# El Universo como un Todo

## Cosmología

Via Láctea

A pesar de fuertes restricciones interiores, el hombre tuvo que abandonar recientemente en términos históricos la noción de que tenía una posición central en el Universo, y en el comienzo de este siglo reconoció que vivimos en un planeta nada excepcional, en torno de una estrella nada excepcional, el Sol, localizada casi en la extremidad de una galaxia normal, la Via Láctea. Esta galaxia forma parte de un grupo de galaxias, el Grupo Local, localizado en la periferia de un gran cúmulo de galaxias. Incluso este cúmulo, el cúmulo de la Virgen, es pequeño en relación a los grandes cúmulos de galaxias que podemos observar en otras partes del Universo. Nuestra localización en el Universo es por lo tanto insignificante.

Aglomerado de Galaxias de la Virgen y Distribución de Galáxias en gran escala

En 1929, Edwin Powell Hubble (1889-1953), usando los telescopios de Monte Wilson, en California, descubrió que las galaxias se estaban alejando con velocidades proporcionales a su distancia, esto es, cuanto más distante está la galaxia, mayor es su velocidad de alejamiento. Eso constituyó la primera evidencia sobre la expansión del Universo, ya predicha por Alexander Friedmann (1888-1925) y Georges-Henri Lemaître (1894-1966).

A pesar del descubrimiento de la expansión del Universo, muchos investigadores, inclusive Albert Einstein (1878-1955), creían en la Teoría del Estado Estacionario, esto es, que el Universo era similar en todas las direcciones e inmutable en el tiempo, con producción contínua de materia para contrarrestar la expansión observada, manteniendo la densidad media constante.

En 1964, el descubrimiento accidental de la radiación de microondas de fondo del Universo por Arno A. Penzias (1933-) y Robert Woodrow Wilson (1936-), de los Bell Laboratories, derribó los últimos argumentos a favor de la Teoría del Estado Estacionario, y comprobó la teoria del Big Bang, o la Gran Explosión. La radiación de fondo del Universo es una señal eletromagnética proveniente de las regiones más distantes del Universo (10 mil millones de años-luz), y había sido predicha desde los años 40 por Ralph Alpher y Robert Herman, asociados de George Gamow (1904-1968), como la radiación remanente del estado caliente que el Universo se encontraba cuando se formó (en realidad cuando quedó transparente, hace 10 mil millones de años).

La teoría del Big Bang tiene en cuenta que si las galaxias se están alejando unas de otras, como fue observado por Edwin Hubble en los años 30, entonces en el pasado ellas deberían estar cada vez más próximas, y en un pasado remoto, 10 a 15 mil millones de años atrás, deberían estar todas en un mismo punto, muy caliente, una singularidad espacio-tiempo, que se expandió en el Big Bang. El Big Bang, o Gran Explosión, creó no solamente la materia y la radiación, sino también el propio espacio y el tiempo. Este es el inicio del Universo que podemos conocer.

El sacerdote y cosmólogo belga Georges-Henri Lemaître (1894-1966) fue probablemente el primero en proponer un modelo específico para el Big Bang, en 1927. Imaginó que toda la materia estaba concentrada en lo que él llamó átomo primordial y que este átomo se partió en incontables pedazos, cada uno fragmentándose cada vez más, hasta formar los átomos presentes en el Universo, en una enorme fisión nuclear. Sabemos que este modelo no puede ser correcto, pues no obedece a las leyes de la relatividad y la estructura de la materia (cuántica), pero inspiró a los modelos modernos.

Independientemente de Lemaître, el matemático y meteorólogo ruso Alexander Friedmann (1888-1925) descubrió una familia de soluciones de las ecuaciones de la teoría de la relatividad general, la teoría de la gravitación que suplantó a la de Isaac Newton (1643-1726).

Aunque la teoría de la relatividad general, propuesta por Albert Einstein (1879-1955) en 1916, solo difiera de la teoría de la gravitación de Newton en pocas partes en un millón en la Tierra, en grandes dimensiones y grandes masas, como el Universo, resulta bastante diferente. La familia de soluciones encontrada por Friedmann y Lemaître describe un Universo en expansión, y ellos son llamados los padres de la Cosmología. Las soluciones posibles de las ecuaciones de la relatividad general incluyen la expansión eterna o el colapso. Cuál de estos modelos representa el Universo real continúa siendo uno de los puntos abiertos de la cosmología moderna.

En 1940, el físico ruso-americano George Gamow (1904-1968) sugirió un modelo con una base opuesta al de Lemaître - fusión nuclear. Él publicó los resultados en 1948, con Ralph Alpher [y Hans Bethe (1906-)]. El modelo de Gamow se inicia con partículas fundamentales que se aglomerarían en elementos más pesados, por fusión en el Big Bang. Sus ideas son correctas, excepto que las condiciones iniciales del Universo no eran apropiadas para fundir el carbono y elementos más pesados, formando solamente H y He en abundancia significativa. Los elementos más pesados fueron producidos más tarde en el interior de las estrellas.

Fritz Zwicky

Otro item importante en la cosmología es la llamada materia oscura, postulada por primera vez por Fritz Zwicky (1898-1974) en los años 30. Esta es la materia extra necesaria para explicar las curvas de rotación de las galaxias y las velocidades observadas de las galaxias en cúmulos, mayores que las explicables a través de la materia observada, llamada materia luminosa. Zwicky, un astronomo suizo que trabajaba en los Estados Unidos, observando que las velocidades de las galaxias en cúmulos eran mucho mayores de lo que deberían ser, calculó que la masa del cúmulo debería ser por lo menos diez veces mayor que la masa de la materia visible en el cúmulo, esto es, de la masa presente en estrellas y gas pertencientes a las galaxias. Más recientemente, se mostró que la materia oscura también está presente en galaxias individuales.

La materia oscura tiene implicancias importantes en los modelos de Big Bang, como en los del Universo Inflacionario. Este modelo de Universo, propuesto en 1979 por Alan Guth, del Massachussets Institute of Technology (MIT), en los Estados Unidos, viene de una de las formas de las Teorías de la Gran Unificación (GUT) de las fuerzas fuerte, débil, eletromagética y gravitacional, que preveé un quiebre de simetría espontánea s después del Big Bang. Este quiebre de simetría, o transición de fase, hizo que la gravitación actuara repulsivamente, expandiendo al Universo en un factor de . Despues de s, la teoría es idéntica al Big Bang original. Otra interpretación de la misma transición de fase es que la liberación del calor latente fue el que hizo que el Universo se expandiera inflacionariamente.

La teoría inflacionaria preveé que la materia oscura no puede ser totalmente bariónica, pero es consistente con la materia oscura fría, esto es, neutrinos masivos, por ejemplo. El modelo inflacionario preveé también que el Universo contiene cien veces más materia oscura que la materia que brilla en las estrellas, y por lo tanto que el Universo se contraería en el futuro. Este modelo explicaría la estructura de grandes paredes y agujeros observadas en la estructura a gran escala del Universo, y que no están casualmente conectadas actualmente, pero lo estarían antes de la expansión inflacionaria. Se dice que dos regiones no están casualmente conectadas si, cuando la radiación fue emitida por ellas, las regiones en el espacio estaban más distantes que la distancia que la luz podría haber atravesado desde el Big Bang. Además, la misma Teoría de la Gran Unificación que predice el Universo inflacionario, también predice que los protones deberían decaer en años, lo que no es observado ( años), de modo que las teorías más simples de la GUT ya fueron eliminadas. Teorías de gran unificación que permiten el quiebre de simetría que formó la asimetría de materia-antimateria antes de segundos, también son consistentes con el tiempo de decaimento observado para el protón.

La materia oscura no emite radiación eletromagnética, y por tanto solamente podemos detectarla a través de la fuerza gravitacional que ella ejerce sobre los objetos. La detección de la existencia de materia oscura viene del estudio del movimiento: el movimiento de estrellas individuales en galaxias, y el movimento de galaxias en cúmulos de galaxias. Cuando aplicamos la ley de la gravitación de Newton a estos movimientos, detectamos que la masa es mucho mayor que la masa visible en estrellas y gas.

Qué es esta materia oscura? Si su masa total fuera solamente de 5 a 10 veces mayor que la de la materia luminosa, podría contituirse de partículas normales (bariones), protones y neutrones no condensados en estrellas, polvo o gas, y deberíamos detectarlos. Podría entonces estar compuesta de agujeros negros (objetos colapsados gravitacionalmente), enanas marrones (objetos degenerados pero de masa inferior a estrellas y mayores que Júpiter), y planetas (que no generan luz propia). Si la masa de la materia oscura es 100 veces la luminosa, como la teoría inflacionaria exige, entonces estaría en partículas exóticas todavía no detectadas en la Tierra, como neutrinos masivos, o monopolos magnéticos. Si existieran, estas partículas pueden constituir más del 90% de la masa del Universo, sin participar de la formación de estrellas, planetas y seres humanos.

Cuál es la edad del Universo? La materia total del Universo genera atracción gravitacional, por la que los objetos se atraen unos a otros (inclusive la luz, de acuerdo a la relatividad general). Esta atracción debe diminuir la expansión, lo que implica que en el pasado la expansión era más rápida. La edad del Universo puede ser calculada, en su límite superior, asumiendo que la cantidad de matéria es pequeña, y que por tanto no redujo la velocidad de expansión significativamente. Podemos entonces estimar la edad máxima del Universo, , calculando el tiempo que las galaxias distantes, moviéndose a la misma velocidad de hoy, tardaron para llegar donde están. Como la ley de Hubble, que relaciona la velocidad de expansión de una galaxia, v, con la distancia a ésta, d, está dada por , e , entonces . Actualmente se admite que la constante de Hubble, H, tiene un valor comprendido entre 57 km/s/Mpc y 78 km/s/Mpc, resultando que a 17 mil millones de años (1 Mpc = mega parsec = km). Teniendo en cuenta la desaceleración causada por la atracción gravitacional, la edad es , esto es, entre 9 y 14 mil millones de años. Por otro lado, calculando la edad de las estrellas más viejas conocidas, las estrellas de los cúmulos globulares, se estima entre 13 y 15 mil millones de años, todavía aproximadamente consistente con esta edad.

Cuál es la evolución química del Universo? El Universo se enfría mientras se expande. Después de 0.01 s del Big Bang, la temperatura del Universo era de K. Luego de 3 minutos, la temperatura bajó a mil millones de grados Kelvin, todavía 70 veces más caliente que el interior del Sol. Después de 700 000 años, la temperatura se redujo a tan sólo 3 000 K. A una temperatura de K (), la colisión de 2 fotones puede generar un par eletrón-positrón, por conversión de energía en masa (). Para generar protones, la temperatura tiene que ser mayor que K ( milisegundo). La época que va hasta un milisegundo de edad es llamada era hadrónica, pues podía formar hadrones (protones y neutrones).

Note que para un tiempo menor que s ( K), llamado tiempo de Planck [Max Planck (1858-1947)], las teorías físicas conocidas no se aplican más, por el principio de incertidumbre: (). En el tiempo de Planck, el radio del horizonte del Universo (radio visible) es cm. El radio del Universo que contenía toda la materia hoy observada, era menor que un centésimo de centímetro. Las teorías físicas se aplican para tiempos mayores que el tiempo de Planck, y en el modelo del Big Bang, el Universo está en rápida expansión, con temperaturas colosales y altísima densidad, una situación que recuerda mucho a una explosión. Gamow calculó la cantidad de deuterio que se formaría en este caso. Era posible obternerse el porcentaje observado de deuterio, mucho mayor de lo que podría haberse formado en el interior de las estrellas, pero si esta materia no estuviese bañada por una radiación de cierta intensidad, se formaría mucho más deuterio que lo observado. Gamow previó que restos de esta radiación deberían todavía estar bañando todos los cuerpos celestes.

Como la sección de choque de los neutrinos es extremadamente pequeña, cuando el Universo tenía 1 s, K, los neutrinos, reliquias de la época dominada por interacciones débiles, no interactuaron más con la materia, y evolucionaron desacopladamente. Estos neutrinos, supuestamente sin masa, por tener muy baja energía, ( K), no pueden ser observados. Solamente si estos neutrinos fueran masivos, podríamos observarlos por sus efectos gravitacionales como masa oscura.

La teoría del Big Bang preveé que hubo un pequeño exceso de materia sobre la anti-materia (1 parte en 100 millones); de lo contrario, toda la masa sería aniquilada. Protones y neutrones comenzaron a quedar ligados en núcleos cuando el Universo tenía , millones K, formando hidrógeno, deuterio (p+n), y helio, hasta una edad de 4 minutos. El helio formado sería aproximadamente un 25% de la masa, próximo a lo observado. En este modelo, luego de 4 minutos, la temperatura ya era demasiado fría para permitir la formación de otros núcleos más pesados. Después de 700 000 años, K, los electrones se combinan con los núcleos, formando átomos neutros. Como no existen entonces más electrones libres para dispersar a los fotones, el Universo pasa de opaco a transparente, y a partir de entonces la materia y la radiación evolucionan indenpendientemente. Esta radiación de 3 000 K, viajando a una velocidad 2 millonésimas por debajo de la velocidad de la luz es lo que detectamos como radiación de fondo del Universo. Solamente mil millones de años después es que las estrellas y las galáxias comezaron a formarse. Desde la formación de las estrelas más viejas, solamente el 10% de la masa de hidrógeno inicial puede haberse convertido en helio, por fusión nuclear en el centro de las estrellas. La mayor parte de este helio todavía está en el interior de las estrellas. Por lo tanto, el 25% de helio observado en el gas interestelar y en la atmósfera de las estrellas fue necesariamente formado en el Big Bang.

El 18 de Noviembre de 1989, la NASA lanzó un satélite llamado Cosmic Background Explorer (COBE), para analizar detalladamente la radiación de fondo del Universo, operando en la banda de microondas. Como planetas, estrellas, galaxias y nubes de gas emiten muy poco en las microondas, el satélite puede colectar directamente la luz que el Universo emitió cuando pasó de opaco a transparente, en la llamada época de la recombinación, entre 300 mil años y 700 mil años. Los datos obtenidos por el COBE, mostrados en la figura de abajo, ajustan perfectamente con un cuerpo negro con una temperatura de 2,735 K, con una incertidumbre menor que 1%, valor exacto de la radiación predicha para el gas caliente del momento de la formación del Universo, visto con el enrrojecimiento correspondiente; la expansión del Universo estira la longitud de onda por el mismo factor con el que el Universo se expande entre la emisión y la observación. Si el Big Bang hubiese sido caótico, por ejemplo, el espectro observado no sería perfectamente el de un cuerpo negro, sino que estaría distorconado hacia el azul, por el decaemiento de las estructuras caóticas.

En otro experimento del satélite COBE, divulgado en Abril de 1992 por George Smoot de la Universidad de California en Berkeley, también fueron detectadas pequeñísimas variaciones de la temperatura en esta radiación (seis partes por millón).

En los modelos de formación de galaxias, estas fluctuaciones son necesarias para permitir que la materia formada posteriormente se aglomerase gravitacionalmente para formar estrellas y galaxias, distribuidas en grupos, burbujas, paredes y vacíos, como se observa. En el modelo original las estructuras del Universo son formadas a partir de la amplificación gravitacional de pequeñas perturbaciones en la distribución de la masa inicial. Sería prácticamente imposible que se produjera la formación de estructuras observadas, como galaxias, estrellas, planetas, y por tanto de la Tierra y de nosotros mismos, sin que hubiesen variaciones de temperatura en la radiación de fondo del Universo. Esto es porque la radiación y la materia estuvieron en equilibrio térmico en el Universo primordial, y entonces cualquier irregularidad ocurrida en la distribución inicial de materia sería reflejada en la distribución angular de esta radiación. La detección de estas fluctuaciones hasta entonces era el principal punto faltante en la comprensión de la teoría del Big Bang y de la formación y evolución del Universo. Las fluctuaciones de densidad observadas por el COBE podrían ser originadas en cuerdas cósmicas generadas en las transiciones de fase, o podrían ser simples fluctuaciones normales de una distribución gaussiana de densidad. Con el enfriamiento del Universo, eventualmente la materia se condensa en galaxias, estrellas se forman, evolucionan y mueren, y elementos más pesados, como carbono, oxígeno, silicio y hierro fueron gradualmente sintetizados en las estrellas, y dispersados al medio en explosiones de supernovas. Este gas es después concentrado en otras estrellas, en planetas, y posiblemente en cuerpos de seres humanos, en algunos de estos planetas!

Introducción a la Astronomía y la Astrofísica

Modificada el 13 de Octubre de 1997
Traducción al castellano: oscar@fisica.edu.uy