Evolución del universo y modelos explicativos

 

Ernesto Domingo Suarez y Olga Delfiore

 

Introducción

Observar el cielo estrellado, después de cazar y comer, e interrogarse sobre la naturaleza del mismo viene desde las épocas más remotas de la humanidad, como asimismo elaborar teorías sobre su origen.

El conocimiento que en la antigüedad se tenía de los astros se plasma en el Modelo Tolemaico que perduró cerca de veinte siglos. Éste describía el universo como compuesto por la Tierra, el Sol, la Luna y los planetas cercanos y consideraba a las estrellas como fuegos fijos situados sobre una esfera que rodeaba al universo.

Esta visión del cosmos se amplió sucesivamente, reflejando cada vez más la realidad objetiva, a partir de la sugerencia hecha en 1584 por el sacerdote Giordano Bruno (incinerado en la hoguera por sus ideas) y comprobada por Galileo Galilei, de que las estrellas son soles como el nuestro, visión continuada con la demostración de Edwin Hubble en 1923 de que parte de las luces que observamos como si fueran estrellas son en realidad grandes conglomerados de estrellas, galaxias como nuestra Vía Láctea en la que estamos inmersos, pero tan distantes que a simple vista se ven solo como un punto. En esta misma dirección hoy hay sugerencias de ampliar la noción de Universo, lo que es muy controvertido aunque no improbable, basándose en la proyección de nociones conocidas de la física hacia procesos de los cuales aún no tenemos datos experimentales.

Modernamente, para explicar la evolución estelar se han desarrollado distintos modelos que pretenden dar cuenta del Universo a partir de los principales hechos observados. El más difundido entre el gran público es a su vez el ampliamente dominante en la comunidad científica, el modelo de la Gran Explosión Caliente (Big Bang). Sin embargo, no es universalmente aceptado, hay un grupo reducido de investigadores que lo cuestionan desde diferentes ángulos y con distintas respuestas alternativas. A su vez dentro de la mayoría que sostiene la teoría dominante, hay diferentes posiciones.

En este trabajo se van a presentar el modelo de la Gran Explosión y algunos de los principales modelos de evolución estelar alternativos disponibles en la literatura. Se discutirá el alcance de los mismos en función de los conocimientos físicos en que se basan.

Previamente se van a resumir los principales hechos observacionales sobre la evolución y estructura del Universo.

Evolución estelar

El Sol y las otras estrellas no son más que enormes esferas de gas incandescente. En su interior, la fuerza de gravedad y la presión (producto de la agitación térmica de las partículas) compiten entre sí. La gravedad intenta atraerlo todo hacia el centro; pero esta compresión calienta el gas y la presión resultante equilibra la gravedad. La superficie del Sol brilla al rojo blanco, a una temperatura cercana a los 6.000ºC. Pero para proporcionar la presión suficiente su centro debe estar mucho más caliente, por encima de los 15 millones de grados.

¿Qué es lo que hace brillar al Sol? Sin una fuente de combustible, la gravedad haría que la estrella se contrajera gradualmente a medida que el calor se escapa de su interior. El Sol genera calor por el mismo proceso que explotan las bombas de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno son las estructuras atómicas menos complejas: su núcleo consiste en un solo protón. A medida que un gas se calienta, los átomos que lo forman se agitan más deprisa. En el centro del Sol, los protones chocan con tanta violencia que se fusionan. Una serie de estas reacciones puede fusionar cuatro núcleos de hidrógeno (o protones) en un núcleo de helio. Como el núcleo de helio pesa un 0,7% menos que los cuatro átomos de hidrógeno originales, la conversión del hidrógeno en helio proporciona energía de acuerdo a la relación de Einstein E=mc2 (la masa, m, perdida en el proceso se transforma en energía, E, con la velocidad de la luz al cuadrado, c2, como factor de proporcionalidad). Esta 'quema' del hidrógeno es suficiente para que el Sol brille durante varios miles de millones de años. A diferencia de las explosiones nucleares, la energía producida en una estrella se libera de manera regular y 'controlada'. Esto se debe a que la gravedad, a pesar de la enorme presión producida en el centro, presiona las capas exteriores con firmeza suficiente para 'sujetar la tapa'. En el Sol, la producción de energía de fusión compensa precisamente la pérdida de calor superficial, del cual depende la vida terrestre.

El Sol nació a partir de una nube interestelar. Esta nube empezó girando de forma casi imperceptible, pero a medida que se contraía por efecto de la gravedad su giro se fue haciendo cada vez más rápido, lo que hizo que la fuerza centrífuga creciera hasta compensar la atracción gravitatoria. A continuación se formó un disco en forma de remolino alrededor del proto-Sol, el cual siguió contrayéndose gradualmente, pero esta contracción lenta se detuvo cuando el centro se calentó lo suficiente para que se iniciara la fusión del hidrógeno. Mientras tanto, el disco circundante se enfriaba; parte del gas se condensó en forma de polvo y fragmentos rocosos, los cuales se aglomeraron formando planetas.

El Sol quedó así rodeado de un sistema planetario y se situó en un estado cuasi estacionario, convirtiendo el hidrógeno en helio en forma lenta pero constante. Estas reacciones producen tanto calor que, a pesar de tener 4.500 millones de años, el Sol aún no ha consumido ni la mitad de su hidrógeno. Sus reservas le permitirán seguir brillando durante otros 5.000 millones de años. Luego se expandirá hasta convertirse en lo que se conoce como una "gigante roja", tan grande y brillante que absorberá los planetas interiores y volatilizará toda la vida terrestre.

¿Cómo es este proceso que ha podido ser observado en otros soles de nuestras galaxias de masas similares?

A medida que se va consumiendo el combustible -el hidrógeno- la estrella se contrae por acción de la gravedad, lo que genera una mayor agitación térmica de los átomos, creándose así las condiciones para generar una nueva reacción en la que el helio se convierte en carbono y oxígeno liberando una energía mayor. Esa presión que se genera ya no puede ser contenida por la acción gravitatoria y se produce la expansión. Después de esta fase las capas exteriores se desprenderán violentamente y el núcleo se contraerá hasta convertirse en lo que se conoce como una enana blanca, una estrella compacta no mayor que la Tierra, pero cientos de veces más pesada. Esta estrella brillará con un fulgor azulado, más pálido que el de nuestra Luna, rodeada de los restos de ese extinto sistema solar.

La disciplina que estudia estos procesos es la astrofísica. La astrofísica, al igual que describe la evolución del Sol, puede calcular los ciclos vitales de estrellas con diferentes masas gaseosas iniciales: la mitad, el doble, cuatro veces más pesadas que el Sol, etc. (ver Recuadro 1).

La relación entre la atracción gravitatoria y las reacciones nucleares que hacen presión hacia fuera provoca distintos comportamientos cualitativos, dependiendo de la masa que provee la fuerza de atracción gravitatoria. Las estrellas de mayor masa, en general, son más brillantes y su ciclo vital transcurre más deprisa. Estos cálculos están basados en los datos físicos de las reacciones posibles entre átomos y núcleos obtenidos a partir de experimentos de laboratorio. Estas teorías se verifican mediante la observación de poblaciones enteras de estrellas. El mejor campo de pruebas para comprobar las teorías sobre la evolución estelar son los llamados cúmulos globulares, enjambres de millones de estrellas de diferentes tamaños, formadas al mismo tiempo y unidas por su mutua atracción gravitatoria.

Las enanas blancas, las 'cenizas' que dejan estrellas como el Sol cuando completan sus ciclos vitales, son objetos muy comunes en nuestra galaxia, pero su escaso brillo hace difícil su estudio. Las enanas blancas recién formadas tienen superficies muy calientes (y son más azules que blancas), pero se enfrían gradualmente porque no pueden compensar con energía nuclear las pérdidas por radiación. Podemos determinar la temperatura de las enanas blancas a partir de su color (que se enrojece a medida que se enfrían), y la teoría nos proporciona su edad (es decir, el tiempo transcurrido desde que la estrella madre agotó su combustible nuclear). Las enanas blancas más frías tienen varios miles de millones de años, de lo que podemos inferir que algunas estrellas agotaron su combustible nuclear antes de que apareciera nuestro sistema solar.

No todos los sucesos cósmicos transcurren con lentitud. A veces las estrellas explotan de manera catastrófica originando el fenómeno conocido con el nombre de supernova. Durante unas pocas semanas, la explosión de una supernova cercana puede superar en luminosidad a cualquier otro objeto del cielo nocturno; este objeto seguirá siendo visible durante unos pocos milenios más, mientras se expande y difumina gradualmente. Después se hará tan difuso que se confundirá con el polvo y el gas diluido que llena el espacio interestelar.

La razón de la importancia de estos sucesos es que de no ser por las supernovas nunca habrían aparecido en la Tierra elementos como el carbono y oxígeno -entre otros- esenciales para la vida.

Trataremos de explicar esto.

En nuestro planeta encontramos de forma natural noventa y dos tipos diferentes de átomos, pero algunos son mucho más comunes que otros. Por cada átomo de carbono que encontramos, podemos hallar veinte de oxígeno y unos 5 de nitrógeno o de hierro. En cambio, el oro es centenares de millones de veces más escaso que el oxígeno, y otros elementos, como el uranio, son aún más raros.

Todas las palabras de nuestra lengua están constituidas a partir de 29 letras. De la misma manera, los átomos pueden combinarse en moléculas de muchas maneras diferentes: algunas tan simples como el agua (dos hidrógenos y un oxígeno) o el dióxido de carbono (un carbono y dos oxígenos), otras compuestas por miles de átomos. Los principales ingredientes de los organismos vivos (incluidos los seres humanos) son los átomos de carbono y oxígeno, ensamblados (junto a otros) en cadenas moleculares de enorme complejidad. Si esos átomos en particular no fueran comunes en la Tierra, nuestra forma de vida no sería posible.

Los átomos están formados a su vez por partículas más simples. Cada tipo de átomo tiene un número específico de protones (con carga eléctrica positiva) y neutrones (de masa aproximadamente igual a los protones pero sin carga eléctrica) en su núcleo, y un número igual de electrones (de masa muchísimo menor y carga eléctrica negativa) en órbitas a su alrededor: esta cantidad de protones o electrones se denomina "número atómico". El número atómico del hidrógeno es 1, mientras que el del uranio es 92. Las propiedades químicas de los elementos están dadas por este número, o sea, la cantidad de carga que poseen.

Los núcleos de todos los átomos están formados por las mismas partículas elementales (protones y neutrones), lo cual permite la transmutación de los elementos de unos en otros. Esto sucede, por ejemplo, en una explosión nuclear. No obstante, los núcleos son lo bastante "robustos" para sobrevivir a las transformaciones químicas que se dan en los seres vivos o en los laboratorios.

Los diferentes tipos de átomos que pueden encontrarse en la Tierra existen en las mismas proporciones que cuando se formó el sistema solar, hace 4.500 millones de años: ningún proceso natural puede crear o destruir átomos en la Tierra (la única excepción son los "elementos radioactivos raros" que se transmutan en forma espontánea). ¿Es una casualidad la proporción en que se hallan los distintos elementos? Los astrónomos dicen que no es una casualidad y han proporcionado otra teoría: el universo tenía átomos simples que se fusionaron y convirtieron en otros más pesados dentro de las estrellas supernovas.

Ni siquiera el centro del Sol es lo bastante caliente para producir estas transmutaciones. Las estrellas diez veces más pesadas que el Sol brillan mucho más, y evolucionan de una forma más complicada y dramática. Su hidrógeno central se consume (transformándose en helio) en unos cien millones de años (menos del 1% de la vida del Sol). Luego la gravedad comprime estas estrellas pesadas haciendo que su temperatura interna aumente aún más, hasta que los átomos de helio se fusionan para producir núcleos de átomos más pesados (como el carbono de 6 protones, oxígeno de 8 protones, y hierro de 26 protones). A partir de este momento se desarrolla una estructura que recuerda una cebolla: una capa exterior de carbono rodea otra de oxígeno, que a su vez rodea otra de silicio. Las capas internas más calientes contienen elementos superiores de la tabla periódica de los elementos (que los agrupa de acuerdo a sus propiedades químicas) y rodean un núcleo constituido principalmente por hierro.

Cuando el combustible se acaba (en otras palabras, cuando el centro caliente se ha convertido completamente en hierro), la gran estrella se enfrenta a una crisis. Un aplastamiento catastrófico comprime su centro (la gravedad supera la presión) hasta la densidad de un núcleo atómico, iniciando una explosión colosal que expulsa las capas externas a más de 10.000 kilómetros por segundo. Esta explosión se manifiesta como una supernova. Los residuos contienen el resultado de los procesos nucleares que mantuvieron el brillo de la estrella durante toda su vida. Esta mezcla contiene grandes cantidades de oxígeno y carbono, así como trazas de muchos otros elementos formados durante la explosión.

La teoría de la evolución estelar y la nucleogénesis (formación de los núcleos) reconstruye la historia de los átomos remontándose hasta épocas anteriores a la formación de la Tierra. Desde esta perspectiva, una galaxia aparece como un vasto sistema evolutivo. Dentro de las estrellas, el hidrógeno original se transforma en las piezas básicas de la vida (carbono, oxígeno, hierro y demás). Parte de este material vuelve al espacio interestelar y se recicla en forma de nuevas generaciones de estrellas. Así, por ejemplo, el gas a partir del cual se formó nuestra galaxia, tiene una proporción de "elementos pesados" que se formaron durante tres generaciones previas de estrellas. Como dice M. Rees: "...la mismísima raza humana está compuesta de polvo de estrellas, o menos románticamente, de desechos nucleares del combustible que hace brillar las estrellas"1.

Las proporciones calculadas de los elementos son razonablemente cercanas a las proporciones observadas en nuestro sistema solar. Sin embargo, las cantidades de carbono, oxigeno, sodio y otros elementos pesados no son las mismas en otras partes del universo. Sus abundancias relativas son menores en las estrellas más antiguas. Esto es normal si los elementos se sintetizan gradualmente en generaciones sucesivas de estrellas: las más viejas habrían surgido de un material menos "contaminado" que las más nuevas. Una segunda observación es que las abundancias de estos elementos son más altas en los lugares donde la formación de estrellas es más rápida y el reciclado más reciente.

En un futuro lejano, tras la muerte de nuestro sistema solar, esos átomos se dispersarán otra vez por la galaxia y se incorporarán a nuevas estrellas, repitiendo un nuevo ciclo.

Ahora mismo están naciendo nuevas estrellas. A unos 1.500 años luz2 de distancia se encuentra la nebulosa de Orión, con gas y polvo suficiente para formar millones de estrellas. Además de estrellas jóvenes y brillantes, la nebulosa de Orión contiene protoestrellas en proceso de condensación que aún no están lo bastante calientes para empezar a quemar su combustible nuclear. Discos de polvo y gas giran alrededor de algunas protoestrellas. Se trata de sistemas solares embrionarios: las partículas de polvo se condensarán en "protoplanetas" rocosos, que a su vez evolucionarán en planetas.

Hasta hace poco se atribuía la formación de sistemas planetarios a sucesos improbables e inusuales. Pero ahora está claro que la formación de planetas no requiere ningún accidente inusual. Los planetas son una consecuencia natural de la formación de estrellas. Además, su formación es inevitable a menos que el material de la protoestrella tenga rotación nula, lo cual sí sería muy poco probable. Así pues, los sistemas planetarios deben encontrarse por doquier. Pero la observación de los planetas plenamente formados que orbitan en torno a otras estrellas es sumamente difícil por su falta de luminosidad.

Otros objetos muy luminosos que existen en el Universo son los cuásares (ver Recuadro 1). Estos multiplican por mil el brillo de la Vía Láctea entera, aunque su intensidad en la luz visible puede variar en un 50% en el transcurso de un solo día. Los cuásares más luminosos contienen agujeros negros que engloban 1.000 millones de veces la masa del sol en una región que cabría en la órbita de Plutón alrededor del Sol. Como en otros fenómenos estelares conocidos como Binarias de Rayos X, habría nubes de gas girando en círculos que se calentarían y radiarían con violencia justo antes de ser absorbidas por el agujero negro central. En ciertos casos, la materia que rodea el agujero negro lanzaría chorros de partículas cargadas, de decenas de miles de años luz de longitud. Los cuásares y sus primos hermanos, los objetos BL Lac, son los núcleos galácticos activos más luminosos; sus parientes más tranquilos reciben el nombre de galaxias de Seyfert. Hay núcleos galácticos con agujero negro masivo pero sin materia cerca que atraer, entonces no son activos, no emiten estas radiaciones, eventualmente se detectan por otras causas, por ejemplo la gravedad.

Estructura del universo

Veamos cómo es la estructura del Universo, hasta donde podemos llegar con el alcance de los instrumentos de medición disponibles en la actualidad. Empezaremos con el Sol, nuestra estrella madre, hasta llegar a las más grandes estructuras conocidas.

El Sol, la estrella de nuestro sistema solar, tiene un diámetro de 1.392.000 Km (como comparación, el diámetro de la Tierra es de unos 12.600 Km) Allí se producen reacciones nucleares de fusión, del tipo de una bomba de hidrógeno controlada, que generan la energía que mantienen la vida en la Tierra. La distancia del Sol a la Tierra es de 149.500.000 Km (1,6x10-5 años-luz). La distancia entre el Sol y Plutón, el planeta más alejado perteneciente al sistema solar, es de 5.913.520.000 Km (6,3x10-4 años-luz). La estrella más cercana al Sol, Alfa Centauri, está a una distancia de éste de 30.318.000.000.000 Km, (3,26 años luz). O sea unas 5.000 veces la distancia Sol-Plutón (radio del sistema solar).

Esta distribución de la materia, donde la distancia entre los agrupamientos de orden superior (entre soles, por ejemplo) es mucho mayor que la que separa a sistemas inferiores (distancia entre soles y planetas asociados) va a ser una característica general de la asociación de la materia a gran escala.

 Tanto el Sol como Alfa Centauri forman parte de un mismo conglomerado de estrellas, la Vía Láctea. La Vía Láctea es una más de las miles de millones de galaxias distribuidas por el firmamento. Es una galaxia espiral, tiene la forma de un disco chato con cuatro brazos espirales de 98.000 años-luz de diámetro y de 980 años-luz de espesor con un bulbo esferoide aplanado en su centro de 3.300 por 20.000 años-luz. Hay aproximadamente 200.000 millones de estrellas en ella y nuestro sistema solar orbita a dos tercios de su centro tardando unos 200 millones de años en dar una vuelta en torno al mismo. Si miramos el cielo una noche despejada la Vía Láctea se ve como una franja irregular de luz que lo atraviesa ya que a simple vista no podemos ver la mayoría de estas estrellas en forma individual sino colectivamente, como un resplandor.

En el disco predominan estrellas azules relativamente jóvenes y de mediana edad y hay gas. En el bulbo predominan las estrellas rojas que son viejas (10.000 millones de años de edad o más). Otra región es el halo, zona esférica difusa que rodea todo el disco, de baja densidad y donde son mayoritarias las estrellas viejas. En el centro del bulbo hay evidencias de un agujero negro.

Hay otros tres tipos, esencialmente, de galaxias aparte de las espirales: elípticas, lenticulares e irregulares. La presencia de gas en el disco de la Vía Láctea es una característica general de las galaxias espirales e indica que la formación de estrellas se mantiene activa en ellas y tienen por lo tanto la población de estrellas más jóvenes. Estas galaxias se hallan en zonas poco densas donde su estructura no se ve muy afectada por la atracción de galaxias vecinas. Las galaxias elípticas poseen luminosidad uniforme y son similares a la zona del bulbo de una galaxia espiral. No hay gas presente, por lo tanto las estrellas son viejas. Estas galaxias se suelen hallar en regiones de alta densidad, en el centro de cúmulos galácticos (ver más adelante). Las galaxias lenticulares poseen tanto bulbo como disco pero no los brazos espirales. Tienen poco o nada de gas así que sus estrellas son viejas. Parecen ser un caso intermedio entre las espirales y elípticas. El último tipo de galaxias, las irregulares, son pequeñas, sin bulbo y forma no definida.

Las galaxias se encuentran a su vez agrupadas en grupos y cúmulos de galaxias. Los grupos de galaxias son estructuras del orden de las decenas de galaxias mientras que un cúmulo de galaxias está compuesto por cientos de galaxias. La Vía Láctea forma parte del Grupo Local junto con la galaxia de Andrómeda y otras 34 galaxias más pequeñas, distribuidas en unos pocos millones de años luz. Andrómeda, la galaxia más cercana a nuestra Vía Láctea se halla a dos millones de años luz. Un ejemplo de un cúmulo de galaxias es el Cúmulo de Virgo, que se halla cercano al Grupo Local. Virgo está compuesto por unos cuantos cientos de galaxias y se halla a unos 50 millones de años luz. La característica común de los grupos y cúmulos de galaxias es que las galaxias en ellos forman estructuras en equilibrio gravitatorio (como los planetas en nuestro sistema solar, las galaxias componentes de los grupos y cúmulos están ligados).

Los cúmulos de galaxias pueden ser regulares o irregulares. Los cúmulos regulares tienen un núcleo central concentrado y una estructura esférica bien definida. Tienen un tamaño entre 3 y 10 millones de años luz y una masa de alrededor de 1015 masas solares. Un cúmulo de galaxias muy rico es el de Coma, que posee miles de galaxias elípticas. Los cúmulos de galaxias irregulares no tienen un núcleo bien definido, poseen un rango de tamaños similar a las regulares pero son más pobres en masa, entre 1012 y 1014 masas solares. El citado cúmulo de Virgo es de este tipo.

A su vez, conjuntos de cúmulos de galaxias forman supercúmulos. Estos consisten usualmente en una cadena de unos doce cúmulos de galaxias, tienen una masa del orden de 1016 masas solares. Nuestro propio supercúmulo local está centrado en el cúmulo de Virgo y tiene una masa relativamente pobre, y un tamaño de 48,9 millones de años luz. Un supercúmulo mayor como el asociado con el cúmulo de Coma tiene un tamaño de 326 millones de años luz y unas 1.300 galaxias en su zona central.

Los sondeos de galaxias lejanas muestran de conjunto una estructura "burbujeante" con las galaxias fundamentalmente ubicadas en forma de hojas y filamentos (estructuras alargadas). Las "burbujas" son espacios vacíos (regiones sin galaxias brillantes) con un diámetro típico de unos pocos cientos de millones de años luz y ocupan cerca del 90% del espacio. La mayor "burbuja" observada, el vacío de Bootes, tiene un diámetro de unos 400 millones de años luz.

Otra estructura observada es la que conocemos como Gran Muralla, una "hoja" de galaxias de un largo de unos 500 millones de años luz y una altura de 300 millones de años luz ubicada a unos 300 millones de años luz de nosotros. Los sondeos indican que hay muchas estructuras como la Gran Muralla pero no hay evidencia de estructuras significantemente mayores que ella.

Otra estructura estelar es el Gran Atractor. Mediciones de velocidades (peculiares) efectuadas en nuestro Universo más cercano, muestran un movimiento de conjunto, en escalas que exceden los 200 millones de años luz. Consistentemente con este flujo, nuestra galaxia se mueve a alrededor de 600 m/seg hacia un objeto distante denominado Gran Atractor, que, como se halla en dirección del núcleo central de nuestra galaxia, es difícil de observar. Este objeto yace a una distancia de 75 millones de años luz y posee una masa que se aproxima a los 5x1016 masas solares, masa similar a la del cúmulo de Coma.

En el Gráfico 1 se muestran en forma esquemática las distancias y masas de las estructuras descriptas.

En el Gráfico 2 se muestra la distribución de galaxias vistas desde la Tierra (por eso ésta es el punto en el centro del gráfico correspondiente a 0). Cada punto a derecha e izquierda de la Tierra en el gráfico corresponde a una galaxia. Se observa allí la estructura "burbujeante" con los "vacíos", filamentos y paredes citados. La distancia de cada galaxia a la Tierra (escala en el gráfico) se determinó por los corrimientos Doppler relativos, Z (ver más adelante).

Para finalizar este punto veamos un problema que se presenta con relación a la fuerza gravitatoria que mantiene unidas las estructuras. A mediados de los años 30 del siglo XX, F. Zwicky y S. Smith midieron las velocidades de galaxias del cúmulo de Virgo y de Coma. Así como los planetas giran alrededor del centro de masas del sistema solar, las galaxias lo hacen alrededor del centro de masas de su cúmulo. Pero Zwicky y Smith vieron que éstas giraban a tal velocidad, que su masa global no proporcionaba la gravedad suficiente para mantenerlas juntas. La masa de los cúmulos debía poco menos que centuplicar la de las galaxias visibles; si no, las galaxias se hubieran desprendido de los cúmulos hacía ya mucho. La solución, inevitable, fue proponer que los cúmulos están formados en su mayor parte por materia "oscura", invisible. Algo más se ha progresado en el conocimiento de las características de la materia oscura desde las observaciones de Zwicky, pero se sigue ignorando qué compone esta "materia oscura".

Otros hechos experimentales

Veamos ahora un conjunto de hechos experimentales que tienen particular importancia en el desarrollo de los modelos teóricos. Sobre estos hechos es que se basa la teoría dominante de la evolución estelar: la teoría de la Gran Explosión.

Ley de Hubble

En los años '20 E. Hubble, usando el telescopio de 2,50 metros del observatorio de Monte Wilson (EE.UU.), detectó estrellas de brillo variable (Cefeidas variables) en diferentes nebulosas. Las nebulosas son objetos difusos cuya naturaleza era objeto de acalorado debate en la comunidad astronómica de aquella época: ¿eran nubes dentro de nuestra propia galaxia? ¿O se hallaban fuera de ella?

Esta cuestión era difícil de resolver para la mayoría de los objetos astronómicos, por la ausencia de puntos de referencia para comparar distancias. El descubrimiento de Hubble fue revolucionario: midiendo el período de variación de estas estrellas y su brillo aparente, Hubble fue capaz de determinar la distancia de estas estrellas variables a la tierra. Así, demostró que pertenecían a nebulosas, no de nuestra galaxia, sino de otras galaxias, ubicadas mucho más allá del confín de la nuestra.

El segundo descubrimiento revolucionario de Hubble, conocido como ley de Hubble, lo obtuvo comparando las distancias de distintas galaxias a la Tierra (mediciones basadas en su descubrimiento anterior) con mediciones del corrimiento hacia el rojo3 de la luz proveniente de esas galaxias. Halló que el corrimiento relativo hacia el rojo de la luz de estas galaxias es proporcional a la distancia entre la Tierra y la galaxia. El factor de proporcionalidad (a menos de un factor c, la velocidad de la luz) se llama constante de Hubble, H.

Con los datos disponibles en la actualidad se sabe que esta relación es válida hasta una distancia de unos 3.000 millones de años luz. A partir de esa distancia se observa un apartamiento de esta relación lineal (más adelante veremos la interpretación tanto de esta ley como de su apartamiento en el marco de la teoría cosmológica dominante). La estructura del universo descripta en el punto anterior se base en esta ley.

Un prestigioso astrofísico experimental, H. Arp, cuestiona esta Ley4. Sostiene que observa objetos estelares que poseen corrimiento al rojo muy disímiles, pero que sin embargo están espacialmente correlacionados, o sea son cercanos. Esto contradice directamente la ley de Hubble, que dice que el corrimiento al rojo indica distancia. Su posición es minoritaria dentro de la comunidad astrofísica, pero muy respetable. 

Más allá del cuestionamiento planteado por Arp, cualquier teoría sobre el Universo, tiene ineludiblemente, que explicar la ley de Hubble.

Radiación cósmica de fondo

En 1965, A. Penzias y R. Wilson en los laboratorios de la Bell descubrieron casualmente una radiación que interfería con los receptores de radio que estaban desarrollando. Esta radiación, de longitud de onda en el rango de microondas (el mismo tipo de radiación que emplean los hornos de microondas pero de mucha menor intensidad) provenía de todas las direcciones del espacio y no tenía como origen ni la atmósfera ni las fuentes típicas de radiación de origen cósmico conocidas. Si fuera visible a los ojos brillaría en todo el cielo con una asombrosa uniformidad en todas direcciones.

Mediciones satelitales, a comienzo de los '90, mostraron que las intensidades correspondientes a las distintas longitudes de onda de esta radiación están distribuidas como la radiación de cuerpo negro5 en forma casi perfecta. Este espectro de cuerpo negro corresponde a una temperatura equivalente de 2,725 ± 0,002 ºKelvin. Las mediciones en distintas direcciones dan variaciones de esta radiación de 1 parte en 100.000 (efectuadas las correcciones por el movimiento de la Tierra). Esto significa que la radiación de fondo está distribuida en forma extremadamente uniforme con un nivel de variación angular muy pequeño.

Esta temperatura de 2,725ºKelvin, correspondiente en grados centígrados a -270,425ºC, puede parecer extremadamente fría, pero visto de otro modo permite afirmar que el espacio intergaláctico contiene muchas partículas: en promedio, cada 10 metros cúbicos el espacio contiene 400 millones de cuantos de radiación (fotones). En el mismo volumen se puede hallar solo un átomo de hidrógeno en promedio. Es decir, si todos los átomos que forman los distintos cuerpos del universo se distribuyeran en el mismo en forma uniforme, habría un átomo por cada 10 metros cúbicos, frente a los 400 millones de fotones de esta radiación de fondo.

El origen de esta radiación como el hecho de ajustarse tan bien a las características de la radiación de un cuerpo negro es un hecho a explicar. Asimismo se debe explicar su nivel de fluctuación.

Elementos livianos

En astronomía se llama "elementos livianos" a los primeros elementos de la tabla periódica (hidrógeno, deuterio, helio3, helio4 y litio). Las ideas originales sobre la proporción en que se hallan los distintos elementos se basaron en la proporción hallada en la Tierra. Ahora bien, ¿es extensiva esta distribución de abundancias a todo el cosmos? En cierto sentido, no: el hidrógeno y los elementos livianos son demasiado volátiles para que la Tierra desde su formación los hubiera retenido, se escapan de ella. En consecuencia, los elementos más livianos (que en el Sol son los más abundantes) están poco representados en la Tierra. Aun así, como dijimos antes, las proporciones de los otros elementos (los "elementos pesados" formados en supernovas) son representativas del sistema solar. El helio, por ejemplo, representa casi un cuarto del total de la masa de la mayoría de las estrellas (Sol incluido, de hecho se descubrió allí antes que en la Tierra) pero su proporción es muy pequeña en la Tierra por la "evaporación".

La teoría de la nucleogénesis estelar si bien explica la abundancia de los elementos "pesados" no puede explicar la abundancia de los "livianos". Veamos el caso del helio: las estrellas, en la mayor parte de sus vidas, producen helio a partir del hidrógeno; sin embargo, la mayor parte del helio así formado se transforma a su vez en elementos más pesados antes de retornar al espacio interestelar por una explosión de supernova. Las estrellas convierten su hidrógeno tanto en helio como en elementos más "pesados", sin embargo, lo que observamos es que los elementos pesados constituyen el 1 o 2 % del material del sistema solar y de las estrellas semejantes al Sol, mientras que la abundancia del helio es muy superior.

Hasta ahora no se ha encontrado ninguna estrella, galaxia o nebulosa, con una proporción de helio menor al 24%. Lo que sugiere que las galaxias no se formaron a partir de hidrógeno puro sino a partir de una mezcla de hidrógeno y helio. F. Hoyle y su colega R. Tayler propusieron para resolver este problema que el exceso de helio se producía en explosiones de estrellas mucho mayores que una supernova, con una masa millones de veces superior a la de una estrella ordinaria. Estas superestrellas sin embargo tendrían que ser muy inestables, explotar muy pronto y existir en un número enorme, y de hecho no han sido detectadas.

Otro elemento cuya abundancia no se puede explicar por el mecanismo de la explosión de supernovas es el deuterio (hidrógeno pesado). El deuterio es un átomo compuesto por un protón y un neutrón, presente en las estrellas en una proporción centenares de miles de veces inferior a la del hidrógeno. Su origen plantea un problema, pues en las estrellas este elemento se destruye más rápido que lo que se crea. Esto se debe a que el deuterio se consume antes que el hidrógeno, por lo que las estrellas recién formadas agotan su deuterio antes de empezar a consumir hidrógeno.

En definitiva, no se ha descubierto un mecanismo de formación de los elementos "livianos" que explique la proporción en que se hallan en las estrellas del mismo modo que se puede explicar la formación de los elementos "pesados" en las supernovas.

Teorías

Hemos descripto distintos aspectos del Universo tal cual se observa. Para explicar: la ley de Hubble, la radiación cósmica de fondo, el origen de los elementos livianos y el origen de la estructura del universo a gran escala, se han desarrollado distintas teorías.

Estas teorías siguen básicamente dos caminos; uno astrofísico, y otro cosmológico. El primero es muy minoritario dentro de la comunidad científica, mientras que el segundo es ampliamente dominante.

La vía astrofísica trata de explicar estos fenómenos a partir de distintos procesos físicos de forma independiente. Mientras que la segunda vía -la cosmológica- ve la evolución del Universo en su conjunto y a esos fenómenos citados como su consecuencia. También hay caminos intermedios que combinan ambas metodologías.

 Veamos primero algunas consideraciones generales sobre las teorías cosmológicas para detenernos luego en la teoría cosmológica dominante: la de la Gran Explosión Caliente. Luego nos referiremos sucintamente a algunas de las teorías alternativas.

Teorías cosmológicas

Las teorías cosmológicas tienen su fundamento en la teoría de la relatividad general desarrollada por A. Einstein. Veamos el contenido de esta teoría. Daremos un par de resultados particulares que se obtuvieron de ella y a continuación presentaremos sintéticamente su enunciado general.

Una consecuencia de la teoría de la relatividad general es que las grandes masas de los cuerpos celestes desvían la trayectoria rectilínea de los rayos de luz. Esto lo anunció Einstein ya en 1915 al formular la teoría. Tal efecto fue medido en 1919, durante un eclipse de sol, por los astrofísicos británicos A. Eddington y F. Dyson. Fue la primera confirmación experimental de un resultado predicho por esta teoría.

La desviación de una trayectoria rectilínea de los rayos de luz se debe a que las grandes masas (de una estrella, galaxia, etc.) curvan en mayor o menor medida el espacio que tienen a su alrededor, de resultas que los rayos de luz siguen necesariamente caminos curvos. Este efecto es despreciable si la masa es pequeña. Otra consecuencia de esta deformación del espacio es que los astrónomos pueden observar imágenes múltiples de un objeto celeste cuando entre este y la Tierra se interpone otro objeto celeste de gran masa. Ese efecto se denomina de lente gravitatoria. Por ejemplo, el cuasar doble HE1104-1805, descubierto por L. Wisotzki, es uno de esos casos. Con la ayuda de técnicas de análisis de imágenes se detectó una galaxia muy débil que se halla entre los dos cuásares observados y provoca el efecto de lente gravitatoria produciendo la imagen doble de un único cuásar.

Sintéticamente, la idea sobre la que se basó Einstein para desarrollar la teoría fue la de asociar la gravitación a la curvatura del espacio-tiempo. En el marco de la teoría del movimiento desarrollada por Newton en el siglo XVIII, el espacio-tiempo está dado de una vez por todas, independientemente de su contenido material. La atracción gravitatoria se considera como una acción a distancia instantánea entre estrellas, planetas, galaxias, etc. En la teoría de Einstein, donde ninguna acción o señal puede viajar más rápido que la luz, la gravedad se asocia a la curvatura del espacio-tiempo, que a su vez está vinculada al contenido material del Universo. Más precisamente, esta vinculación se traduce en las ecuaciones de campo de Einstein de la Relatividad General que unen dos tipos de objetos distintos: uno de los términos de la ecuación describe la curvatura del espacio-tiempo; el segundo define el contenido material en términos de la densidad de materia y de la presión de la materia-energía. El contenido material es la fuente de la curvatura del espacio tiempo. A partir de 1917, Einstein aplicó su teoría al Universo considerado como una totalidad. Fue el punto de partida de la cosmología moderna.

Partiendo de la relatividad general y formulando hipótesis simplificadoras se llega a los modelos cosmológicos. El modelo cosmológico de la Gran Explosión, asociado con los nombres de A. Friedmann, G. Lemaitre, H. Robertson y A. Walker, se basa en el principio según el cual el Universo puede ser considerado a gran escala, como isótropo y homogéneo (es decir sin direcciones preferenciales y siendo cualquier punto equivalente). A escala de estrellas individuales, galaxias, cúmulos, etc. este principio obviamente no es válido. Se deben considerar distancias mayores que las correspondientes a las estructuras más grandes observadas para que esta aproximación sea válida.

Teoría de la gran explosión caliente

La teoría de la Gran Explosión caliente tiene su fundamento teórico en la Teoría de la Relatividad General de Einstein (1916). Friedmann (1922) halló soluciones del sistema de ecuaciones de la Relatividad aplicadas al Universo en su conjunto (supuesto éste isótropo y homogéneo) en las que el Universo en su conjunto se expande, siendo la velocidad de expansión entre dos puntos cualquiera proporcional a la distancia entre ellos.

Estas soluciones de Friedmann empezaron a ser tenidas en cuenta a partir del hallazgo por Hubble de la ley que lleva su nombre (1927). Esta ley, como vimos, muestra que la distancia de la Tierra a un objeto celeste suficientemente lejano es proporcional al corrimiento al rojo de la luz por él emitida. La interpretación usual del significado del corrimiento al rojo es por el efecto Doppler: cuando una fuente emisora de ondas se acerca a una velocidad dada, la longitud de onda se acorta y a la inversa, si la fuente se aleja, la longitud de onda se alarga (estrictamente, en el marco de la cosmología, no es que se acerquen dos objetos celestes sino que el espacio entre ellos se "estira" y provoca el corrimiento el rojo). Esto es lo que pasa con las ondas sonoras en una estación de tren: escuchamos el pito del tren más agudo (longitud de onda más corta) cuando el tren se acerca y más grave (longitud de onda más larga) cuando se aleja. La ley de Hubble interpretada a partir del efecto Doppler indica que la velocidad con que se mueve un objeto celeste con respecto a la Tierra es proporcional a la distancia entre el objeto emisor de ondas y la Tierra. Esta noción generalizada a dos objetos cualesquiera coincide con lo hallado por Friedmann a partir de las ecuaciones simplificadas de Einstein.

El desarrollo de esta teoría fue casi inmediato (Lemaitre 1928): si ahora tal cual se observa, en el marco de esta interpretación de la Ley de Hubble, el universo se expande, si fuéramos hacia atrás en el tiempo, encontraríamos al Universo en un estado con la materia más concentrada, más denso y más caliente. Más denso y caliente cuanto más se retroceda en el tiempo; finalmente se llegaría a una singularidad, un estado donde toda la materia estaría concentrada en un punto de densidad infinita (ver recuadro 2).

El apartamiento de la ley de Hubble en el marco del corrimiento Doppler, observado cuando se trata de grandes distancias, indica que, contra lo que se presumía, la expansión del universo no se está frenando sino que se está acelerando. El origen de esta aceleración estaría en una desconocida "energía oscura" (ver recuadro 3).

Con relación al Modelo de la Gran Explosión caliente vale una aclaración. Desde nuestro punto de vista, con "Gran Explosión caliente" se expresan dos cosas distintas que no siempre están bien deslindadas en los distintos autores. Por un lado, se señala el proceso por el cual el Universo observable a medida que retrocedemos en el tiempo se hallaba en un estado más "concentrado". Y por otro lado se identifica con un instante particular: el instante en que retrocediendo en el tiempo ese estado concentrado llega a ser "un punto" (la singularidad).

El estado del Universo en realidad deja de poder explicarse por las leyes de la física conocidas desde el momento en que se llega a un estado caracterizado por una distancia del orden de 10-31 metros (longitud de Planck). Allí empiezan a valer las leyes de la gravedad cuántica (ver recuadro 2). Sin embargo, es un método usual extrapolar, hacia regiones donde, aunque se sabe que no tiene validez el principio que se está usando, sirve como aproximación tentativa. Así, tiempo = 0 es producto de una extrapolación, que lleva asimismo a decir: "tal hecho sucedió a 300.000 años del gran estallido".

Después de este paréntesis sigamos adelante. La radiación cósmica de fondo y la formación de los elementos livianos, en este contexto, se deben a la expansión y enfriamiento del universo a partir de un estado anterior más concentrado y caliente. El origen de la radiación y los elementos livianos está en los cambios cualitativos en el proceso de evolución de la materia cuando se dan condiciones apropiadas de temperatura y densidad por la expansión. Las estructuras observadas a su vez se explican por la ampliación, por la acción de la atracción gravitatoria, de las pequeñas fluctuaciones de ese estado "concentrado" y caliente.   

Estas elaboraciones teóricas no fueron aceptadas inmediatamente por la mayoría de la comunidad científica. Como dice S. Weinberg: "Una aureola de mala reputación rodeó siempre a tales investigaciones. Recuerdo que en la época en que yo era estudiante y luego, cuando comencé mis propias investigaciones (sobre otros temas), en el decenio de 1950, el estudio del Universo primitivo era considerado en general como algo a lo que no debía dedicar su tiempo un científico respetable.."6.

Como vimos, en la década de 1960 Penzias y Wilson hallaron una radiación que provenía de todas las direcciones del espacio. Esta radiación fue interpretada inmediatamente como la radiación predicha teóricamente por la teoría de la Gran Explosión. A partir de ese descubrimiento esta teoría empezó a ser aceptada mayoritariamente.

Observando lo que sucede en el cosmos -la expansión- y partiendo de las leyes de la física conocida, puede reconstruirse lo que debe haber sucedido en el pasado, de acuerdo a esta teoría. La evolución del Universo se puede describir en tres etapas distintas que reflejan el estado actual de nuestro conocimiento de los procesos físicos: Cosmología Estándar, Cosmología de Partículas y Dominio de la Gravedad Cuántica (a medida que retrocedemos en el tiempo la temperatura del Universo aumenta y la física asociada a esas temperaturas es menos conocida).

Cosmología Estándar

La Cosmología Estándar describe (desde esta óptica) los procesos acontecidos desde una centésima de segundo posterior al gran estallido hasta nuestros días. Los conocimientos físicos involucrados son enteramente confiables. El modelo estándar de la evolución del Universo en este período ha pasado muchas pruebas observacionales estrictas.

Esta teoría describe el universo desde un momento del pasado, aproximadamente entre 10.000 y 15.000 millones de años, en que toda la materia estaba tan comprimida que no podía haber galaxias, ni estrellas, ni aun átomos o núcleos de átomos. Había únicamente partículas de materia, antimateria7 y luz llenando uniformemente todo el espacio. No se conoce cual sería la temperatura de ese estado, pero los cálculos dicen que debe haber sido una temperatura de por lo menos 1.000.000 de millones de grados centígrados.

A esa temperatura las partículas de materia y antimateria se convertirían continuamente en luz y a su vez los fotones de luz al chocar entre sí se convertirían nuevamente en materia y antimateria. Entretanto, producto de la expansión, las partículas también se estarían separando rápidamente entre sí del mismo modo que las galaxias lo hacen ahora. Y esa expansión habría causado un rápido enfriamiento de las partículas, de la misma manera que una heladera es enfriada por la expansión del gas freón en sus espirales. Después de unos pocos segundos la temperatura de la materia, antimateria y la luz habría bajado aproximadamente 10.000 millones de grados (eso representa aproximadamente 1.000 veces la temperatura en el centro del sol, temperatura que se alcanza en el interior de la bomba H). La luz ya no tuvo suficiente energía para convertirse en materia y antimateria. Casi todas las partículas de materia y antimateria se aniquilaron entre sí, pero por razones que se desconocen quedó un ligero exceso de partículas (electrones, protones y neutrones) que no hallaron partículas de antimateria para aniquilarse y por consiguiente sobrevivieron a esta extinción. Después de tres minutos más de expansión, el sobrante de materia fue lo suficientemente frío (1.000 millones de grados) para que los protones y neutrones se ligaran formando los núcleos de los elementos más ligeros: hidrógeno, helio y litio.

Por 300.000 años la materia y la luz en expansión fueron demasiado calientes como para que los núcleos y los electrones se juntaran dando átomos. Recién cuando la temperatura cayó aproximadamente a 3.000 grados, los electrones y núcleos pudieron ligarse dando átomos. A esa temperatura la radiación dejó de interactuar con las partículas y desde ese instante se propaga libremente, perdiendo energía a medida que el universo se expande al alargarse su longitud de onda. Esta radiación es la que en la actualidad vemos como radiación cósmica de fondo a 2,73 grados. A partir de ese instante, la atracción gravitatoria empezó a amplificar las pequeñas fluctuaciones de densidad preexistentes formando galaxias y después estrellas. Allí "se cocinaron" todos los elementos pesados, incluyendo el hierro y el oxígeno, de los que millones de años más tarde se formó la Tierra8.

A partir de diferentes mediciones, interpretadas en el marco de este modelo estándar, se infiere que el contenido de materia en el Universo actual está en las siguientes proporciones: materia normal (bariónica) @ 4%, neutrinos @ 0,1%, radiación cósmica de fondo (fotones) @ 0,01%, materia oscura fría (materia cuya naturaleza se desconoce) @ 29% y finalmente energía oscura (energía cuya naturaleza se desconoce) @ 67%9.

Cosmología de Partículas

La Cosmología de Partículas desarrolla una imagen de la evolución del Universo en tiempos anteriores a los que llega a estudiar la Cosmología Estándar. Las temperaturas imperantes (energías) que estudia la Cosmología de Partículas están todavía dentro de los límites de la física actualmente conocida y sus generalizaciones. Por ejemplo, el acelerador de partículas de altas energías del laboratorio del CERN o del Fermilab permite verificar modelos físicos de procesos que ocurrieron a solo 10-11 segundos después del gran estallido (temperaturas del orden de 3x1015 ºKelvin). Esta área de la cosmología es más especulativa, ya que involucra al menos algunas extrapolaciones y con frecuencia tiene cálculos inmanejables. Muchos cosmólogos opinan que se pueden realizar extrapolaciones razonables hasta tiempos tan tempranos (10-35 segundos) que correspondan a la transición de fase de la gran unificación (temperaturas de 3x1027ºKelvin).

Dominio de la Gravedad Cuántica

La región dominada por la Gravedad Cuántica abarca las preguntas sobre el origen del Universo observable. Esto lleva a considerar procesos cuánticos en los tiempos mas tempranos concebibles en un espacio-tiempo clásico, eso es lo que se llama "época de Planck" a 10-43 segundos del gran estallido (que se corresponde a temperaturas del orden de 3x1031 ºKelvin). Dado que aún no se desarrolló una teoría autoconsistente de la gravedad cuántica, esta área de la cosmología es todavía más especulativa.

En el Gráfico 3 se muestran los principales eventos que ocurrirían en los tres regímenes descriptos. La Cosmología Estándar corresponde desde la actualidad hasta 0,01 segundo, la de partículas desde 0,01 segundo hasta 10-43 segundos y el dominio de la gravedad cuántica de ahí para atrás.

Objeciones a la teoría de la gran explosión

Se cuestiona esta teoría, fundamentalmente -desde nuestro punto de vista- a partir de tres hechos experimentales. Este cuestionamiento apunta a la parte de la teoría basada en física poco o nada conocida pero también a la Cosmología Estándar:

1) Las estructuras más grandes observadas como el Gran Atractor o la Gran Muralla no habrían tenido tiempo de formarse en los 13.500 millones de años transcurridos desde el comienzo de la expansión.

2) De igual modo, está en discusión la edad de las estrellas más antiguas. Aparentan tener más edad que el tiempo transcurridos desde el comienzo de la expansión.

3) El cuestionamiento a la Ley de Hubble, realizado por H. Arp que hemos visto en el apartado correspondiente.

Estos tres puntos están en discusión y hay contrargumentaciones y nuevos modelos explicativos tanto en el mismo sentido como en su contrario.

Otra crítica al modelo de la Gran Explosión es que el mismo implica un comienzo del espacio-tiempo, una singularidad. Estrictamente, la "ciencia aceptada" es lo descripto por el Modelo Estándar, es decir lo explicado sobre la base de física ampliamente verificada experimentalmente. La respuesta "científica" a qué sucedió previamente es: "no se sabe", aunque mucho se especule sobre la base de física poco o nada conocida.

Otro "inconveniente" de la teoría de la Gran Explosión, tal cual fue originalmente concebida, es no poder explicar el grado de homogeneidad observado del Universo a gran escala (por ejemplo la homogeneidad de la radiación cósmica de fondo). Tampoco puede explicar el "problema del horizonte": regiones aparentemente sin conexión causal y que sin embargo tienen propiedades similares, como si alguna vez hubieran interactuado (nuevamente vale como ejemplo la radiación cósmica de fondo). Se intenta explicar estos hechos con un agregado a la teoría: una etapa inflacionaria. Esta es una propuesta de una fase de expansión ultrarrápida del Universo. Se basa en la energía potencial asociada a un hipotético campo escalar. Si existiera, este campo estaría distantemente relacionado al campo escalar de Higgs. Dentro del Modelo Estándar de partículas y fuerzas este campo de Higgs y su partícula asociada es el que explica porqué las partículas poseen masa. La partícula de Higgs aún no ha sido detectada pero ha partir de lo ya conocido, hay certeza de su existencia y su próximo descubrimiento. El campo escalar que generaría la inflación ya es una cuestión más especulativa.

Algunas propiedades del cosmos predichas por esa supuesta etapa inflacionaria se han comprobado9 pero no es la única teoría que puede explicar estas propiedades9. Este "marco inflacionario" también tiene una singularidad de origen ya que no se basa en una teoría de la gravedad cuántica que la resuelva10.

Algunas teorías alternativas

Veamos sucintamente un conjunto de teorías alternativas a la de la Gran Explosión caliente, poniendo el acento en la física en la que se basan.

Haremos una enumeración sin profundizar en sus contenidos ni en las distintas críticas que pueden efectuarse (éstas se pueden hallar en las citas proporcionadas).

Veremos teorías que son globales, cosmológicas, y otras que presentan mecanismos parciales para explicar los distintos fenómenos:

• Teoría del Universo de plasma desarrollada principalmente por el premio Nobel de física, especialista en plasma, H. Alfvén.

• Teoría desarrollada por los marxistas leninistas alemanes Lutz, Rochlitz y Balzer, que proponen una serie de mecanismos independientes para explicar la ley de Hubble, la radiación cósmica de fondo, elementos livianos, etc., sin acordar con la teoría de la Gran Explosión.

• Teoría del Universo "cuasi estacionario" asociado al nombre de Hoyle, ilustre físico ya citado, que realizó contribuciones esenciales al desarrollo de la nucleogénesis, y contradictoriamente, fue quien bautizó a la teoría dominante como "teoría de la gran explosión", en la década del 40, como forma de satirizarla.

• La Teoría del escenario Ekpyróptico desarrollado entre otros por Steinhardt, uno de los padres del modelo inflacionario. Steinhardt también desarrolló junto con Turok el Modelo Cíclico.

El universo de plasma

La teoría de H. Alfvén parte de considerar que el 99% de la materia del Universo es plasma. El plasma está compuesto por gases calientes conductores de electricidad: mientras que en un gas normal los electrones están ligados a un núcleo y no se pueden mover fácilmente, en el plasma los electrones se separan por el intenso calor, lo que les permite moverse libremente. Los cosmólogos del plasma plantean "un Universo entrecruzado por vastas corrientes eléctricas y potentes campos magnéticos ordenados por el contrapunto cósmico del electromagnetismo y la gravedad". (11, Lerner).

Este modelo se basa en física clásica ampliamente conocida, aunque hace hipótesis sobre la presencia de antimateria sin evidencia experimental. Acepta la expansión de la materia expuesta por la ley de Hubble, pero no en un contexto cosmológico. La expansión observada se produciría como resultado de la explosión de materia y antimateria, localmente, no en un contexto de expansión einsteniano, global, del universo.

Los otros fenómenos observados de formación de estructuras, radiación cósmica de fondo, etc., son explicados por este modelo mediante distintos mecanismos clásicos, propuestos a partir de la física del plasma

En el escenario de Alfvén sólo una pequeña parte del universo -la que observamos- habría colapsado primero y luego explotado. En lugar de iniciarse en una zona acotada, la explosión provendría de una vasta región de cientos de millones de años luz de anchura y cientos de millones de años luz de desarrollo11.

Propuesta de Lutz, Rochlitz y Balzer

Explica los fenómenos observados mediante distintos mecanismos, algunos clásicos otros no, en un contexto donde se considera que la ley de Hubble interpretada como expansión del universo, es errada.

Estos autores explican la ley de Hubble a partir de un mecanismo por el que el corrimiento al rojo se debe a que la luz, a medida que se propaga por el espacio, interactúa con lo que llaman "materia en forma continua" y pierde energía. Esa energía es irradiada por esta "materia en forma continua" dando lugar a la radiación cósmica de fondo. No aceptan la validez del fenómeno Doppler con relación a la ley de Hubble12.

Modelo del universo cuasi estacionario

Este modelo combina una solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein, según la cual el Universo se expande y se vuelve a contraer en forma muy lenta e ininterrumpida, con otros mecanismos parciales. Ahora estaríamos en un periodo de expansión como el observado por la ley de Hubble, interpretada como velocidad Doppler. La contracción no llegaría a un estado de muy alta energía, por lo cual no requiere de una física fuera de la física convencional. La radiación cósmica de fondo es explicada en este modelo por un mecanismo clásico; la homogeneidad de esa radiación es explicada por interacciones que se producen en la fase en que el Universo está comprimido. Las proporciones de los elementos livianos se explican por mecanismos estelares clásicos13.

El escenario ekpyóptico y cíclico

Éste es también un modelo cosmológico alternativo al de la Gran Explosión. Acepta como válido el Modelo Estándar de la cosmología pero no la fase inflacionaria. Se basa en una teoría que combina la mecánica cuántica con la gravedad (teoría M), sin base experimental por el momento. Esta teoría de la gravedad cuántica, en la aproximación de bajas energías, reproduce algunas teorías conocidas. Según estos modelos existiría un movimiento cíclico del Universo como en el modelo cuasi-estacionario, pero con una contracción muchísimo mayor, de ahí una teoría de altas energías14.

Conclusiones

El Modelo Estándar de la Cosmología, es decir, la teoría de que el Universo observable en un pasado lejano se encontraba en un estado concentrado a alta temperatura y densidad, tiene una fuerte evidencia experimental.

Las teorías alternativas mencionadas son menos probables, porque requieren un número mayor de suposiciones, que escapan de las leyes de la física conocida.

Cuando hablamos de la Teoría Estándar, nos referimos a la que describe la evolución del Universo desde el momento en que comienzan a formarse los nucleones, que se corresponde a la física de altas energías, comprobada en aceleradores de partículas (con las limitaciones del caso: problema del horizonte y energía oscura por ejemplo).

Estados previos más concentrados donde la densidad y temperatura son mayores tienen una menor base experimental y es sumamente complejo elaborar conclusiones sobre ellos. Aquí la teoría inevitablemente conduce a una singularidad, debido a su limitación intrínseca de no poder basarse directamente en la gravedad cuántica. Esos estados previos del Universo más densos y calientes a los cuales se está muy lejos de llegar experimentalmente, se estudian teóricamente proyectando las leyes de la física conocida. De proyecciones de este tipo se desprenden teorías como las del "Universo inflacionario" que sirven para explicar la homogeneidad y causalidad, o las teorías del multiuniverso (inflación caótica en que "el Universo observable" no es más que una burbuja con leyes físicas particulares, de un desarrollo más amplio de la materia). También de estas proyecciones, avanzando sobre la gravedad cuántica se elaboran las teorías del Universo Cíclico.

En el Gráfico 4 se muestra lo conocido sobre física de altas energías. Comparar las escalas de energía de este gráfico con las del Gráfico 3, para tener una idea de lo conocido y lo proyectado.

Hemos cuestionado la idea de la singularidad desde el punto de vista metodológico. Es decir, por extrapolar las leyes de la física conocida a un punto donde habría que aplicar leyes aún desconocidas. Corresponde también una crítica, desde el punto de vista filosófico, a la concepción metafísica, que implica aceptar como posible que la totalidad del universo observable tuvo un inicio en el tiempo a partir de un punto en el espacio,

Todo lo conocido sobre la evolución del Universo, confirma que los sucesos cósmicos se comportan de acuerdo a las leyes descubiertas por el materialismo dialéctico: todo lo que existe en el cosmos existe en un proceso permanente de desarrollo y cambio, donde todo nace, se desarrolla y muere, dando lugar a otra cosa, y donde el motor de este proceso son las contradicciones internas de diferente naturaleza.

En cuanto a las leyes de la física conocidas hasta ahora, no sería extraño que en un futuro, en la medida en que se realicen experimentaciones (directas o indirectas) para confirmar las teorías de la física de altas energías, se encuentren hechos experimentales que conduzcan a nuevas visiones sobre el desarrollo del estado del Universo y su naturaleza, en momentos previos a los conocidos por el Modelo Estándar de la cosmología.

Lo que se conoce sobre el universo observable, indica un estado de continua evolución y cambio. Pero la manera en que se conoce esa evolución y cambio está limitada, en cada momento, por la finitud de las posibilidades científicas y tecnológicas de desarrollar experiencias en ámbitos cada vez mayores y de energías cada vez más grandes, y la posibilidad de sintetizar estas experiencias en teorías.

Este es en síntesis, el método científico: "Se observa un hecho nuevo que hace imposible el método anterior de explicación de los hechos correspondientes al mismo grupo. A partir de ese momento hacen falta nuevos métodos de explicación -al principio basados sólo en una cantidad limitada de hechos y observaciones. Nuevos materiales de observación depuran esta hipótesis, eliminan algunas y corrigen otras, hasta que al cabo la ley queda establecida en forma pura. Si se esperase hasta que el material para una ley se encontrare en forma pura, ello equivaldría a suspender el proceso del pensamiento en la investigación hasta entonces, y, aunque sólo sea por este motivo, la ley jamás surgiría." F. Engels15.

Sobre esta contradicción real entre las posibilidades abiertas y las limitaciones del campo experimental es que se abre paso el positivismo y las posiciones idealistas.

F. Engels en el mismo trabajo de la cita anterior expresó: "Aquel en el cual se mueve la materia es un ciclo eterno, un ciclo que por cierto sólo completa su órbita en períodos de tiempo para los cuales nuestro año terrestre no es una medida adecuada; un ciclo en el cual el tiempo de máximo desarrollo, el de la vida orgánica y más aun el de los seres conscientes de la naturaleza y de sí mismos, es tan estrictamente limitado como el espacio en que llegan a realizarse la vida y la conciencia de sí; un ciclo en el cual todos los modos finitos de existencia de la materia, sea sol o vapor de nebulosa, animales aislados o género de animales, combinación o disociación químicas, son igualmente transitorios, y en que nada es eterno, salvo la materia en eterno movimiento, en eterno cambio, y las leyes según las cuales se mueve y cambia. Pero por frecuente e inexorable que sea la completación de este ciclo en el tiempo y el espacio; por mucho que sean los millones de soles y tierras que surgen y desaparecen; por mucho que pueda durar antes que en un sistema solar, y sólo en un planeta, se desarrollen las condiciones necesarias para la vida orgánica; por innumerables, además, que sean los seres orgánicos que deben surgir y desaparecer a su vez antes que se desarrollen de su seno animales con un cerebro capaz de pensar, y que por un breve lapso encuentren condiciones aptas para la vida, sólo para ser exterminados más tarde sin piedad, abrigamos la certidumbre de que la materia es eternamente la misma en todas sus transformaciones, que jamás puede perderse ninguno de sus atributos, y también, por lo tanto, que con la misma férrea necesidad con que exterminará en la tierra su más elevada creación, el cerebro pensante, volverá a producirlo en alguna otra parte y momento"15.

Este pensamiento elaborado por Engels en 1875, con una relativamente pobre base experimental y una amplia base filosófica, ha demostrado su acierto en general, a través del tiempo y los grandes avances de la ciencia. ¿A qué se debe?. A que partió de los hechos conocidos, supo ver la dirección de su desarrollo y los generalizó a través de las leyes de la dialéctica materialista. Leyes a su vez que están sostenidas por el desarrollo de la ciencia. Engels pone el centro en lo conocido y no en lo desconocido, que siempre será mayor, infinito.

Agradecimientos

Agradecemos a Pilar Sánchez y al Centro Cultural Raíces.

 

Notas:

1. M. Rees. Antes del Principio. 1999 Tusquetes Editores, Barcelona.

2. Las distancias estelares son enormes, usualmente se dan en años luz. Esto es el tiempo en años que tarda la luz en recorrer la distancia en cuestión. Así, una distancia de 1 año luz equivale a 9.460.800.000.000 kilómetros; esta es la distancia que recorre la luz en 365 días. Esto proviene de multiplicar la velocidad de la luz (300.000 kilómetros por segundo) por 1 año (31.536.000 segundos). Ya que la luz se desplaza a una velocidad finita, los astrónomos cuando observan objetos distantes están observando un objeto que emitió luz en el pasado. La mayoría de las estrellas visibles a ojo desnudo en una noche estrellada se encuentra a una distancia entre diez y cien años luz. O sea, las vemos como eran entre diez y cien anos atrás. A la galaxia más cerca, Andrómeda, la vemos como era hace tres millones de años, pues se encuentra a una distancia de 3 millones de años luz.

3. Cuando la luz pasa a través de un prisma, se descompone en un conjunto de diferentes colores, llamado su espectro. El espectro de una galaxia muestra pautas características según las longitudes de onda emitidas o absorbidas por los elementos presentes (carbono, sodio, etc.). Hubble determinó que estas pautas características se desplazan hacia longitudes de ondas mayores (corrimiento hacia el rojo) en comparación con mediciones de laboratorio o con la luz de estrellas de nuestra propia galaxia.

4. H. Arp. Seeing Red. Apeiron, Montreal 1998. Para un análisis crítico de uno de los casos más famoso de coincidencia espacial de objetos celestes de distinto corrimiento al rojo descubierto por H. Arp ver: http://heritage.stci.edu/2002/23/supplemental.html

5. Radiación de cuerpo negro: es el patrón de radiación característica que emite un objeto a una temperatura dada cuando esta radiación llega al equilibrio con las partículas que componen el objeto. Esta radiación característica depende de la temperatura a que se halla el cuerpo negro.

6. S. Weinberg. Los Tres Primeros Minutos del Universo. 1993 Salvat Editores, Barcelona.

7. Antimateria es el nombre que se le da a la materia con carga eléctrica opuesta a la de la materia comunmente conocida. Por ejemplo, un antielectrón (positrón) tiene las mismas propiedades que el electrón pero carga eléctrica positiva.

8. S. Weinberg. Before the Big Bang. Junio 1997 The NY Review of Books. Nueva York. M. S. Turner y J. A. Tyson. Cosmology at the Millennium, enero 1999 en http://xyz.lanl.gov/astro-ph/9901113. P. J. E. Peebles. The Standart Cosmological Model, junio 1998 en: http://xyz.lanl.gov/astro-ph/9806201. Sitio web del grupo de cosmología de Cambridge: http://www.damtp.cam.ac.uk.

9. W. L. Freedman y M. S. Turner. Measuring and Understanding the Universe. Reviews of Modern Physics, octubre 2003, vol.75 pag. 1433. Para una crítica de esta interpretación ver: S. L. Bridle, O. Lahav, J. P. Ostraker y P. J. Steinhardt. Precision Cosmology? Not Just Yet. Marzo 2003, http://xyz.lanl.gov/astro-ph/0303180.

10. A. H. Guth. Inflation and Cosmological Perturbations, enero 2003 en: http://xyz.lanl.gov/astro-ph/0306275

11. A. L. Peratt. Sitio web: http://public.lanl.gov/alp/theUniverse.html. E. J. Lerner. The Big Bang Never Happened. 1991 Vintage Books, Nueva York. Una crítica de esta teoría se puede ver en el sitio web de N. Wright: Cosmology Pages, errors en "The Big Bang Never Happened": http://www.astro.ucla.edu/~wright/lerner_errors.html. Ver también, A. Woods y T. Grant. Reason in Revolt, cap. 9: The Big Bang. Mayo 1995, Ed. Reason in Revolt, Londres. Posteriormente, este grupo pasó a apoyar el modelo Ekyptiotico: A. Woods. An Alternative to the Big Bang. Abril 2002, http://www.marxist.com/scienceandtech/big_bang.html . Una crítica a las posiciones de estos autores se puede ver en: http://www.mail-archive.com/marxism-thaxis@lists.econ.utah.edu/msg00578.html.

12. J. Lutz, W. D. Rochlitz y G. Balzer-J. Perplejos Ante el Gran Muro. Septiembre 1991, Ed. Camino Nuevo, Essen.

13. G. Burbidge, F. Hoyle y J. V. Narlikar. A Different Aproach to Cosmology, abril 1999, pag 38, Physics Today. En el mismo número hay una crítica al mismo: de A. Albrecht. Reply to "A Different approach to Cosmology", abril 1999, pag. 44, Physics Today.

14. Carlos Figueroa, De cómo la Teoría de la Gran Explosión resultó equivocada. Política y Teoría, vol. 52, agosto 2003. J. Khoury, B. A. Ovrut, P. J. Steinhardt y N. Turok. Density Perturbations in the Ekpyrotic Scenario, septiembre 2001 en: http://xyz.lanl.gov/hep-th/0109050. P. J. Steinhardt y N. Turok. A Cyclic Model of the Universe. Science, mayo 2002, vol. 296, pag. 1436. Una crítica a estos escenarios en, A. Linde. Inflationary Theory versus Ekpyrotic/Ciclic Scenario, mayo 2002, http://xyz.lanl.gov/hep-th/0205259.

15. F. Engels, Dialéctica de la Naturaleza. Editorial Cartago. México, 1983.

Fuente: www.pcr-arg.com.ar