Tensión cósmica

La energía oscura y la evolución del universo

Alejandro Gangui

• Publisher: Eudeba
• Year: 2021
• ISBN:
  9789502331577
• Topic: Ciencias físicas
• Subtopic: Cosmología

¿De qué está hecho nuestro universo? Esta no es una pregunta nueva; de una manera u otra, el mismo interrogante ha acompañado a nuestros antepasados curiosos desde la noche de los tiempos. Los estudiosos del cosmos de hoy, sin embargo, creen haber hallado la respuesta. A partir de novedosas teorías y de observaciones y experimentos de gran precisión, se ha establecido un modelo para la evolución y el contenido de este universo, que nuestros abuelos (y, en algunos casos, incluso nuestros padres) jamás habrían podido siquiera imaginar. El resultado, de más está decir, es extraño, muy extraño. Pues todo aquello que nos rodea y aquello que los astrónomos pueden localizar con sus potentes máquinas de atrapar luces lejanas (a veces también llamadas "máquinas del tiempo") representa un magro porcentaje de todo lo que sabemos –o pensamos que sabemos– que hay allá afuera. Y el resto que no vemos ¿qué es y qué aspecto tiene? Este libro trata precisamente de describir esos componentes oscuros que solo se dejan detectar indirectamente y que se comportan de manera inusual. Se los ha llamado materia y energía oscuras; se trata, sin ninguna duda, de nombres un poco confusos pero que se relacionan fuertemente con nuestra cultura global (pues representan el lado oscuro de nuestro universo).

1. EL ESTUDIO DEL UNIVERSO

“Un fuego de artificio que acaba de terminar. Algunas mechas rojas, cenizas y humo.

De pie sobre una carbonilla algo más fría, vemos apagarse lentamente los soles y

tratamos de reconstituir el resplandor desaparecido de la formación de los mundos”.

Georges Lemaître, La hipótesis del átomo primitivo, 1945.

La cosmología moderna es la ciencia que estudia el universo. De muy diferentes maneras, atrae y fascina a todos, especialmente a aquellos de nosotros que alguna vez nos pusimos a pensar en el lugar que ocupamos en el cosmos. En estos días, con el creciente grado de especialización en todas las actividades intelectuales, la tendencia es a fraccionar, a dividir los temas en sus partes orgánicas más pequeñas, de manera tal de poder inspeccionarlas con el máximo detalle. La cosmología, sin embargo, toma el sentido inverso, pues trata de colocar juntas todas las piezas de este gran rompecabezas que nos rodea, y de concebir un todo coherente y armonioso. Quizá no sea exagerada la comparación con lo que le sucede a un pintor impresionista; en su trabajo, el cosmólogo también prefiere alejarse de la tela y mirar la “gran obra” como un todo, sin distraerse en los detalles particulares.

El universo es, en efecto, tanto en su constitución como en su funcionamiento, un sistema bello y armonioso: un kosmos, como lo entendían ya los griegos del siglo IV a.C. Así lo expresó Platón en su obra Timeo, distinguiéndolo del Caos que sus antecesores habían imaginado para el origen del universo. La cosmología del siglo XXI no pretende explicar el origen del cosmos, pues los científicos saben bien que ese “ origen” aún está vedado a las más recientes y desarrolladas teorías de la física. Esta afirmación en un libro como este quizá genere un poco de asombro, pues ¿qué podría significar Big Bang sino el “ origen” del universo? Bien, sabemos hoy que el nombre Big Bang no significa lo que parece, y que los cosmólogos no se abocan a explicar el origen (¿tuvo origen el cosmos?), sino más bien la evolución del universo que nos rodea. Sin duda, en las páginas que siguen tendremos repetidas ocasiones para explayarnos sobre estas ideas.

Siguiendo con nuestra historia, el discípulo más prominente de Platón, Aristóteles, fue el encargado de instaurar un modelo del cosmos tan real y coherente (de acuerdo con el sentido común) que perduró como la imagen oficial que aceptaron filósofos de la naturaleza y poetas por igual durante los siguientes dos mil años. (1)

Pero la cosmología es más que esto. Es también la historia de la humanidad en busca de sus orígenes. Es el intento más que milenario de comprender las fuerzas naturales que rigen el cosmos, para apartarse de aquellos pensamientos mágicos y fraudulentos que nos llevan por caminos truncos. La ciencia, que se fue perfeccionando con el correr de los siglos, nos permite hoy estudiar el cosmos de manera científica. Y cada generación nueva de estudiantes dispone de nuevos elementos –descubrimientos, observaciones, ideas originales– que los acercan un poco más a las respuestas que, desde siempre, buscamos sobre nuestro universo.

1.1 LOS ORÍGENES DE LA CIENCIA DEL CIELO

La ciencia del universo no nació ya adulta con los griegos, como cuentan que sí lo hizo Atenea de la cabeza de Zeus. Hubo muchos pueblos que contribuyeron a darle forma desde la más remota antigüedad. Las civilizaciones de la Mesopotamia, entre los ríos Tigris y Éufrates, observaron el movimiento de los astros más de cuatro mil años atrás. También recopilaron catálogos de estrellas y dividieron el cielo en las doce constelaciones del zodíaco tradicional que aún conocemos en la actualidad.

Por su parte, los antiguos egipcios también fueron agudos observadores del cielo. Las inundaciones del majestuoso Nilo, que inicialmente se mostraban caprichosas para una sociedad nómade y errante, con el tiempo se volvieron predecibles para las sociedades agrícolas estables que fundaron ciudades como la de Elefantina (hoy Asuán) y la de Menfis. Sus observaciones astronómicas, llevadas a cabo generación tras generación, permitieron a los egipcios sincronizar los ritmos agrícolas con los del cielo, y hasta relacionar las crecidas del gran río con la primera aparición anual de la estrella Sirio por el horizonte oriental.

Con el correr de los siglos, las ideas de un cosmos perfectamente esférico y cerrado, provisto de esferas cristalinas donde se engarzaban los planetas –como lo había imaginado Aristóteles– comienzan a ser cuestionadas. En el siglo II de nuestra era, Ptolomeo de Alejandría observó movimientos complicados en los planetas, lo que lo llevó a establecer elaborados epiciclos para cada cuerpo celeste con el fin de salvar las apariencias y continuar aplicando las viejas ideas aristotélicas de movimientos circulares y de velocidad uniforme.

Llegado el Renacimiento, Copérnico publica su tratado sobre las revoluciones de las esferas celestes, donde desplaza a la Tierra del centro del cosmos y coloca en dicho lugar al Sol. Fue un salto intelectual difícil de imaginar en nuestros días, en que ciertos conceptos se dan por sentados, y que tardó años en difundirse y en ser aceptado por los estudiosos de la vieja Europa y del resto del mundo. Con este nuevo modelo, las observaciones astronómicas que desvelaron a Ptolomeo se hacían más naturales, aunque, como podemos imaginar, el nuevo marco teórico encontró fuerte reacción en los ámbitos conservadores religiosos.

Impulsados por estos nuevos desarrollos teóricos –que en la época eran conocidos solo por unos pocos eruditos–, varios pensadores se sintieron como asfixiados por la presencia de un universo dispuesto en capas y finito en extensión, e imaginaron estrellas y planetas diseminados por doquier en un universo infinito. Uno de los máximos exponentes de estas novedosas ideas, Giordano Bruno, llegó incluso a imaginar infinitos planetas y, con ellos, la necesaria ubicuidad de la vida. En su fértil imaginación, la idea era clara: si el poder de Dios era infinito –así pensaba él en su profundo sentimiento religioso–, también debería serlo su obra. Si en nuestro planeta Tierra había surgido la vida, ¿qué impedía a Dios diseminarla por el resto del universo?

La Tierra abandona entonces su ubicación central en el cosmos y el Sol se convierte ahora en una estrella más entre las infinitas que pueblan el cielo, como lo imaginaban Bruno y sus seguidores. El mundo supralunar aristotélico, pensado perfecto e inmutable, comienza a mostrar rajaduras severas y preocupantes: Tycho Brahe observa en 1572 una estrella nueva –una nova en la constelación de Casiopea– que rompe con el dogma de la inmutabilidad de los cielos. Más tarde, el mismo Tycho detecta un cometa que contornea el Sol a lo largo de su viaje por el cielo. Pero para hacerlo debía atravesar las esferas cristalinas de Aristóteles, y eso era algo imposible... Uno por uno fueron cayendo los supuestos de los antiguos griegos.

Las meticulosas observaciones –sin telescopio– realizadas a lo largo de los años por Tycho fueron heredadas por Johannes Kepler. Entre la inmensa cantidad de datos astronómicos a su disposición, Kepler dedicó sus mayores esfuerzos a estudiar las idas y venidas del planeta Marte, cuyos movimientos retrógrados y variaciones de luminosidad habían representado desde siempre un enigma para los astrónomos. En 1605, Kepler tuvo calculada su órbita: encontró una elipse y no una circunferencia, como se había pensado desde la época de Aristóteles, con el Sol ubicado en uno de sus focos. Este hallazgo llegó a nuestros días como la primera ley de Kepler y, pese a que para Kepler representaba una ley deducida de la observación, años más tarde, con la teoría de la gravitación de Isaac Newton, recibió la necesaria formalización teórica buscada. De hecho, todas las leyes del movimiento planetario pueden ser deducidas mediante el uso de la teoría newtoniana de la gravitación universal.

Los estudios de Kepler fueron contemporáneos a las observaciones de Galileo Galilei, considerado este último el fundador de la ciencia moderna por sus estudios en diversas áreas de la física del movimiento. En el ámbito de la investigación astronómica, Galileo fue el primero en apuntar su telescopio hacia el cielo, en 1609. Y lo que allí observó contribuyó a dar el golpe de gracia a la “ciencia” de los antiguos pensadores griegos: la Luna resultó no ser etérea y perfecta como se pensaba, sino que estaba cubierta de cráteres y tenía aspecto rocoso. Al apuntar su telescopio hacia Júpiter, comprobó que no todo giraba en torno a la Tierra, como se pensaba antes de Copérnico, ni en torno al Sol, como lentamente se comenzó a pensar después, sino que existían cuatro cuerpos celestes –los hoy célebres satélites galileanos– que se trasladaban día tras día en torno a dicho planeta, lo que mostró que podían existir pequeños sistemas dentro del sistema solar mayor. Observó el planeta Venus y sus fases, y muchas cosas más. El camino quedaba así despejado –no sin dolor para los pioneros, por supuesto– para que la ciencia del cielo pudiera desarrollarse en completa libertad.

1.2 LA PRIMERA GRAN UNIFICACIÓN

Fue Newton el encargado de elaborar una descripción matemática completa de la gravitación. Dicho marco teórico era el mismo que explicaba la física terrestre y la de los astros: desde la caída de una manzana al movimiento de un cuerpo celeste como la Luna alrededor de la Tierra. Esta unificación –la primera gran unificación de la física– mostraba que la separación en dos reinos impuesta por Aristóteles para el universo –el supralunar, de los astros, y el sublunar, de los objetos terrestres– era ficticia y carecía de fundamento. Junto con las observaciones de Galileo, comenzaba a ser claro que la descripción física era una sola para todo el cosmos, y que la dinámica del universo estaba sujeta a la ley de la gravitación universal.

Tan precisa y útil resultó ser la teoría newtoniana que pudo describir todas las observaciones astronómicas por más de dos siglos, hasta finales del siglo XIX. Fue en ese entonces que el extraordinario nivel de precisión de las observaciones mostró ciertas limitaciones en la teoría. El movimiento de Mercurio, por ejemplo, no obedecía exactamente lo que mandaban las leyes de Newton. La órbita de este planeta –el más cercano al Sol y el que más siente su campo gravitacional– sufría pequeñas perturbaciones que la alejaban en una cantidad ínfima –pero calculable– de lo que se predecía teóricamente.

Tanta confianza tenían los astrónomos en la teoría de Newton, que cualquier idea –por alocada que pareciese– debía ser tenida en consideración antes de pensar en modificar la obra cumbre del gran inglés. Así fue como se propuso incluso la presencia de un planeta nuevo en el sistema solar, inexistente, interior a la órbita de Mercurio, al que bautizaron Vulcano, que con su atracción gravitacional sería el responsable de alterar el curso de Mercurio. Vulcano fue buscado por muchos años, pero jamás se dejó capturar por los telescopios de la época. Hubo entonces que esperar hasta los inicios del siglo XX para que surgiera, de la mano de Albert Einstein, una nueva teoría del espacio-tiempo y de la gravitación, más compleja pero también más abarcadora, y para que Vulcano cayese en el olvido.

1.3 LA GRAVITACIÓN EN EL SIGLO XX

La teoría de la relatividad que Einstein propuso en 1905 –que hoy conocemos como relatividad especial o restringida– ofreció los elementos necesarios para que los científicos pudiesen describir los procesos relacionados con el comportamiento de la luz. En la vida cotidiana, estamos acostumbrados a superponer velocidades de objetos en movimiento, a sumarlas y a restarlas. Por ejemplo, una persona dentro de un vagón que camina en la misma dirección en la que se mueve el tren se ve, desde el andén, como si se desplazara con una velocidad que es la suma de las velocidades del tren y la de sus piernas respecto del piso del vagón. Esta adición de velocidades, sin embargo, no está permitida para la luz. La relatividad especial postula que la velocidad de la luz es una constante para todo observador, y que no existe forma alguna de propagación de información que la sobrepase en velocidad. Si en un tren en movimiento, en vez de caminar, disparásemos un rayo de luz con una linterna, la velocidad con la que se vería desplazarse a este desde el andén sería la misma que con la que se lo vería desplazarse dentro del vagón, y en ambos casos la velocidad sería de unos 300.000 kilómetros/segundo. (2)

Para explicar estas nuevas ideas –que luego se revelaron fieles a la observación astronómica–, Einstein debió renunciar a varios de los postulados de Newton. El espacio newtoniano donde se desarrollaban todos los eventos de la física era rígido, inmutable e independiente de la materia que contenía en su interior. El tiempo newtoniano fluía de idéntica manera (y el andar de los relojes era idéntico) para todos los observadores, independientemente de su estado de movimiento relativo. Esto dejaría de ser así en la teoría de la relatividad de Einstein. En ella se propone un nuevo marco teórico según el cual el fluir del tiempo y la longitud de los objetos se modifican de acuerdo con el estado de movimiento de los observadores. Si un viajero que emprende una travesía interestelar a altas velocidades –próximas a la de la luz– mide su tiempo de viaje con un reloj fijo a la Tierra, se verá que este envejece más lentamente que sus amigos terrestres. Estas novedades de la relatividad han dado origen a supuestas paradojas, como la célebre paradoja de los gemelos, que a veces nos dejan sorprendidos, pero que la teoría predice y explica adecuadamente.

Sin embargo, la relatividad restringida no podía explicar las anomalías observadas en el siglo XIX en la trayectoria de Mercurio. Para ello hizo falta más trabajo y fue nuevamente Einstein quien, en 1915, propuso su teoría de la relatividad general. Este nuevo marco teórico, completamente diferente del newtoniano, constituyó una nueva teoría de la gravitación que permitió abordar el estudio de sistemas físicos que la teoría de Newton debía dejar de lado. Regiones del espacio-tiempo einsteiniano con concentraciones de materia inmensas, como las que se hallan en las cercanías de las estrellas, o velocidades tan grandes que desafían la imaginación, pueden ser ahora sometidas a un estudio científico adecuado. Mercurio es el planeta que se halla más próximo al Sol –cuerpo astronómico que concentra más del 99% de la masa total del sistema solar– y es, por ello, el planeta que más velozmente se desplaza en su órbita. Mercurio fue desde siempre el objeto “más relativista” de nuestro entorno astronómico, y el lugar natural para descubrir las pequeñas diferencias que separaban a las teorías de Newton y de Einstein. Uno de los primeros sistemas astronómicos a los cuales Einstein aplicó su nueva teoría fue precisamente Mercurio, para explicar elegantemente las sutiles diferencias observacionales que quitaban el sueño a los astrónomos desde hacía décadas (figura 1).

Fig. 1: Las teorías gravitatorias de Newton y de Einstein, dos miradas diferentes sobre la dinámica de nuestro sistema solar (y sobre el cosmos en general). Fuente: elaboración propia.

1.4 NUEVAS TEORÍAS, NUEVAS PREDICCIONES

Como es usual en la ciencia, toda gran teoría científica no solo da cuenta de los fenómenos que teorías previas fracasan en explicar; una nueva teoría que se precie debe también predecir nuevos fenómenos que luego tendrían que poder ser ratificados por la observación. Y la teoría de la relatividad general de Einstein cumplió también con este requisito. Esta teoría imagina el espacio-tiempo como una entidad deformable y dinámica. El espacio que contiene a la materia deja ya de ser inerte frente a dicha materia (frente a toda forma de materia, ya sea masiva o no, visible u oscura) y se ve modificado por ella. Para Einstein, la fuerza gravitacional que Newton imaginara entre distintos cuerpos masivos ya no tiene razón de ser y es dejada de lado. En su lugar, Einstein imagina la gravitación como un efecto geométrico.

La materia hace curvar al espacio que la contiene, esto es, modifica las propiedades geométricas del espacio, y no lo hace de manera caprichosa, sino siguiendo las indicaciones precisas escritas en las ecuaciones de la relatividad general. El tiempo también se ve afectado, y el fluir del tiempo se modifica en cercanías de campos gravitacionales intensos. Los planetas, en este nuevo marco teórico, siguen órbitas keplerianas no porque una fuerza newtoniana los mantenga unidos al Sol, sino simplemente porque la gran masa del astro, con su sola presencia, curvó –“hundió”– el espacio tridimensional que lo rodea y a los planetas no les queda otra opción que recorrer sus caminos sobre un espacio curvo.

Pero si es verdad que la fuerza de Newton ya no existe más y que la atracción gravitacional se debe a la curvatura del espacio, entonces esta curvatura afectará no solo a los objetos masivos, sino a toda entidad que se desplace en los alrededores del Sol, incluso a los corpúsculos de la luz. En efecto, y esta es una de las más fantásticas predicciones de la relatividad de Einstein: la luz “pesa”, esto es, la luz se ve afectada por los cuerpos masivos. Años más tarde, en 1919, en ocasión de un eclipse total de Sol, este nuevo efecto relativista fue verificado y hoy constituye una de las herramientas más útiles para los astrónomos que investigan la constitución real del universo. Pues hoy se sabe que muchos objetos astronómicos no emiten ningún tipo de radiación –“luz”– que permita detectarlos. Sin embargo, por el...