Big Bang sí, pero no así (la secuela)

21/05/2018 11 comentarios
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En la última entrada de este blog, titulada con el mismo nombre, escribí acerca de algunas analogías anticuadas e imprecisiones comunes que cometemos (a veces de forma no intencional) quienes enseñamos o divulgamos la teoría del Big Bang a un público amplio. En esta nueva entrada (su secuela), enumero otros aspectos muy populares de la teoría, cuyas versiones divulgativas podrían ser revisadas mejor por profesionales de la cosmología y divulgadores por igual, para evitar confusiones comunes y preguntas incómodas.

Una representación común de la expansión del universo, un fenómeno fascinante que está en el corazón de la teoría del Big Bang y es también la fuente de muchos de los malos entendidos en la teoría del Big Bang

Expansión o no expansión, esa es la cuestión

La expansión del universo es uno de los fenómenos físicos más fascinantes descubiertos por la humanidad en 4000 años de historia intelectual. ¿Quién podría imaginarlo? Según la teoría de la relatividad, en el universo las cosas pueden alejarse entre sí, sin moverse del lugar del espacio en el que "han sido puestas".

Todos los textos científicos y divulgativos describen este fenómeno como el causante de que las galaxias se separen entre sí, su luz se haga más roja con el tiempo y el universo como un todo se enfríe. Pero el asunto tiene más de hondo que de ancho y puesto así genera algunas confusiones bastante comunes

En la entrada anterior mencionamos una de ellas: si el espacio en el universo se expande, rezan los textos divulgativos y algunos textos técnicos, la luz que viaja a través de él lo hará también y eso explicaría por qué nos llega más rojiza después de viajar desde galaxias remotas. Explicamos antes que ese no es el caso. Las ondas de luz, minúsculas e "inmateriales", no se expanden. Es el tiempo el que se altera.

Otras confusiones comunes derivada de una visión simplificada de la expansión se ven reflejadas en una sarta de inflatables preguntas: 1) si el espacio se expande ¿por qué la Tierra no se expande también? (desde que nació y según el ritmo de expansión cósmica su tamaño debería haber aumentado 1,5 veces); 2) ¿no deberíamos nosotros y todos nuestros instrumentos ser también mayores a medida que transcurre el tiempo cosmológico?; 3) si todo (el universo, nuestro planeta, nuestros instrumentos) son más grande con el tiempo, ¿cómo es que pudimos detectar en primer lugar la expansión?

Si extrapoláramos la expansión del universo a la escala de la Tierra, esta última se habría expandido 1,5 veces desde su formación

Según la teoría de la relatividad, la expansión cósmica es una propiedad del espacio-tiempo que solo existe cuando la materia que hay dentro de él está distribuida de forma casi igual por todas partes (un universo homogéneo, o casi homogeneo, como se dice técnicamente). Cuando digo todas, es todos los puntos del espacio tiempo (el agua en un vaso es prácticamente homogénea, pero está limitada a un volumen pequeño y no cumple la condición requerida).

Ciertamente nuestra oficina, nuestra ciudad, el sistema solar e incluso nuestra Galaxia, no son buenos ejemplos de materia homogénea. Por la misma razón, en el espacio-tiempo que estos sistemas ocupan y alteran, no hay expansión. La expansión solo se manifiesta en regiones de espacio realmente grandes, en las cuales la densidad de materia y energía es casi homogéneas. Así, por mucho que esperemos, la Tierra no se hará más grande con el paso del tiempo cosmológico. Al contrario, se está haciendo sutilmente más pequeña al enfriarse después de una infancia violenta.

La razón de toda esta confusión estriba, pienso yo, en que no hemos divulgado el fenómeno de la expansión del universo desde una perspectiva realmente moderna (relativística); al contrario, lo seguimos haciendo pensando en las analogías clásicas del globo que se estira, que si bien pueden ser útiles muchas veces, también pueden ser fuente de confusiones comunes como las mencionadas anteriormente.

He aquí un intento por presentar la expansión de forma diferente.

Gravedad en un universo (casi) homogéneo

Si viviéramos en un universo (casi) homogéneo ¿cómo se manifiestaría la gravedad allí?

Los fenómenos gravitacionales son la manifestación aparente de la distorsión del espacio-tiempo que produce la materia o los campos (y todo lo que tenga energía). Parafraseando al gran físico teórico John Archibal Wheeler, la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse (a esto lo llamamos gravedad) y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse (a esto lo llamamos manifestaciones de la gravedad).

Cerca de la Tierra o en los sistemas astronómicos, la gravedad se manifiesta, por ejemplo, con la caída de cuerpos próximoa a la superficie de nuestro planeta; la atracción mutua entre objetos astronómicos o el movimiento de los planetas y el Sol alrededor del centro del sistema solar.

De acuerdo a la teoría de la gravedad de Einstein, la materia distorsiona el espacio-tiempo (representado aquí como líneas imaginarias alrededor de la Tierra). Los cuerpos más pequeños próximos a la Tierra 'obedecen' al espacio-tiempo que les dice cómo moverse. Ese movimiento es lo que notamos como la manifestación de la gravedad.

Pero las manifestaciones de la gravedad cambian de acuerdo a la manera como se curva el espacio-tiempo. En un espacio con materia homogénea (o casi homogénea), por ejemplo, el espacio-tiempo se curva de forma diferente a como lo hace, por ejemplo, cerca de la Tierra y por tanto, allí, la gravedad no se manifiesta como una atracción.

Es fácil darse cuenta por qué; y para hacerlo podemos apelar a las ideas un poco anticuadas, pero todavía muy útiles, del "abuelo de la gravedad", Isaac Newton. Si ponemos un cuerpo en la mitad de un espacio en el que hay materia con la misma densidad por todas partes (universo homogéneo), un lado del universo atraería con igual intensidad a ese cuerpo que el lado contrario. Como resultado de esa atracción igual, el cuerpo no se movería de su lugar. Esta es justamente la razón por la que casi todas las galaxias están prácticamente en el mismo lugar en el que nacieron (al menos para las escalas cosmológicas).

En un universo homogéneo y a diferencia de lo que pasa en la Tierra o alrededor del Sol, el espacio-tiempo se curva (en un momento dado) en igual magnitud en todas partes. La manifestación aparente de esta curvatura constante es justamente la expansión. Aunque es bastante contraintuitivo, debemos acostumbrarnos al hecho de que la gravedad se manifesta de formas muy diferentes a las que vemos en la vida cotidiana. Como divulgadores no debemos "sacarle el cuerpo" a hablar de estas extrañas manifestaciones de otras formas gravedad, mucho menos cuando al hacerlo podríamos clarificar conceptos importantes, como los que están en el corazón de la teoría del Big Bang.

Puesto de otro modo. Si pones en reposo (en el espacio) una pelota cerca de la Tierra, esta empezará a moverse hacia abajo obedeciendo lo que le dice el espacio-tiempo curvo alrededor de ella. No hay fuerza de atracción, solo obediencia al espacio-tiempo. Ahora bien, si pones una galaxia en reposo en el espacio en un universo homogéneo, esta se mantendrá en la misma posición pero al pasar el su distancia a otras galaxias aumentará. Ninguna "fuerza" hace que las galaxias se repelan y separen unas de otras; lo que vemos es la manifestación de la curvatura del espacio-tiempo cosmológico.

El globo que se infla

En una conocida analogía usada para explicar la expansión, se muestra un globo con unas galaxias dibujadas en la superficie y que se infla a medida que pasa el tiempo. Es importante considerar la posibilidad de 'jubilar' esta analogía.

¿Qué hacemos entonces con esa bonita analogía del globo que se infla? Mi propuesta es que jubilemos el globito o que le demos un nuevo sentido. De lo contrario nos veremos enfrentados por siempre a la incómoda pregunta de "si el universo es como un globo que se infla ¿hacia dónde lo hace? ¿qué hay en el centro del globo?"

En la perspectiva de la expansión presentada anteriormente, podríamos resignificar esta analogía clásica de la siguiente manera.

La superficie del globo representa el espacio a gran escala (el espacio con materia homogénea). El globo a medio inflar representa el mismo espacio, pero en un momento del pasado. El globo plenamente inflado representa el mismo espacio pero en un momento del futuro. Si en lugar de presentar los globos separados, como sucede en la analogía convencional, ponemos los globo del pasado, el globo del presente y el globo del futuro en una misma imagen, las cosas se hacen ahora más claras.

La propuesta es que convirtamos el "globo espacio" en una "esfera de espacio-tiempo". Cada instante de la vida del universo es una "capa" de ese espacio-tiempo. El interior de cada capa es el pasado y el exterior, el futuro. 

Una nueva versión de la analogía del globo consiste en poner los globos de tamaño diferente uno dentro de otro. De esa manera el 'globo espacio' se convierte en una 'esfera espacio-tiempo'. Adentro del globo está el pasado, afuera está el futuro. La expansión del universo es una manifestación natural del hecho de que si las galaxias permanecen quietas en el espacio (se mueven sobre radios), su distancia aumenta con el tiempo.

Con esta nueva analogía podríamos ahora entender mejor por qué ocurre la expansión.

Si dejas dos cuerpos en reposo en la esfera de espacio-tiempo (su latitud y longitud no cambian), al envejecer se moverán a lo largo de dos radios de la esfera (a lo largo del tiempo). Si mides la distancia de los cuerpos en un momento del futuro (sobre una capa exterior) esta distancia será mayor que la misma distancia medida en el pasado (sobre una capa interior). El aumento en la distancia entre las galaxias en este universo no es un efecto "mágico" producto de una repulsión misteriosa. Es la manifestación aparente de esta curiosa estructura del espacio-tiempo.

De la energía oscura y otros demonios

Después de este recorrido por los vericuetos de la expansión, que espero reconozcan ahora como el extraño fenómeno en la base de los que creo son la mayor parte de los malos entendidos en la divulgación de la teoría del Big Bang, llegamos a uno de los asuntos más peleagudos de la investigación cosmológica contemporánea: la existencia de la misteriosa energía oscura.

Ha pasado relativamente poco tiempo desde que empezamos a hablar de forma casi cotidiana de la energía oscura (apenas hace unos 20 años se hizo popular); pero este tiempo ha sido suficiente para que se hayan "congelado" en la divulgación algunas ideas sobre este tema que merecen ser revisadas.

A finales de la década de 1990 un consorcio internacional de astrónomos descubrió pruebas de que la expansión estaba cambiando en una dirección inesperada: su ritmo estaba aumentando con el tiempo cosmológico. Este descubrimiento disparó la investigación sobre la hoy llamada energía oscura (crédito: Adam Dempsey, Northwestern University)

Según la versión más extendida de esta idea, el universo podría estar lleno de una misteriosa forma de energía. La llamamos cariñosamente la "energía oscura"; pero no porque no emita o absorba luz como la materia oscura, sino en virtud de su naturaleza desconocida. Esta forma de energía produce una especie de "repulsión" cósmica que hace que el ritmo de expansión se haga mayor con el tiempo (se acelere). Fue precisamente el descubrimiento de esta aceleración en la expansión en 1998, la que nos llevó en primer lugar, tal y como se dice en todas partes, a sospechar de su existencia.

Esta versión altamente divulgada del misterio de la energía oscura, ha dejado el tema expuesto a todo tipo de cuestionamientos. Algunos dicen que la energía oscura es una especie de "éter luminífero" moderno; otros dicen que las teorías fundamentales no podrían explicar el origen de esta energía y que por lo tanto podría ser un sinsentido; los más excépticos acusan a los cosmólogos de inventar cosas nuevas cada vez que no pueden explicar una observación; etc.

Pero hay un aspecto de la energía oscura muy poco divulgado: el término "energía" para referirnos a ella, podría ser bastante equívoco.

Como sabe cualquier cosmólogo, no se necesita ninguna energía misteriosa para que la expansión se acelere con el tiempo. Esto lo sabía Einstein y sus contemporáneos en el tiempo en el que Picasso estaba pintando sus primeras obras maestras.

La constante cosmológica, denotada con la letra griega mayúscula 'Lambda' fue introducida por Einstein en una versión modificada de la ecuación más importante de la teoría general de la relatividad en un artículo de 1917. Si bien la motivación para incluirla fue diferente, hoy, más de 80 años después, su existencia podría explicar la expansión acelerada del universo y desembarazarnos en el proceso de la misteriosa energía oscura.

Las leyes de la gravedad, descubiertas por Einstein en 1915, han sido puestas a prueba en todo tipo de contextos astronómicos. Pero hay ámbitos espaciales y temporales, en los que estas leyes esperan todavía rigurosas pruebas. Así por ejemplo, en el espacio muy apretado y distorsionado alrededor e incluso adentro de los agujeros negros, no sabemos si las predicciones de la teoría son las correctas.  Harán falta futuras observaciones astrofísicas para verificar si la gravedad de Einstein funciona perfectamente en estos lugares o si es necesario buscar una teoría más fundamental para explicar estos fenómenos (que es la sospecha de casi todos).

Otro ámbito en el que la relatividad no había sido puesta a prueba hasta hace apenas unas décadas era a través de distancias tan grandes como el universo observable (decenas de miles de millones de años-luz). En la década de 1990 los astrónomos empezarón a medir de forma relativamente confiable, la distancia a galaxias situadas a distancias tan grandes como estas. Se ayudaron para ello de uno de los fenómenos más violentos del universo, las supernovas.

¿Cuál fue el resultado de sus medidas? No hay que "dorar la píldora" y responder sin vergüenza: la teoría original de la gravedad de Einstein no funcionaba para explicar las observaciones de las supernovas.

Pero la teoría tenía dos seguros: 1) era posible hacer ajustar los datos con la teoría, suponiendo la existencia de una misteriosa forma de energía, la popular energía oscura; y 2) se podría recurrir a una versión modificada de la teoría, elaborada por el mismo Einstein poco después de que se publicara la versión original y que permitía ajustar perfectamente las observaciones.

Casi nadie habla de esta segunda opción y me atrevería a decir que a largo plazo será la que se imponga (las ricas observaciones de la RCF han puesto en evidencia que así podría ser). Es hora de que incluyamos esta opción de forma sistemática en la divulgación.

La versión alternativa de la teoría de la gravedad de Einstein, de la que hablamos aquí, es una en la que se postula que el espacio-tiempo de nuestro universo, sin importar su contenido de materia tiene, además de la curvatura producida por la materia o los campos en él, una "curvatura" constante, extremadamente pequeña. Esta curvatura, que se conoce como "curvatura cosmológica", "término cosmológico" o "constante cosmológica", sería una propiedad fundamental (nueva y desconocida hasta ahora) del espacio-tiempo.

Agregar esta curvatura pequeñita no cambia en casi nada la teoría de la relatividad general. Sus predicciones, para cuerpos pequeños como los planetas, las estrellas e incluso los agujeros negros, son las mismas. Sin embargo cuando esta curvatura cosmológica se agrega a la sutil "curvatura" producida por el "polvo cósmico" (galaxias y materia oscura), especialmente después de muchos años de expansión (9400 millones de años para ser exactos), sus efectos físicos se pondrían en evidencia.

¿Cuáles son las manifestaciones de esta "curvatura cosmológica" constante? Los efectos fueron predichos por primera vez por el físico teórico alemán Willem de Sitter en los años 1920, como parte, simplemente, de un ejercicio teórico hipotético (nadie sabía en ese entonces cuán grande podría ser esa curvatura cosmológica). De acuerdo a las investigaciones de de Sitter, en un universo completamente vacío y solo dotado de la curvatura cosmológica, la gravedad se manifestaría en la forma de una expansión acelerada.

Voilà!

Hoy más que nunca, la "curvatura cosmológica" (o "constante cosmológica" como se la llama) y los trabajos originales de Einstein y de De Sitter, gozan de una salud sin precedentes. Es tal la relevancia de la gravitación versión 2 y su constante cosmológica (llamada Lambda por los físicos), que al modelo más exitoso de la evolución cósmica después del Big Bang se lo llama el "modelo Lambda-CDM" (CDM significa Cold Dark Matter).

Yo, de ustedes, al hablar de expansión acelerada, empezaría primero por contar la historia de la teoría alternativa de Einstein y la existencia de esta sutil curvatura cosmológica, antes de ponerle "energía oscura" a la sopa.

Un apunte final. De confirmarse que la expansión acelerada es producto de la constante cosmológica y no de la existencia de una misteriosa energía oscura, todos los datos observacionales acumulados hasta ahora (incluyendo las propiedades de la RCF y la composición química del universo) podrían proveernos el valor preciso de esta nueva constante de la naturaleza. Asumiendo los valores más recientes de las propiedades conocidas del universo, la constante cosmológica se cifra un valor de ~10-52 m-2 (justamente las unidades de una curvatura). Como comparación, la curvatura del espacio-tiempo alrededor de un agujero negro tendría un valor 44 órdenes de magnitud mayor. De ahí que no se haya notado hasta ahora.

Sobre el Big-Rip y el apocalipsis en ciernes

Uno de los escenarios considerados para el futuro de un universo en expansión acelerada se conoce como Big Rip. En este escenario, la expansión acelerada consigue llegar hasta escalas iguales o menores a la galaxia lo que termina destruyéndola. Este escenario, sin embargo, asume que las propiedades de la energía oscura cambian con el tiempo. Si la expansión acelerada es producto de la 'constante cosmológica' el efecto de esta constante llegaría solo hasta la escala de cúmulos de galaxias.

¿Cuál será el futuro del universo? En años recientes, especialmente después del descubrimiento de la aceleración en la expansión del universo, la obsesión por el principio del universo, está siendo lentamente reemplazada por una obsesión por el futuro.

¿Qué nos depara un universo en el que la expansión es cada vez más rápida?

Aunque como dicen ahora en mi país "es más fácil ser historiador que adivino", una consideración simplificada de la expansión, permite hacer una predicción no muy alentadora.

Según la versión más conocida, el universo parece estar indefectiblemente abocado a una desgarradora expansión que dejará a cada partícula del universo en una soledad cósmica sin precedentes. Podría suceder, se lee por ahí, que en un futuro la "fuerza" de la expansión acelerada termine desbaratando la Vía Láctea, después el sistema solar y eventualmente nuestro propio mundo. A este escenario "apocalíptico" lo llaman el Big Rip.

Si lo que hemos dicho hasta ahora tiene sentido, el sonado Big Rip podría ser menos catastrófico de lo descrito.

Para empezar recordemos que la expansión (acelerada o no), se produce únicamente si la materia está distribuida de forma homogénea o si la "curvatura" producida por ella es muchísimo menor que la curvatura cosmológica. Lamentable (o afortunadamente) el universo a escalas pequeñas (de la escala de grupos de galaxias hacia "abajo") es inhomogéneo y fuertemente curvado (comparado con la constante cosmológica) desde hace mucho tiempo. El proceso que convirtió al universo casi homogéneo del Big Bang en un universo grumoso a pequeña escala es practicamente irreversible de modo que el futuro no puede compararse con el pasado.

Esto implica que, si bien la expansión podría ser acelerada a escala cosmológica, las galaxias, la materia oscura de la que están hechas, estrellas y planetas, se mantendrán unidos por todo lo que queda de la eternidad. Es cierto que en un momento dado, en este universo en expansión, nuestro Grupo Local de Galaxias se podría "quedar solo" (todas las demás galaxias podrían terminar a una distancia mayor que la requerida para que la luz nos vuelva a llegar de ellas). Pero desde las envejecidas estrellas y planetas de estos grupos galácticos, las galaxias hermanas seguirán adornando el cielo. La "constante cosmológica" no hará mella en este panorama.

Sin embargo, si la expansión acelerada del universo es en efecto producida por una misteriosa "energía oscura" y el comportamiento de esta última es dinámico (algo que no podemos saber con las observaciones disponibles), la expansión acelerada podría ganar terreno y llegar a escalas cósmicas más pequeñas.

Pero todavía es temprano para saber en cuál de los dos escenarios vivimos, en un universo con un espacio tiempo sutilmente curvado o en un universo que contiene una extraña e inexplicable energía oscura.

Cualquiera sea la opción, insisto en recomendar a todos (dadas las tendencias de los datos) en invertir el orden en el que se presentan estas alternativas.