El final cosmológico

La ciencia es capaz de acceder a preguntas a las que jamás pensaríamos tener respuesta. ¿Qué crees que opinarían nuestros ancestros de que todo ser vivo proviene de un mismo origen? Seguro que no lo creerían, y sin embargo hoy en día son pocos los que se atreven a poner en duda la Teoría de la evolución de Darwin. En este post vamos a dejarnos sorprender con lo que el ser humano ha conseguido averiguar acerca del destino del Universo. En primer lugar entendamos cómo es en la actualidad, y luego veremos cuál es la opción más posible para el final del Universo.

Revolución contra el genio

Einstein estaba tan seguro de que vivimos en un Universo estático, que se inventó un término para sus famosísimas ecuaciones de la Relatividad General. Con el parámetro Λ consiguió que no hubiera ninguna evolución a lo largo del tiempo, como si el Universo fuese una pecera llena de galaxias. Con estas ecuaciones entendemos, por ejemplo, por qué los planetas orbitan, o cuál es la forma del Universo. Fue Friedmann el valiente que se atrevió a desafiar a Einstein y encontró distintas posibilidades de universos con las mismas ecuaciones, simplemente deshaciéndose de la premisa de que éste es estático. Tristemente, Friedmann murió pocos años después sin saber que se convertiría en uno de los padres de la Cosmología actual. 

El siguiente en llevar la contraria al gran genio fue Lemaître, nada más y nada menos que un joven sacerdote, físico y matemático. Partiendo de las observaciones de galaxias lejanas a la nuestra, Lemaître sugirió que el Universo se está expandiendo. Estas galaxias parecían estar enrojecidas y su ingenio le llevó a pensar que podía tratarse del mismo efecto que se da al cruzarnos con una ambulancia, el efecto Doppler. Al igual que una sirena encendida emite un sonido más agudo según se va acercando a nosotros y al alejarse se vuelve más grave, la luz se vuelve más azul al acercarse y se enrojece según se aleja. Esto se conoce como desplazamiento al rojo. Lemaître lo publicó en una revista científica e incluso llegó a discutirlo con Einstein, pero no le tomó en serio. La teoría de Lemaître pasó inadvertida y olvidada… O quizás no.

Tan sólo 2 años después, el astrónomo y boxeador Hubble, observó 22 galaxias publicando la misma relación que el sacerdote. Algunos autores comentan que ya sabía lo que buscaba, pues parece increíble que con los datos que contaba tuviese unos resultados tan concluyentes. Durante muchos años todos los méritos han sido atribuidos a Hubble, pero recientemente se conoce a esta relación como la Ley de Hubble-Lemaître (Ley H-L).

Desplazamiento al rojo de las galaxias.

 

La luz emitida por una galaxia que se aleja de nosotros se enrojece, por el contrario si se acerca es más azulada.

Un universo en expansión

La ley de H-L establece que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja. Es sorprendente cómo un frase aparentemente tan simple tiene tantas consecuencias. Einstein tuvo que retractarse y asumir que el Universo se encuentra en expansión eliminando el parámetro Λ de sus ecuaciones, Friedmann tenía razón. Podemos entenderlo utilizando un simple globo: al principio tenemos 2 puntos muy cerca uno del otro, pero según lo hinchamos se alejan.

Expansión del universo con un globo

La labor de Hubble hasta hallar la famosa relación distancia-velocidad, consistió en observar unas estrellas muy especiales que sirven para calcular la distancia a las galaxias en que se encuentran. Estas son las cefeidas, estrellas que cambian su brillo de forma periódica. Conociendo su periodo obtenemos su luminosidad, y con ella es sencillo estimar a qué distancia se encuentra de nosotros. Una vez tuvo las distancias a sus 22 galaxias, Hubble obtuvo la gráfica de abajo, en la que los puntos son sus datos y la línea corresponde a la Ley de H-L. ¿Cómo os parece que ajusta esa línea los datos de Hubble? No se dió cuenta de que utilizó una expresión errónea de la relación brillo-periodo, llegando a sobreestimar la distancia a la galaxia de Andrómeda en más del doble.

Gráfica original de Hubble

Una de las consecuencias a la que nos lleva este hecho es que si el Universo se expande, en algún momento todo lo que conocemos habría sido un único punto: el Big Bang. Además, la Ley de H-L no es el único argumento a favor de esta teoría. 

Universo profundo

En casi el siglo que ha pasado desde este hallazgo, los científicos siguen calculando distancias para mejorar la precisión de la Ley. Para ello se utilizan técnicas cada vez más sofisticadas que permitan alcanzar las galaxias más lejanas. Lo que nadie se esperaba es lo que se descubrió cerca del año 2000 con las observaciones de Supernovas con el telescopio espacial ‘Hubble’.

Las Supernovas Ia son la violenta explosión de enanas blancas que superan una masa límite (límite de Chandrasekhar) al engullir estrellas de mayor tamaño con las que orbitan. Si somos capaces de observar la Supernova en el momento en que sucede y vemos cómo varía su brillo a lo largo de los días, podemos obtener la distancia a la galaxia en la que está. Este método ha permitido calcular la distancia de las galaxias más lejanas vistas hasta el momento. Repitiendo la gráfica de Hubble con los datos de las Supernovas, los científicos vieron que la Ley no era tan lineal como creían… 

No sólo quería decir que el Universo se está expandiendo… ¡además lo hace cada vez más rápido! La expansión del Universo es acelerada.

 

Enana Blanca absorbiendo material de su estrella compañera, una Gigante Roja. Si se supera el límite de Chandrasekhar se produce una Supernova Ia.

Energía oscura

De manera natural surge la pregunta de qué es lo que obliga al Universo a expandirse cada vez más rápido. Pues bien, actualmente consideramos que el Universo está compuesto de: materia bariónica, materia oscura y energía oscura. La primera es la materia de toda la vida, lo que nos forma a nosotros, a las galaxias y a todo lo que conocemos. La segunda es un auténtico misterio, sabemos que existe porque detectamos su presencia gravitacionalmente pero no podemos verla ni sentirla de ninguna otra manera. Y la última es nuestra ignorancia en estado puro y la culpable de esta expansión acelerada. Aunque no sepamos lo que son, disponemos de técnicas que nos permiten conocer cúal es la proporción de cada uno de estos ingredientes: 4% de materia bariónica, 23% de materia oscura y 73% de energía oscura.

Lo que sí sabemos de la misteriosa energía oscura es que funciona de tal forma que genera una presión negativa, oponiéndose a la fuerza gravitatoria de la materia, que expande el Universo. Es como si existiera algo que empujara las paredes de la pecera hacia fuera aumentando su tamaño, cada vez con más fuerza. Realmente no sabemos casi nada acerca de ella. De ahí el nombre de oscura, simplemente sabemos que está.

La energía oscura es la responsable de la expansión del universo.

Esta información no estaba al alcance de Einstein cuando formuló sus ecuaciones y sin embargo es el parámetro Λ el que, añadiéndolo de nuevo a las ecuaciones, nos permite expresar matemáticamente la acción de la energía oscura. Este término fue considerado por Einstein como el “mayor error de su vida” y muchos años después nos proporciona la herramienta necesaria para expresar la energía oscura, cosas que tienen los genios.

Final cosmológico

Toda historia tiene su final y esta no iba a ser menos. Ya tenemos todos los ingredientes necesarios para hablar sobre cómo serán los últimos días de nuestro Universo. Existen varios escenarios posibles, aunque unos más probables y esperanzadores que otros:  

  • El primero de ellos es el llamado Big Freeze. En este final, la cantidad de energía oscura se mantendría constante prolongando la expansión acelerada del Universo, que tras el paso de millones de años tendría un aspecto desolador. Todas las galaxias estarían demasiado lejos unas de otras para verse, las estrellas se irían apagando y el Universo se sumiría en la oscuridad… No quedaría material suficiente para formar nuevas estrellas. 

  • Aunque menos probable, también podría ocurrir todo lo contrario. Si la cantidad de energía oscura empezara a disminuir, la gravedad entraría en acción haciendo que todas las estrellas y galaxias se juntaran unas con otras hasta que todo se comprimiera en un único punto, ¿os suena? Esto se llama Big Crunch. Un eterno ciclo en que volver a renacer.

  • El último y quizás el más doloroso es el Big Rip. En este escenario final, los niveles de energía oscura aumentarían desencadenando una expansión acelerada tan fuerte que disgregaría las galaxias y acabaría con cualquier forma de vida, sufriendo ‘un gran desgarro’.

El Big Freeze es el destino al que parece que nos dirigimos con mayor probabilidad. Existen evidencias de que efectivamente, la energía oscura es constante, no ha variado ni un ápice desde el segundo después al Big Bang. Aunque de esta historia hemos aprendido que no podemos dar nada por sentado, la ciencia avanza y quién sabe qué nos deparará el futuro.



Referencias

  • Adam G. Riess. Type Ia supernova discoveries at Z > 1 from the Hubble space telescope: evidence for past deceleration and constraints on dark energy evolution. The Astrophysical Journal, 607:665–687, 2004 June 1
  • Neta A. Bahcall. Hubble’s Law and the expanding universe. PNAS March 17, 2015 112 (11) 3173-3175; https://doi.org/10.1073/pnas.1424299112
  • G. Lemaître. Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques

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Esta entrada tiene 3 comentarios

  1. David

    Tengo una pregunta, no se descubrió en el acelerador de partículas del CERN la partícula que explicaba la composición de la materia oscura? El higgs, o estoy equivocado.

    Muchas gracias por contar de forma tan amena la composición del universo…

    Saludos

    1. Hola David, muchas gracias por tu comentario e interés.

      Actualmente no se ha detectado ninguna partícula de materia oscura. Pero sí que se tienen algunos candidatos, como por ejemplo los WIMPs, los Axiones… Por otro lado, el bosón de Higgs es una partícula fundamental que dota de masa al resto de partículas. Una de las herramientas que se están utilizando para intentar detectar la materia oscura es el propio Higgs. Como la interacción gravitatoria la única con la que se ha visto la presencia de materia oscura, se está estudiando la posibilidad de que el Higgs decaiga a partículas de materia oscura pero sin resultados concluyentes hasta el momento.

      ¡Tranquilo, esto es una ida de olla hasta para los físicos!

      Un saludo,
      Le dijo un Quark al Cosmos

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