Materia oscura y energía oscura, enigmas de la cosmología

Foto de infancia del universo

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Materia oscura y energía oscura, enigmas de la cosmología

Una sonda de la NASA, WMAP, ha permitido componer la "foto" más detallada que se ha obtenido hasta ahora del universo primitivo, a los 380.000 años de edad. Los nuevos datos permiten explicar mejor cómo se formó el cosmos actual a partir del Big Bang; pero a la vez refuerzan la importancia de la materia oscura y la energía oscura, sin desvelar la naturaleza de estas entidades. Y, claro, siguen sin decir de dónde vino el Big Bang.

El satélite MAP (Microwave Anisotropy Probe, o sonda de anisotropía de microondas) fue lanzado en junio de 2001. Más tarde fue rebautizado WMAP, con W de (David) Wilkinson, cosmólogo de la NASA que fue uno de los directores del proyecto hasta su fallecimiento en septiembre pasado. La sonda tardó tres meses en alcanzar su órbita, situada a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra en dirección opuesta al Sol. En su giro hace una exploración completa del firmamento cada seis meses.

Los datos enviados por la WMAP obligan a revisar varias hipótesis comúnmente admitidas. Los cosmólogos creían que el universo tenía una antigüedad comprendida entre 10.000 y 20.000 millones de años; la WMAP precisa más: 13.700 millones de años, con un margen de error del 1%. Se pensaba que las primeras estrellas se habían formado casi mil millones de años después del Big Bang; ahora parece que fue a los 200 millones de años. Contra otra idea muy extendida, la sonda lleva a concluir que la materia oscura contribuyó de manera importante a la aparición de las estrellas; esto complica el panorama, pues de la materia oscura se sabe bien poco. También se suponía que la expansión del universo se ve decelerada por la fuerza de la gravedad. La WMAP aporta nuevos indicios a favor de la existencia de la energía oscura -otra entidad bastante misteriosa-, una energía del vacío que parece mantener el universo en estado de expansión, impidiendo que se colapse sobre sí mismo por la atracción gravitatoria.

El eco de la gran explosión

Fue un físico y sacerdote católico belga, Georges Lemaître, quien en la década de los años veinte del pasado siglo propuso la idea de que el universo podría haberse iniciado en un determinado instante a partir de un núcleo muy pequeño, para expandirse ininterrumpidamente desde entonces. Nacía así la que años después sería conocida como teoría del Big Bang o de la Gran Explosión. En la década siguiente los descubrimientos del astrónomo Edwin Hubble sobre el corrimiento hacia el rojo de los espectros de luz de las estrellas coincidían con la idea de que el universo estaba en expansión. En 1948 el cosmólogo George Gamow predijo que si la gran explosión con la que se inició el universo existió realmente, tuvo que haber dejado un residuo: la radiación cósmica de fondo (RCF), que sería algo así como el eco de aquel enorme estallido. Si alguien la hallaba, daría con una de las pruebas más importantes a favor del Big Bang.

En 1964 dos ingenieros de la compañía Bell Telephone, Arno Penzias y Robert Wilson, la hallaron casualmente: "Su desconocimiento fue muy beneficioso para demostrar claramente su existencia, ya que no esperaban hallar nada semejante" (1). Por este descubrimiento se les concedió el Premio Nobel de Física en 1978, y la antena con la que captaron la RCF recibió en 1989 el título de monumento histórico.

En 1992 el satélite COBE logró fotografiar la distribución de la RCF en el espacio, lo que apuntaló aún más la teoría del Big Bang. Los proyectos Boomerang, Maxima y Darsi, llevados a cabo a finales de los noventa, han aportado más información sobre la RCF. Sin embargo, ha sido la WMAP la que ha captado las mejores imágenes de la RCF logradas hasta la fecha. En un futuro próximo Europa pondrá en órbita la sonda Planck para poder obtener más información y de mayor resolución sobre la RCF.

Grumos en la sopa cósmica

Gracias a la WMAP, los científicos han podido elaborar un mapa del universo cuando contaba tan sólo 380.000 años de edad. Los cosmólogos calculan que unos 80.000 años antes el universo empezó a ser "transparente", o sea, la radiación en forma de luz dejó de chocar con la materia y pudo ya viajar por el espacio. Así, la RCF no es otra cosa que los fotones que quedaron libres para desplazarse por el universo a partir de aquel momento. Esta radiación primordial ha llegado hasta nosotros en forma de microondas del espectro de luz, y tiene casi la misma intensidad en todas las direcciones. Tal distribución regular de la RCF en el espacio es conocida como isotropía.

Pero la RCF no es totalmente homogénea. El satélite WMAP fue puesto en órbita para detectar pequeñas irregularidades -anisotropías- que pudieran explicar la formación de las primeras estrellas. Ya antes, el satélite COBE (Cosmic Background Explorer) detectó ciertas irregularidades en la distribución de la materia y la energía en el universo naciente. Estas anisotropías parecen ser la causa de la formación de los supercúmulos de galaxias, las macroestructuras más grandes que conocemos hasta la fecha. La WMAP fue provista con la tecnología apropiada para encontrar irregularidades que pudiesen explicar la formación de los cúmulos galácticos (los componentes de los supercúmulos).

En concreto, la WMAP ha descubierto que cuando el universo tenía 380.000 años, en algunos lugares la temperatura de la RCF era de 2,7251 K ("grados" Kelvin), un poco por encima del cero absoluto (-273,15º C, o 0 K); mientras que en otros la radiación era la correspondiente a 2,7249 K. Como se ve, la diferencia es pequeñísima, pero suficiente para suponer que en el universo primitivo había grumos donde empezó a acumularse materia. Las zonas del espaciotiempo con mayor temperatura debieron de ser precisamente las semillas que darían lugar a las primeras estrellas.

A la vez, la RCF, vista a gran escala, presenta una gran homogeneidad, incluso en la infancia del universo. Y esto concuerda con la teoría del estado inflacionario, postulada en los años ochenta por Alan Guth y Andrei Linde. Según ellos, inmediatamente después del Big Bang el universo entró en una fase de expansión acelerada, para después pasar al ritmo de expansión que se observa ahora.

Distribución de la radiación cósmica de fondo en el universo 380.000 años después del Big Bang, según la sonda WMAP. Los puntos más claros, que representan zonas donde la radiación tenía más energía, son las "semillas" de los cúmulos y supercúmulos galácticos. (Imagen: NASA/WMAP Science Team)Materia y energía oscuras

Los datos recabados por la WMAP parecen confirmar que el universo está formado por un 4% de materia bariónica u ordinaria, un 23% de materia oscura y un 73% de energía oscura. La materia bariónica es la constituida por los átomos y partículas subatómicas que forman los cuerpos naturales, desde las estrellas a los seres humanos. En cuanto a la materia oscura, no se sabe bien qué es; los cosmólogos se ven en la necesidad de admitirla porque, según las observaciones sobre el movimiento de las galaxias y otros datos, el universo tiene más masa que la suma de toda la materia visible o bariónica. Y la energía oscura es algo que contrarresta la gravedad, haciendo que el universo se dilate. Se trata de una entidad sumamente misteriosa que procede del vacío, algo que resulta difícil de imaginar, constituyendo el misterio más grande de la cosmología actual.

Según esto, si la velocidad de escape de las galaxias superase a la atracción gravitatoria, el universo se expandiría de forma indefinida hasta acabar en una muerte térmica. No obstante, se ha de confirmar que la cantidad de materia existente en el universo no supera una cierta densidad crítica que detendría la expansión e iniciaría un proceso de implosión. Esto último, pese a que no es la opinión común de los científicos, no puede descartarse definitivamente hasta que no se determinen las propiedades de la materia oscura.

Hubo Big Bang... o no

Desde un punto de vista ideológico tiene interés advertir que aún algunos intentan resucitar la vieja teoría del Big Crunch, según la cual el universo no necesitaría de un Creador, sería eterno: tras una fase de expansión, vendría otra de implosión, y vuelta a empezar. A esta hipótesis se intenta incorporar los nuevos descubrimientos relativos a la materia oscura y a la energía oscura, así como la última versión de la teoría del estado inflacionario. En esta línea va la propuesta de Paul J. Steinhardt (Universidad de Princeton) y Neil Turok (Universidad de Cambridge), quienes afirman que el tiempo no tiene ni comienzo ni final, sino una serie infinita de bucles de dilatación y contracción (2).

Alan Guth, uno de los padres de la teoría de la inflación, aunque cree que el universo es eterno en cuanto a su fin, considera que debió tener un momento inicial a partir del cual empezara a existir. De hecho, hace un par de años declaró: "La inflación dice cómo un universo extremadamente pequeño se convierte en un universo muy grande. Pero, por sí sola, la teoría de la inflación no es capaz de explicar de dónde surgió ese universo extremadamente pequeño" (The Wall Street Journal, 28-VI-2001).

Pese a los grandes logros que se están dando en la cosmología, todavía no sabemos bien cómo fue el origen del universo. Además, la física de los primeros instantes de existencia de la materia y la energía sigue siendo desconocida. Todavía no se ha logrado una teoría de la gravedad cuántica (que nos explicaría lo sucedido entre t=0 y el tiempo de Planck, t=10 elevado a -43 segundos) capaz de suscitar un mínimo de consenso entre la comunidad científica.

Sirvan de ejemplo las palabras del célebre cosmólogo Martin Rees, quien llega a poner en tela de juicio la existencia misma del Big Bang: "Es preciso distinguir entre lo que ocurrió en los primeros instantes del primer segundo del universo y el resto de la evolución cósmica. Los datos de que disponemos permiten describir la historia del universo desde el segundo uno hasta el presente (...) En el curso del primer segundo, en cambio, las leyes de la física actualmente vigentes pierden sentido, las hipótesis dejan de ser verificables y entramos en el terreno de la especulación (...) No tenemos pruebas de lo que pudo haber ocurrido en los primeros instantes del segundo uno. La hipótesis de la explosión inicial -es decir, de un instante cero de energía infinita- es una extrapolación de las leyes de la física a una situación en que estas leyes dejan de ser aplicables. Por ello, es perfectamente posible que la extrapolación sea incorrecta y que el Big Bang nunca haya ocurrido" (La Vanguardia, 7-XI-1992).

Carlos A. Marmelada____________________(1) Cfr. Sergi R. Hildebrandt, "¿Por qué es tan importante la Radiación Cósmica de Fondo?", Tribuna de Astronomía y Universo, julio-agosto 1999, p. 34.(2) Cfr. P.J. Steinard y N. Turok, "A Cyclic Model of the Universe", Science 296:1436-1439 (24-V-2002).Para saber más

— Mariano Artigas, "Georges Lemaître, el padre del Big Bang" (Aceprensa, servicio 79/95).

— Carlos A. Marmelada, "Teorías sobre el Big Bang, con Dios al fondo" (Aceprensa, servicio 154/00).

— Carlos A. Marmelada, "¿Qué había antes del Big Bang?" (Aceprensa, servicio 103/01). Este servicio y los dos anteriores están disponibles en el CD-ROM de Aceprensa (ver www.aceprensa.com/cdrom.htm).

— Hay amplia información divulgativa sobre los temas tratados en este artículo en un número monográfico de IAC Noticias (especial 2002), revista del Instituto de Astrofísica de Canarias, titulado "Materia oscura y energía oscura en el Universo". Se puede acceder a él desde la página www.iac.es/gabinete/iacnoticias/winter2002/ (PDF, 1.540 Kb).

— Sobre la RCF: J.L. Sanz y E. Martínez-González, "Radiación cósmica de fondo de microondas", Investigación y Ciencia (abril 1993). La revista, edición española de Scientific American (www.sciam.com), se puede obtener, previo pago, en www.investigacionyciencia.es.

— Sobre la formación de las primeras estrellas se pueden consultar los trabajos: Ron Cowen, "Cazadores de galaxias. En busca del amanecer cósmico", National Geographic (febrero 2003); Richard B. Larson y Volker Bromm, "Estrellas primigenias", Investigación y Ciencia (febrero 2002).

— Sobre la materia oscura: Mordehai Milgrom, "¿Existe realmente la materia oscura?", Investigación y Ciencia (octubre 2002).

— Sobre la energía oscura: Lawrence M. Krauss: "Antigravedad cosmológica", Investigación y Ciencia (marzo 1999).


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