TEORÍA INFLACIONARIA
Merece
ser reconocida como la tercera revolución intelectual importante que tuvo lugar
en el ámbito de la Cosmología: en primer lugar, Galileo y Newton, quienes demostraron
que la física terrestre y la celeste son la misma cosa; siguió Einstein, cuya teoría de la relatividad general describía
el Universo en expansión; y finalmente, la
inflación,
que relaciona la astrofísica (la ciencia de lo increíblemente grande) y la
física cuántica (la ciencia de lo increíblemente pequeño), ciencias que en
apariencia no guardan relación.
La
inflación es un concepto extremadamente poderoso, y explica las 3 cuestiones
principales de la cosmología:
1a. La paradoja de un
Universo temprano increíblemente uniforme, según lo revela la suavidad de la
radiación cósmica de fondo, y la evidente desigualdad del Universo actual.
2a. Explica la
ausencia de monopolos magnéticos y demás posibles
reliquias del Universo primitivo, la ausencia de rotación del Universo, el
carácter plano del espacio, su homogeneidad y hasta por qué la constante
cosmológica de Einstein no era completamente errónea.
3a. Explica el motivo
por el cual el Universo está expandiéndose. Además, el Universo es muchísimo
más grande de lo que nunca nadie había supuesto.
Vamos
a dar respuestas a estas:
A
los 10-35 segundos tras el instante de la creación la totalidad de
la masa y la radiación potenciales de nuestra parte del Universo estuvo sumida
en una "sopa" primigenia de energía, parcelada dentro de una diminuta
región del tamaño de una billonésima (10-12) de protón (alrededor de
10-25 cm). Todo estaba conectado con, y
era equivalente, a todo lo demás (la homogeneidad primigenia).
Entonces experimentó este una erupción de espacio incomprensiblemente rápida,
de modo que a los 10-32 segundos se había expandido, al menos, 10
metros. Cuando la inflación terminó, esa región procedió a expandirse al ritmo
mucho más pausado característico del Big Bang, hasta adquirir su tamaño actual, mayor de un billón
de años-luz (esta expansión continua tras 15000 millones de años, siendo 100
veces más lenta que la ocurrida durante el instante de la inflación). La
homogeneidad existente en tan diminuta región, se extendió, pues, a través de
una región mucho mayor de lo que actualmente podemos ver. Esto hace que la
inflación no necesite condiciones iniciales, ni el contacto entre regiones
dispares del Universo, sencillamente la inevitable homogeneidad inicial de la
materia se convirtió en la condición universal a través de un crecimiento
breve, pero explosivo.
La
expansión ultrarápida prevista para el período
inflacionario diluye el número de monopolos hasta el
punto de que apenas podríamos encontrar uno en la región de 15000 años-luz de
nuestro Universo observable.
La
ausencia de rotación del Universo resulta menos enigmática en un Universo
inflacionario. Incluso en el caso de que rotara en sus primeras etapas, la
enormemente grande y rápida expansión que tuvo lugar durante la etapa
inflacionaria, disminuiría el ritmo de rotación a unos niveles despreciables:
como ocurre con una patinadora artística que da vuelta sobre sí misma, al
extender los brazos gira más lentamente (se trata de un efecto inercial, la
conservación del momento angular). Al expandirse el Universo, su ritmo de
rotación disminuye, no rotaría de modo notable.
La
predicción más sorprendente de la teoría de la inflación es, sin duda, el
carácter plano del Universo. Esto corresponde a una predicción según la cual
Omega, la relación entre la densidad crítica del Universo y su densidad actual,
debe ser igual a 1. La tasa de aceleración de la expansión durante el período
inflacionario exagera en gran medida los rasgos existentes del Universo. Como
resultado de ello, toda desviación (por pequeña que sea) de Omega a cualquier
lado de 1 en el primer instante del Universo, llevaría a un colapso o una
expansión rápidos y al Gran Frío. Sólo con un Omega exactamente igual a 1, el
Universo podría sobrevivir y evolucionar hasta su estado actual. Actualmente,
las medidas astronómicas indican valores de Omega entre 0,3 a 2, e incluso
algunas se acercan al valor de 1. Si las estimaciones hubieran sido distantes
en un orden de magnitud o dos, entonces esta teoría hubiese desempeñado un
papel muy pobre en esta prueba y quizá se consideraría que ha fracasado.
Estamos, por tanto, en condiciones de decir que el vaticinio de un Omega igual
a 1 tiene muchas posibilidades de ser defendido. Ligada a esta predicción se
encuentra, por supuesto, la adicional de que gran parte de la materia del
Universo debe ser la enigmática materia oscura. La materia visible en las
galaxias representa menos del 1% de la masa crítica, así, si esta última toma
el valor de 1, la mayor parte de la materia ha de ser oscura. Para que la
inflación siga siendo un modelo viable, los astrofísicos tienen que encontrar
la materia oscura o pruebas muy sólidas de su existencia.
El
concepto de inflación parece sumamente valioso para resolver toda una gama de
problemas cosmológicos. Pero si no hubiese habido algún mecanismo que hiciera
funcionar el concepto, no habría llamado tanto la atención. El hallazgo del
mecanismo se produjo mediante la unión de ideas de ámbitos diversos: el
desarrollo gradual que hace que un código de ADN se transforme en un individuo
maduro es un desdoblamiento, un proceso cada vez más complejo en el que la
información contenida en el ADN es trasladada y puesta de manifiesto a lo largo
de muchas etapas de la vida; lo mismo ocurre con el Universo, en la actualidad
lo percibimos como un ente sumamente complejo, formando nosotros parte de dicha
complejidad.
Para
intentar explicar el origen y la evolución del Universo hemos de basarnos en
las siguientes observaciones:
1)
La oscuridad del cielo nocturno.
2) La composición de los
elementos, con una gran preponderancia de Hidrógeno y Helio sobre los elementos
más pesados.
3)
La expansión del Universo.
4) La existencia de la radiación
cósmica de fondo, el resplandor de la ardiente creación.
5) El hallazgo de las arrugas que
estuvieron presentes en la estructura del Universo 300000 años después del Big Bang, proporcionó el
instrumento para entender como estructuras de todas las magnitudes, desde
galaxias hasta supercúmulos, pudieron formarse durante la evolución del
Universo a lo largo de 15000 millones de años.
La
evolución del Universo es el cambio en la distribución de la materia a través
del tiempo, el paso de una homogeneidad virtual a comienzos del Universo al
aspecto "grumoso" que actualmente posee éste, en el que la materia
aparece condensada en forma de galaxias, cúmulos, supercúmulos y estructuras
mayores. La materia, pues, sufre una serie de fases de transición desde el
primer instante del Bin Bang,
pasando esta de un estado a otro a través de una temperatura (o energía)
decreciente. Veamos las distintas etapas en la evolución del Universo:
1a
etapa.
Transcurridos 10-42 segundos después del Big Bang (el menor espacio de
tiempo que podemos utilizar de forma razonada) todo el Universo que observamos
actualmente tenía un tamaño menor al del protón (una fracción de este). El
espacio y el tiempo no hacia más que empezar: la expansión del Universo creaba
espacio-tiempo a medida que se producía. En este instante la temperatura era de
1032 grados, y las fuerzas electromagnética, nucleares fuerte y
débil, se hallaban fusionadas en una sola (época de la Gran Unificación).
Materia y energía eran lo mismo y las partículas aún no existían.
2da
etapa.
La INFLACIÓN expandió el Universo (aceleradamente) 1030
veces su tamaño anterior, descendiendo la temperatura hasta los 1027
grados. La fuerza nuclear fuerte se separó y la materia experimentó su primera
transición de fase, existiendo ahora como quarks, electrones
y otras partículas fundamentales.
3a
etapa.
La siguiente transición de fase (de la materia) ocurrió a
los 10-10 segundos. Descendió la temperatura hasta 1015
grados, separándose las fuerzas electromagnéticas y la débil. La densidad
energética se reduce de modo que ya no es posible la creación de partículas WZ;
las existentes se alejan hasta perderse en el Universo. Los quarks
permanecen juntos y se forman los primeros protones y neutrones estables (así
como antiprotones y antineutrones). Comenzó entonces la aniquilación de
partículas de materia y antimateria, hasta que quedó un leve residuo de
materia.
4a
etapa.
A 1 segundo la temperatura decae hasta los 1010
grados: electrones y positrones se aniquilan, quedando un exceso de electrones.
5a
etapa.
A los 3 minutos la temperatura es de 109 grados:
los protones y neutrones pueden permanecer juntos creando núcleos, ya que su
energía es mayor que su energía media (el Universo actúa como un enorme reactor
termonuclear). Se crean los primeros núcleos de deuterio, helio y litio. La
parte masiva que constituye el Universo está casi a punto (tres cuartas partes
de hidrógeno y una de helio). Esta sopa de materia y radiación, que
inicialmente tenía la densidad del agua, continuó expandiéndose y enfriándose
durante otros 300000 años, pero era demasiado energética para que los
electrones se adhirieran a los núcleos de hidrógeno y helio para formar átomos:
los fotones energéticos convivían con las partículas que formaban la sopa en un
frenesí de interacciones, provocando estas que la distancia recorrida por los
fotones fuese muy corta (el Universo era esencialmente opaco).
6a
etapa.
A los 300000 años la temperatura cayó hasta unos 30000,
ocurriendo una transición de fase crucial: los fotones ya no eran lo bastante
energéticos para desalojar a los electrones de los núcleos de hidrógeno y
helio, de modo que se formaron los átomos de estos dos elementos, permaneciendo
juntos.
Los fotones dejaron de interaccionar con los
electrones y pudieron escapar y viajar grandes distancias, haciéndose
transparente el Universo; la radiación (los fotones) se dispersó en todas
direcciones, corriendo a través del tiempo en forma de radiación cósmica
de fondo, tal como se detecta actualmente. La radiación liberada en ese
instante nos proporciona la imagen instantánea de como estaba distribuida la
materia en el Universo cuando éste tenía 300000 años de edad: si toda la
materia se hubiese distribuido de manera uniforme, la estructura del espacio
habría sido plana y las interacciones entre los fotones y las partículas,
homogénea, dando como resultado una radiación cósmica de fondo completamente
uniforme.
ARRUGAS CÓSMICAS
En la cosmología se acaba de producir una revolución como consecuencia del conocimiento
de los siguientes hechos: en tanto que la Tierra y el sistema solar se mueven
hacia Leo a unos 350 km/s, más de 10 veces la
velocidad de nuestro planeta al girar alrededor del Sol, la Vía Láctea lo hace
a unos 600 km/s. Este movimiento extraordinario de
nuestra galaxia requiere la existencia de cuerpos masivos hasta ahora no
detectados en el Universo, lo cual significa que en éste la materia no está
distribuida tan homogéneamente como se pensaba. La existencia de estas enormes
estructuras significa que las semillas cósmicas de las que proceden deben de
haber estado presentes en el Universo primitivo, pues, de otro modo no podrían
haberse desarrollado tanto como lo han hecho.
Esto derriba la vieja teoría que dice que las galaxias
están distribuidas de modo uniforme por todo el Universo: algunas regiones del
cosmos están virtualmente desprovistas de galaxias y existen vastas extensiones
sin nada; en otras, miles de millones de galaxias forman inmensos supercúmulos
galácticos que ejercen una enorme influencia gravitacional sobre otras galaxias
distantes cientos de millones de años luz. Nuestra propia Vía Láctea está
siendo arrastrada a 600 Km/s hacia un gran
supercúmulo que aún no ha sido detectado.
Esta nueva visión del Universo, descomunales concentraciones
galácticas alternadas con vacíos inimaginables, hace que sea más urgente
comprender los mecanismos que formaron las estructuras cósmicas después del Big Bang. Las conglomeraciones
masivas de galaxias deben de haber crecido a partir de semillas cósmicas
presentes en los primeros instantes del Universo. Estas semillas deben
evidenciarse como fluctuaciones en la radiación cósmica de fondo, fluctuaciones
que representan regiones primordiales de densidad ligeramente más elevada.
Estas arrugas en el espacio-tiempo habrían desencadenado la
condensación local de materia bajo la influencia de la gravedad, produciendo
embriones de galaxias y supercúmulos.
Estas regiones del Universo, con una alta concentración
de materia, ejercieron una atracción gravitacional mayor, curvando el espacio
positivamente. Las áreas menos densas poseían menos atracción gravitacional,
dando una menor curvatura del espacio. Las distorsiones del espacio quedaron
marcadas tras la separación de la materia y la radiación en ese momento,
después de 300000 años, en el flujo de fotones cósmicos liberados
repentinamente: estas son las arrugas que aparecen en los mapas cósmicos (la
radiación proveniente de las áreas más densas es más fría que el fondo
promedio; cuanto menos densa, más caliente).
En el Universo hay dos clases de materia, la materia
oscura y la visible, poseyendo distintas funciones en la formación
gravitacional de estructuras:
1. La materia oscura, afectada por
la gravedad y no por la radiación, pudo haber comenzado a formar estructuras
mucho antes que la materia visible, que es golpeada por el flujo energético de
fotones; moldeada por los contornos del espacio que en el Universo preinflacionario se originaron como fluctuaciones
cuánticas, la materia oscura pudo haber comenzado a agregarse, bajo la
influencia de la gravedad, a los 10000 años después del Big
Bang
2. A los 300000 años la separación de la materia
y la radiación liberó una materia ordinaria visible que sería
atraída por las estructuras formadas por la materia oscura. A medida que la
materia visible se agregaba, las estrellas y las galaxias iban tomando forma.
La existencia de arrugas en el tiempo, tal como las
vemos, prueba que la teoría del Big Bang, incorporado el efecto de la gravedad, no sólo puede
explicar la formación temprana de galaxias, sino el modo como se juntaron a lo
largo de 15000 millones de años hasta dar las estructuras masivas que conocemos
en el Universo Actual. Este fue un triunfo de la teoría y de la observación.
MATERIA OSCURA
La materia visible en las galaxias representa menos del
1% de la masa crítica, es decir, la mayor parte de la materia es oscura.
¿Qué es esta materia oscura?
La materia con la que más familiarizados estamos se
compone de protones y neutrones, que colectivamente se conocen como bariones,
que forman parte del núcleo del átomo, y de los electrones, que giran alrededor
del núcleo (o envuelven al núcleo).
¿ Es la materia oscura de
naturaleza bariónica, pero sin brillo y, por lo
tanto, oscura ?
De acuerdo con los cálculos de Dave
Schram y sus colaboradores de la Universidad de
Chicago, la materia bariónica generada durante los
procesos de nucleosíntesis del Big
Bang y sucesos subsiguientes, no constituyen más que
el 10% de la materia del Universo. Por lo tanto, el 90% de la materia del
Universo es invisible y desconocida. Veamos los distintos candidatos que han
sido sugeridos por los astrofísicos:
1) MACHO
(masive compact halo objects,
objetos de halo masivo compacto). Forman la materia oscura bariónica:
además de enanas marrones y objetos similares a planetas, incluye agujeros
negros y estrellas extinguidas (enanas blancas, estrellas de neutrones,...).
Si la mayor parte de la materia oscura bariónica está compuesta por alguna forma de MACHO,
entonces se halla altamente concentrada y no la detectaremos directamente, sino
por el modo en que afecta a otros objetos visibles. En nuestra galaxia hay
miles, o decenas de miles de tales cuerpos, y cada uno de ellos tiene el
potencial suficiente para provocar un incremento transitorio en el brillo de
una estrella.
No hemos
de olvidar que la contribución de este tipo de materia al total de la materia
oscura es escasa.
2) MATERIA NO BARIÓNICA. Aquí hemos
de hacer la siguiente distinción:
a) Materia
no bariónica caliente. Se mueven a gran
velocidad (de ahí el nombre).
Uno de los candidatos es el neutrino, del
que existen tres tipos: el neutrino electrón, el neutrino muón y el neutrino tau. Estos se encuentran en todas partes, miles de millones
nos atraviesa nuestro cuerpo en este instante. Se creía que estas partículas no
tienen masa, al igual que los fotones, sin embargo, algunos experimentos
indicaban que los neutrinos electrones tienen una ligera masa de 30
electrón-voltios (un 0,0000001% la masa de un átomo de hidrógeno. Sí esto fuera
así, la masa total de neutrinos del cosmos podría explicar la presunta cantidad
de materia oscura no bariónica, e incluso podría
bastar para cerrar el Universo (desencadenar un colapso final). Posteriores
experimentos y las observaciones de neutrinos de la supernova 1987 A han
demostrado que la masa del neutrino electrón es significativamente inferior a
30 eV.
No obstante, algunos teóricos de partículas
especulan que el neutrino tau puede tener una masa
igualmente grande.
En general se duda de la existencia de
materia oscura caliente, debido a su alta velocidad: las galaxias se formaron
en épocas relativamente tempranas, quizá tanto como 500 millones de años
después del Big Bang; el
proceso de condensación de la materia primordial debe de haber empezado poco
después de que la materia y la radiación se separasen, es decir, entre 10000 y
100000 años después del Big Bang.
Esta condensación no sería posible en presencia de partículas moviéndose a
velocidades cercanas a la luz (la materia oscura caliente), pues en sus
movimientos recorrerían enormes distancias y destruirían inmediatamente las
estructuras formadas. Las estructuras más pequeñas que se podrían formar en
estas condiciones tendrían un tamaño de unos 10 millones de años-luz, escala de
los supercúmulos galácticos, no de galaxias individuales. Se formarían, pues,
los primeros, y las galaxias lo harían después, más tarde de lo que sabemos.
Por ello, hemos de eliminar la materia
oscura caliente como candidata a materia oscura no bariónica,
a menos que se encuentre estructuras del tamaño de galaxias capaces de
interaccionar con ella. Estas podrían obtenerse de la siguiente manera: la
simetría inicial, tras el Big Bang,
del cosmos se fié rompiendo a medida que el Universo se enfría y expande, provocando
que las diferentes regiones se alinearan de forma imperfecta; los defectos
formados en el espacio conservaron el estado supermasivo
y supercaliente del Big Bang, manifestándose de modos diversos:
Monopolos
magnéticos, defectos de dimensión cero (puntos), sin altura, anchura ni
profundidad.
Cuerdas cósmicas,
objetos unidimensionales, con longitud, pero sin anchura ni altura.
Muros de Dominio,
bidimensionales, como inmensas láminas extendidas a través del espacio.
Texturas,
tridimensionales.
Los científicos nunca han quedado
satisfechos de la existencia de estas estructuras, ni, en general (como se ha
dicho anteriormente) de la materia oscura caliente. Por ello, se pensó en otro
tipo de materia oscura.
b) Materia
no bariónica fría.
Avanza por el cosmos a una pequeña fracción
de la velocidad de la luz. Debido a ello, y a débil interacción con la luz, tal
vez estas partículas hayan empezado a acumularse bajo la influencia de las
ondulaciones primordiales, formando rápidamente semillas del tamaño de
galaxias. Luego, dentro de los 1000 millones de años que siguieron al Big Bang se formaron galaxias.
Más tarde se formarían los cúmulos y supercúmulos galácticos.
La simulación por ordenador demostró que
los modelos basados en materia oscura fría produce una
estructura a gran escala del Universo más fiable que los basados en materia
caliente.
El problema que se nos plantea ahora es
buscar posibles candidatos de materia oscura fría. Los cosmólogos aparecen con
una familia de partículas hipotéticas: las WIMP (partículas masivas de
interacción débil); deben ser estables y tener una larga vida, poseer la misma
masa y sólo pueden interactuar débilmente con la materia bariónica.
Descienden de las grandes teorías unificadas y supersimétricas.
Al igual que el concepto de antimateria dado a conocer por Dirac
(década de 1920), la teoría de la supersimetría
sostiene que para toda partícula ordinaria existe una partícula especular
simétrica. Por ejemplo, cada fermión (quarks,
leptones,...) tiene su contrapartida en la forma de un bosón
(fotones, gluones): para cada fotón hay, en teoría,
una partícula supersimétrica, el fotino;
para cada quarks, un squarks;
para cada neutrino, un sneutrino,... Sin embargo,
todavía no se ha detectado ninguna de estas partículas.
Existen otros candidatos, no WIMP, a
materia oscura fría, como un neutrino pesado o una pequeña partícula llamada axión:
El neutrino pesado poseería
el doble de masa que el protón, no siendo así un verdadero neutrino, y además,
su existencia requeriría una revisión de la física de partículas.
El axión
tendría una masa menor que la mil millonésima parte de la del electrón, y
prácticamente una vida infinita.
La teoría dice que estas partículas se
formaron en grandes cantidades en la época en que los protones y neutrones se
formaban del agregado de quarks, e incluso pudo ser
la forma dominante de materia en ese tiempo.
Para finalizar, la lista de candidatos
continua ampliándose: "pepitas de quark",
pequeños agujeros negros,...
RESUMEN
En combinación con ciertos conceptos como el de inflación
es posible encarar la Creación del Universo casi a partir de la nada. Sin
embargo, para la Ciencia puede haber todo un abismo en el camino que va de la
nada a casi nada.
Pero, ¿qué ocurriría si el Universo que vemos fuese el
único posible, el producto de un estado singular inicial modulado por leyes
singulares de la naturaleza? Por lo expuesto anteriormente, queda claro que la
mínima variación en el valor de una serie de propiedades fundamentales del
Universo habría dado como resultado un "no Universo" o, cuando menos,
uno muy distinto al actual:
Si la fuerza
nuclear fuerte hubiese sido algo más débil, el Universo sólo habría
estado compuesto por hidrógeno. Si hubiese sido un poco más fuerte, todo el
hidrógeno se habría convertido en helio.
Una
pequeña variación en el exceso de protones en relación a los
antiprotones podría haber producido un Universo sin materia bariónica
o una cantidad desastrosa de ella.
Si un
minuto después del Big Bang
el ritmo de expansión del Universo hubiese sido menor de una
parte en cien mil billones, éste habría sufrido un colapso hace mucho tiempo.
Una expansión más rápida que una parte en un millón habría impedido la
formación de estrellas y planetas.
El Universo no carece en absoluto de sentido, cuanto más
sabemos, más advertimos que todo armoniza, que hay una unidad subyacente al mar
de materia, estrellas y galaxias que nos rodean. Por otra parte, cuando
estudiamos el Universo como una totalidad, percibimos que el
"microcosmos" y el "macrocosmos" son, en definitiva, la
misma cosa, es decir, su unificación nos dice que la naturaleza no es la
consecuencia azarosa de una serie de hechos sin significado, sino todo lo
contrario.
El descubrimiento de las arrugas en la estructura del
tiempo fortalece la teoría de la inflación, y da mayor realidad a la existencia
de la materia oscura. Nuestra confianza en el Big Bang se ve revitalizada: al cielo oscuro de la noche, a la
composición de los elementos, a la evidencia de un Universo en expansión y al
resplandor de la creación, se suma ahora un medio por el cual pudieron formarse
las estructuras del Universo actual.
La fuerza más potente del Universo es su creatividad, que
a través del tiempo formó la materia y la estructura de estrellas, galaxias, y,
finalmente, nosotros mismos. Las arrugas cósmicas son el corazón de esa
creatividad, que ha montado estructuras a partir de la homogeneidad.
En la evolución del Universo hay un orden claro que va
desde la simplicidad y la simetría, a una estructura y una complejidad mayores:
los componentes simples se unen a elementos básicos sofisticados que producen
un entorno más rico y diverso; los accidentes y el azar son esenciales en el
desarrollo de la riqueza general del cosmos. Aunque los sucesos individuales
parezcan azarosos, en el desarrollo de los sistemas complejos hay una inevitabilidad general.
BIBLIOGRAFÍA: Arrugas en el
tiempo. George Smoot y Keay Davidson. Plaza&Janes.