El Big Bang y el futuro del Universo
EL INICIO DEL UNIVERSO
Para sorpresa de Einstein, cuando aplicó al conjunto el Universo sus fórmulas de la relatividad general se llegaba a una sorprendente conclusión: el tamaño total del Universo debe estar cambiando con el tiempo. La noción de un Universo que siempre había existido y nunca cambiaba estaba tan fuertemente arraigada que esta conclusión era demasiado, incluso para Einstein. Por esta razón revisó sus fórmulas y las modificó introduciendo algo denominado constante cosmológica, un término adicional que le permitía evitar esta predicción y gozar de la comodidad de un universo estático. Sin embargo, doce años más tarde, mediante mediciones detalladas de galaxias lejanas, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble estableció experimentalmente que el Universo se expande. Einstein acabó reconociendo su modificación de las fórmulas con la constante cosmológica como el mayor error de su vida.
¿Cómo puede saberse que las galaxias se alejan? Para entenderlo deberemos recurrir a un efecto que le ocurre a las ondas en movimiento, ya sean sonoras o electromagnéticas, conocido como efecto Doppler. Y también a otro efecto físico muy conocido, que es el de la disociación de la luz solar en un espectro de colores, ya sea en el arco iris, o al hacer pasar un rayo de luz a través de un prisma de vidrio.
El efecto Doppler también afecta a las ondas electromagnéticas como la luz. Si una estrella está acercándose a nosotros, las ondas de su luz nos llegarán cada vez más “apelotonadas”. En el caso de la luz, esta se vuelve más azulada, su espectro se desplaza a la zona azul que es donde están las ondas más cortas. Y si la estrella se aleja de nosotros, su luz se desplazará a la zona de ondas más largas, y parecerá que enrojece. Estos movimientos de las estrellas con respecto a la Tierra se evidenciaban porque el espectro de algunas estrellas tenía las bandas oscuras manifiestamente desplazadas hacia el extremo rojo, y el de otras hacia el extremo azul.
Al estudiar los espectros de varias galaxias, Hubble observó que prácticamente todos mostraban un sensible desplazamiento al rojo, lo que significaba que las galaxias estaban separándose, y que este desplazamiento era proporcional a la distancia que estuviesen las galaxias. Una galaxia que estuviese 4 veces más lejos que otra, se separa de nosotros 4 veces más rápido que la segunda. Pudiera dar la sensación de que nuestra galaxia, la Vía Láctea, fuese el centro del Universo, puesto que todas las otras galaxias se alejan de nosotros, pero esto es una percepción errónea. En realidad todas las galaxias están alejándose unas de otras, incluida la nuestra. Para visualizar esto se suele recurrir el ejemplo de comparar el Universo con un globo en el que se haya dibujado en forma aleatoria una serie de manchas que representan las galaxias. Si inflamos el globo, veremos que todas las manchas se alejan de las demás, sin que ninguna ostente una posición central; y que, escogiendo una, cuanto más alejadas estuviesen inicialmente dibujadas las otras manchas, tanto más deprisa se alejaran de ella.
La evidencia de que el Universo está en expansión, llevó a la lógica conclusión de que en el pasado debía ser más pequeño. Que cuanto más retrocediéramos en el tiempo, las galaxias tenían que estar tanto más próximas entre sí que en la actualidad, hasta llegar a un punto en que todas estuviesen juntas, y el Universo entero se redujese a un punto cada vez más pequeño y de densidad creciente hasta, teóricamente, llegar a una dimensión cero con densidad infinita, lo que se conoce como singularidad, o también, más popularmente, huevo cósmico. En un momento dado, que se sitúa entre 10.000 y 15.000 millones de años atrás, este huevo cósmico produjo un estallido de una violencia súper-explosiva denominado Big Bang (en inglés: Gran Explosión). En el Big Bang se creó no sólo la energía y la materia que salió esparcida con tremenda violencia para dar lugar posteriormente a átomos que acabaron formando estrellas y galaxias, sino que también se creó el espacio e incluso el mismo tiempo. No tiene sentido plantearse donde estaba situado ese huevo cósmico, pues no estaba en ningún sitio dado que el espacio no existía antes de la explosión. Tampoco tiene sentido preguntarse que había antes del Big Bang. El tiempo no existía, se creó en el Big Bang, no había un antes. Este tipo de preguntas es de la misma índole que, por ejemplo: ¿qué zona de la Tierra está al norte del Polo Norte?, ¿cuánto pesa el amor?, ¿de qué color es el dolor? No es que no tengan respuesta, es que las preguntas están mal planteadas. Si consideramos el instante del Big Bang como el momento cero en que no existían ni el espacio ni el tiempo ¿cuál fue el instante inicial después del Big Bang? Esto es lo mismo que preguntar cuál es el menor número mayor que cero. Evidentemente, por muy pequeño que sea el número que escojamos, podemos encontrar otro aún menor. No existe un número menor que todos los demás. Igualmente no hay un instante inicial.
Con todo, no todos los científicos aceptaron la teoría del Big Bang. Otra teoría propuesta en 1948 que tuvo muchos adeptos es la llamada Teoría del Estado Estacionario, cuyo principal defensor fue el astrónomo y escritor británico Fred Hoyle. En ella se acepta un Universo en expansión, pero se niega que hubiese tenido un Big Bang. A medida que las galaxias se separan, nuevas galaxias se forman entre ellas, a un ritmo demasiado lento para ser detectado, con una materia que se crea de la nada merced a fluctuaciones cuánticas del espacio vacío1.
Según el modelo del estado estacionario, el Universo se está expandiendo, pero esta expansión no es una secuela de la explosión original, sino que es debida a una fuerza repulsiva análoga a la constante cosmológica de Einstein. Cualquiera que se la naturaleza de la fuerza repulsiva, alejaría las galaxias hasta que finalmente se desvanecieran más allá del “borde”, cuando sobrepasan la barrera de la luz. Esta desaparición se produciría, sin duda, respecto a de un observador en nuestra galaxia. Cuando un observador en la Tierra ve que la galaxia X y sus vecinas desaparecen, los observadores en la galaxia X ven a nuestra galaxia hacer exactamente lo mismo. Esta teoría se llama de Estado Estacionario porque afirma que el Universo sigue siendo esencialmente el mismo a lo largo de toda la eternidad. Ha tenido un aspecto como el actual a través de innúmeros eones en el pasado, y tendrá el mismo aspecto de ahora mismo a través de incontables eones en el futuro, por lo que no existe ni un principio ni un fin.
En 1961, las dos teorías rivales, la del Big Bang y la del estado estacionario, iban parejas. No se conocían los valores de los parámetros pertinentes con la precisión suficiente para decidir entre las dos teorías. La teoría de la relatividad es igualmente aplicable a ambas y las dos encajaban con los hechos conocidos sobre el Universo. De pronto, a mediados de los años sesenta, la teoría del estado estacionario sufrió su primer golpe importante con el descubrimiento de los quasars. Suponiendo que sus desplazamientos hacía el rojo no se deban a causas poco convencionales, tienen que ser estructuras que sólo existen en las regiones más alejadas del Cosmos. Esto quiere decir que se formaron hace miles de millones de años y que, desde entonces, no se ha formado ninguno más. Pero entonces la teoría del estado estacionario no puede dar cuenta de ellos.
El golpe más duro se lo asestó en 1965 el descubrimiento de la radiación de fondo del espacio. Esta radiación estaba predicha implícitamente en la teoría del Big Bang, y es -dicho de forma metafórica- el resto del ruido de la inmensa explosión y que aún resuena en todo el espacio. En 1964 fue detectada por los radioastrónomos norteamericanos Penzias y Wilson, y además mostraba una temperatura de 3º Kelvin, casi exactamente lo que se preveía. La existencia de este ruido de fondo es considerado por la mayoría de astrónomos como una prueba concluyente a favor de la teoría del Gran Estallido. Los defensores de la teoría del estado estacionario se resistieron a abandonarla, pero al final tuvieron que rendirse a la evidencia. Hoyle estuvo varios años proponiendo alternativas, algunas de ellas fantásticas. Casi todos los expertos coinciden en que el Universo se está expandiendo, en que no está entrando nueva materia procedente de otros espacios y en que se originó en una monstruosa explosión que tuvo lugar hace unos 15 o 20 mil millones de años.
El “cuerpo” de la cosmología moderna está formado por muchas disciplinas: astronomía, física, química, matemáticas, etc.… hasta podríamos incluir biología, geología, antropología y otras. La teoría del Big Bang encaja con todas ellas, formando un Todo en el que la Ciencia puede explicar de forma perfectamente lógica y coherente como se formó y evolucionó el Universo desde el principio hasta hoy. Bien, para ser precisos, no exactamente desde el principio, sólo desde 10-43 segundos después de la explosión. Pero no deja de ser un asombroso logro de la razón humana el poder explicar un complejísimo proceso de eones de duración, salvo esta inconmensurable fracción. Lo que ocurrió en estos 10-43 segundos de momento está fuera del conocimiento de la Ciencia, las leyes físicas conocidas dejan de ser válidas; y aquí es donde muchos ponen a Dios. Es una opción tan válida como otras. Lo que entendemos por Dios tampoco cumple las leyes de la física. Cómo no está dentro del conocimiento de la Ciencia no podemos opinar sobre ello, ni darle ni quitarle más validez que a otras opiniones.
EL FUTURO DEL UNIVERSO
Una vez acordado como pensamos que fue el principio del Universo, el siguiente desafío es intentar averiguar cómo será su futuro y su final.
El Universo está destinado a morir, pero para saber la respuesta a la pregunta de cómo morirá, primero hemos de contestar otra: ¿Cuanta materia?, o mejor dicho ¿Cuanta densidad de materia tiene el Universo? Si la densidad de materia es suficientemente alta, la fuerza de la gravedad acabará frenando la expansión cosmológica hasta llegar un punto en que las galaxias ya no se separarán cada vez más, si no que empezarán a caer sobre ellas mismas y el Universo se contraerá hasta el colapso total. En caso contrario el Universo continuará su expansión hasta que la entropía alcance su nivel máximo, y la inexorable 2ª Ley de la Termodinámica venza.
Los astrónomos usan la expresión «densidad crítica» para indicar la cantidad de materia en un volumen, que es la justa y necesaria para provocar la contracción. Tal densidad es de alrededor un átomo por metro cúbico. La cantidad de materia luminosa visible, ósea las estrellas y nubes de gas de las galaxias, se estima en un 5% de la densidad crítica. Pero puede haber agujeros negros, planetas, estrellas oscuras, hidrógeno intergaláctico, energía de radiación o de gravitación, y neutrinos y también la materia oscura cuya composición se desconoce.
Examinemos algo más detalladamente las dos alternativas, empezando por la última:
Aunque sepamos que el Universo se está apagando, no sabemos la velocidad a que lo hace. Esta información solo se puede obtener a partir de un cuidadoso estudio de las más importantes fuentes de desequilibrio termodinámico: las estrellas. El porvenir generalmente aceptado para nuestro Sol es que se volverá gradualmente más luminoso y más grande dentro de unos 5.000 millones de años. Durante varios miles de millones de años más su comportamiento será algo errático, para acabar como una enana blanca, una estrella diminuta y comprimida que se irá enfriando lentamente. Al cabo de 100.000 millones de años solo quedará materia negra y consumida.
Durante ese tiempo otras estrellas nacerán y morirán. Las de mayor masa la consumen rápidamente y muchas acabarán como agujeros negros. Por el contrario las pequeñas se queman lentamente y pueden durar 100 veces más que el Sol. Pero con el tiempo también se agotará el suministro de la materia prima que se encuentra esparcida en grandes nubes de gas, y ya no se formarán nuevas estrellas.
La mayoría de las estrellas muertas se convertirán en agujeros negros que, de vez en cuando, colisionarán y se juntarán creando agujeros negros súper-masivos en los que caerá una gran cantidad de materia. Mientras tanto la expansión cosmológica habrá apartado a las demás galaxias a una distancia mucho mayor de la actual, y por tanto al expansionarse el Universo, bajará la temperatura de la radiación térmica primordial. Después de un trillón de años esta temperatura será inferior a la incluso pequeñísima de los agujeros negros (alrededor de una diez millonésima de grado por encima del 0 absoluto), por lo que estos empezarán a «evaporarse».
El tiempo que tarda un agujero negro en evaporarse es enorme, alrededor de 10 elevado a 100 años. Pero cuando finalmente esto también suceda, no quedará nada, excepto una radiación extremadamente tenue y decreciente. Se habrán agotado las últimas pequeñas reservas de energía libre, toda la maquinaria cósmica se habrá parado y el Universo será entonces un espacio negro, frío y vacío en expansión para el resto de la eternidad.
En el caso de que ocurra la primera alternativa el Universo se contraerá gradualmente durante miles de millones de años; de forma inapreciable al principio, pero cada vez más rápidamente a medida que las galaxias se vayan aproximando unas a otras y en consecuencia se intensifique la gravedad. Al desaparecer el espacio entre las galaxias, estas empezarán a colisionar entre sí y a llenar todo el Universo más o menos uniformemente.
Esta situación permanecerá unos millones de años, pero antes de que las estrellas empiecen a colisionar unas con otras, surgirá un nuevo fenómeno. La radiación de fondo primordial, hasta ahora inapreciable, se vuelve cada vez más caliente hasta llegar a serlo más que la misma superficie de las estrellas. Cuando esto suceda las estrellas ya no podrán desprenderse de la energía que generen, y la temperatura de la radiación que las rodee las vaporizará lentamente hasta su desaparición. En este punto, el Universo habrá vuelto a una nueva era del plasma, estando constituido por una materia opaca que llenará todo el espacio más o menos uniformemente con algunos agujeros negros como último vestigio.
Al alcanzar los 1.000 millones de grados el colapso será frenético, el Universo pasará por la misma secuencia de épocas del Big Bang invertidas. Cuando la temperatura llegue a los 10.000 millones de grados, los procesos cuánticos adquirirán importancia y el espacio-tiempo se empezará a romper, y a partir de aquí deja de funcionar la física conocida. Se supone que el espacio-tiempo acabará en una singularidad y probablemente todo el Universo quede comprimido con una densidad infinita. Esto se conoce como Big Crunch o Gran Implosión.
A algunos cosmólogos les gusta pensar que el resultado final de tan monstruosa contracción será una nueva explosión que arrojaría el hidrógeno al espacio como antes y, con el tiempo se condensaría en nuevas galaxias. Estos son los llamados modelos “pulsantes” u “oscilantes”. Diversos factores aleatorios pueden afectar a esta explosión, de manera que cada vez que nace un universo lo hace con su propio conjunto de partículas y leyes físicas. Constantemente surgen una infinidad de universos diferentes de breve existencia. Primero se expanden, pasando posteriormente a contraerse hasta caer el olvido. Vivimos un Universo que estalló precisamente del modo adecuado para dar lugar a las partículas y las leyes que permitieron que ciertas complicadas estructuras (nosotros) evolucionaran de tal forma que fuesen capaces de contemplarse a sí mismas.
Este era el panorama de las teorías cosmológicas admitido hasta el descubrimiento de la energía oscura a finales de los años 90. La energía oscura es el elemento determinante en el futuro del Universo y cambió todo este panorama al evidenciar que la expansión cosmológica no se está ralentizando como se pensaba, si no que se está acelerando. Esto se explica en detalle en el capítulo dedicado a la energía oscura.
[1] Esto suena un tanto fantástico, pero diremos sólo que es admitido por la Teoría Cuántica de la materia, como algo posible dentro de la denominada “incertidumbre energía-tiempo”.