñan que lo que nuestros sentidos perciben como tiempo no es sino una manifestación de otra de las dimensiones que el espacio que ocupamos posee. Además de descubrir objetos como los agujeros negros, la relatividad modifica la interacción gravitacional, corrigiéndola.


La gravedad no sale del Sol y mantiene a los planetas, sino que es una distorsión geométrica del espacio/tiempo que canaliza el movimiento de los astros.


Descrito con trazos muy gruesos y según las ecuaciones que resultan, el Universo puede tomar una entre tres alternativas posibles, descubiertas por Alexander Friedmann, matemático ruso, que otorga tres soluciones a las ecuaciones de Einstein, y que implican tres modelos de hacia dónde va nuestro Universo: un universo cerrado, abierto o plano.


Un Universo cerrado tendrá un radio de curvatura que se comportará de forma oscilatoria con sucesivas expansiones y contracciones en el espacio. La expansión del Universo progresa hasta un punto en el cual la gravedad comienza a imponerse y causará su retracción, o bien crecerá hasta alcanzar una dimensión constante, como en el caso previsto por Einstein. Si es el Universo abierto, estará en expansión permanente, expansión que además, puede ser acelerada o no.


En los tres casos teóricos posibles de modelo de Universo, cabe señalar una singularidad en el origen del tiempo. Considerando el flujo del tiempo hacia atrás, el Universo actualmente en expansión, exige partir de una altísima densidad de masa y energía concentrada en un solo punto. Con esta idea, por primera vez, la ciencia comienza a considerar, con método científico, la cuestion de la existencia de un ‘origen’ para el Universo. Un problema que tenía ya una larga tradición en el pensamiento teológico y filosófico.


Hace unos 15.000 millones de años la materia tenía una densidad y una temperatura infinitas. Hubo una explosión violenta y, desde entonces, el Universo va perdiendo densidad y temperatura.


La materia salió impulsada con gran energía en todas direcciones. Los choques y un cierto desorden hicieron que la materia se agrupara y se concentrase más en algunos lugares del espacio, y se formaron las primeras estrellas y las primeras galaxias.


Es una teoría que se basa en observaciones rigurosas y que es matemáticamente correcta desde un instante después de la explosión, pero que no tiene una explicación científica para el momento cero del origen del Universo, al que denomina ‘singularidad’.


La teoría mejor avalada ha sido la del Big-Bang, que es 'singularidad', una excepción que no pueden explicar las leyes de la Física. Una gran explosión inicial, de acuerdo, sin embargo se puede plantear ¿qué había antes?, ¿qué causó esa gran explosión?.  La respuesta es nada, antes de la expansión del Universo no había materia, espacio ni tiempo. Pero sí cabe creer que en ese momento el Universo debe haber estado muy caliente, ya que un gas al expandirse se enfría, lo que ha hecho el Universo desde la explosión hasta nuestros días.


En un comienzo lo único que se podía percibir era una inmensa bola de fuego, la 'era de los leptones', el Universo entero es una sopa uniforme de las partículas elementales. La radiación domina el mismo. Aún no se puede hablar de la existencia de átomos, ya que sus tres constituyentes principales -neutrones, electrones y protones- tenían la capacidad de convivir en equilibrio junto a otras partículas.


Más tarde la temperatura de esta enorme bola bajó considerablemente, centrando la atención tan sólo en los protones, electrones y neutrones, despareciendo el resto de las partículas. De aquí comienza la 'era del plasma', donde la temperatura bajó lo suficiente como para que neutrones y protones se combinaran, dando origen a átomos de Helio, que contenían dos protones y dos neutrones.


700.000 años después, pudieron formarse átomos eléctricamente neutros gracias a la combinación de protones y electrones, poniendo fin a la 'era del plasma'. A partir de este momento, la radiación existente en el Universo deja de interactuar con la materia, comenzando su lento enfriamiento hasta hoy.


Para el segundo siguiente en esta desaceleración, los electrones, que son mucho más pequeños que los protones, mantienen en equilibrio la energía con el Universo. Este período se conoce como la 'era electrónica'. El Universo es aquí bastante grande, un año-luz y creciendo, pero la temperatura está bajando en forma de calor, que tiene que ser distribuido a través de un volumen cada vez mayor. En un segundo después del Big Bang, el Universo tiene un radio de unos 4 años-luz (aproximadamente la distancia desde aquí hasta la estrella más cercana fuera de nuestro sistema solar).


Ciertas fluctuaciones en el Universo primitivo deben haber crecido lo suficiente para llegar a un punto donde la fuerza de gravedad dentro de la fluctuación empezara a superar la expansión, adquiriendo identidad propia. Una vez que esta fluctuación empezó a contraerse no se mantuvo homogénea, lo que finalmente origina cúmulos de galaxias y galaxias individuales.


Lemaître es quién va más allá y anticipa que, si el Universo actual se está expandiendo, retrocediendo en el tiempo hacia atrás se llegará al punto singular donde se concentraba toda la materia y la energía. Lo denomina: el ‘Átomo primitivo’ y supone dar un origen común para el tiempo y para el espacio.


Para la ciencia, considerar un origen simultáneo a tiempo y espacio significa considerar un tiempo cero a partir del cual el espacio nace, se va expandiendo y el Universo aumenta de tamaño a medida que transcurre.


Según los distintos modelos, cuando se consideran los detalles, esa expansión tendrá distintos efectos y duraciones. Pero, por encima de todos ellos, el dato concreto de la expansión ya se considera una evidencia experimental, que se puede determinar a partir del ‘desplazamiento hacia el rojo’ de la radiación luminosa proveniente de espacio. En particular, de la radiación que proviene de los lugares más remotos donde ese efecto es mayor.


Cuando formuló esta hipótesis evolutiva, introdujo dentro de la ciencia la idea más importante que tenemos hoy sobre la evolución del Universo, debió comenzar a partir de una especie de átomo elemental, extremadamente denso y pequeño, que evolucionó mediante la gigantesca explosión y cuyos fraccionamientos y agrupamientos sucesivos constituyen el Universo que observamos hoy.


Fred Hoyle se burló de Lemaître presentándolo con las palabras “this is the big bang man…”(“este es el hombre de la gran explosión”). A partir de ese momento, la teoría de Lemaître quedó bautizada como teoría del 'Big-Bang'. Pero a la teoría le faltaban la radiación de fondo y la Termodinámica.


En 1992, el satélite COBE realiza mediciones sobre la distribución de la radiación de fondo del Universo y en el año 2001 se logra la construcción de su mapa completo, que viene a confirmar aún más, la validez de este modelo.


El mundo de lo más pequeño, las partículas elementales, y el de lo más grande, los objetos astronómicos, se unen para formar la teoría actual sobre la evolución del Universo.


Una de las mejores predicciones de la ‘relatividad general’ es afirmar la existencia de los llamados ‘hoyos negros’.


Las trayectorias de los rayos luminosos presentarán mayor deflexión en los campos más intensos que en los más débiles. A partir de estas consideraciones es posible imaginar el caso límite de un campo gravitacional suficientemente fuerte, capaz de deflectar tanto los haces luminosos que les impida escapar de él. Como de este sistema no emergerá ningún haz de luz, sería imposible observarlo, denominándose ‘hoyo negro’.


Surgen de la explosión de una supernova y su masa es varias veces más grande que la del Sol, no hay fuerza que pueda impedir su colapso. Este colapso se va acelerando rápidamente y la superficie de la estrella se mueve cada vez mas rápido hasta que se desliza por una fisura que ella misma ha creado en el continuo espacio/tiempo. Se convierte en este momento en un ‘hoyo negro’.


Las capas externas de la estrella son expulsadas a altas velocidades, pero las capas interna, su núcleo, colapsan. Si después de la explosión hay suficiente masa remanente la gravedad puede seguir comprimiendo a este material sobrante y lo que se obtendrá será el ‘hoyo negro’, su masa terminará siendo unas cuantas veces la del Sol. Los astrónomos creen que existe un ‘hoyo negro súpermasivo' en todas las grandes galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea.


Un tiempo después de que Einstein irrumpiese con su ‘teoria de la relatividad’, Karl Schawarzschild postuló que, a cierta distancia de un 'hoyo negro', sucedían cosas debido a la geometría del espacio/tiempo, llamó a esa distancia el ‘Radio Schawarzschild’, donde es tan grande la gravedad que ni siquiera la luz puede escapar del campo gravitacional producido, tan fuerte que cualquier luz emitida caería de nuevo a la masa central. Esta es la razón o momento en que el 'hoyo negro' se hace visible.


El astrónomo John Mitchel en 1783, fue el primero en descubrirlos, pero sigue sin saberse de modo unánime cómo funcionan, unos dicen que desembocan en universos paralelos, otros que es un túnel cósmico que ahorraría miles de años-luz, otros que es un portal que lleva a través del tiempo.


Los físicos que, a principios del siglo XX, postularon contra el Big-Ban dijeron que el Universo no puede ser más viejo que las estrellas que lo forman. El modelo se propuso como una posible explicación a las observaciones de las abundancias de elementos livianos en el Universo.


En ese tiempo se había establecido, de modo experimental, que el Universo está formado en un 75% de Hidrógeno y un 25% Helio. Esta observación se explica dado en 1947 los físicos George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman propusieron que los núcleos de Helio fueron formados por fusión nuclear en las primeras épocas de un Universo con un comienzo caliente y denso.


Es en este punto que la posibilidad del origen del Universo como gran explosión, incorporaba de forma natural las observaciones de Hubble, que demostraron en 1929 que el espacio está en expansión.


En estos cálculos originales aparecía una componente de energía en forma de radiación. En el gas de electrones, protones y neutrones a muy alta energía que era el Universo temprano, la energía en forma de radiación electromagnética es la que domina el sistema.


Cuando el Universo se expande, la energía en forma de radiación deja de ser dominante y su correspondiente temperatura decrece. Esa energía en forma de radiación electromagnética proveniente de los primeros instantes del Big-Bang es una de las predicciones más fuertes del modelo.


En la misma época, el ‘modelo estacionario’, que mantiene que el Universo no tuvo un comienzo, sino que es infinito, tendía a ser favorecido por razones teóricas ya que, como las variables espaciales exhiben simetría en el Universo, se espera que lo mismo sucediera con el tiempo. Pero, un comienzo en el tiempo rompería dicha simetría.


Otro golpe contra el Big-Bang resultó ser la inconsistencia de la edad calculada del Universo cuando se comparaba con la edad de la Tierra, el Universo resultaba más joven. Fue corregida la inconsistencia al descubrir un error en el cálculo de la velocidad de expansión, con la ‘constante de Hubble’, como acaba de ser señalado.


En 1965 los radioastrónomos Penzias y Wilson descubrieron, si bien accidentalmente, la 'radiación cósmica de fondo', que confirmaba la radiación electromagnética, entonces el modelo de Big-Bang comenzó a ser tomado en serio.


La geometría del Universo es tal que si uno mide la distancia que separa dos galaxias cualesquiera ésta aumenta en el tiempo. El aumento en la separación entre dos galaxias dadas se debe a que existe una velocidad relativa entre ellas, y cuanto más alejadas se encuentren mayor será la velocidad relativa entre ellas. Esto es lo observado por el astrónomo Hubble en 1929, midiendo la velocidad y distancia de muchas galaxias en direcciones arbitrarias, y la proporcionalidad que da la velocidad en función de la separación, es la ‘constante de Hubble’. 


La velocidad se obtiene mediante el 'corrimiento hacia el rojo' de las líneas en el espectro de la luz proveniente de las galaxias; la distancia se calcula a partir de la luminosidad absoluta de estrellas 'variables Cefeida' en la galaxia.


El problema de la calibración de distancias es lo que ha dado mayor trabajo a los astrónomos que quieren medir 'la cte. Hubble', su interés deriva de saber que con ella podrían decir cúal es la edad y tamaño del Universo. Para ver la relación entre estas cantidades de nuevo basta remitirse a la vuelta en tiempo hacia atrás, haciendo que la expansión sea hacia dentro.


Como la velocidad de expansión es conocida por la ‘ley de Hubble’ podemos preguntarnos cuánto tiempo tomaría el Universo en alcanzar el punto en el que todas las galaxias compartan el mismo lugar, su 'singularidad'. Un cálculo sencillo revela que el tiempo desde radio cero hasta hoy - edad del universo- es el inverso de H0.


Lo que Edwin Hubble demostró es que todas las estrellas muestran ese desplazamiento hacia longitudes de onda más largas, que indica que se están alejando unas de otras.


Dado por consiguiente un Universo abierto, de las tres opciones manifestadas como posibles, por los cálculos realizados hasta el momento que encuentran muy poca masa en el Universo, tenemos un modelo que hace no tenga la fuerza gravitatoria suficiente para frenar su expansión.


De manera que nuestro Universo podría acabar en un Gran Desgarramiento final, Big-Rip, donde se irían disolviendo las masas hasta convertirse en partículas subatómicas separadas unas de otras para siempre.


No obstante, la presencia de materia no visible, materia oscura, y el descubrir que puede conformar un 90% de la materia total del Universo en expansión, apoyaría un modelo de Universo cerrado. Es decir, lo que se consideró como vacío, donde había nada, es un vacío que está acelerando a las masas que se ponen en contacto con él por un efecto de repulsión.


A partir de esta realidad, hay quien afirma que la materia oscura podría ejercer la fuerza de gravedad suficiente para detener la expansión y hacer que toda la materia se comprima nuevamente, un Big-Crunch o la Gran Implosión.




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