Javier Sánchez Cañizares - Universo singular

O bien el universo es más grande de lo que debería ser, o bien no todas sus regiones estaban en contacto en sus inicios. Mas si esto último fuese cierto, ¿cómo es posible que regiones que no han estado en contacto tengan la misma temperatura? Ante este problema, conocido como problema del horizonte , científicos como Alan Guth (1947-) propusieron la hipótesis del modelo inflacionario . Se trata de un añadido a la teoría inicial del Big Bang, que postula que el universo sufrió una enorme expansión (un tremendo hinchamiento de varias decenas de órdenes de magnitud), poco tiempo después de nacer (en torno a los 10 -36s), en un gigantesco proceso exponencialmente acelerado, que hizo que las regiones del universo inicialmente en contacto y equilibrio térmico se separan enormemente. Esto explicaría la homogeneidad de la radiación de fondo. El universo, al ir enfriándose, pasó en el momento de la inflación por una especie de « transición de fase »: como un líquido subenfriado por debajo de los cero grados que, de repente, se congela cambiando radicalmente su aspecto y liberando una gran cantidad de energía.

Si la inflación ocurrió, la expansión exponencial del universo haría que quedasen todavía enormes regiones del espacio más allá de nuestro horizonte de observación. Pero la causa física de ese enorme crecimiento está actualmente en discusión, pues no se sabe aún lo suficiente para poder explicar por qué habría ocurrido. No obstante, si el proceso inflacionario tuvo verdaderamente lugar, tendría que haber producido ondas gravitacionales (pequeñas ondulaciones del mismo espacio que llegarían hasta nosotros como las olas que llegan a la playa después de una gran tormenta en el centro del océano). La medición directa de dichas ondas no es fácil, y solo podríamos conocerlas indirectamente por los efectos que habrían dejado en la radiación de fondo que viaja a caballo de ellas (como los restos que dejan las olas en la arena). Esta parecía ser la última medición importante que ha tenido lugar en el campo de la cosmología en el año 2014. El equipo del físico y astrónomo John Kovac (1970-) detectó patrones espirales de polarización en la luz de la radiación de fondo registrada por el telescopio Bicep2 en la Antártida, algo que se considera un indicio incuestionable de la presencia de ondas gravitacionales 6amplificadas durante el período inflacionario. De confirmarse dichas medidas, el modelo inflacionario del Big Bang pasaría a ser el modelo estándar del origen del universo. Sin embargo, en el momento de escribir, dicha interpretación comienza a ser rechazada por la mayoría de los expertos, al considerar que las mediciones se ven afectadas de modo crítico por los efectos del polvo intergaláctico.

1.3.2. El problema de la planitud del cosmos

Cuando hablamos de los posibles universos dinámicos que satisfacen las ecuaciones de Einstein, nos referimos anteriormente a tres posibilidades: un universo abierto , un universo cerrado o un universo plano . Geométricamente, en cuatro dimensiones, cada una de estas posibilidades se corresponde, respectivamente, con un universo de curvatura negativa (como la de una silla de montar), de curvatura positiva (como la de una esfera) o de curvatura cero (como la del espacio euclídeo habitual, con el que estamos familiarizados). Que se dé uno u otro tipo depende, a grandes rasgos, de la densidad total de energía del universo: de la proporción entre energía cinética, que se corresponde con la inercia de la expansión, y energía potencial, que depende de la cantidad total de materia y energía del cosmos. La curvatura del universo sería negativa si la energía cinética es mayor que la potencial, positiva si la energía cinética es menor que la potencial, y cero si la energía cinética y la potencial se compensan exactamente. A la densidad de materia y energía necesaria para esto último se la conoce como densidad crítica .

El problema es que, si en los inicios del universo la curvatura era distinta de cero, su valor debería haber crecido exponencialmente con el tiempo. Sin embargo, lo que observamos experimentalmente es un universo prácticamente plano de curvatura cero. Si se hacen algunos cálculos, eso implicaría que el universo naciente debía tener exactamente la densidad crítica, con una precisión de una parte en 10 14, o no podría haber llegado a existir como lo conocemos hoy. ¿Por qué ese valor? Una solución al problema podría venir de la teoría inflacionaria: durante el período inflacionario, el espacio-tiempo se habría estirado de tal manera que su geometría —con independencia del valor que la curvatura hubiese tenido antes— resultó suavizada hasta quedar prácticamente plana.

1.3.3. La materia oscura

En el último cuarto del siglo XX, diversas observaciones demostraron que no hay suficiente materia visible en el universo que observamos para explicar las interacciones gravitatorias que se dan entre las galaxias y dentro de ellas mismas. Por una parte, si se consideraba que toda la materia del universo era la que se veía, se llegaba a importantes contradicciones con otros resultados experimentales (p. ej., la cantidad de materia visible está muy por debajo de la necesaria para la densidad crítica que parece tener el universo). Por otra parte, al medir la velocidad de las estrellas que se encuentran en la parte más exterior de las galaxias, el resultado era bastante mayor de lo esperado en comparación con los cálculos que tienen en cuenta el campo gravitatorio de toda la materia visible de la galaxia.

La conclusión que se ha impuesto en la comunidad científica es que hay más materia en el universo que la que se puede ver porque emite luz. Hoy día se considera que en torno al 90 % de toda la materia que debe existir en el cosmos es materia oscura (no emite luz). Se asume que la localización principal de dicha materia es en el halo de las galaxias (lo que explicaría las velocidades anómalas de las estrellas más exteriores), pero no se entiende cuál puede ser su composición, pues si fuera materia como la que conocemos en nuestra planeta, debería poder detectarse su radiación. La evidencia experimental de la materia oscura proviene únicamente de sus innegables efectos gravitacionales. La física de altas energías ha propuesto diversos candidatos teóricos para este tipo de materia, y están en marcha algunos proyectos para poder detectarla de manera directa. Pero, hoy por hoy, ninguna materia oscura se ha observado en los aceleradores de partículas.

1.3.4. La energía oscura

Las medidas más recientes del desplazamiento hacia el rojo de la luz emitida por un tipo de supernovas indican que el universo no solo se está expandiendo, sino que lo está haciendo de manera acelerada: su tasa de expansión crece conforme pasa el tiempo. Para explicar este fenómeno, el modelo del Big Bang necesita que la mayor parte de la energía presente en el universo contenga un componente de presión negativa. Se trataría de algo similar a la energía que contiene un muelle comprimido más allá de su posición de equilibrio, que le hace expandirse al ser liberado. La naturaleza concreta de esta energía que permea todo el espacio resulta ser uno de los grandes misterios para la teoría del Big Bang, de ahí que haya sido denominada como energía oscura .

La opinión común de los científicos es que el origen de la energía oscura tiene que ver con el origen mismo del cosmos. La energía oscura sería una energía de vacío (la energía fundamental que ha de tener todo sistema físico por el hecho mismo de existir) del espacio-tiempo; una especie de constante cosmológica , al estilo de la que quiso inicialmente introducir Einstein en sus ecuaciones. No obstante, para poder seguir avanzando en esa línea, sería necesario tener una teoría cuántica de la gravedad que unifique toda la física. A pesar de muchos intentos en esta dirección, no existe en la actualidad ninguna teoría cuántica de la gravedad universalmente aceptada por la comunidad científica. Los datos experimentales, por su parte, apuntan a que la suma de toda la materia y energía visibles del universo, más la materia y la energía oscuras , alcanza precisamente la densidad crítica que se necesita para tener un universo de geometría plana. En concreto, la distribución actual de toda la materia y energía del universo que da lugar al 100 % de la densidad crítica sería la siguiente: 70 % de energía oscura, 25 % de materia oscura, 4,5 % de materia visible regular (estrellas y planetas junto a hidrógeno y helio libres) y 0,5 % de neutrinos y elementos pesados. Pero no existe hoy por hoy ningún cálculo teórico que explique esos valores.