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.

  Y a todo esto ¿cómo es el realmente el universo?

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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