Inicialmente las observaciones astronómicas indicaban que la edad del
Universo no era consistente con los datos de edades de las estrellas
más viejas en nuestra
Galaxia. ¿Está en peligro el modelo
del "Big Bang" del
origen del Universo? ¿Cuál es la edad real
de nuestro Universo? ¿Cuál es el estado actual de la cosmología frente a las
nuevas observaciones realizadas por el telescopio Hubble de la NASA y el
Observatorio Hiparco de la Agencia Espacial Europea?
Las teorías sobre de la estructura del
Universo a gran escala se basan en las observaciones cuidadosas de los
astrónomos con instrumentos cada vez más poderosos. Es interesante anotar que
cada vez que se perfecciona una técnica de observación o se usa un nuevo
instrumento para observar el cosmos,
aparecen sorpresas. Cuando Galileo, por ejemplo, usó por primera vez el
telescopio para escudriñar las profundidades del cosmos, vio que la superficie
de la Luna tiene irregularidades, que Júpiter
tiene satélites y que el Sol tiene manchas.
El telescopio espacial Hubble es el instrumento más poderoso que se ha
construido con el objetivo de ver el cosmos libre de las perturbaciones y
efectos producidos por la atmósfera. Con este nuevo telescopio se han podido ver
los efectos
gravitacionales de posibles agujeros
negros, se ha medido muy precisamente la distancia a cúmulos vecinos de
galaxias (y por lo tanto se ha podido inferir la edad del universo) y ha
permitido avanzar en el problema de la materia
oscura del Universo.
"El Universo no puede ser más viejo que las estrellas que lo forman" : fue el argumento que lanzaron los físicos en contra del modelo del "Big Bang" cuando éste fue propuesto en la década de los años 30. Según el modelo del Big Bang, el Universo es finito y tuvo un comienzo donde la materia existente alcanzó una densidad y temperatura sumamente alta.
Recordemos que el modelo se propuso como una posible explicación a las
observaciones de las abundancias de elementos livianos
en el Universo. Ya en los primeros años de la década de los 30 se había
establecido con base experimental, que el Universo está formado en un 75% de
Hidrógeno y un 25% Helio (los elementos más pesados como los que observamos en
la Tierra constituyen menos del 1% de la materia en el universo). Esta
observación necesita una explicación. En 1947 los físicos George Gamow, Ralph
Alpher y Robert Herman de la Universidad de Georgetown en Washington, propusieron
que los núcleos de helio en el universo fueron formados por fusión nuclear
en las primeras épocas de un universo que tuvo un comienzo caliente y denso. La
posibilidad del origen del universo en una gran explosión, además, incorporaba
de forma natural las observaciones de Hubble que demostraron en 1929 que el espacio está en
expansión. Este modelo fue bautizado por Fred Hoyle en forma despectiva como
el "Big Bang" o gran explosión.
En los cálculos originales de Gamow, Alpher y Herman aparecía una componente
de energía en forma de radiación.
En un gas de electrones,
protones
y neutrones
a muy alta energía, tal como Gamow suponía que era el universo temprano, la
energía en forma de radiación
electromagnética es la que domina el sistema. Más tarde, cuando el universo
se expande, la energía en forma de radiación deja de ser dominante y su
correspondiente temperatura decrece. Esa energía en forma de radiación
electromagnética (radiación cósmica de
fondo, RCF) proveniente de
los primeros instantes del Big Bang, es una de las predicciones más fuertes del
modelo.
Por esos años, el modelo estacionario (es decir que el universo no tuvo un
comienzo sino que por el contrario es infinito) promovido por Hoyle, Bondi y
Gold tendía a ser favorecido por razones teóricas ya que así como las variables
espaciales exhiben simetría en el universo (este es homogéneo e isótropo) se
esperaría que así mismo sucediera con el tiempo. Pero un comienzo en el tiempo
rompería dicha simetría. Otro golpe fuerte en contra del Big Bang fue la
inconsistencia de la edad calculada del universo cuando se comparaba con la edad
de la Tierra: el
universo resultaba más joven que la misma Tierra. Más adelante se descubrió un
error en el cálculo de la velocidad de expansión (constante de Hubble) y se pudo
corregir dicha inconsistencia. Cuando en 1965 los radio-astrónomos Penzias y
Wilson del laboratorio Bell de Nueva Jersey, Estados Unidos, descubrieron
accidentalmente la radiación cósmica de fondo, el modelo de Big Bang comenzó a
ser tomado en serio y los mismos Hoyle y Gold reconocieron las virtudes del
modelo de Big Bang y las limitaciones del modelo estacionario por ellos creado.
Vivimos en un universo que cada vez se hace más grande: el espacio está en expansión. La geometría del universo es tal que si se mide la distancia que separa dos galaxias cualesquiera, ésta aumenta en el tiempo. El aumento en la separación entre cualquier dos galaxias se debe a que existe una velocidad relativa entre ellas y cuanto más alejadas se encuentren mayor será la velocidad relativa entre ellas. Por ejemplo, la velocidad con la cual se aleja una galaxia a una distancia de 1 millón de años-luz de nosotros sería de 15 a 30 Km/segundo. Una galaxia a 2 millones de años luz se alejaría con el doble de velocidad, y así sucesivamente. Este hecho fue observado por el astrónomo norte americano Edwin Hubble en 1929 y a la constante de proporcionalidad que da la velocidad en función de la separación se le llama constante de Hubble H0:
Hubble descubrió esta ley midiendo la velocidad y la distancia de muchas galaxias en direcciones arbitrarias. La velocidad se obtiene mediante el corrimiento hacia el rojo de las líneas en el espectro de la luz proveniente de las galaxias. La distancia se calcula a partir de la luminosidad absoluta de estrellas variables del tipo Cefeida en la galaxia en cuestión.
brillo
aparente = brillo intrínseco / r2
Los ladrillos o "átomos" con los cuales está construido el universo son las galaxias. La Vía Láctea, que es donde se encuentra el Sol con la Tierra, es una espiral formada primordialmente por nubes de Hidrógeno y por unas cien mil millones de estrellas como el Sol. Toda esta materia se encuentra distribuida en una región en forma de disco con un radio de 50 mil años-luz y participa de un movimiento de rotación a una velocidad de una vuelta en 300 millones de años. Se ha observado que debido a la acción de la gravedad, las galaxias tienden a formar grupos. Estos grupos o cúmulos de galaxias son los que forman las meta-estructuras del universo y pueden estar formados por pocas galaxias o por cientos de ellas. La Vía Láctea es miembro de uno de esos cúmulos (el Grupo Local). El cúmulo más cercano al nuestro es el cúmulo de Virgo, que se encuentra a 50 millones de años-luz de nuestra galaxia y se ha tomado como punto de referencia para la calibración de distancias.
El debate de la edad del universo y la constante de Hubble se reduce a las discrepancias existentes entre las diferentes determinaciones de distancia a Virgo. La constante H0 es el cociente entre la velocidad de recesión de Virgo y la distancia que nos separa. Una vez que se conozca precisamente la distancia a Virgo se podrá establecer un valor firme para H0. El proyecto de medición de H0 del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, liderado por la astrónoma Wendy Freedman del Observatorio de Carnegie (California) midió la distancia a Virgo por medio de la observación de varias Cefeidas variables en la galaxia espiral M100 perteneciente a dicho cúmulo. Según las mediciones iniciales la distancia a Virgo es de 55.4 Mpc y la constante de Hubble tendría un valor de 80 Km/seg por Mpc, lo cual implicaría una edad del universo demasiado corta (de 8 a 11 Ga) y en conflicto con las edades medidas de las estrellas en cúmulos globulares en la Vía Láctea.
La edad del universo con esta nueva determinación de la constante de Hubble
es de 15-20 Ga, la
cual no entraría en conflicto con las edades de las estrellas más
viejas. Una supernova
del tipo 'Ia' es lo que resulta de la explosión de una
estrella enana
blanca que absorbe la materia de una estrella vecina y al aumentar su masa
por encima de 1.4 masas solares colapsa gravitacionalmente. En este proceso se
genera una potentísima onda de choque que despide con gran fuerza las capas más
externas de la estrella. El brillo
de la estrella durante la explosión aumenta muchísimo y el brillo máximo de la
explosión es constante para todas las supernovas del tipo 'Ia'. De aquí que constituyan una buena referencia de brillo
para determinar distancias.
Las estrellas más viejas de nuestra galaxia se encuentran en agrupaciones (llamados cúmulos globulares) más o menos distribuidas simétricamente en torno al centro de la Galaxia. La teoría de la evolución estelar, que está bastante bien establecida desde los años 30, nos da las edades de estas estrellas y parecen indicar que algunas tienen 13 Ga; por lo tanto la edad del universo no puede ser menor de 13 Ga.
Por último, debemos anotar que se han hecho algunas suposiciones en el momento de calcular la edad del universo a partir del parámetro H0. En particular, lo que normalmente se hace es suponer que el universo tiene la suficiente masa para hacer que su geometría corresponda a la de un espacio plano. Esta elección viene sugerida por los modelos cosmológicos inflacionarios que explican la isotropía en la radiación cósmica de fondo. La edad del universo viene dada por b/H0, donde H0 es la constante de Hubble y b un factor que depende de la geometría del Universo. En un universo euclídeo b tiene un valor cercano a 1. No sabemos cuál es realmente la curvatura del universo. Este parámetro depende de la masa total en el universo y si nos basamos en la materia observable solo encontramos un 2% de la materia necesaria para que éste alcanzara a tener una geometría plana, es decir, su geometría es la de un espacio abierto de curvatura negativa.Independiente de la geometría, existe otro parámetro teórico (la constante cosmológica L) que podemos ajustar para hacer la edad del universo más grande inclusive con un alto valor de H0. Las ecuaciones sobre las cuales viene elaborado el modelo del Big Bang se basan en la Relatividad General desarrollada por Einstein. Cuando se usa la Relatividad General para describir el comportamiento del universo, aparece de forma natural la expansión del espacio. En estas ecuaciones se puede usar el parámetro L (constante cosmológica) que actúa como una presión negativa y hace que el Universo se expanda más lentamente al comienzo y así su edad se hace mayor independiente del valor de H0. La gráfica anterior muestra la dependencia de la edad del universo en función de la constante cosmológica. Se puede observar que la edad del universo crece (inclusive con valores grandes de H0) a medida que aumenta el valor de la densidad de energía debida a la constante cosmológica (WL) y en este caso desaparecen las posibles dificultades con los valores altos de H0.
obtenemos un valor para la edad del Universo de:
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la cual es consistente con las edades de las estrellas más viejas en el Universo.