Introducción

Origen del universo

Cómo se originó y evolucionó el universo es una de las cuestiones que más perplejidad causan a los astrónomos: sobre todo a los cosmólogos, especializados en el estudio del cosmos en su conjunto. Desde antiguo los científicos han tratado de resolver el enigma del origen del universo, pero hasta el siglo presente no han logrado ningún progreso significativo.

A comienzos de siglo la mayoría de los astrónomos creían que, aunque todos los astros se mueven, sus movimientos se «cancelaban» entre sí, con el resultado de un conjunto universal estático. Se creía también que el universo era infinitamente grande (y, al ser estático, ni se expandía ni se contraía) e infinitamente antiguo. El universo había existido siempre en un estado más o menos igual; no había habido comienzo.

Pero en 1917 se plantearon serias dudas a la idea del universo estático como resultado de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, que sigue siendo la mejor teoría sobre la gravitación. (La teoría especial de la relatividad de Einstein trata también de los efectos de la aceleración.)

Cuando Einstein aplicó su teoría al universo, halló que sus ecuaciones sólo permitían la existencia de universos no estáticos, es decir, dentro de la teoría general de la relatividad eran posibles varios modelos hipotéticos diferentes del universo, pero ninguno de ellos estático. V arios años después se descubrió que los espectros de lejanas galaxias revelaban corrimientos Doppler hacia el rojo (fenómeno consistente en un aparente cambio de frecuencia de la luz causado por el movimiento relativo existente entre su fuente y el observador; un corrimiento de frecuencia ,hacia el extremo rojo del espectro visible significa que el observador y la fuente de luz se separan), indicadoras de que dichas galaxias se alejaban de la Tierra y, por ende, de que el universo se expande, tal como exigía la teoría general de la relatividad, de Einstein.

Otros descubrimientos posteriores siguen apoyando la teoría einsteiniana, que constituye hoy la base de casi todos los modelos cosmológicos y estudios modernos del universo.

Teoría del big bang

Aplicando la teoría general de la relatividad a extrapolaciones cronológicas retrógradas del universo actual, los astrónomos tratan de descubrir cómo se originó éste. Las mediciones de su velocidad de expansión indican que se originó tras una gran explosión de violencia inimaginable, ocurrida hace unos 15 000 millones de años: la teoría del big bang. Según ésta, toda la materia que existe ahora estaba aglomerada en un estado de enorme densidad; aquel «núcleo»» condensado estalló y proyectó la materia de la que se desarrollaron después las estrellas, galaxias, planetas y, por último, la vida.

El origen de la materia de aquel núcleo y las condiciones concretísimas existentes en el momento preciso de la creación, siguen siendo en la actualidad problemas sin resolver. La teoría general de la relatividad infiere que en el momento de la creación toda la materia se condensaba en un estado único llamado « singularidad», con una densidad y gravedad infinitas. Las leyes de la física no se aplican a ese estado, y sin su marco de referencia es imposible describir o explicar qué ocurrió. Algunos científicos creen que la gran explosión no habría podido ocurrir si la materia hubiese alcanzado el estado de singularidad, y se postula la intervención de «procesos del cuanto gravitatorio>, que impidieron que se produjese la singularidad y, permitieron por ello, el proceso del big bang.

Inmediatamente después de la gran explosión, la materia en vertiginosa expansión permanecía inconcebiblemente caliente; a esa temperatura se pueden crear, al parecer de la nada, partículas elementales: protones, neutrones, electrones, etc. Esas partículas, producidas en pares de materia-antimateria (por ejemplo, electrones y positrones -electrones positivos-), empezaron a existir como una millonésima de segundo después de la explosión. U nos 100 segundos después, el universo se había enfriado unos 10.000 millones de grados; el frío fue suficiente para que los electrones y protones interactuasen con protones y neutrones, formando átomos de deuterio (isótopo del hidrógeno). Después se produjo el helio, a partir del deuterio, unos tres minutos tras la gran explosión; y otros elementos, por ejemplo, el berilio, en cantidades insignificantes (la relativa abundancia de elementos pesados en el universo actual dimana de su formación, más reciente, en las estrellas). Siguió descendiendo la temperatura y cerca de un millón de años después de la gran explosión era suficientemente baja (unos 3000º) para permitir la formación de hidrógeno. Ese punto señaló el fin de la era dominada por la radiación - en ella predominaron los efectos de la energía, en forma de radiación térmica - y el comienzo de la era dominada por la materia, que continúa, cuyos cambios principales son las interacciones de la materia y no de la energía.

La gran explosión fue violentísima y creó una turbulencia enorme, lo cual hizo que, en su rápida expansión, la materia no se distribuyese uniformemente en el universo; quedaron regiones densas, de gran cantidad de materia, y otras enrarecidas, con mucha menos materia. Se cree en general que las regiones de gran densidad empezaron a atraer cantidades cada vez mayores de materia, hasta que, unos 1.000 millones de años después de la gran explosión, generaron las galaxias. Después, las galaxias se agruparon a su vez entre sí para formar cúmulos y supercúmulos. Unos 3000 millones de años después, empezaron a formarse en las galaxias las primeras estrellas. Otros 6.000 millones de años después, empezó a formarse el sistema solar (y con él la Tierra). La vida entonces se desarrolló relativamente pronto; se cree que las primeras formas de vida (probablemente organismos unicelulares) se desarrollaron hace unos 4000 millones de arios, es decir, unos 1000 millones de años después de la formación de la Tierra. El Horno sapiens aparecería en sus primeras formas hace sólo unos 350. 000 años.

Pruebas de la teoría del big bang

Según esta teoría, la mayor parte del helio actual se formó unos tres minutos después de la gran explosión. Sobre esa base se calcula que el universo debe de estar constítuído ahora aproxímadamente por un 25% de helio y un 75% de otros elementos (sobre todo hidrógeno), aserción apoyada por la medición de la presencia de los distintos elementos de nuestra galaxia y las demás. Esas mediciones favorecen la teoría del big bang.

Otra prueba de su validez radica en el descubrimiento relativo a la intensidad de la radiación de fondo hecho por los físicos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson. Si el universo se inició a través de una gran explosión, deben quedar aún vestigios, mucho más fríos, de la increíble temperatura original. Dado que el big bang incluyó al universo entero, esos vestigios deben de tener la forma de una radiación de fondo sumamente uniforme (denominada radiación isotrópica), con variaciones locales de intensidad menores que reflejan a su vez las desigualdades del universo al terminar la era de la radiación.

En 1965 Penzias y Wilson detectaron una radiación de fondo isotrópica en la banda de microondas del espectro electromagnético: el tipo de radiación esperada si la teoría del big bang es correcta. Mediciones subsiguientes de la intensidad y frecuencia de la radiación isotrópica y de su temperatura media (unos 3 K, -270° C) apoyan también esta teoría.

No obstante, no terminan de corroborar la gran explosión. La radiación de fondo isotrópica es estrictamente uniforme (varía en menos de una milésima en todo el firmamento), y aunque la teoría del big bang predice la radiación isotrópica uniforme, predice también la existencia de zonas menos uniformes que reflejarían la turbulencia de la gran explosión: tales faltas de homogeneidad no se han detectado. Además, las características detalladas de la radiación de microondas a 3 K indican que el universo se originó suavemente y no a través de una explosión monstruosa.

A pesar de ese problema, y otros, la mayoría de astrónomos siguen creyendo que la teoría del big bang nos ofrece la explicación más plausible del origen del universo.

Destino del universo

Además de sus extrapolaciones cronológicas retrógadas en busca del origen y evolución del universo, los cosmólogos han tratado de predecir, de modo similar, el último destino del universo. Según la casi universalmente aceptada teoría general de la relatividad, el universo tiene sólo dos futuros posibles: o seguirá expandiéndose indefinidamente (si bien a una velocidad cada vez menor), o dejará de hacerlo para colapsarse y formar quizá de nuevo un núcleo condensadísimo, que produciría una segunda gran explosión: teoría del universo pulsante. ¿Cuál de las dos posibilidades es más probable? Depende de la cantidad de materia del universo: cuanta más materia tenga más probable será el universo pulsante.

Los astrónomos han calculado que hace falta una densidad media de 10 átomos por metro cúbico (en todo el universo) para que el cosmos deje un día de expandirse y colapse. Pero las mediciones más recientes indican que la densidad media es, cuanto más, un átomo por metro cúbico. Por ello se cree en general que el universo seguirá expandiéndose indefinidamente, y se inactivará gradualmente hasta que, dentro de más de un billón de años, a partir de ahora, estará completamente «muerto», exceptuando quizá la explosión ocasional de algún agujero negro.

Hay astrónomos que dudan de la validez de esta hipótesis porque creen que hay gran cantidad de materia (polvo, estrellas muertas y agujeros negros) que no se ha detectado aún y, por tanto, debe haber suficiente materia para que el universo termine colapsando sobre sí mismo. Si esto sucediera, el cosmos no se limitaría a «esfumarse»> en un vacío total, frío y muerto, sin gas ni polvo siquiera, sino que dejaría de expandirse, quedaría estático durante corto tiempo y empezaría después a contraerse.

Al iniciarse esa contracción, las galaxias empezarán a converger, despacio al principio y después con velocidad creciente, atrayéndose mutuamente por la gravedad. U nos 1 00 millones de años antes del «gran colapso»» (el momento en que toda la materia se condensará en un núcleo de máxima densidad) las galaxias empezarán a fusionarse y sus estrellas a colisionar y estallar.Al seguir contrayéndose el universo, éste se calentará progresivamente. Por último, según la teoría del universo pulsante, toda la materia se condensará hasta formar una sola masa, increíblemente caliente, que estallará a su vez, como en la gran explosión original, tras lo cual causará una nueva expansión universal. De ese modo, el universo pasaría por un ciclo perpetuo de explosión, expansión, equilibrio momentáneo, contracción y nueva gran explosión. Pero la plausibilidad de esta teoría depende de que haya en el cosmos más materia que la que se ha detectado: las pruebas disponibles apoyan, por ahora, la teoría del universo en expansión continua.