La astronomía en 100 preguntas

Vicent Martínez Badenes

• Editorial: Nowtilus
• Año: 2021
• ISBN:
  9788413051369
• Categoría: Biowissenschaften
• Categoría: Wissenschaft Allgemein

Todas las cuestiones esenciales de la ciencia del universo: Instrumentación astronómica, misiones espaciales, el sistema solar, física estelar, exoplanetas, física galáctica, extragaláctica y cosmología. Desde el origen de la astronomía hasta los experimentos más avanzados y la investigación científica de vanguardia.¿Cómo de potente puede ser un telescopio? ¿Emite radio el Universo? ¿Van a ser viables los taxis espaciales? ¿Hay proyectos serios de exploración interestelar? ¿Cuáles son los fenómenos estelares más violentos del Universo? ¿Tiene centro la Vía Láctea? ¿Hay exoplanetas habitables? ¿Hay infinitas galaxias hay en el Universo? ¿Son los cuásares (objetos cuasi-estelares) estrellas o no? ¿Podemos escuchar el eco del Big Bang? ¿Son las ondas gravitacionales parecidas a las electromagnéticas o a las sonoras? ¿Puede un agujero negro tener pelo? ¿Existen realmente la Materia Oscura y la Energía Oscura? ¿Por qué estamos hechos de materia y no de antimateria?

COSMOLOGÍA

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¿PERO LA COSMOLOGÍA NO ES LO MISMO QUE LA ASTRONOMÍA?

Cuando se plantea la dicotomía astronomía/cosmología quizá lo primero que se nos viene a la cabeza es otro par de sustantivos de raíz similar: astronauta y cosmonauta. Como se mencionó en el bloque dedicado a la carrera espacial, la diferencia entre ambos grupos de viajeros espaciales estriba únicamente en su lugar de nacimiento: a los estadounidenses se les llamaba astronautas y a los soviéticos cosmonautas. Sin embargo, esta diferencia tan liviana no se aplica al debate cosmología vs. astronomía.

Para intentar entenderlo mejor, fijémonos bien en las raíces de ambos términos. «Logía» significa «estudio» o, de manera más general y actual «disciplina dedicada al estudio de». «Cosmos» es un préstamo lingüístico del griego al latín, donde ya llegó con un significado de «universo», similar al que le damos hoy en día. La cosmología, pues, es el estudio del universo como un todo, frente a la astronomía o la astrofísica, que sería el estudio de los astros que forman parte de ese universo.

El origen del mundo en el que vivimos, lo que ahora llamamos universo, ha sido una pregunta recurrente de la humanidad desde que se puede llamar tal. Cada religión, cada secta y cada corriente de pensamiento ha diseñado un relato que se ajustara a su mitología o creencias. Hoy contamos con teorías que trascienden dichas creencias para crear modelos que expliquen no solo el origen, sino el funcionamiento del universo como un todo.

Esta diferenciación entre cosmología y astronomía es no obstante bastante reciente. Como indicamos ya en la primera pregunta de esta obra, el estudio general de los cielos estuvo ligado durante siglos a la religión, o al menos a lo que ahora llamamos religión. En general, todo aquello que estaba más allá de la Tierra eran «los cielos», y ahí es donde tenían su morada los dioses, por lo que es complicado desligar una cosa de la otra. Ya hemos visto que incluso los griegos, cuyas matemáticas sobreviven incólumes dos milenios después, se empeñaron en hacer encajar las observaciones en sus ideas predeterminadas, aunque fuera a martillazos.

Como hemos explicado, tuvieron que pasar siglos hasta que Galileo sentó las bases observacionales de lo que después Newton sistematizó teóricamente, naciendo así la astronomía como ciencia moderna (en realidad, lo que nació fue la ciencia moderna en sí). Observamos la realidad, construimos en base a las observaciones una hipótesis que las explique, hacemos observaciones nuevas y diferentes para testar dicha hipótesis y, si queda refrendada, la elevamos al grado de teoría. Dicho rápido y mal, este vendría a ser un esquema básico del método científico. Hemos descrito también cómo Newton acabó de volar la dicotomía aristotélica terrenal versus celestial, al establecer que todos los cuerpos (independientemente de su naturaleza o su lugar en el universo) obedecían a las mismas leyes. De ahí el epíteto «universal» en su ley de la gravitación.

Ya con herramientas científicas, hemos visto también cómo la historia del conocimiento astronómico es, a su vez, la historia de nuestro alejamiento del centro del universo. Copérnico dejó claro que el Sol no giraba a nuestro alrededor, sino al contrario. El progresivo estudio de las estrellas fue demostrándonos que nuestro sol no tenía nada de particular, y a principios del siglo XX nos alejamos del centro de nuestra Galaxia para descubrir, al mismo tiempo, que nuestra Vía Láctea tampoco era única. Y, sin embargo, siguen asaltándonos preguntas tan antiguas como el propio ser humano: ¿de dónde venimos, a dónde vamos? O, reformuladas en un lenguaje más científico: ¿cuál es el origen y el destino del universo?

De algún modo, estas son preguntas de las que se ocupa la cosmología. Lo hace desde el punto de vista estrictamente físico, dejando consideraciones puramente filosóficas al margen puesto que, al menos como la entiendo yo, la física no es la ciencia del ¿por qué?, sino más bien la ciencia del ¿cómo?

Por la propia trascendencia y profundidad de las cuestiones que trata, la cosmología llama poderosamente la atención tanto del estudioso de otros campos como del profano. Sin embargo, el peaje que cobra por desvelar sus secretos es alto: la cosmología moderna está escrita en un lenguaje matemático avanzado y complejo, al alcance solo de personas que han dedicado bastante tiempo a su estudio. A lo largo de este bloque intentaremos presentar sus resultados más destacados intentando no encallarnos en las matemáticas. Quizá nos exija algún esfuerzo añadido respecto a otros campos de estudio, sobre todo en lo referente a cuestionarnos lo que nuestra percepción cotidiana fija como confortables certezas incuestionables. A cambio, nos regalará sorpresas maravillosas y nuevos marcos y escenarios que nos ayuden a responder las preguntas más antiguas que se ha planteado la humanidad. Lo que vamos a intentar es, de acuerdo con la propia definición de cosmología, explicar las leyes y mecanismos que rigen la dinámica del universo a gran escala, como un todo, al nivel en el que las galaxias son solo puntitos.

Vamos allá.

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¿TIENE ENTONCES PARTIDA DE NACIMIENTO LA COSMOLOGÍA COMO CIENCIA MODERNA?

Los múltiples avances en Física a lo largo del siglo XIX habían generado, a finales de ese siglo, una cierta euforia en el campo. Hemos desgranado ya, en los apartados correspondientes, algunos de los descubrimientos que habían creado el caldo de cultivo para esas sensaciones. Quizá uno de los hallazgos más significativos fue el descubrimiento de Neptuno a partir de los cálculos matemáticos que explicaban las perturbaciones orbitales de su vecino Urano. La ya mentada respuesta de Laplace a Napoleón explicándole que no necesitaba a Dios para explicar su sistema del mundo resulta también elocuente. No podemos meternos en la cabeza de los genios científicos del XIX pero quizá llegaron a creer que habían completado el puzzle, quizá se creyeron infalibles. Y la historia nos demuestra que ese suele ser el estadio previo al colapso.

En la pregunta relativa al medio interestelar hemos relatado ya cómo la concepción mecanicista del electromagnetismo forzaba la introducción del llamado éter universal, un medio con unas propiedades inquietantes e inasumibles. En este contexto se llevó a cabo el experimento de Michelson y Morley, mediante el cual se buscaba determinar la velocidad a la que la Tierra se movía respecto al éter, que debía estar en reposo y, por tanto, servir de marco de referencia en el espacio absoluto newtoniano. Los resultados negativos del experimento (sorprendentes en su momento) no solo arrojaron dudas sobre la existencia del éter, sino que sugerían un escenario más inquietante si cabe: quizá no se podía hablar de un marco de referencia absoluto. Quizá solo tenía sentido hablar de los movimientos relativos, cada uno de los cuales definiría su propio sistema de referencia.

Al empeño de escapar del callejón sin salida al que se había llegado se dedicaron grandes científicos como Lorentz y Poincaré, cuyos trabajos previos sirvieron de base para un nuevo corpus teórico publicado por Albert Einstein en 1905. Como ya sospechamos, esta nueva teoría era la relatividad especial, de la cual traemos a colación su segundo postulado: la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los sistemas de referencia inerciales. Expresado así quizá no dice mucho, así que pongamos un ejemplo. Si vamos a 100 km/h por una carretera y nos adelanta un coche que va a 120 km/h, le veremos pasar a nuestro lado con una velocidad respecto a nosotros de 20 km/h. Igualmente, si nos cruzáramos con él, su velocidad respecto a nosotros será de 220 km/h. Pues bien, con la luz no ocurre eso. Si vamos a la mitad de la velocidad de la luz (150.000 km/s, en el caso de que pudiéramos) y nos adelanta un rayo de luz que viaja en el vacío a 300.000 km/s, la velocidad que mediremos del rayo respecto a nosotros será de 300.000 km/s. Lo mismo sucederá si en lugar de ser adelantados por el rayo nos cruzamos con él: 300.000 km/s. Y la misma velocidad mediríamos si pudiéramos ir a 290.000 km/s. Da igual a qué velocidad vayamos, siempre veremos pasar la luz a 300.000 km/s, nunca más rápida. Ni más lenta, ya que la propia teoría establece que nada puede desplazarse más rápido que la luz en el vacío.

Lo único absoluto en la relatividad es la velocidad de la luz, ya no lo es el espacio, como creíamos antes de Einstein… ni tampoco el tiempo.

«Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento; de A. Einstein». El principio del artículo original de 1905 de Einstein publicado en Annalen der Physik en el que desarrolló su teoría de la relatividad especial. Albert, contigo empezó todo.

Las distancias y los intervalos de tiempo ya no son absolutos, sino que desde Einstein dependen de la velocidad con la que un observador se mueva respecto a otro. Vamos a verlo con un experimento mental abracadabrante. Elegimos un par de gemelos, uno de los cuales se queda en la Tierra mientras el otro sube a una nave espacial y arranca un viaje a una velocidad muy alta, cercana a la de la luz. Cuando el reloj del gemelo en tierra marca 4 horas de viaje, la nave regresa, y se comprueba que en el reloj del gemelo embarcado ha pasado solo una hora (o tres, o dos, o 10 segundos, menos tiempo cuanto mayor haya sido la velocidad de la nave). El tiempo no transcurre al mismo ritmo en todos los sistemas. Aquel tiempo definido por Newton en sus Principia Mathematica como «el tiempo absoluto, verdadero y matemático, en sí mismo y por su naturaleza, [que] fluye uniformemente sin relación a ninguna cosa externa» no tenía ya sentido. Alguien puede preguntarse por qué no se había observado nunca este fenómeno, y la respuesta está en la velocidad relativa de un gemelo respecto al otro. Si la nave fuera a la doméstica velocidad de 100 km/h, el desfase sería de tan solo 0,00000000006 segundos. Inapreciable. Cuando las velocidades involucradas son las habituales en los humanos, las ecuaciones relativistas del movimiento son iguales a las de Newton con una precisión enorme. Ahí es donde queda claro por qué la mecánica newtoniana había funcionado tan bien durante siglos (y lo hace todavía hoy en su dominio de velocidades).

De esta manera, el espacio y el tiempo quedaron entrelazados, estando relacionados mediante la única constante universal de movimiento: la velocidad de la luz. Esto implica a su vez que otras magnitudes de la mecánica clásica, como se denomina a la física anterior a la relatividad y la cuántica, quedan relacionadas del mismo modo. Por eso podemos, mediante manipulaciones aritméticas no demasiado complejas, llegar a la celebérrima ecuación E = mc2. Y por eso, desde Einstein, hablamos del espacio-tiempo como un único sistema tetradimensional.

Estos son algunos de los greatest hits del artículo de Einstein de 1905 en el que fundaba la relatividad y establecía las transformaciones espacio-temporales para tener en cuenta en el caso de cuerpos que se desplazan a velocidad constante. Sin embargo, si volvemos a lo que nos ocupa, que es la cosmología, el trabajo verdaderamente relevante de Einstein fue el que publicó 10 años más tarde, que se ha venido a denominar teoría de la relatividad general (en contraposición al anterior, que define la teoría de la relatividad especial o restringida). Por eso hemos hecho toda esta introducción relativista, porque es indispensable para entender lo que supuso, en 1915, la publicación de la teoría de la relatividad general: ni más ni menos que el nacimiento de la cosmología moderna.

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MÁS ALLÁ DE SU DIMENSIÓN COMO ICONO POP, ¿LO DE EINSTEIN FUE PARA TANTO?

Frente a su hermana menor relatividad especial, que se ocupa de los cuerpos a velocidad constante, la relatividad general se ocupa de los cuerpos que están acelerados. Y, sobre todo, se ocupa de cómo los cuerpos con masa deforman el espacio-tiempo que aparecía en la relatividad especial. El espacio-tiempo, el nuevo marco en 4 dimensiones que definió la relatividad especial al entrelazar las 3 dimensiones espaciales con la temporal, es el terreno de juego del universo. Si lo deformamos, entonces los cuerpos verán cómo varían sus trayectorias en él. Un momento: variaciones en la trayectoria debidas a la acción de cuerpos con masa, eso sabemos lo que es. ¡Eso es la gravedad!

En efecto, la relatividad general de Einstein es una nueva teoría de la gravitación universal, solo que mucho más compleja. En la gravitación newtoniana, la masa crea un campo gravitatorio. Si otro cuerpo con masa se sitúa en ese ...