Cosmología

Cosmología
Particle Physics and Astronomy Research Council
Royal Greenwich Observatory
Cuaderno de Información No. 32: 'Cosmología'

Por el Profesor Joseph Silk

El Universo:

A través de un estudio de los movimientos de las galaxias, puede deducirse que todas se están alejando unas de otras. Es simple deducir a partir de esto, que en algún momento en el pasado deben haber estado mucho más juntas de lo que están ahora.La cosmología es el estudio del origen y desarrollo del universo, y la teoría más popular actualmente es la del 'Big Bang'. Ésta teoriza que hace cerca de 20.000 millones de años, toda la materia y el espacio que hacen el universo, estaban concentrados en un volumen muy pequeño.La teoría dice que el universo comenzó a existir como un volumen extremadamente pequeño lleno de energía, lo que dio al universo una temperatura muy alta. Al expandirse el universo, las partículas atómicas fundamentales se formaron en una mezcla dominada por el hidrógeno, con algo de helio, y casi nada más.
Algunos de los mayores problemas actuales en astrofísica, surgen de la consideración de cómo se formaron las galaxias, y cuál es la naturaleza de la masa del universo (sólo podemos identificar 10 por ciento de lo que debe estar allí).
El estudio del universo primitivo es posible debido a que la velocidad de la luz es finita.Al mirar las galaxias a muchos millones de años-luz de distancia, las vemos como eran cuando la luz salió de ellas -- hace muchos millones de años. Estos objetos remotos son, por supuesto, muy tenues, y esa es la razón por la que los astrónomos siempre están queriendo usar telescopios más grandes, y detectores más eficientes, para poder medir más atrás en el tiempo.

La evidencia del Big Bang:

Hasta muy entrado este siglo, los astrónomos no sabían que la Vía Láctea era una galaxia, y que los 'universos-islas' visibles a través de los más grandes telescopios eran galaxias, sistemas de muchas, muchas estrellas agrupadas como en la Vía Láctea.
Hubble hizo el descubrimiento fundamental que demostró esto.Él demostró, a partir del espectro de las galaxias, que la velocidad de recesión aumentaba con la distancia. Lo que se deduce a partir de esto, es que el espacio se está expandiendo, y pronto se apreció que la Vía Láctea era sólo una, de una gran cantidad de galaxias, y que ella, como el Sol, no ocupaba un lugar especial en el sistema de galaxias.
A partir de la observación de galaxias en longitudes onda ópticas, no era posible encontrar efectos evolutivos, y así la hipótesis de que el universo estaba en un estado estacionario era plausible. Con el advenimiento de los grandes radiotelescopios, se encontró que había muchas más tenues radio-galaxias de lo que cabría suponer en un universo en estado estacionario. De hecho, se demostró que era probable que todas las galaxias se hubieran originado en un volumen muy pequeño -- el Big Bang.
Esta teoría recibió estímulo cuando una radiación a 3 grados Kelvin, la radiación de fondo de microondas, fue descubierta viniendo de todas las direcciones del espacio. Esta radiación se predijo que era un remanente de tiempos muy primitivos en la edad del universo, antes de que se formara la materia, cuando el universo estaba todavía lleno con radiación caliente. La radiación era isotrópica, y correspondía a la radiación corrida hacia el rojo del Big Bang.

Predicciones a partir del Big Bang:

El análisis teórico del Big Bang ha tenido varios éxitos en la predicción de las propiedades del universo resultante. El mayor de ellos es la predicción de la abundancia relativa de los elementos y sus ratas isotópicas. Cuando las más antiguas estrellas, cuyos materiales han sido los menos alterados por la acumulación de materiales procesados en los centros de anteriores generaciones de estrellas, son investigadas, se ha demostrado que sus ratas de abundancia están en excelente acuerdo con las predichas.
Sin embargo, hay problemas con la teoría. Uno de ellos, es que la misma naturaleza isotrópica del fondo de microondas, indica que las etapas primitivas del universo fueron completamente uniformes. Cuando miramos el universo actual, vemos desuniformidades a todo nivel. Nosotros mismos somos ejemplos de agregados de masa, como lo son las estrellas, las galaxias, y las agrupaciones de galaxias en cúmulos y cuerdas. El enigma de cómo esta naturaleza no isotrópica pudo surgir de un universo primitivo isotrópico fue, hasta un punto, aliviado por el descubrimiento del satélite COBE, de que hay pequeñas variaciones en la temperatura de la radiación de microondas, indicando alguna falta de homogeneidad en un tiempo muy primitivo en la edad del universo.
La expansión del universo a partir del Big Bang, es fuertemente dependiente de la masa del universo. Hay un valor crítico que indicaría que el universo se expandirá durante un largo tiempo, gradualmente frenando, y entonces alcanzaría un estado estacionario. Una masa inferior a este valor, significaría que el universo continuará expandiéndose para siempre, mientras que un valor mayor significaría que el universo se expandirá hasta un tamaño máximo, y entonces comenzará a contraerse, eventualmente regresando a un muy pequeño volumen.Los astrónomos piensan, que la masa del universo es igual a este valor crítico, pero sólo podemos 'ver' un décimo de la materia necesaria para alcanzar este valor. La misma discrepancia es vista en la atracción gravitatoria de las galaxias individuales, y en la de los cúmulos de galaxias. La masa parece estar allí, pero no podemos identificarla. Esto es el llamado 'problema de la masa faltante'.

La 'Forma' del Universo:

Uno de los conceptos más difíciles de aceptar, es que el universo es todo lo que hay. No sólo toda la materia y energía, sino también todas las dimensiones. No hay un 'afuera' del universo, y no tiene un 'borde'.
Cuando pensamos en el Big Bang, intuitivamente pensamos en un pequeño universo expandiéndose como una esfera en un espacio vacío. Desgraciadamente, esto es incorrecto. Las dimensiones que usamos comúnmente, tres espaciales, y un tiempo, están todas mezcladas en cuanto concierne al universo primitivo, y nuestros conceptos normales del tiempo y el espacio no son válidos.
La única forma en que esto puede ser parcialmente comprendido, es considerando la analogía bidimensional de la superficie de un globo que está siendo inflado. La superficie es continua en todo lugar, no tiene borde, y sin embargo se expande. La analogía tridimensional (cuya compresión escapa al autor!) representaría al universo.

Principios Cosmológicos:

El científico, aunque no necesariamente el poeta o el teólogo, comienza su estudio del Universo asumiendo que las leyes físicas, medidas localmente en el laboratorio, tienen una aplicación más general.Si los experimentos comprueban que esta suposición es incorrecta, entonces uno procede a explorar las generalizaciones de la física local.En este espíritu, la cosmología, la ciencia de los estudios del Universo, se desarrolla por extrapolación a lugares remotos en el espacio y el tiempo, de leyes físicas verificadas localmente, que puedan ser comprobadas con las modernas técnicas astronómicas.En una teoría cosmológica se busca la simplicidad en escalas suficientemente grandes. Las teorías exitosas en física y matemáticas son invariablemente las más simples, con el menor número de grados de libertad arbitrarios.Postular que Titán sostenía los cielos (De dónde vino? Por qué no se aburría? O le daba sueño?) requería muchas más suposiciones ad hoc que el entendimiento de que las órbitas de los planetas en el campo gravitatorio de Sol, eran suficientes para impedir que cayeran en la Tierra como estrellas fugaces.
A diferencia de otras ramas de la ciencia, la cosmología es única en que sólo hay un Universo disponible para el estudio. No podemos ajustar un parámetro, modificar otro, y terminar con un sistema diferente para experimentar. No podremos nunca saber qué tan único es nuestro Universo, porque no tenemos otro Universo para compararlo. El Universo significa todo lo que es o será jamás observable, así que jamás podremos esperar ver otro Universo.
Sin embargo, podemos imaginar otros posibles Universos. Podríamos tener un Universo sin galaxias, estrellas o planetas. Es innecesario decir que el hombre no podría existir en tal Universo.El hecho mismo de que nuestra especie halla evolucionado en el planeta Tierra impone restricciones significativas sobre las posibles formas en que nuestro Universo ha evolucionado. De hecho, algunos cosmólogos piensan que esta podría ser la única forma en que podremos abordar asuntos tales como: Por qué el espacio tiene tres dimensiones?, o, Por qué el protón tiene una masa que es precisamente 1.836 veces mayor que la del electrón?Si alguno de estos no fuera el caso, nosotros ciertamente no estaríamos aquí.Podemos llevar el argumento más allá: Nuestra actual existencia requiere que el Universo halla tenido tres dimensiones espaciales, y el protón una masa de 1.836 electrones. A esta conclusión se le llama "Principio Cosmológico Antrópico": Particularmente, que el Universo debe ser compatible con el origen y desarrollo de vida inteligente.Por supuesto, esto no es una explicación, y el principio antrópico no tiene significado físico alguno. Más bien, limita nuestras posibilidades. Podría existir una multitud de Universos radicalmente diferentes sobre los que no tenemos que preocuparnos.
Es inevitable que un astrónomo estudie objetos remotos en el tiempo, así como en el espacio; La luz viaja una distancia de 300.000 Kilómetros en un segundo, o diez millones de millones de Kilómetros en un año.La estrella más cercana, Alfa Centauri, está a 4,3 años-luz de nosotros: La vemos como era hace más de cuatro años. La galaxia más cercana comparable con nuestra Vía Láctea está a 2 millones de años-luz de distancia: Vemos la Galaxia de Andrómeda, un objeto de ojo desnudo bajo un cielo oscuro, como era cuando el homo sapiens todavía no había evolucionado.Un telescopio grande es una máquina del tiempo que puede llevarnos parte del camino hacia la creación, para examinar regiones de las que la luz emanó hace más de cinco mil millones de años, antes de que nuestro Sol se hubiera formado.Para el cosmólogo, el asunto de la creación es inevitable.

Hay tres posibilidades que uno podría concebir para la creación del Universo:

El comienzo fue un estado singular, no descriptible por la ciencia física.Un escéptico podría preguntar, Qué hacía Dios antes de que Él creara el Universo?La respuesta apócrifa es que Él estaba preparando el Infierno para la gente que pudiese hacer tales preguntas (atribuida a San Agustín).
El comienzo fue el estado más simple y permanente imaginable, conteniendo dentro de sí las semillas de la futura evolución.Esta es la posición moderna, y uno busca las leyes físicas correctas que describan este estado inicial.
No hubo creación, y el Universo es inalterable y de edad infinita. Podemos tratar de distinguir entre las últimas dos posibilidades, las únicas dos opciones sobre las que las herramientas científicas podrían ser utilizadas.Las anteriores consideraciones sobre la simplicidad de una teoría exitosa, están incorporadas en un simple principio que sirve de guía para construir un modelo del Universo. Hay varias versiones de tal principio cosmológico.
El "Principio Cosmológico" afirma que el Universo, en promedio, se ve igual desde cualquier punto. Es motivado por el argumento de Copérnico sobre que la Tierra no está en una posición central, preferida.Si el Universo es localmente isotrópico, visto desde cualquier punto, es por lo tanto tambien uniforme.Así que el principio cosmológico afirma que el universo es aproximadamente isotrópico y homogéneo, visto por cualquier observador estático. Esto permite la posibilidad de muy diversos estados pasados y futuros para el Universo.
Una versión más fuerte, el "Principio Cosmológico Perfecto", va más allá: El Universo parece el mismo desde todo punto y desde todos los tiempos.En otras palabras, no pudo haber evolución: El Universo debe siempre estar en el mismo estado, al menos en un promedio sobre tiempos largos. Finalmente, el "Principio Cosmológico Antrópico" argumenta que el Universo debe haber sido construido como para haber conducido al desarrollo de la inteligencia.

La Obscuridad del Cielo Nocturno:

La Paradoja de Olbers es: "Por qué es obscuro el cielo en la noche?"Olbers (y otros antes que él) asumieron que tanto la frecuencia espacial promedio como la luminosidad de las estrellas (y galaxias) es aproximadamente constante a través del espacio y en el tiempo.Considere cualquier concha grande de materia de radio r y grosor dr.La luz desde esta concha es 4 Pi r2 dr n L, donde el número de estrellas por unidad de volumen es n y la luminosidad de una estrella es L.Así que la radiación medida en el centro de la concha es n L dr, y no depende del radio de la concha.Al sumar las contribuciones de conchas concéntricas más y más distantes (todas de igual grosor), la radiación medida en el centro parece aumentar sin límite.Esto no es completamente correcto, puesto que la luz de una estrella distante es interceptada por una estrella intermedia, pero esperaríamos que el cielo fuera tan brillante como la superficie de una estrella. Cualquier línea de visión debe, tarde o temprano, caer en una estrella.Esta conclusión se aplica en cualquier punto arbitrario, y por lo tanto se aplica en todas partes.
Tenemos una contradicción con la observación trivial de que aparte de la Vía Láctea, nuestra propia Galaxia, el cielo nocturno es notablemente obscuro.La paradoja de Olbers no se resuelve admitiendo el polvo interestelar, como Olbers sugirió, puesto que él absorbe e irradia energía.
Posibles soluciones son:(A) El Universo es joven, así que las estrellas sólo han estado brillando por cerca de diez mil millones de años, o(B) El Universo es de edad infinita, pero en expansión, de manera que evita un estado de equilibrio termodinámico.
La expansión "enfría" el Universo, debido al "Corrimiento de Doppler" (que enrojece la luz o reduce la energía de los fotones recibidos de una fuente que se aleja).Por supuesto, el Universo podría ser joven y estar en expansión, pero sólo la hipótesis B requiere la expansión.

Cosmología del Estado Estacionario:

"Steady State Universe" (Universo en Estado Estacionario, Bondi, Gold, y Hoyle, 1949) postula la creación de materia a partir del vacío, para satisfacer el Principio Cosmológico Perfecto (la densidad es constante y el Universo parece el mismo, en promedio sobre grandes volúmenes y tiempos). Este postulado fue motivado por un aparente problema de escala de tiempo.Hubble encontró que el Universo de galaxias se expandía con una velocidad dada por: V = H0 * R, que aumentaba sistemáticamente con la distancia R a la galaxia. H0 es la tasa de expansión de Hubble.Esto significa que si no ha habido aceleración o deceleración, toda la materia debe haber estado amontonada al inicio de la expansión; hace un tiempo R/V o 1/H0.Se encontró que la tasa de expansión de Hubble actualmente era H0= 500 km/s/Mpc en el trabajo original de Hubble.Esto significa que 1/H0 = 2 mil millones de años, era un límite superior para la edad del Universo.
Uno podría comparar esto con la técnica de fechado por radioactividad de las rocas antiguas, p. ej. U238 -> Pb205 con una vida-media de 4x109 años.Medidas en diferentes muestras de rocas y meteoritos, las actuales abundancias de isótopos del plomo permiten un estimado de su edad. Inferimos 4.6x109 años para las más antiguas rocas meteóricas o Lunares (4.600 millones de años).
La teoría de evolución estelar, con fusión de hidrógeno en helio como fuente de energía, produce la edad de los cúmulos globulares, las estrellas más antiguas en nuestra Galaxia.El punto de quiebre en la secuencia principal denota la duración de la era observada de "quemado" de hidrógeno, mientras que la rama horizontal en el diagrama H-R indica la posición de las estrellas que están "quemando" helio. La edad inferida para ajustarse al diagrama H-R observado es 10x109 años (10 mil millones de años).La discrepancia entre la edad de Expansión Universal, por una parte, y las edades de los meteoritos y estrellas por la otra, fue removida en los 1950s, cuando se obtuvo un valor más preciso para H0.El mejor valor moderno es H0 = 50 km/s Mpc, o 1/H0 = 20x109 años (20 mil millones de años).

Las predicciones clave de la Cosmología del Estado Estacionario eran que:

Hubo y hay creación de un átomo de hidrógeno por metro cúbico cada 1010 años.La creación se asume que ocurre a partir del vacío, violando radicalmente la ley de conservación de la masa y energía.Se esperaba que tambien se produjera antimateria, produciendo un fondo de rayos gamma que resultaría de la ocasional aniquilación de protones y antiprotones. No se quiere violar tambien otra ley fundamental, la ley de conservación de la carga eléctrica. Por tanto otra posible forma de nueva materia creada son neutrones. Estos decaen dejando gas caliente que emite rayos-X difundiéndose por el Universo. Ni los esperados rayos gamma cósmicos, ni los rayos-X, fueron observados, de modo que la teoría fue modificada para postular creación sólo en densos núcleos que identificamos con los núcleos de las galaxias.
No ha podido ocurrir evolución a grandes distancias.La cuenta de fuentes de radio investigó esta predicción:N(>f) es el número observado más brillantes que el flujo f, el cual, para una fuente a una distancia d, con luminosidad L, está dada por f = L/4Pi d2. Así que la distancia hasta la que es posible observar, en un sondeo limitado por flujo, de fuentes con idéntica luminosidad L es d = (L/4Pi f)1/2.Ahora bien, el número total de fuentes medidas en un sondeo de todo el cielo es N=(4/3)Pi d3n, donde n es la densidad de la fuente.El modelo del Estado Estacionario predice que n = constante, de manera que N(>f) es proporcional a d3 o (L/f)3/2, prediciendo que al aumentar la sensibilidad del sondeo (o al disminuir f), N(>f) debería aumentar como f-3/2 en el espacio Euclidiano.Las observaciones revelaron un aumento mucho más fuerte en la cuenta de fuentes.Los proponentes del modelo del Estado Estacionario en los 1950s argumentaron que podríamos estar viviendo en un rincón muy local. Sin embargo, subsiguientes identificaciones ópticas y determinaciones de distancia han mostrado que principalmente las fuentes de radio son radio galaxias y quasares que están a varios miles de millones de mega-parsecs de nosotros, demostrando que la evolución debe estar ocurriendo sobre una escala del orden de 1010 años. Las galaxias luminosas emisoras de radio eran mucho más frecuentes en el pasado que lo que parecen ser actualmente. El golpe final para la teoría del Estado Estacionario vino con el descubrimiento del Fondo Cósmico de Microondas en 1964.Este era evidencia directa de radiación originada en una fase densa y caliente del Universo, como predijo la teoría del Big Bang. Está caracterizada por un espectro de cuerpo negro apropiado para un cuerpo negro a 2,75 grados Kelvin. La intensidad de la radiación un cuerpo negro tan frío, llega a un máximo en una longitud de onda de 1mm, en la banda de microondas.Para explicar tal radiación en un modelo de Estado Estacionario se requiere postular la presencia universal de gramos de polvo milimétricos, que absorberían un intenso campo de radiación producido por muchas galaxias excepcionalmente luminosas, y lo re-irradiarían a la temperatura apropiada.Esta interpretación es tan artificial, y requiere tantas conjeturas especiales, que es considerada muy poco posible.

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