LA PANTALLA COSMICA

 

El Universo en expansión es muy lógico y está respaldado por las observaciones astronómicas. De hecho, el peso de los datos observacionales ha experimentado un incremento espectacular desde los tiempos de Edwin Hubble, gracias a la tecnología moderna y a nuevos hallazgos y descubrimientos que analizaremos en breve. La conclusión más elemental es que hasta el mismo Universo está cambiando: cuando replegamos la frontera del conocimiento hasta épocas de muchos miles de millones de años atrás, descubrimos un Universo que no se había expandido tanto y que, por lo tanto, era más denso y más poblado. Esto significa que el espacio en el que moramos no es el lugar estático que aparece en los axiomas de Euclides, sino un espacio dinámico en evolución que tuvo alguna suerte de infancia (y tal vez algo así como un nacimiento) unos trece mil ochocientos millones de años atrás.

El perfeccionamiento espectacular de los telescopios nos ha brindado imágenes tan buenas del Cosmos que ahora podemos observar de forma bastante directa su evolución. Cuando escudriñamos nuestro Universo con los mejores telescopios, observamos lo siguiente: cerca hay un montón de galaxias grandes y maduras similares a la nuestra, pero en lugares muy distantes vemos sobre todo galaxias en ciernes que aún no se han desarrollado por completo. Más allá de ellas no vemos ninguna galaxia en absoluto, solo oscuridad. Como la luz tarda más en llegarnos desde más lejos, la observación a gran distancia equivale a contemplar el pasado. La oscuridad que apreciamos más allá de las galaxias se corresponde con una época en la que las primeras galaxias aún no habían tenido tiempo de formarse. Por entonces, el espacio estaba lleno de gas hidrógeno y helio que la gravitación aún no había tenido tiempo de concentrar en galaxias, y como esos gases son transparentes, son invisibles para los telescopios.

¿De dónde salieron las misteriosas microondas? Creo que tanto de Newton como de Fridman podemos extraer una lección sencilla que se resume en esta simple cuestión: extrapolar. En concreto, parte de la interpretación actual de las leyes de la Física, aplicar a una situación inexplorada y comprobar si predicen algo interesante que se pueda observar. Newton echó mano de las leyes del movimiento que estableció Galileo para la Tierra y las extrapoló a la Luna y más lejos. Fridman recurrió a las leyes del movimiento y la gravitación que había desarrollado Einstein para el Sistema Solar, y las extrapoló a todo nuestro Universo. En vista de lo fructífero que resultó ser este mantra, tal vez piense usted que arraigaría como un meme entre la comunidad científica. Sobre todo, creerá que después de 1929, cuando cobró aceptación la idea del Universo en expansión de Fridman, los científicos de todo el mundo competirían entre sí para ver qué ocurría si se extrapolaba hacia atrás en el tiempo. Pues, si ha pensado eso, se equivoca… Da igual cuánto insistan los científicos en que practican la búsqueda racional de la verdad, son tan proclives como cualquier otra persona a debilidades humanas tales como los prejuicios, la presión de grupo y el gregarismo. Es evidente que hace falta algo más que mera habilidad con los cálculos para superar esos defectos.

El siguiente superhéroe cosmológico con la madera necesaria para hacerlo fue otro ruso: George Gamow, quien en Leningrado tuvo como director de tesis nada menos que a Aleksander Fridman, y aunque este falleció dos años después de que Gamow comenzara sus estudios, transmitió a Gamow tanto sus ideas como su arrojo intelectual.

La pantalla de plasma cósmica

Puesto que este Universo se está expandiendo en la actualidad, tuvo que ser más denso y más poblado en el pasado. Pero ¿se ha estado expandiendo siempre? Quizá no: el trabajo de Fridman admite la posibilidad de que este Universo atravesara un periodo de contracción en el pasado, y que toda la materia que se nos venía encima se frenara con suavidad, se detuviera y empezara a acelerarse de nuevo en una dirección opuesta a nosotros. Ese rebote cósmico solo podría haberse producido si la densidad de la materia fuera mucho más baja de lo que sabemos que es hoy en día. Gamow decidió emprender un estudio sistemático de la otra opción, que era más genérica y más extrema: la expansión desde un principio. Tal como explicó en una obra de 1946, esta propuesta implica que, si imaginamos el gran teatro del Cosmos como una película y lo vemos reproduciéndolo hacia atrás,  observaremos un aumento ilimitado de la densidad de nuestro Universo.

Como el espacio intergaláctico está lleno de hidrógeno, este gas se comprimirá cada vez más y, por tanto, acumulará más temperatura cuanto más nos alejemos en el tiempo. Si calentamos un cubo de hielo, este se funde. Si calentamos agua líquida, se transforma en gas: vapor. De manera parecida, si calentamos el gas hidrógeno, este pasa a un cuarto estado: plasma. ¿Por qué? Pues porque un átomo de hidrógeno no es más que un electrón en órbita alrededor de un protón, y el gas hidrógeno es un conjunto de tales átomos donde unos rebotan contra otros. Si la temperatura aumenta, los átomos se mueven más rápidamente y chocan con más fuerza entre sí. Si se alcanza la temperatura suficiente, las colisiones se tornan tan intensas que los átomos se rompen y los electrones y los protones se separan: un plasma de hidrógeno no es más que ese caldo de electrones y protones libres.

En otras palabras, Gamow predijo que nuestro Universo comenzó con una Gran Explosión, y que hubo una época en que el plasma llenaba todo el espacio. Lo especialmente interesante de esto es que se trata de una predicción comprobable: si bien el gas hidrógeno frío es transparente e invisible, el plasma de hidrógeno caliente es opaco y fulgura con intensidad, como la superficie del Sol. Esto significa que a medida que miramos más lejos en el espacio, nos topamos con galaxias viejas cercanas, a continuación con galaxias jóvenes detrás de ellas, después con gas hidrógeno transparente y, por último, con una pared de plasma de hidrógeno brillante. No podemos ver más allá de esa pared porque es opaca y, por tanto, bloquea el acceso a lo que hubo antes, como un censor cósmico. Es más, miremos hacia donde miremos, siempre retrocedemos en el tiempo. Así que da la impresión de que estamos rodeados por una esfera de plasma gigantesca.

En el libro de 1946 de Gamow, su teoría de la Gran Explosión predecía que tenía que verse esa esfera de plasma. Puso a sus alumnos Ralph Alpher y Robert Herman a estudiar el asunto con más detalle, y unos años después publicaron un artículo con la predicción de que tenía que fulgurar a una temperatura aproximada de cinco grados sobre el cero absoluto, lo que significa que irradiaría sobre todo microondas en lugar de luz visible. Por desgracia, no lograron convencer a ningún astrónomo para que buscara este fondo cósmico de microondas en el firmamento, y su trabajo cayó durante largo tiempo en el olvido, igual que había ocurrido con el descubrimiento de Fridman del Universo en expansión.

La observación del resplandor

En 1964, un grupo de la Universidad de Princeton había reparado en que ese indicador observable de microondas tenía que existir, y planeó una búsqueda observacional del mismo, pero les tomaron la delantera. Ese mismo año Arno Penzias y Robert Wilson se encontraban probando un novedoso telescopio de microondas en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey y encontraron algo sorprendente: el telescopio detectaba una señal inexplicable que aparecía siempre, ¡con independencia del lugar hacia el que apuntaran el instrumento! Esperaban detectar señales únicamente al apuntar hacia objetos concretos del cielo, como el Sol o un satélite transmisor de microondas. Sin embargo, en lugar de eso, era como si todo el cielo brillara a una temperatura de tres grados por encima del cero absoluto, un valor próximo a los cinco grados previstos por el grupo de Gamow. Emprendieron una comprobación escrupulosa de todas las fuentes de ruido locales y por un momento sospecharon de unas palomas que habían anidado en el telescopio y lo habían cubierto de excrementos. Por desgracia, se trataba de palomas mensajeras… aunque en su libro solo consta que se «deshicieron» de las aves cuando volvieron. La cruda realidad es que usaron una escopeta…(inadmisible hoy en día)

Aunque las palomas habían desaparecido, la misteriosa señal seguía apareciendo: habían descubierto el fondo cósmico de microondas, el tenue resplandor de la Gran Explosión. El hallazgo causó sensación y les valió el Premio Nobel de Física de 1978. A partir de los cálculos de Gamow y sus alumnos, dedujeron que la esfera de plasma tuvo que alcanzar alrededor de la mitad de la temperatura que impera en la superficie del Sol y que, durante el viaje a través del espacio a lo largo de catorce mil millones de años desde ese fulgor tan caliente hasta llegar a nosotros, esa radiación se enfrió 1000 veces hasta los tres grados sobre el cero absoluto observados, a medida que el espacio se expandió 1000 veces. En otras palabras, todo este Universo estuvo alguna vez a la misma temperatura que una estrella y eso demostró y validó la salvaje extrapolación de la teoría de la Gran Explosión caliente de Gamow.

Instantáneas de este Universo recién nacido

Una vez detectada la esfera de plasma, la carrera consistió en obtener las primeras fotografías de ella. Como la temperatura de la radiación era más o menos la misma en todas direcciones, las imágenes que consiguieron tomar Penzias y Wilson lo único que se ve es una blancura uniforme. Para obtener tomas interesantes dignas de considerarse las primeras imágenes de nuestro Universo recién nacido había que aumentar el contraste hasta captar ligeras variaciones de un lugar a otro. Tales variaciones tenían que existir porque si en el pasado hubieran imperado unas condiciones idénticas en todas partes, las leyes de la Física las habrían mantenido idénticas en todas partes también en el momento presente, lo cual diferiría mucho del Universo granulado que observamos ahora, con galaxias en algunos sitios pero no en otros. Sin embargo, la obtención de esas imágenes del Cosmos naciente se reveló tan difícil que se necesitaron casi tres décadas de avances tecnológicos.

Para eliminar el ruido de las medidas, Penzias y Wilson tuvieron que usar helio líquido a fin de enfriar el detector hasta una temperatura cercana a la del fondo cósmico de microondas. Las fluctuaciones de temperatura de un lugar a otro del cielo resultaron ser mínimas, cercanas al 0,001 %, así que para conseguir imágenes de nuestro Universo recién nacido se requería una precisión 100 000 veces mayor que la de las mediciones de Penzias y Wilson. Científicos experimentales de todo el mundo aceptaron el desafío y fracasaron. Algunos dijeron que era imposible, pero otros se negaron a rendirse. El 1 de mayo de 1992 bulleron los rumores en la incipiente Internet: George Smoot iba a anunciar los resultados del experimento más ambicioso hasta la fecha en relación con el fondo cósmico de microondas, efectuado desde la fría oscuridad del espacio con un satélite de la NASA llamado COBE, o COsmic Background Explorer [explorador del fondo cósmico]. George Smoot soltó un bombazo que transformó todo el campo de la cosmología: él y los miembros de su equipo ¡habían detectado las fluctuaciones! Stephen Hawking elogió aquello como «el hallazgo más importante del siglo, ¡cuando no de todos los tiempos!» porque esas imágenes de cuando este Universo tenía tan «solo» cuatrocientos mil años de edad, contenían claves cruciales sobre nuestros orígenes cósmicos.

La fiebre del oro

Ahora que COBE había encontrado oro, se propagó la fiebre de extraer más. El mapa celeste del COBE era bastante borroso porque la baja resolución de las imágenes difuminaba rasgos inferiores a unos siete grados. Así que el siguiente paso natural consistía en ampliar una parte pequeña del cielo con una resolución mayor o con menos ruido. Esos mapas de alta resolución portan codificada la respuesta a algunos interrogantes cosmológicos decisivos. La fiebre del oro para explotar la mina del cielo de microondas prosiguió durante años con más de 20 experimentos distintos alimentados entre sí. Y después llegó el WMAP. A las dos de la tarde del 11 de marzo de 2003, los miembros del equipo del WMAP anunciaron sus resultados en directo a través de NASA-TV. Mientras que los experimentos realizados desde la superficie terrestre y desde globos sonda solo lograron cartografiar partes del cielo, el satélite WMAP había cartografiado el cielo íntegro, igual que el COBE, pero con una sensibilidad y resolución muchísimo mejores. La espera valió la pena: las imágenes obtenidas fueron sensacionales; tanto como su ética de trabajo y la falta de sueño: consiguieron la financiación, la construcción, el lanzamiento, el análisis de datos y los resultados en menos de seis años, tres veces más rápido que COBE. De hecho, el director del proyecto WMAP, Chuck Bennett, casi se muere por cumplir con el calendario previsto: David Spergel, otro colaborador clave en el proyecto, sufrió un colapso y tuvo que permanecer tres semanas hospitalizado después del lanzamiento.

Es más, pusieron todos sus datos en Internet a disposición del público para que los cosmólogos de cualquier lugar del mundo pudieran analizarlos de nuevo por sí mismos. Sus mediciones eran excelentes, pero estaban contaminadas con ruido radioeléctrico procedente de nuestra Galaxia como una banda horizontal en el mapa del COBE. Lo malo es que esa contaminación de microondas procedente de la Galaxia y de otras galaxias se encuentra por todas partes en el cielo, aunque sea a un nivel demasiado bajo para detectarlo con facilidad. Lo bueno es que la contaminación tiene un color diferente al de la señal (depende de la frecuencia de otro modo), y que WMAP había tomado imágenes del cielo en cinco frecuencias independientes. El equipo de WMAP había utilizado esta información adicional para limpiar la contaminación. La imagen esférica del fondo de microondas había nacido, es la imagen icónica de los límites de todo lo que en principio cabe observar.

El eje del mal

El tamaño de las manchas que aparecen en el fondo cósmico de microondas oculta, encriptados, datos cósmicos cruciales. Igual que los sonidos y los colores se descomponen en diferentes frecuencias, también se pueden descomponer mapas bidimensionales del fondo de microondas en una suma de muchos mapas complementarios distintos, que reciben el rarito nombre de multipolares. Estos mapas multipolares contienen, en esencia, la contribución debida a  trozos de distintos tamaños, y ya desde el COBE parecía haber algo sospechoso en el segundo multipolo, el denominado cuadrupolo: los fragmentos mayores del mapa aparecían más débiles de lo esperado. Nadie había conseguido aún realizar un mapa del cuadrupolo para ver qué pasaba con él: para ello se necesitaba un mapa de todo el cielo, pero las microondas de la Galaxia contaminaban parte del cielo de manera irreparable.

Hasta ahora: nuestro mapa era tan nítido que tal vez fuera válido sobre la totalidad del firmamento. Estaba muy avanzada la noche y faltaba poco para que presenta el artículo del mapa. Cuando al fin apareció en la pantalla, no solo se revelaba tan débil como era de esperar (las fluctuaciones de temperatura entre las manchas calientes y frías se acercaban mucho a cero), sino que tenía la forma de una curiosa banda unidimensional que cruzaba todo el cielo, en lugar de mostrarse como un caos aleatorio, tal como predecía la teoría.  Cambiando el 2 por el 3 en el programa, y volviéndolo a ejecutar para obtener una imagen del tercer multipolo, llamado octupolo, arriba aparecía otra banda unidimensional alineada con el cuadrupolo.

Aquello no coincidía con la forma que se suponía que debía tener este Universo. A diferencia de las fotografías humanas, las del Universo no debían mostrar ninguna dirección especial, como «arriba»: debían verse muy similares incluso al rotarlas. Sin embargo, las imágenes del Universo en ciernes que me mostraba la pantalla del ordenador contenían unas bandas parecidas a las rayas de una cebra alineadas en una sola dirección específica. Cambiando en elcódigo del prigrama el 3 por el 4 y volvendo a ejecutarlo, la representación gráfica del cuarto multipolo mostró el aspecto esperado: un caos aleatorio sin ninguna dirección privilegiada.

Alguien apodó «el eje del mal» a aquella dirección especial. Hubo quien la explicó como una casualidad estadística o como contaminación de la Galaxia, mientras que otros afirmaron que era mucho más extraña porque se habían detectado anomalías adicionales incluso para los multipolos 4 y 5 empleando un método diferente. Análisis posteriores descartaron otras explicaciones exóticas, como que vivimos en un pequeño «Universo en forma de rosquilla» donde el espacio vuelve a unirse consigo mismo, pero hasta el día de hoy el eje del mal sigue intrigando a los astrónomos.

El fondo de microondas adquiere madurez

En 2006, el descubrimiento del COBE recibió el Premio Nobel de Física. Como suele ocurrir en ciencia, había habido roces en el equipo del COBE por la atribución de los méritos. El premio lo compartieron George Smoot y John Mather que mantenían una cercanía conciliadora. Consiguieron invitar a todo el equipo del COBE para que asistiera y disfrutara de una gloria bien merecida, y sentí que el torrente interminable de fiestas elegantes contribuyó a cerrar las heridas y a hacer hincapié en lo obvio: entre todos habían conseguido algo mucho más importante que llevar a dos científicos hasta el premio, porque aquella primera imagen suya de este Universo en ciernes inauguró un campo de estudio nuevo y apasionante y abrió las puertas de una nueva era dentro de la cosmología. Lástima que Gamow, Alpher y Herman no hubieran podido estar allí.

El 21 de marzo de 2013 el equipo del satélite Planck hizo públicas sus primeras imágenes del fondo de microondas. ACBAR, ACT, el South Pole Telescope (Telescopio del Polo Sur) y otros experimentos habían perfeccionado los conocimientos sobre el fondo de microondas en la década anterior, pero aquello representaba el mayor hito desde el WMAP. George Efstathiou fue describiendo los resultados, revelando el nuevo mapa del cielo de Planck. Todos los rasgos grandes mantienen una concordancia espléndida, pero el mapa de Planck contiene muchas más manchas minúsculas. Esto se debe a que cuenta con una sensibilidad y una resolución muy superiores, lo que permite tomar imágenes de rasgos diminutos que el satélite WMAP dejó borrosos. ¡Es indudable que el mapa de Planck bien valía la espera!

Gracias a su calidad excepcional, Planck ofrece las respuestas para evaluar el rendimiento de WMAP, y tras una asimilación cuidadosa de los datos de Planck, se ve con claridad que el equipo del WMAP merece un 10, al igual que el equipo del Planck. Sin embargo, la mayor sorpresa en relación con Planck es que no supuso ninguna sorpresa en absoluto: básicamente confirmó la imagen cosmológica que ya se tenía, aunque con una precisión mucho mayor. El fondo cósmico de microondas había alcanzado la madurez.

En resumen, ahora hemos replegado la frontera del conocimiento desde catorce mil millones de años atrás hasta unos cuatrocientos mil años después de la Gran Explosión, y hemos visto que todo lo que nos rodea salió de un plasma caliente que llenaba todo el espacio. Por entonces no había gente, ni planetas, estrellas o galaxias, tan solo átomos que chocaban entre sí por doquier e irradiaban luz. Pero aún no hemos indagado en el misterio del origen de esos átomos.

¿De dónde salieron los átomos?

El reactor cósmico de fusión

Ya hemos visto que la audaz extrapolación de Gamow hacia atrás en el tiempo predijo el fondo cósmico de microondas, el cual nos ha brindado imágenes apabullantes de nuestro Universo en ciernes. Por si este éxito fuera poco, remontó la extrapolación aún más atrás en el tiempo y calculó las consecuencias. Cuanto más atrás en el tiempo, mayor era la temperatura. Como he dicho, cuatrocientos mil años después de la Gran Explosión, el hidrógeno que llenaba el espacio estaba a miles de grados, alrededor de la mitad de la temperatura que alberga la superficie del Sol, así que le pasaba lo mismo que al hidrógeno en la superficie del Sol: brillaba y así creó la radiación del fondo cósmico de microondas. Gamow también reparó en que un minuto después de la Gran Explosión, el hidrógeno se encontraba a una temperatura aproximada de 1000 millones de grados, mayor que la que impera en el núcleo del Sol, así que al hidrógeno de entonces tuvo que ocurrirle lo mismo que al hidrógeno en el núcleo del Sol hoy: fusión, convertir hidrógeno en helio.

Sin embargo, la expansión y el enfriamiento de nuestro Universo apagaron bien pronto ese reactor cósmico de fusión porque el Universo se tornó demasiado frío, así que no dio tiempo a que lo transformara todo en helio. Animados por Gamow, sus alumnos Alpher y Herman efectuaron un cálculo detallado de lo que habría sucedido con la fusión, si bien, como trabajaron a finales de la década de 1940, fueron unos cálculos limitados porque aún no existían las computadoras modernas. Pero ¿cómo se demuestra esta predicción si este Universo no fue transparente durante sus primeros cuatrocientos mil años y todo lo que ocurrió en aquel tiempo permanece oculto a la vista, censurado por la pantalla de plasma del fondo cósmico de microondas? Gamow se dio cuenta de que la situación era equiparable a la de la teoría de los dinosaurios: ¡no podemos ver de manera directa qué sucedió, pero disponemos de signos fósiles! Cuando se repiten los cálculos con datos y computadoras actuales, se deduce que en aquella época en que todo este Universo era un reactor de fusión, alrededor del 25 % de su masa se fusionó en helio.

Cuando se mide la proporción de helio en el gas intergaláctico distante mediante el análisis de su espectro con un telescopio, ¡se obtiene un… 25 %! Este hallazgo es tan impactante como el descubrimiento de un fémur fosilizado de un dinosaurio: un signo directo de que en el pasado ocurrieron hechos alucinantes, en este caso, una señal de que todo se encontraba a una temperatura tan elevada como la que impera en el centro del Sol. Y el helio no es el único resto fósil. La nucleosíntesis primordial, tal como acabó conociéndose la teoría de Gamow, también predice que aproximadamente uno de cada 300 000 átomos de ahí fuera debería ser de deuterio y alrededor de uno de cada 5000 millones de átomos debería ser de litio. Estas dos fracciones se han medido ahora, y concuerdan a la perfección con la predicción teórica.

La Gran Explosión en peligro

 No obstante, el éxito no fue fácil de alcanzar: la Gran Explosión caliente de Gamow recibió una acogida muy fría. De hecho, el término Gran Explosión (en inglés Big Bang) lo acuñó uno de sus detractores, Fred Hoyle, con la intención de ridiculizarlo. De acuerdo con los marcadores de 1950, la teoría había emitido dos grandes predicciones, y ambas erróneas: la edad de este Universo y la abundancia de átomos. La medición inicial de Hubble de la expansión cósmica pronosticaba que el Universo tenía menos de dos mil millones de años de edad, y a los geólogos los deprimía la idea de que el Universo fuera más reciente que algunas de sus rocas. Es más, Gamow, Alpher y Herman confiaban en que la nucleosíntesis primordial produjera la práctica totalidad de los átomos que nos rodean en la proporción correcta, pero se encontraron con que ni de lejos se llegaba a crear suficiente carbono, oxígeno y otros átomos frecuentes, sino que tan solo se obtenía helio, deuterio y cantidades exiguas de litio.

Ahora sabemos que Hubble subestimó en extremo la distancia de las galaxias. Por eso concluyó erróneamente que este Universo se expande siete veces más deprisa que en la realidad, lo que llevaba a concluir que era siete veces más joven. Cuando en la década de 1950 mejoró la medición de distancias y empezó a corregirse este error, los desdichados geólogos recuperaron la credibilidad y la serenidad.

El segundo «error» de la teoría de la Gran Explosión también se esfumó por entonces. Gamow había realizado investigaciones pioneras sobre reacciones de fusión en estrellas, y tanto su trabajo como el de otros apuntaban a que las estrellas producen helio y poco más, tal como hace el Sol en estos instantes. Por eso confiaba en que la nucleosíntesis primordial explicara la procedencia de los demás átomos. Sin embargo, en la década de 1950 se descubrió una coincidencia físico-nuclear en apariencia sorprendente que relacionaba niveles de energía nuclear del helio, el berilio, el carbono y el oxígeno, lo que facilitaba la fusión. Fred Hoyle fue el primero en apreciar que esta coincidencia permitía que las estrellas moribundas transformaran helio en carbono, oxígeno y la mayoría del resto de átomos que nos conforman.

Es más, quedó clarísimo que las estrellas mueren con explosiones que reciclan muchos de los átomos que han generado en nubes de gas que con posterioridad pueden volver a crear estrellas nuevas, planetas y, a la larga, entes como usted y yo. En otras palabras, estamos más conectados con el cielo de lo que pensaban nuestros ancestros: estamos hechos de materia estelar. Igual que estamos en este Universo, este Universo está en nosotros. Este planteamiento hizo que la nucleosíntesis primordial de Gamow pasara de ser un fracaso a convertirse en un éxito aplastante: nuestro Universo fabricó helio y una pizca de deuterio y litio durante los primeros minutos de su existencia, y más tarde las estrellas crearon el resto de nuestros átomos.

Se había resuelto el enigma del origen de los átomos. Y esta vez llovió sobre mojado: justo cuando la teoría de la Gran Explosión empezaba a cobrar aceptación, el descubrimiento en el año 1964 de la otra predicción de Gamow electrizó el mundo de la cosmología: el resplandor de la Gran Explosión, la radiación del fondo cósmico de microondas.

¿Qué es en realidad una Gran Explosión?

Ya hemos replegado los límites del conocimiento hasta unos catorce mil millones de años atrás, un tiempo en el que todo nuestro Universo era un reactor de fusión nuclear abrasador. Cuando digo que creo en la hipótesis de la Gran Explosión, me refiero a que estoy convencido de que ocurrió, pero nada más. Hipótesis de la Gran Explosión: Todo lo observable estuvo una vez a una temperatura mayor que el núcleo del Sol, y experimentó una expansión tan veloz que dobló su tamaño en menos de un segundo. Sin duda fue una explosión lo bastante grande como para llamarla Gran Explosión con mayúsculas. Sin embargo, conviene tener en cuenta que esta definición es bastante cautelosa, puesto que no dice nada en absoluto sobre lo que pasó antes de eso.

Por ejemplo, esta hipótesis no implica que nuestro Universo tuviera un segundo de edad en aquel instante, ni que alguna vez haya sido infinitamente denso, ni que saliera de alguna suerte de singularidad donde nuestras matemáticas dejan de funcionar. La pregunta ¿hay indicios de una singularidad en la Gran Explosión?, tiene una respuesta muy simple: ¡No! No hay duda de que si extrapolamos las ecuaciones de Fridman todo lo posible hacia el pasado, se derrumban en una singularidad infinitamente densa alrededor de un segundo antes de la nucleosíntesis primordial, pero la teoría de la mecánica cuántica dice que esa extrapolación pierde sentido antes de llegar a la singularidad. Considero crucial diferenciar entre aquello sobre lo que tenemos pruebas sólidas, y lo que es muy especulativo y, aunque contamos con algunas teorías e indicios sobre lo que sucedió antes de la Gran Explosión, la verdad es que aún no lo sabemos. Ahí se sitúan los límites actuales de nuestro conocimiento. De hecho, ni siquiera sabemos con certeza si el Universo tuvo algún comienzo, en lugar de pasarse una eternidad haciendo algo que no hemos desentrañado antes de la nucleosíntesis primordial.

En resumen, los humanos hemos desplazado la frontera del conocimiento muy atrás en el tiempo. Un millón de años después de la Gran Explosión el espacio estaba lleno de gas transparente casi uniforme. Si pudiéramos rebobinar el gran teatro del Cosmos, veríamos que ese gas se calienta cada vez más y sus átomos chocan entre sí cada vez con más intensidad hasta descomponerse en núcleos atómicos y electrones libres: un plasma. Después veríamos que las colisiones entre los átomos de helio los separan en protones y neutrones. A continuación, los choques entre estos últimos los escindirían en sus componentes esenciales: en quarks. Más allá cruzamos los límites de nuestros conocimientos y nos adentramos en el reino de la especulación científica. Si damos un salto atrás hasta un millón de años después de la Gran Explosión y, por el contrario, reproducimos la historia hacia delante, vemos que la gravitación amplifica las ligeras acumulaciones del gas hasta crear galaxias, estrellas y la rica estructura cósmica que observamos hoy día a nuestro alrededor.

Pero la gravitación solo puede amplificar pequeñas fluctuaciones en fluctuaciones mayores, no puede crear fluctuaciones a partir de la nada. Si hay algo liso y uniforme, la gravitación lo mantendrá así para siempre, incapaz de crear ninguna acumulación densa y mucho menos galaxias. Esto significa que desde bien pronto tuvo que haber pequeñas fluctuaciones primordiales que la gravitación amplificó y que actuaron como una especie de semillas cósmicas que determinaron dónde se formarían las galaxias.

¿De dónde salieron esas fluctuaciones primordiales? En otras palabras, sabemos de dónde provienen los átomos de nuestro Universo, pero ¿y los imponentes patrones de galaxias en los que se organizaron? ¿De dónde salió la estructura cósmica a gran escala? Creo que esta pregunta se ha convertido en la más productiva de las muchas que nos hemos planteado en cosmología.

RESUMEN

¥ Como la luz distante tarda tiempo en alcanzarnos, los telescopios nos permiten ver el desarrollo de la historia del Cosmos.

¥ Unos trece mil ochocientos millones de años atrás todo lo observable en la actualidad estaba a una temperatura más elevada que el núcleo del Sol y se expandió tan rápidamente que duplicó su tamaño en menos de un segundo; esto es lo que se llama la Gran Explosión.

¥ Aunque no sabemos qué sucedió con anterioridad, conocemos muchos detalles sobre lo que pasó desde entonces: expansión y formación de estructuras.

¥ Este Universo tardó varios minutos en convertirse en un reactor de fusión nuclear gigantesco, como el núcleo del Sol, que transformó hidrógeno en helio y otros elementos ligeros, hasta que la expansión cósmica diluyó y enfrió lo suficiente nuestro Universo como para detener la fusión.

¥ Al realizar los cálculos se llega a la predicción de que alrededor del 25 % del hidrógeno se transformó en helio; las mediciones concuerdan a la perfección con esta predicción y también encajan con las predicciones para otros elementos ligeros.

¥ Tras otros cuatrocientos mil años de expansión y disolución, este plasma de hidrógeno-helio se enfrió y se convirtió en gas transparente. Esta transición se ve como una pared de plasma distante cuyo tenue fulgor ha recibido el nombre de fondo cósmico de microondas y condujo a dos premios Nobel.

¥ A lo largo de los miles de millones de años subsiguientes, la gravitación hizo que aquel Universo uniforme se transformara en un Cosmos granulado e interesante mediante la amplificación de las diminutas fluctuaciones de densidad que se observan en el fondo cósmico de microondas hasta formar planetas, estrellas, galaxias y la estructura cósmica a gran escala que observamos hoy en día a nuestro alrededor.

¥ La expansión cósmica predice que las galaxias distantes se alejan de nosotros de acuerdo con una fórmula sencilla que concuerda con lo que se observa en la realidad.

¥ Toda esta historia de nuestro Universo la describen con exactitud fórmulas físicas simples que permiten predecir el futuro a partir del pasado, y el pasado a partir del futuro.

¥ Todas esas leyes físicas que gobiernan la historia de este Universo se expresan en términos de ecuaciones matemáticas, así que la descripción más exacta de nuestra historia cósmica es una descripción matemática.

 

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