Cosmología para torpes

Hay libros de informática, ajedrez, lenguaje de signos, chino, etc. a los que sigue un “….para torpes” o para dummies (en inglés). Lo explico para dejar claro el título del artículo que, como en esa colección de más de 500 libros, no pretende ofender al lector, sino abordar un tema de forma sencilla para principiantes en la materia. “Cosmología para torpes” no he encontrado, espero que alguien lo escriba pronto. Mientras llega, os ofrezco este artículo en el que lo intento gracias a Guillermo Buenadicha, coordinador de operaciones científicas de Euclid en ESA/ESAC, misión de la Agencia Espacial Europea (ESA). 

 

Cuando se habla de cosmología, ciencia que estudia la estructura, el tamaño y la historia del universo en su totalidad y, por extensión, el lugar que ocupamos nosotros en él, la mayoría de los mortales siente curiosidad, pero ante las respuestas y los métodos de estudio para obtenerlas se sienten abrumados y, en ocasiones, escépticos o directamente incrédulos.

La curiosidad no es algo nuevo. Desde el origen de la humanidad hemos tratado de conocer cómo se formó el universo, y todas las culturas han inventado distintos mitos para explicarlo. Son los llamados mitos de la creación, como el narrado en el Génesis. Si bien no hay que despreciar esos mitos, porque forman parte de nuestro acervo cultural, hay que diferenciarlos de la cosmología científica.

La cosmología es ciencia. Sigue el método científico; es decir, que lo que se sabe es fruto de la aplicación de ese método: observación sistemática, medición, experimentación, y formulación de hipótesis falsables, es decir a las que se ha buscado todos los posibles errores o falsedades y se sostienen en el tiempo.

 

 

Actualmente hay un modelo cosmológico concordante y aceptado. La teoría, de momento, aceptada casi mayoritariamente por la comunidad científica, plantea que si el universo está en expansión, en algún momento debió de tener un tamaño mucho más reducido. Según esta teoría, llamada la teoría del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años el universo comenzó a expandirse y enfriarse a medida que crecía el propio espacio. El Big Bang, según la Teoría de la Relatividad General de Einstein, no es solo el origen de la materia y de la energía sino también del espacio y el tiempo.

380 mil años después del Big Bang, la luz comenzó a propagarse libremente y desde entonces el espacio en expansión ha estado “estirando” esos rayos de luz, aumentando su longitud de onda hasta convertirlos en microondas. Los astrónomos llaman radiación de fondo de microondas a esa señal que procede de todas las direcciones del cielo. Esa luz acota el tamaño de nuestro universo observable, es decir de parte del universo total que es mucho más grande. Los cálculos actuales nos indican que el radio “actual” del universo observable es de unos 46.500 millones de años luz.

Solo conocemos la naturaleza del 5% del contenido del universo, la materia ordinaria, porque está conectada con nosotros a través de esa luz, de los datos que nos llegan de los fotones. Y estudiando la luz mediante sofisticadas técnicas científicas (espectroscopia, fotometría, morfometría, espectrometría, etc.) los científicos han obtenido gran parte de la información que tenemos sobre el universo.

 

Tenemos “mapas” de la estructura del universo a gran escala y sabemos que es homogéneo e isótropo, es decir muy semejante en las diferentes partes y direcciones. A esto lo llamamos el principio cosmológico. Y esto es aplicable cuando se habla de escalas por encima de 200 mega parsec (Un megaparsec son un millón de parsec (3,26 millones de años luz).

El universo a gran escala tiene un sinfín de diferentes configuraciones: filamentos, supercúmulos, estructuras, etc. que nos permiten tener una idea de cómo está estructurado, o más bien de cómo estaba porque todas las conclusiones proceden de la luz que nos llega de objetos a gran distancia. No conocemos el presente del universo, solo el pasado.

La estructura actual del universo ya estaba más o menos determinada durante los primeros momentos de su existencia y, a medida que el espacio se ha expandido, las regiones con una mayor densidad energética simplemente se han separado entre ellas y han evolucionado hasta dar lugar a los grupos de galaxias actuales.

 

 

La materia ordinaria, ese 5%, que vemos a través de la luz, es solo una parte. Del resto, es decir de la mayoría, el llamado universo oscuro, sigue siendo prácticamente un enigma. De hecho, desde hace unos cien años sabemos que existe materia oscura, y alrededor de hace veinticinco años energía oscura.  Para intentar conocer ese universo tan inaccesible, los científicos estudian dos fenómenos que se derivan de la Teoría de la Relatividad General de Einstein: las lentes gravitatorias y las ondas gravitatorias.

Las lentes gravitatorias se producen cuando la luz procedente de objetos distantes se curva al encontrarse en su trayectoria con un objeto masivo, como por ejemplo una galaxia. En 1919, el astrofísico Arthur Eddington observó cómo se curvaba la trayectoria de estrellas distantes, cómo éstas se desplazaban al pasar cerca del sol durante un eclipse solar.

La razón es que la luz atraviesa el espacio y se desvía al pasar por determinadas zonas en las que encuentra materia. El espacio-tiempo se deforma por la masa que hay en el camino que está siguiendo ese rayo de luz que se dobla. Es decir, la materia interpuesta actúa como si fuese una lente. Los científicos miden cuánto se “dobla” ese rayo de luz y de ahí deducen cuánto pesa el objeto causante de esa deformación del espacio-tiempo. Por cada gramo de materia luminosa que podemos observar, se calcula que existen entre ocho y diez gramos de materia oscura. Estas observaciones permitieron medir la masa de esos objetos sin brillo y fueron uno de los primeros indicios de la existencia de la materia oscura, que se calcula que supone entorno al 26% del contenido del universo.

 

 

Por otro lado, las ondas gravitatorias son perturbaciones que se producen en la propia estructura del espacio-tiempo que se transmite a la velocidad de la luz y que es producida por fenómenos muy energéticos. Su medición requiere una tecnología muy compleja. El experimento LIGO (Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) fue capaz de detectarlas cuando se produjeron fusiones de cuerpos celestes en interacción como agujeros negros y estrellas de neutrones, con docenas de masas solares. Gracias a los efectos de las ondas gravitatorias se ha podido constatar la existencia y masa de agujeros negros, de los objetos más exóticos del cosmos.

 “El concepto de onda gravitatoria se puede entender con la analogía de una cama elástica. Si colocamos una bola muy pesada en una, la goma de la cama se deforma. Esa es la famosa deformación espacio-tiempo que propugnó Einstein. Si movemos la bola, la goma de la cama sufrirá una serie de ondas, afectando a su vez a otros objetos colocados en ella. Los fenómenos muy energéticos en el Universo pueden causar alteraciones en la «goma» de los campos gravitatorios que sostienen la materia. La alteración de estas ondas se pueden ver midiendo con extraordinaria precisión cómo otros objetos se mueven entre sí. La analogía más válida es que hay objetos transparentes, que no vemos, en la cama elástica (materia oscura). Y que la propia cama está creciendo sin que sepamos por qué (energía oscura),  explica Guillermo Buenadicha, coordinador de Operaciones Científicas de Euclid en ESA/ESAC.

 

 

Los datos proporcionados por el telescopio Euclid permitirán analizar qué cantidad de materia oscura hay en la trayectoria de los rayos de luz y cómo se distribuye en el universo. Es decir, permitirán ver lo que no se ve a través de cómo se ha distorsionado lo que se ve. Combinando los datos obtenidos se podrá calcular, simultáneamente la distribución de materia oscura y galaxias, y también cómo cambian estas propiedades conforme la sonda mira más atrás en el tiempo (galaxias más lejanas) remontándose en sus observaciones a un equivalente de diez mil millones de años en el pasado.

Además de esa materia oscura, desde hace unos años, se sabe que hay algo más y en mayor cantidad, una especie de antigravedad, que en los últimos años está impulsando la expansión acelerada del universo. Los científicos la han llamado energía oscura y poco se sabe aún de ella, pero se cree que constituye la mayor parte del universo, en torno al 70%. Su estudio permitirá comprender por qué se está produciendo dicha aceleración.

 

 

La misión espacial Euclid permitirá por primera vez a los cosmólogos estudiar conjuntamente materia y energía oscura y entender por qué ambas provocan cambios en la apariencia y movimientos del universo observable. Los datos que aporte esta misión permitirán conocer la relación entre la distancia y forma de las galaxias y su correspondiente corrimiento al rojo, lo que previsiblemente ayudará a saber cómo la energía oscura provoca esa aceleración.

La misión pretende medir el corrimiento al rojo de galaxias situadas a diferentes distancias de la Tierra y la relación entre distancia y corrimiento al rojo. Que ¿qué es eso?, una vez más nos lo explica con una analogía Guillermo Buenadicha:

“Todos sabemos el ejemplo del tren que, al venir hacia nosotros haciendo sonar su sirena, va cambiando el tono de esta, y según se aleja, sigue haciéndolo. Esto se debe a que las ondas sonoras viajan más rápido (se comprimen) cuando se acercan, sonando más agudas, y más lentas al alejarse, sonando más graves. Si el sonido del tren fuese la nota La, y tuviésemos un afinador con ella perfectamente ajustada, podríamos ver cuánto se desvía (hacia la nota Sol o Si) el sonido. Las estrellas emiten “sonidos” debido a las reacciones atómicas que se producen en ellas, y esas reacciones generan las llamadas líneas espectrales, que nos dicen cuándo un electrón de un átomo de hidrógeno, por ejemplo, cambia de estado. Y esas líneas son conocidas, las podemos medir con nuestros afinadores en Tierra. Si las estrellas (o galaxias) se alejan de nosotros, esas líneas espectrales se mueven en el espectro electromagnético. Si se van haciendo más «lentas» se mueven hacia el rojo (el nombre viene de la descomposición de la luz en colores, las ondas rojas están más espaciadas entre ellas). Si son más rápidos, se corren al azul. Lo normal es que los objetos en el Universo se separen entre sí, por lo que se habla del corrimiento al rojo de un objeto para expresar a qué velocidad se aleja de nosotros, y al mismo tiempo sirve para decir cómo de antiguo es un objeto. Los objetos más lejanos (y al mismo tiempo los más antiguos) son los que se alejan a la mayor velocidad, ya que el Universo se aleja más rápido cuanto más lejos se está”, asegura Buenadicha.

 

 

 

Publicado el 7 de Noviembre de 2024

 

Eva Veneros Hernández de la Torre.

 Barajas. Navarredonda de Gredos, Ávila

  Casa del Altozano. Base de Polaris

Casa rural en Gredos