El Código Genético del Universo, Parte III
El destino del Universo. La evolución
Desde los tiempos más remotos del Ser Humano no cesa de observar y admirar el Universo. A lo largo de siglos y siglos, generación tras generación, investigadores comprometidos fueron registrando metódicamente la posición de todos los cuerpos celestes al alcance de nuestra “visión”. El movimiento de los astros que, furtiva o cíclicamente, atravesaron nuestro “pedazo de cielo” fue minuciosamente estudiado. Utilizando instrumentos cada vez más potentes y sofisticados, se avistaron otros soles y otros sistemas solares, con planetas y satélites girando unos alrededor de otros, haciendo recordar nuestro propio sistema solar; de repente percibimos que formamos parte de una inmensa galaxia, la Vía Láctea, y que mas allá, a lo lejos, existen muchas y muchas otras galaxias, al parecer alejándose unas de otras a gran velocidad.
En esa gran inmensidad, todo parece silencioso, quieto, impasible; tál es la vastedad que de ella nos separa: En el extremo opuesto, en lo mas interior de lo infinitamente pequeño, también se revela un incesante movimiento, aunque visto desde fuera todo parece inmovilidad y continuidad.
La Ciencia encontró vestigios de tiempos muy, muy remotos y descubrió una radiación de fondo, diseminada (a la misma temperatura) por todo el Cosmos, una gran abundancia de hidrógeno con respecto a la cantidad de helio y de otros átomos mas pesados, así como muy poca cantidad de materia sobre la radiación que llena el Universo. Finalmente se descubrió la superabundancia de materia sobre la antimateria. Estudió atentamente esos “fósiles” del pasado y construyó modelos explicativos que parecen coherentes, llevándole hoy a admitir que este Universo haya “nacido” un “día” y siga, desde entonces, su propia “epopeya de evolución”.
Dos hipótesis
Siendo hoy innegable, por la vía de la observación experimental, que el Universo está en expansión (ver Biosofia nº3), la cuestión sobre su destino está relacionada con otra que puede ser planteada del siguiente modo: ¿Con qué velocidad se expande el Universo en relación a la cantidad de materia que contiene?
En el modelo inflaccionario del Big Bang, en un determinado periodo de expansión del Universo – a 1012 sg, o sea, 300.000 años después del Big Bang, materia y radiación, que hasta ahí coexistían en una permanente conversión de partículas y antipartículas en radiación y viceversa, se disociaron. La materia se aglomeró en estructuras y superestructuras que se atraen por la fuerza de la gravedad y que simultáneamente se alejan por la energía cinética asociada a la expansión subsecuente al Big Bang; la radiación impregnó el espacio intergaláctico y, encontrándose hoy a una temperatura cercana a 3 grados kelvin, se va enfriando a medida que la expansión del Universo continúa.
Imaginemos un cilindro elástico, circular, con cerca de 3 cm. de diámetro –uno de esos que se usan para hacer un rulo en el cabello o para agarrar un mazo de cartas-. Ese cilindro circular puede ser estirado hasta el límite de su elasticidad, o sea, hasta el límite de su capacidad de estirado sin partirse. Imaginemos por ejemplo que nuestro cilindro consigue ser estirado hasta quedar con un diámetro de 7 cm. Si lo estiramos aún más, se parte y deja de tener la utilidad que pretendíamos. En este caso, si no lo forzamos y sobrepasamos su limite de elasticidad, relajamos esa fuerza, y él vuelve a su tamaño inicial, o sea, vuelve a tener los 3 cm. de diámetro.
Retomemos ahora nuestro Universo. Si la materia que contiene fuera suficiente para que la fuerza gravitatoria de atracción que posee (análogamente la fuerza que mantiene el elástico cohesionando) sea superior a la energía cinética de expansión (la fuerza que estira el elástico), la atracción gravitatoria “trabará” la expansión a cada instante, y en un determinado momento del futuro, hará que esa expansión se detenga. Se dice en este caso que el Universo está “cerrado”. A semejanza de lo que acontece con el elástico cuando lo dejamos de estirar, puede ocurrir que el Universo invierta el sentido de su movimiento y comience a contraerse.
Si por el contrario, la cantidad total de masa no fuera suficiente para actuar como un freno a la energía cinética, el movimiento de expansión no cesará nunca, (el elástico se partirá) diciendo en este caso que el Universo es “abierto”.
Estas designaciones de abierto y cerrado están relacionadas con la influencia que, según la teoría de la relatividad general, la fuerza de la gravedad (o campo gravitatorio) tendría sobre la geometría del espacio en cada una de las hipótesis referidas, un Universo cerrado es equivalente a una superficie tridimensional curvada sobre si misma, como la superficie de una esfera, por ejemplo. Un Universo abierto sería mejor representado por una superficie abierta, como la superficie de un valle entre dos montañas.
En el caso intermedio, la situación en que la atracción gravitacional compensaría exactamente la energía de expansión, correspondería a un universo estático, geométricamente equivalente a la superficie lisa de una hoja de papel estirado. Era en este tipo de Universo estático en el que Einstein (igual que Aristóteles, Copernico, Galileo o Newton antes que él) creía. Cuando al desarrollar las ecuaciones de su teoría general de la relatividad, en 1916, estas le indicaron que el Universo se debía estar expandiendo o contrayendo, decidió añadirles un término –la famosa constante cosmológica-, cuya finalidad era simplemente conseguir ¡que la solución de las ecuaciones continuase demostrando un universo estático! En 1929, cuando Hubble demostró que el Universo esta en expansión, Einstein calificó la introducción de la “constante cosmológica” en las referidas ecuaciones como la “mayor tontería” de su carrera.
Volvamos entretanto a la hipótesis “abierto o cerrado”. Imaginemos que la primera (abierto) es la que prevalece y que el Universo continua indefinidamente en expansión: como el tiempo medio de vida de un protón (una de las partículas fundamentales de los núcleos atómicos y por tanto de toda la materia existente) es de 1030 años, al final de ese tiempo, más o menos, toda la materia acabará por desintegrarse, acabando el Universo en una radiación fría en eterna expansión.
En la segunda de las hipótesis, si la gravedad “traba” definitivamente la expansión del Universo, podremos considerar la posibilidad de retorno al estado inicial de Big Bang, que ahora designaríamos por “Big Crunch” (tal vez podamos traducir esa expresión inglesa por “gran reencuentro”) ¿Con cuál nos quedamos?
Si procurásemos estimar la velocidad de expansión del universo a partir de la observación de la velocidad de alejamiento de las galaxias, y si consiguiéramos determinar la cantidad de materia contenida en el Universo, podríamos intentar “adivinar” cuál de los escenarios para su destino es el más probable. Ahora la determinación de la cantidad de materia del Universo debe ser revelada…
…una tarea difícil
Siendo verdad que la distribución de las galaxias próximas a la nuestra está lejos de poder ser considerada isotrópica, cuando consideramos el Universo en gran escala y la asociación de galaxias en enjambres y superenjambres podemos tomar su distribución por el espacio universal como fundamentalmente isotrópica. Por isotrópico queremos decir que el Universo parece igual a un determinado observador, independientemente de la dirección del espacio hacia la cual dirige su mirada. Este principio nos permite considerar uniforme la distribución de materia en el Universo, y así estudiar solo una parte que nos sea más accesible y suficientemente representativa (incluyendo varios clusters de galaxias), para a partir de ella extrapolar la masa total del Universo.
Es costumbre utilizar el término “densidad de masa critica”. Corresponde a la densidad de masa que debería tener el universo para que la atracción gravitatoria entre la materia que se contiene en él contrarrestre exactamente los efectos de la expansión. Este valor medio se sitúa ente 10 -29 y 2×10-32 gramos por centímetro cúbico, y dicho de otro modo significa que, para que la expansión del Universo esté en proceso de desaceleración, hasta llegar a un día a detenerse, debe existir, de media, materia equivalente a cerca de 3 átomos de hidrogeno por cada metro cúbico de espacio. El modelo inflaccionario del Big Bang prevé que la densidad de la materia del Universo corresponda exactamente al valor de la “densidad critica”, presuponiendo así que el Universo se cierre sobre si mismo.
Entretanto al estimar la masa de las estrellas y las galaxias del universo, tanto por el estudio de sus movimientos como por la radiación luminosa que nos llega, y sabiendo que eso corresponde sobre todo a la materia bariónica (o sea, a los protones y neutrones que forman los núcleos de los elementos químicos que conocemos), solo conseguimos llegar a valores para la masa del Universo que se sitúan ente el 2 y el 10% de la densidad de masa critica. ¡Espanto e incredulidad! ¿Dónde está el 90% restante?
Materia oscura
Actualmente se sabe que debe existir “algo” que, no emitiendo luz en cualquier otro tipo de radiación observable, es no obstante detectable por el efecto gravitacional que ejerce sobre la materia visible. A ese “algo” se le da el nombre de “materia oscura”, y aunque no sea conocida su naturaleza, la prueba inequívoca de que existe puede ser considerada como otro de los muy significativos descubrimientos del siglo XX.
Una fuerte indicación de la presencia de la masa oscura se deriva del análisis detallado del movimiento de las estrellas y de la distribución de la materia galáctica, dado que las velocidades observadas son muy superiores a lo que sería de esperar si la materia-energía de esas galaxias fuese la cantidad estimada.
Otra señal de la existencia de la materia oscura está asociada al fenómeno conocido por “lentes gravitacionales”. La teoría general de la relatividad de Einstein prevé que, cuando se interpone un cuerpo de masa elevada entre una fuente de luz (una galaxia en este caso) y la Tierra, el campo gravitatorio generado por la masa de ese cuerpo intermedio altera la trayectoria de los rayos de luz que emanan de la galaxia en dirección a la Tierra, dando origen a una imagen distorsionada de la galaxia. De este modo, las distorsiones que caracterizan algunas imágenes que nos llegan de galaxias distantes pueden ser justificadas por la existencia de lentes gravitacionales de materia oscura entre ellas y nuestro planeta.
Caliente y Frío
A falta de evidencia experimental sobre la naturaleza de la materia oscura, mas admitiendo que esta formada por partículas producidas desde el Big Bang y distribuidos más o menos uniformemente por el Universo, podemos especular un poco, dividiéndola en dos tipos de materia oscura : caliente y fría.
La materia oscura caliente consistiría por un lado de materia bariónica (por tanto de partículas conocidas). Esa materia bariónica estaría distribuida como gas intergaláctico y en los halos de galaxias y de otros objetos compactos, tales como las “enanas blancas” (estado final de evolución de una estrella de masa semejante a nuestro sol, aunque mucho más compacta, en la cual el combustible nuclear comienza a agotarse), enanas castañas (igual fenómeno para las estrellas de masa inferior), y las estrellas de neutrones (constituidas por gas de neutrones y con una densidad extremadamente elevada).
Por otro lado, la materia oscura caliente estaría constituida también de materia no bariónica: partículas muy ligeras, incluso más ligeras que los electrones, las cuales se dislocarían por el Universo a velocidades muy elevadas, cercanas a la velocidad de la luz: Un serio candidato es el neutrino (ver Revista Biosofia nº3). Los actuales modelos de Big Bang admiten que en la explosión energética inicial habría sido producida una idéntica cantidad de neutrinos y de fotones, existiendo así actualmente una proporción entre neutrinos fotones, de aproximadamente 109 neutrinos por protón.
Los neutrinos son por tanto muy abundantes en el Universo, y si su masa no fuera nula, incluso siendo muy pequeña, tal hecho podría constituir una contribución apreciable a la masa total del Universo. Es muy difícil obtener mediaciones directas de la masa del neutrino, porque como ya fue referido, las tres especies de neutrinos existentes (electrónico, muónico y tautónico) no tienen carga eléctrica e interaccionan tan débilmente con la materia, que atraviesan fácilmente la Tierra de norte a sur como si ella fuese un espacio vacío. Con todo, como existen esas 3 especies de neutrinos, se han realizado diversas experiencias en el sentido de percibir si podrían ocurrir transiciones (conversiones) entre ellas: por ejemplo, un neutrino muónico, en determinadas condiciones energéticas-temporales, se podría transformar en un neutrino electrónico. Estas transiciones, designadas como oscilaciones de neutrinos, solo acontecen si los neutrones tuvieran masa. En 1998 fue observada de forma inequívoca una oscilación de neutrinos. Importantes experiencias de reconfirmación, utilizando neutrinos provenientes de explosiones solares, están siendo preparadas, de modo en el breve periodo de 3 años, se sea capaz de determinar la densidad de masa del Universo con un margen de error del 1%. Entonces volveremos a hablar…
¿No existirán otros escenarios posibles?
Uno de los elementos más enigmáticos de la Cosmología actual son precisamente los “agujeros negros”, singularidades en el espacio donde la materia parece “colapsar”, dando origen a campos gravitatorios de infinita intensidad, Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein ya preveían la existencia de esas “anormalidades”, lugares del Universo que engullen toda la materia de su alrededor, no dejando que nada –ni siquiera la luz- escape para revelar su presencia. Actualmente una de las manifestaciones indicadoras de un agujero negro está relacionada con sistemas binarios de estrellas que, por atracción gravitatoria, giran una en relación a la otra. Se ha observado que a veces una de ellas desaparece, mientras que la otra continua girando en torno a la posición de la primera como si aun estuviese ahí. Se concluyó, después de varios años de estudio, que la primera giraba en torno a un agujero negro que había absorbido a la segunda, y hacia donde ella caería más tarde. Hoy fenómenos que pueden estar relacionados con la existencia de agujeros negros son encontrados con alguna frecuencia en el corazón de las galaxias.
Dos veces las ecuaciones de Einstein habían apuntado hacia posibilidades difíciles de demostrar: la expansión del Universo y la implosión de la materia hacia un punto de densidad infinito. Tomando como cierta la imposibilidad de ambas, Einstein pensó que sus cálculos matemáticos debían estar incompletos. No obstante, al menos en estas dos cuestiones no lo estaban. ¿Quién sabe si en los desarrollos matemáticos futuros no aparecerán condiciones que indiquen la existencia de otros universos?…
En verdad ideas nuevas e intrigantes como esa comienzan ya a ser barajadas. Es el caso de la hipótesis de “universos bebes”, generados a partir de sus “universos padres”, a través de agujeros o túneles, con pequeñas variaciones de las leyes de la física de una generación a la siguiente –mutaciones que permitirían una incesante evolución en la inmensidad de miltidimensionalidad del espacio-tiempo-. Así la idea de que pueden existir otros Universos en comunicación con el nuestro constituye un ingrediente del pensamiento científico actual, y en cuanto discutimos entre “abierto” o “cerrado” y programamos experiencias, la imaginación va abriendo caminos. De algún modo, viniendo del pasado, fijada en el presente y florecida en el futuro [la imaginación] diseña el hilo conductor de la evolución (“El Séptimo Circulo”, CLUC, 1995)
Liliana Ferreira
Licencia en Física;
Doctorada en Física de Radiación.
Profesora e investigadora en el Departamento de Física de la Universidad de Coimbra.
Comentarios recientes