El lado oscuro del Universo.
Introducción.
Cuando era niña y le preguntaba a
mi Papá cuánto me quería, él siempre me contestaba “Mucho, como de aquí a las
estrellas”. Desde sus albores, la humanidad siempre ha ligado sus más profundos
sentimientos al firmamento y los astros que lo surcan, sin embargo, la
naturaleza de esas hipnóticas luces nos ha sido desconocida, y sus más fundamentales
características, como la distancia que nos separa de ellas, un misterio. Para
desentrañar sus secretos debemos acudir a otra clase de amor: el amor a la
ciencia. Así, para saber si la distancia entre el suelo y las estrellas
realmente es mucha, y si la analogía usada por mi Papá era exacta, es necesario
recurrir una hermosa ciencia: la astronomía.
En este breve trabajo, hablaremos
de algunos conceptos básicos que nos ayudarán a comprender los elementos
básicos de las estrellas, y arrojar la luz del conocimiento sobre la oscuridad
del Universo.
Desarrollo.
Para conocer los secretos de las
estrellas, no es necesario que emprendamos el viaje al cosmos; solamente con
analizar la luz que emiten, podemos obtener muchísima información. No es tan
simple como creer que si una estrella brilla mucho es porque está cerca, y si
su luz es tenue, es porque está lejos, ya que el brillo de una estrella también
depende de su tamaño.
Magnitud aparente y magnitud absoluta.
Desde el año 120 A.C., el
astrónomo griego Hiparco de Nicea ordenó a las estrellas visibles a simple
vista en seis clases diferentes de brillo, llamadas magnitudes. Hiparco decidió
que las estrellas más brillantes tendrían magnitud 1, y las más débiles
magnitud 6; para la magnitud 1 se tomaron de referencia las estrellas Aldebarán
y Altair. Este sistema está aún en uso hoy en día, pero de una forma
ligeramente diferente. Para Hiparco, todas las estrellas se encontraban en la
bóveda celeste a la misma distancia de la Tierra; actualmente, sabemos que los
cuerpos celestes se encuentran a distancias muy variables, y este sistema se ha
ampliado a objetos que solamente son visibles con telescopios e instrumentos
muy poderosos. Sin embargo, la regla básica es la misma: cuanto más débil es un
objeto, mayor es su magnitud. Así, los cuerpos celestes muy brillantes tienen
magnitudes negativas. Por ejemplo, el Sol, que es el astro más brillante que
podemos percibir, tiene una magnitud
aparente de -26,72.
La magnitud aparente (m), también
llamada magnitud relativa o visual, de una estrella mide solamente su brillo observado
desde la Tierra, o sea, el número de fotones que recibimos procedentes de ella.
Sin embargo, como la cantidad de luz recibida en realidad depende del ancho de
la atmósfera, las magnitudes deben calcularse al valor que tendrían fuera de la
atmósfera terrestre.
Para saber realmente a qué
distancia está una galaxia de la Tierra, necesitamos ubicar en ella un objeto
del cual sepamos su luminosidad intrínseca, o magnitud absoluta (M), a efecto
de que nos sirva de patrón de luminosidad.
La definición astronómica de magnitud absoluta de una estrella, es
la magnitud aparente que mostraría esa estrella si se la colocase a una
distancia de 10 pársecs, o 32,6 años luz en un espacio vacío. El Sol se
encuentra apenas a 8 minutos luz de nosotros (sí, ¡la luz de nuestro astro rey
tarda 8 minutos en llegarnos!), por lo que conforme a esta definición, en
realidad su magnitud absoluta o luminosidad intrínseca es de +4,8. Bastante
débil, comparada con la estrella supergigante Betelgeuse, cuya magnitud
absoluta es de -5,0, esto es, 10,000 veces más grande que el Sol. Si
colocásemos todas las estrellas a la misma distancia de nosotros y midiésemos
sus brillos, se obtendría su magnitud absoluta. Es por ello que en lugar de
definir la magnitud de una estrella a partir de su magnitud aparente, se define
respecto a la magnitud e intensidad de una estrella de referencia que ya ha
sido medida en forma absoluta.
El corrimiento al rojo
Otro aspecto importante, es que
las galaxias no están fijas e inmutables en el universo, sino se desplazan. Los
astrónomos de principios del siglo XX, creían que encontrarían galaxias que se
acercan en la misma proporción de galaxias que se alejan, sin embargo,
utilizando el denominado corrimiento al rojo, descubrieron con bastante
sorpresa que todas (menos las más cercanas), se están alejando. Esto suena muy
extraño ¿cómo saben los astrólogos que una galaxia se está alejando, y además,
la velocidad a la cual lo hace?
Cuando se observa una galaxia, la
luz que se recibe de ella (espectro visible de la radiación electromagnética)
se puede descomponer en un arcoiris de colores con líneas oscuras de absorción:
En los espectros de los astros
aparecen líneas relacionadas con los elementos químicos presentes en su
composición. La velocidad de una galaxia se obtiene a través de su espectro; si
el astro se mueve, las líneas de sus espectros se mueven de su posición natural
(se le dice posición natural a la ubicación de las líneas medida en un
laboratorio terrestre). Si el objeto que estamos observando se aleja, las
líneas se corren hacia la zona de longitudes largas, o sea, su luz se desplaza hacia
el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más
corta, desplazándose hacia el azul, esto es, las líneas se corren hacia la zona
de longitudes de onda corta, es decir, hacia el azul. Esta desviación hacia el
rojo o el azul es muy leve, y el ojo humano no puede captarlo, solamente
medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como
espectrómetros.
Entonces, si el astro se aleja,
las líneas se desplazan hacia la zona de las longitudes de onda largas,
identificadas con el color rojo; por esa razón, cuando se habla del corrimiento
al rojo de las galaxias, se está indicando el alejamiento de las
mismas.
De esta gráfica se observa
claramente que en el caso de la estrella próxima, sus líneas están situadas más
cerca del extremo azul; en cambio, en la galaxia más lejana, tiene las líneas
situadas en el extremo rojo.
En 1929, el astrónomo Edwin Hubble
advirtió que la distancia a cada galaxia es proporcional a su corrimiento al
rojo y, por lo tanto, es equivalente a su velocidad de alejamiento. Dicho en
términos más coloquiales, cuanto más lejos se encuentra una galaxia, más rápido
se aleja. Hubble postuló que el universo se expandía de modo tal, que cada
galaxia se aleja de nosotros a una velocidad proporcional a su distancia;
cuanto más débil es el brillo de la galaxia, mayor es su velocidad de
alejamiento. Ésta es la llamada Ley Hubble, y se interpreta como indicio de que
el universo se está expandiendo.
Teoría del Big Bang
Este descubrimiento de Hubble dio
inicio a la Teoría del Big Bang.
Actualmente éste término es muy conocido gracias a la famosísima serie de
televisión, pero pocas personas saben realmente a qué se refiere.
Como platicamos anteriormente, en
1929, a partir de sus descubrimientos de corrimiento al rojo, Hubble concluyó
que las galaxias se estaban distanciando unas de otras. Este descubrimiento
respaldaba la teoría de que el universo estaba en expansión, postulada por
Alexander Friedman, en el año 1922, y por Georges Lemaître, en 1927, quienes utilizaron
la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento
constante.
La teoría del “Big Bang”, (literalmente
“gran estallido”) a muy grandes rasgos, postula que en un inicio, el universo
era una llamada “singularidad”, materia extremadamente densa y caliente en un
punto de densidad infinita, que en un momento dado "explotó",
generando su expansión en todas las direcciones y creando lo que conocemos como
nuestro Universo. Inmediatamente después del momento de la
"explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy
rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va
ocupando más espacio y expandiendo su superficie.
Esta teoría del universo en
expansión predijo que debería de haber evidencias, como el eco que proviene del
inicio del universo, es decir, el eco que queda del Big Bang que dio origen al
universo.
En 1965, Arno Penzias y Robert
Woodrow Wilson, en los Laboratorios Bell de Crawford Hill cerca de Holmdel
Township (Nueva Jersey), habían construido una antena de comunicación satelital,
que intentaron utilizar en vano, ya que tenía un ruidito persistente con el que
ellos no contaban. Incluso llegaron a pensar que habían sido estafados. Para su
alivio, posteriormente se comprobó que la antena fue inducida debido al fondo
de radiación de microondas, y Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de
Física de 1978 por su descubrimiento.
La radiación de fondo cósmico de
microondas es una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta
teoría predijo su existencia antes de ser descubierta.
Hipótesis inflacionaria
Pese a todo esto, el modelo
teórico del Big Bang no resolvía diversas incógnitas, como por ejemplo, la
uniformidad del Universo actual después de un origen tan caótico. Como
respuesta, el físico estadounidense Alan Guth formuló en 1981 la hipótesis
inflacionaria, la cual trata de explicar los acontecimientos de los primeros
momentos del Universo.
La hipótesis inflacionaria explica
cómo una ‘semilla’ extremadamente densa y caliente, que contenía toda la masa y
energía del Universo, pero de un tamaño mucho menor que un protón, salió
despedida hacia afuera en una expansión que ha continuado en los miles de
millones de años transcurridos desde entonces.
La fuerza inflacionaria sólo actuó durante una minúscula
fracción de segundo, pero en ese tiempo duplicó el tamaño del Universo 100
veces o más, haciendo que una bola de energía unas 1020 veces más pequeña que
un protón se convirtiera en una zona de 10 cm de extensión (aproximadamente
como una naranja grande) en esa minúscula fracción de segundo.
Acorde con el modelo
inflacionario, se considera que existen tres tipos de geometrías posibles para
nuestro universo según su curvatura espacial:
- Si hay mucha energía y materia,
la expansión se detendría y revertiría, tensionando y dando origen a la
geometría elíptica (curvatura positiva);
- Si hay poca materia y energía,
se daría una expansión perpetua, generando la geometría hiperbólica (negativa);
- Si no hay ni mucha ni poca
energía y materia, con una expansión perpetua existiría la geometría euclidiana
o plana (curvatura nula).
Para el modelo inflacionario, en
todo caso, la fuerza de gravedad frenaría la expansión del universo, pero sin
nunca detenerse por completo. Los
estudios de radiación de fondo corroboraron que en el universo, efectivamente,
la geometría es plana. Todo parecía perfectamente claro, hasta que los
recuentos del contenido de materia y energía del universo arrojaron que no
existía, pero ni por mucho, la suficiente materia visible para generar un
universo de geometría plana, o explicar la intensidad aparente de las fuerzas
gravitacionales que se dan en y entre las galaxias. De hecho, falta alrededor
de un 70% de materia. O sea, que realmente nos han estafado.
Posteriores mediciones de
corrimiento al rojo de supernovas demostraron que el universo no solamente no
se está frenando, sino que se está
acelerando. Para explicar esta aceleración, es necesario que gran parte del
universo consista en un componente energético con gran presión negativa.
La respuesta: la energía oscura
Se cree que la denominada energía
oscura constituye ese 70% restante. Su naturaleza sigue siendo uno de los
grandes misterios del Big Bang.
Se cree que esta materia o
energía oscura, es una llamada constante cosmológica escalar, o sea, un
elemento intrínseco e inseparable del universo, o bien, un nuevo tipo de campo,
como el gravitacional, una quintaesencia.
La existencia de la materia
oscura es una parte aceptada de la cosmología estándar, debido a observaciones,
estudios y medidas. La materia oscura se ha detectado únicamente a través de su
huella gravitacional, pero se están llevando a cabo diversos proyectos para
detectarla.
Tal vez en unos años, con base en
nuevas observaciones, se postule otra teoría, pero hasta el día de hoy, la
teoría del Big Bang, y la existencia de la materia o energía oscura son las más
aceptadas, y las que explican mejor las incógnitas planteadas.
En todo caso, de lo único que
podemos estar seguros, es que el universo es más antiguo y más inmenso de lo
que se había calculado desde un principio. Y de lo que estoy más segura, es que
si el cariño de mi Papá era tan grande como la distancia entre este planeta y
las estrellas, era mucho, muchísimo más grande de lo que nunca podré imaginar.
Conclusión
Todas las metodologías de
observación diseñadas hasta ahora, tales como la medición de la magnitud
absoluta, el corrimiento al rojo, o la radiación de fondo, confirman que el
universo se está alejando, expandiéndose y acelerándose cada vez más. ¿A dónde
irá? probablemente al llamado “Big Rip” o “Gran Desgarrón”, esto es, la disgregación de toda la
materia en pedazos cada vez más pequeños, hasta llegar a átomos y luego a la
nada. O tal vez, a un nuevo y más emocionante comienzo.
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