Materia y energía oscuras
LA MATERIA OSCURA
El descubrimiento de la materia y la energía oscuras supone uno de los acontecimientos astronómicos más importantes de los últimos tiempos. Para hacernos una idea hay que tener en cuenta que estas dos misteriosas substancias constituyen el 95% del contenido del universo. El 5% restante es la materia ordinaria.
Sabemos que la materia y la energía oscuras están ahí, que comparten algunas características: son invisibles, muy abundantes y están por todas partes; pero en realidad son radicalmente diferentes entre sí. La materia oscura está distribuida de manera desigual formando nubes gigantescas dentro y alrededor de las galaxias. Se calcula que representa un 27% del contenido total del universo y posiblemente esté constituida por algún tipo de partícula elemental aún desconocida, descartándose que sea materia ordinaria difícil de detectar, como planetas o asteroides errantes o polvo intergaláctico.
La energía oscura es aún más extraña. Consiste en una especie de energía asociada al propio espacio, que llena de manera uniforme todo el universo, incluso los espacios aparentemente vacíos. Aunque su densidad es minúscula (en el volumen de la Tierra sólo hay unos 7 mg. de energía oscura), el hecho de que se extienda por el universo todo hace que signifique el 68% de su contenido. La energía oscura es el ingrediente más abundante del universo, y el que marcará su destino.
EL DESCUBRIMIENTO DE MATERIA OSCURA
Podemos determinar la masa de los objetos celestes simplemente midiendo la velocidad de los cuerpos que orbitan en torno a ellos. Así ¿es posible determinar la masa de la Vía Láctea o cualquier otra galaxia? Sí, usando el método descrito anteriormente: estudiando las velocidades de objetos (típicamente estrellas) que orbitan alrededor de la galaxia en cuestión. Pero es más complicado medir el movimiento de estrellas en galaxias lejanas que el de la Luna o los planetas. En primer lugar es difícil seguir estrellas individuales en galaxias distantes, aunque se mueven a gran velocidad, la dimensión de sus órbitas es tan gigantesca que aparentan estar inmóviles. Para superar estas dificultades se usa una técnica basada en el efecto Doppler comparando el desplazamiento al azul o al rojo de la luz de las estrellas a estudiar con las líneas de emisión y absorción establecidas en laboratorio, básicamente del hidrógeno.
Al estudiar las estrellas de otras galaxias, se esperaba comprobar que cuanto más lejanas estuviesen del centro de su galaxia, más despacio deberían orbitar. Lo que se encontró fue que la velocidad de las estrellas parecía ser aproximadamente siempre la misma, aunque la distancia al centro fuera muy grande. La explicación más sencilla, aunque revolucionaria, es que además de la materia visible, existe otra invisible que se extiende mucho más allá de los límites visibles de la galaxia, de manera que la velocidad de la estrella no disminuye con la distancia.
Estas observaciones están confirmadas en múltiples galaxias estudiadas, incluida la nuestra, la Vía Láctea. En general se puede afirmar que la masa visible de una galaxia constituye el 10% de la misma, siendo el 90% restante materia oscura. Una posible explicación, que no implicaría la existencia de ninguna materia invisible, sería que la ley de gravitación universal de Newton, que funciona estupendamente en el Sistema Solar, quizá dejase de ser válida cuando están implicadas masas y distancias mucho más mayores, como es el caso de las galaxias. ¿Podría ser que la constante de gravitación universal G, después de todo no fuese tan “universal”? Se ha comprobado que esto no es así, pero para entenderlo primero hay que explicar el fenómeno astronómico de las “Lentes Gravitacionales”. Esta predicción extraordinaria de la relatividad general de Einstein pudo ser confirmada experimentalmente durante un eclipse total de Sol en 1919, lo que supuso un respaldo decisivo para la teoría y que Einstein se convirtiera en una celebridad mundial.
Esto puede usarse como procedimiento alternativo para determinar la masa de un objeto celeste al ya explicado de medir velocidades y distancias de cuerpos orbitantes. Midiendo cuanto curva los rayos de luz dicho objeto, se puede calcular cuál es su masa total. Comparando este total con la cantidad de materia ordinaria visible presente, podemos deducir la materia “que falta” para completar el total que será por tanto materia oscura, invisible. Hay que resaltar que las galaxias de los cúmulos, solo constituyen una pequeña parte de la materia ordinaria. La mayor parte –como 15 veces más que las galaxias en sí- se encuentra en forma de gas (principalmente hidrógeno y helio) que se extiende por los espacios intergalácticos. Este gas está muy caliente, con temperaturas del orden de 100 millones de grados, y puede ser observado gracias a la emisión de rayos X que produce. Esta emisión permite determinar tanto su temperatura como su masa. De todo esto se dedujo que para justificar la intensidad del efecto “lente gravitacional” de los cúmulos de galaxias, faltaba una cantidad de materia oscura cinco o seis veces superior a la ordinaria.
Pero como podemos estar seguros de que la ley de la gravitación de Newton es realmente UNIVERSAL y que todo esto no se debe a un efecto óptico debido a que la fuerza de la gravedad se comporta en forma extraña a grandes distancias. Si fuera así, entonces no existiría ninguna materia oscura, y la mayor parte de la masa de un cúmulo correspondería al gas intergaláctico quien sería el máximo responsable del efecto de lente gravitacional.
Veamos la siguiente foto
El cúmulo Bala es llamado así por el aspecto que adopta una de las dos nubes de gas, pertenecientes en realidad a ambos cúmulos en colisión. Como se aprecia en la imagen, las nubes de gas (manchas centrales) se han separado de las galaxias individuales y la materia oscura (manchas laterales rodeadas con óvalos blancos). Pensemos que estos cúmulos llevan cientos de millones de años chocando, y sus centros ya se atravesaron hace unos 150 millones de años. Al entrecruzarse, los dos enjambres galácticos se atraviesan casi sin tocarse debido a las enormes distancias que separan sus estrellas individuales. Pero las nubes de gas intergaláctico si que friccionan entre sí, quedando rezagadas y calentándose en el proceso, como se puede comprobar midiendo las emisiones de rayos X, alcanzando temperaturas mucho mayores a las acostumbradas, ya de por sí altísimas.
Pudo comprobarse que las zonas donde el efecto gravitacional es mayor corresponden a las rodeadas por óvalos, y por tanto es donde debe encontrarse la mayor parte de la materia, pese a tratarse las galaxias despojadas de sus nubes de gas. Por tanto, la mayor parte de la materia de los cúmulos no está en las nubes de gas, por lo que la ley de Newton sigue operando a esas enormes distancias y debe existir alguna materia que no vemos. Se han analizado varios choques de cúmulos y todos exhiben una separación entre las nubes de gas y la materia oscura. Lo que nos da pistas adicionales sobre su naturaleza, concretamente que la materia oscura no solo interacciona muy poco con la materia ordinaria, sino muy poco con ella misma. De lo contrario, las nubes de materia oscura también habrían friccionado entre sí y quedado rezagadas.
Una evidencia de que la materia oscura no puede ser materia ordinaria que no podamos detectar como, por ejemplo, planetas o asteroides vagando por el espacio, la tenemos en lo siguiente:
Utilizando las ecuaciones de la relatividad y todo lo que se sabe acerca de los procesos nucleares, es posible calcular que porcentaje de hidrógeno, helio y otros elementos se formaron en los primeros minutos después del Big Bang. Pues bien, midiendo la abundancia en el universo de estos elementos, se encuentra que los porcentajes reales concuerdan con los predichos teóricamente. En estos cálculos interviene una magnitud importante, la densidad de materia ordinaria en el universo. Esto quiere decir que la materia oscura (seis veces más abundante que la ordinaria, recordémoslo) no puede ser materia ordinaria, ya que si lo fuese la densidad de materia del universo sería siete veces mayor, y en ese caso las predicciones de la abundancia de los diversos elementos no concordaría con las observaciones. Por tanto la materia oscura ha de ser “otra cosa”.
RETRATO ROBOT DE LA MATERIA OSCURA
Resumamos los que sabemos de momento y formémonos un “retrato robot” sobre la materia oscura:
• No puede estar hecha de materia ordinaria como protones, electrones, etc. De lo contrario los cálculos de la nucleosíntesis primitiva arrojaría datos contradictorios con los observados.
• Reacciona muy débilmente con la materia ordinaria, hasta ahora sólo se han constatado efectos gravitatorios.
• La materia oscura ha de ser muy estable, si se desintegra lo hace a un ritmo muy lento, pues en el universo primitivo el porcentaje de materia oscura era aproximadamente el mismo que ahora.
• La materia oscura tampoco parece interaccionar mucho consigo misma, como vimos en choque y entrecruzamiento de los cúmulos de galaxias.
• Su abundancia equivale al 27% del contenido total del universo.
También sabemos que ha de ser fría, entendiendo por esto que la velocidad de sus componentes no podía ser demasiado próxima a la velocidad de la luz en el momento del agrupamiento de la materia para formar las galaxias, ya que en caso contrario las partículas de materia oscura se hubiesen escapado con facilidad a los efectos gravitatorios y dicho agrupamiento no se hubiera producido en la forma observada.
CANDIDATOS A MATERIA OSCURA
¿Podrían ser los neutrinos? De las diversas partículas que componen la materia ordinaria, el único candidato a ser constituyente de la materia oscura es el neutrino. Efectivamente, el neutrino tiene una serie de características que encajan en el retrato robot de la materia oscura: son las partículas de materia más ligeras que se conocen (de hecho, no se sabe su masa, solo ciertos límites entre los que tiene que encontrarse), son también las partículas más difíciles de detectar ya que interaccionan muy poco con la materia. Los neutrinos son también las partículas de materia más abundantes del universo, solo superadas en número por los fotones y en su mayor parte provienen de los primeros instantes del Big Bang (otros se están formando continuamente en las estrellas), constituyendo un “fondo de neutrinos” semejante a la radiación de fondo.
Sin embargo los neutrinos no pueden ser la materia oscura por dos razones. La primera es, que pese a su abundancia, no son suficientes para constituir el 27% de materia oscura que se ha calculado existe en el universo. La segunda es que los neutrinos supondrían un tipo de materia oscura “caliente” puesto que se mueven a la velocidad de la luz. Así que, desgraciadamente, los neutrinos quedan descartados como materia oscura.
Postulemos la existencia de una hipotética partícula, a la que llamaremos X, que cumpla todos los requisitos de nuestro retrato robot. Aunque no sabemos la masa de X ni la intensidad ni el tipo de sus interacciones con la materia ordinaria, estas no pueden ser cualesquiera, sino que han de estar en un delicado equilibrio. En concreto, en el universo primitivo, las partículas X debieron aniquilarse con sus antipartículas en una proporción adecuada para que la cantidad de materia oscura coincida con la abundancia del 27% observado. Lamentablemente a pesar de los delicados equilibrios que se necesitan entre la masa de X y sus interacciones, los rangos para estas son inmensos, por lo que seguimos sin tener muchas pistas sobre qué tipo de partícula sea X.
Unos candidatos sugeridos son los denominados WIMPs, (acrónimo inglés de Weakly Interacting Massive Particle, o sea “partícula masiva con interacción débil”). Son hipotéticas partículas con una masa de entre 10 y 1.000 veces la de un protón y que presenta solo interacciones débiles (una de las cuatro interacciones fundamentales). No entraremos en detalles, pero los WIMPs surgen en estudios teóricos para resolver ciertos problemas del modelo estándar, como el de la supersimetría. Para que el modelo estándar sea supersimétrico hace falta modificarlo, incluyendo nuevas partículas. Concretamente, cada partícula de las ya conocidas debe tener asociada una compañera supersimétrica. Una de estas partículas supersimétricas es el llamado neutralino, el cual, sin buscarlo, cumple las características perfectas de un WIMP: es estable, no tiene carga eléctrica, sus interacciones son solo de tipo débil y su masa está en el rango adecuado para producir la abundancia necesaria de materia oscura fría.
Otra propuesta son los modelos con dimensiones espaciales extras. Una partícula moviéndose en ellas (y no en las tres dimensiones convencionales) nos parecería que está en reposo, pero con mucha energía, es decir con masa. Precisamente una de esas partículas podría tener características de un WIMP.
LA MATERIA OSCURA ENTORNO NUESTRO
La materia oscura impregna la totalidad de las galaxias, también la Vía Láctea, por lo que está en todo momento con nosotros, atravesando nuestros cuerpos.
Actualmente se tiene una idea bastante precisa de la densidad de materia oscura en nuestra región de la Vía Láctea: aproximadamente media milmillonésima de gramo por km3. Esto se calcula a partir del movimiento de las estrellas alrededor del centro galáctico. Usando ese valor de la densidad y suponiendo que la partícula X fuera, por ejemplo, 100 veces más pesada que un protón, tendríamos 3 partículas de materia oscura por litro. Pero esas partículas se mueven a gran velocidad, y teniendo en cuenta que la materia oscura de la galaxia se encuentra en equilibrio gravitatorio, deducimos que su velocidad promedio es de 300 km/s. Como resultado cada centímetro cuadrado de nuestra piel está siendo atravesado por 100.000 partículas de materia oscura por segundo.
Así, pese a la muy escasa interacción de las partículas X con la materia ordinaria, su extraordinaria abundancia en nuestro entorno inmediato hace concebible pensar que, de tanto en tanto, alguna de ellas pudiera interaccionar con una partícula ordinaria, por lo que es posible diseñar algún sistema de detectar esta interacción ocasional.
Ya se están realizando experiencias encaminadas a ello, que consisten en observar si algún núcleo atómico de una muestra de materia ordinaria “siente” el impacto de una partícula de materia oscura. Cómo hay muchas otras clases de partículas que nos impactan continuamente, desde los rayos solares, ondas de radio, rayos cósmicos, radiactividad ambiental, etc. que hay que eliminar, estos experimentos se realizan habitualmente en minas o cuevas en el interior de montañas, mejor cuanto más profundas, para evitar los rayos cósmicos. También es preciso blindar la muestra dentro de plomo inerte para resguardarse de la radioactividad natural. Y pese a todas las precauciones no se puede evitar que algunas partículas ordinarias, como los neutrinos, alcancen la muestra, lo que exige un control muy preciso de este “ruido de fondo” para poder descontarlo de los resultados.
En cuanto a que tipo de interacción se espera detectar, hay dos técnicas básicas. La primera (habitual cuando la muestra de substancia es algún tipo de cristal, como germanio) es medir el pequeñísimo incremento de temperatura del material, el cual debe mantenerse a temperaturas muy bajas, próximas al cero absoluto. La segunda técnica (utilizada cuando la substancia es un gas noble, como el xenón) consiste en detectar el ligerísimo centelleo que se produce. En cualquier caso, son técnicas de una precisión extraordinaria y que requieren una tecnología punta.
También se hacen experimentos en el LHC (gran colisionador de hadrones) del CERN, tendentes a producir artificialmente partículas de materia oscura. Para ello se hacen chocar protones a altísimas velocidades, confiando que se produzca una partícula X y su antipartícula. De momento no se ha detectado ninguna, pero los experimentos ya realizados han permitido restringir el rango posible para la masa y las interacciones de la partícula X lo que ayuda enormemente a conocer la naturaleza de esa misteriosa Materia Oscura.
LA ENERGÍA OSCURA
La energía oscura es una extraña forma de energía que llena de manera uniforme todo el universo y de la que ignoramos su origen y su magnitud.
La teoría de la gravedad predice que el universo ha de pasar por una fase de expansión, como efectivamente se observa en la realidad. Hay que tener claro que no se trata que las galaxias vayan distanciándose cada vez más dentro de un vacío preexistente, si no que es la propia trama del espacio la que se expande, arrastrando consigo las galaxias. Si nos situamos mentalmente en cualquier punto veremos que todos los demás se alejan de nosotros, y que cuanto más distantes están su velocidad de alejamiento se incrementa proporcionalmente a la distancia que los separa. Esta es la llamada Ley de Hubble.
Ahora podríamos preguntarnos ¿en el futuro, el universo continuará expandiéndose al mismo ritmo? Pues bien, la teoría predice que para un universo lleno de radiación y materia (lo misma da que sea ordinaria que oscura), el ritmo de expansión debe ralentizarse. De hecho, si la cantidad de materia fuera suficiente, la atracción gravitatoria sería tan grande que llegaría un momento en que el proceso se invertiría, y las galaxias retrocederían sobre sí mismas. Es lo que se conoce como “Big Crunch”, o Gran Implosión. Todo depende de que la densidad del universo sea menor o mayor a una densidad crítica ρc.
Notemos que si la densidad del universo es la mayor que la densidad crítica ρ>ρc, el ritmo de expansión en el pasado tuvo que ser mayor que en caso contrario. En otras palabras, el Big Bang tuvo que ocurrir hace menos tiempo que cuando la densidad del universo es menor que la crítica. En este análisis teórico suponemos que el universo contiene solo materia (incluida la oscura) y radiación, pero la presencia de la energía oscura lo cambia todo.
Cuando miramos un objeto lejano no lo vemos como es ahora, si no como era cuando emitió la luz hace miles o millones de años. Por consiguiente, midiendo las velocidades de alejamiento de objetos situados a diferentes distancias, es posible deducir como era el ritmo de expansión del universo en distintas épocas. Para ello es necesario determinar la distancia a la que está el objeto y su velocidad de alejamiento. Una forma de calcular la distancia a un objeto sería midiendo su brillo aparente, cuanto más lejano menos brillará. Pero el brillo aparente por sí mismo no nos dice a qué distancia se encuentra, ya que un objeto lejano pero muy brillante nos puede parecer que tiene el mismo brillo aparente que otro más apagado pero también más cercano.
Necesitaríamos algo en el universo, una especie de faro cuyo brillo real conozcamos. En este sentido hay un tipo especial de supernovas denominadas del tipo Ia que son unos faros excelentes, porque producen siempre, con gran regularidad, el mismo brillo real. Y la velocidad de alejamiento se puede calcular por el desplazamiento al rojo de la luz que emiten.
En los años 90, dos equipos independientes de investigadores estudiaron numerosas supernovas Ia a fin de calcular como había variado el ritmo de expansión del universo desde épocas remotas hasta hoy. Ambos equipos esperaban encontrar una ralentización de la expansión, pero lo que encontraron fue que ¡la expansión del universo estaba acelerándose! Posteriormente estos resultados fueron confirmados por otros equipos. Si el universo está acelerando su expansión, es que algo falla en los razonamientos teóricos iniciales que predecían una ralentización.
La Teoría de la Relatividad predecía una expansión del universo, sin embargo cuando fue formulada se pensaba que el universo era estático ya que hasta los años 20 del siglo XX no se descubrió que las galaxias se alejan unas de otras. Para acomodar la teoría con las observaciones que mostraban un universo estático, Einstein introdujo en sus fórmulas un término de corrección al que denominó constante cosmológica. Cuando, posteriormente, pudo constatarse que en realidad el universo se estaba expandiendo, Einstein dijo que aquello había sido el mayor error de su vida.
Lo asombroso es que, a la luz de los últimos descubrimientos, aquella constante es capaz de explicar por qué el universo se expande aceleradamente. Ahora la constante cosmológica puede interpretarse como una contribución constante a la densidad de energía del universo. Su significado físico es el de una energía que produce una repulsión gravitatoria y que se extiende de manera uniforme por todo el universo, incluso por los espacios aparentemente vacíos y que supone sobre el 68% de la densidad total del universo (el otro 32% corresponde a la materia ordinaria y la materia oscura). Dado que no conocemos su origen, ni si es exactamente constante, se la denomina energía oscura.
EL DESTINO DEL UNIVERSO
El descubrimiento de la energía oscura obliga a reconsiderar la cuestión de cómo será el ritmo de expansión del universo en el futuro. La energía domina el contenido del universo y marca su ritmo de expansión y lo hará cada vez más en el futuro, ya que su densidad permanece constante, mientras que la densidad de materia y radiación se va diluyendo a medida que el universo se expande.
Así las galaxias continuarán alejándose una de otras a una velocidad cada vez mayor, hasta que superen la de la luz (esto puede parecer contradictorio con la teoría de la relatividad, pero lo que en rigor está pasando no es que las galaxias se alejen unas de otras cada vez más rápido, si no que se está creando espacio entre ellas a un ritmo creciente).
Llegados a este punto las galaxias, salvo las de nuestro grupo local que permanecerán unidas gravitatoriamente, se nos harán invisibles ya que la luz que emitan nunca nos alcanzará. Dentro de 100.000 millones de años, el Sol se habrá extinguido igual que muchas de las estrellas actuales, y otras nuevas habrán nacido. Pero, salvo por las estrellas de la vecindad inmediata, el universo será un oscuro vacío absoluto. Nada llegará de las profundidades del espacio, ni luz, ni radiación, nada. Si entonces hay habitantes inteligentes en la Vía Láctea, no verán nada, ni podrán deducir que una vez hubo un universo poblado por otros miles de millones de galaxias.
En épocas aún más futuras, todas las estrellas se apagarán, toda vida se extinguirá y el universo continuará expandiéndose y diluyéndose eternamente haciéndose cada vez más frío y más vacío.
EL PRINCIPIO ANTRÓPICO
Es una verdad autoevidente que “los seres vivos sólo pueden habitar en entornos físicos aptos para la vida”. Esto que parece una obviedad sin embargo adquiere una gran fuerza para explicar muchos de las intrigantes casualidades que nos permiten estar vivos.
Cuando estudiamos la Tierra observamos que muchas de sus condiciones físicas parecen expresamente diseñadas para permitirnos vivir en ella. Así pasa con la gravedad, distancia al Sol, temperatura, composición atmosférica, campo magnético, contenido de agua, etc. Pero no hay ningún diseño, simplemente existen miles de millones de planetas, la mayoría de los cuales tienen unas condiciones inapropiadas para permitir la existencia de una vida como la de la Tierra, e incluso de cualquier clase de vida concebible. Necesariamente nosotros, por el mero hecho de estar vivos, tenemos que habitar en uno de los raros planetas con condiciones privilegiadas.
Si desconociéramos la existencia de esa multitud de otros planetas, entonces las exquisitamente afinadas condiciones físicas de la Tierra para poder albergar vida, sí parecerían algo sorprendente e incluso inexplicable. Si no supiéramos de la existencia de otros planetas podríamos pensar, por ejemplo, que “alguien” había situado la Tierra a la distancia precisa del Sol para permitirle contener agua líquida. Pero sabiendo que hay miles de millones de planetas, entonces no hay nada de extraordinario en que esto pase en una fracción de ellos. Y el nuestro ha sido uno de los afortunados, porque en caso contrario no estaríamos aquí haciéndonos estas preguntas. Esto se conoce como principio antrópico.
¿Y qué tiene que ver todo esto con la energía oscura? Pues que sólo si la energía oscura está en un rango reducido de valores es posible el surgimiento de la vida en el universo. Si, por ejemplo, la densidad de energía oscura fuese mucho más grande, entonces el proceso de expansión acelerada habría comenzado demasiado pronto, forzando la dispersión de las partículas de materia que nunca hubiesen podido juntarse para formar estrellas y planetas. Por otro lado la energía oscura podría haber tenido un valor negativo cuyo efecto es que el universo colapse. Si la magnitud negativa fuera demasiado grande, el proceso de colapso se produciría antes de la formación de estrellas. Así nuestro universo está dentro del rango adecuado de densidad de energía oscura.
Ahora bien, si nuestro universo fuera el único existente, el principio antrópico no explicaría este adecuado valor (igual que si la Tierra fuera el único planeta, el principio antrópico no explicaría por qué su distancia al Sol es la conveniente). Sin embargo, si nuestro universo no es único, sino un elemento de un gran conjunto de universos, entonces el principio antrópico sí podría explicar el valor de la energía oscura que observamos. Según prevé la teoría, en la gran mayoría de estos hipotéticos universos la densidad de materia oscura tendrían un valor demasiado grande –positivo o negativo- para permitir el surgimiento de la vida. Pero en una pequeña fracción de ellos se producirá una cancelación casi perfecta de las diversas contribuciones a la energía oscura, de forma que esta será pequeña y dentro del rango apropiado. Sólo en estos raros universos podrá surgir vida y, con ella, observadores que contemplen su propio universo. Este hipotético conjunto de universos es lo que se conoce como multiverso.
EL MUTIVERSO
¿Cómo puede llegarse a una situación de multiverso? Anteriormente vimos que, en un futuro lejano, nuestro grupo de galaxias quedará totalmente desconectado del resto de galaxias, que serán totalmente invisibles a cualquier efecto. El universo se desgajará en regiones desconectadas unas de otras en una infinidad de universos-islas, de forma que lo que antes era un único universo se habrá transformado en un multiverso.
Existe la posibilidad de que un proceso semejante tuviera lugar al comienzo de nuestro universo. En ese caso, el universo se habría expandido inicialmente de forma vertiginosa, multiplicando su tamaño cuatrillones de cuatrillones de veces en una fracción de segundo. Este escenario se denomina universo inflacionario, y es una de las hipótesis más serias en la actual cosmología.
La energía capaz de producir el proceso de inflación del universo, pudo provenir del valor inicial de un campo, semejante al campo de Higgs, llamado inflatón. La idea es que el inflatón tendría inicialmente un valor que no era el que minimizaba su energía asociada. Una situación así de denomina “falso vacío”, ya que el campo puede durar un cierto tiempo en ese estado, pero finalmente terminará por caer a su valor natural que es el que minimiza su energía.
Podemos imaginarlo como se tuviéramos un lápiz pegado verticalmente en una mesa, y en lo alto del lápiz colocamos una pelota. Durante unos instantes la pelota puede mantenerse en la punta del lápiz, pero después caerá hacia la mesa, donde su energía potencial es mínima. En el caso del inflatón, esos breves instantes en lo “alto del lápiz” tuvieron consecuencias trascendentales, fue cuando se produjo una vertiginosa inflación que ocasionó que muchas regiones del espacio quedaran desconectadas unas de otras. Después el campo cayó a su valor natural (en nuestra analogía: la mesa). La pelota caerá aleatoriamente en una dirección cualquiera hasta detenerse en un algún lugar de la mesa. Pero la mesa no tiene porqué ser lisa y plana, puede tener irregularidades y abultamientos y la pelota no quedará a la misma altura si cae en una dirección o en otra. Habrá pequeñas diferencias relacionadas con las desigualdades de la superficie de la mesa. Análogamente, en el universo inflacionario, el inflatón caería en una dirección aleatoria, que podría ser distinta en cada región desconectada de las demás. Como consecuencia, en cada región el valor final de la energía del vacío, o sea la energía oscura, sería diferente.
El proceso inflacionario no tiene por qué haber sucedido una sola vez, puede estar ocurriendo continuamente. El universo puede encontrarse en una situación de falso vacío, en un proceso de inflación eterna. En algunos puntos, de forma aleatoria, se forman burbujas de vacío verdadero, en las que el inflatón adquiere un valor que minimiza su energía. Cada burbuja corresponde a un universo convencional. Estas burbujas se expanden a la velocidad de la luz, pero el espacio entre ellas crece aún más rápido y en el espacio intermedio se siguen generando nuevas burbujas, una de las cuales sería nuestro Universo.
En cualquier caso, actualmente, la explicación de la energía oscura basada en la noción de multiverso es solo una interesante y prometedora especulación.
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.
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.
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 
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.
Para las lunas que dan vueltas en torno a los planetas gigantes, este escenario parece funcionar bastante bien. En el caso de Marte sus dos satélites, Fobos y Deimos, seguramente sean asteroides capturados por el campo gravitatorio de Marte. Sólo la Luna, la nuestra, se aparta del modelo, pues su gran tamaño en comparación a la Tierra hace difícil explicar su origen por el sistema de agregación de planetesimales. La teoría sobre el 
Desde Hiparco de Nicea (190-120 a.C.), el mayor o menor brillo de las estrellas se llama “magnitud”. Cuanto más brillante es un astro, menor es su magnitud. Así las estrellas más brillantes son de primera magnitud. Otras menos brillantes son de segunda magnitud, hasta llegar a las de sexta magnitud que apenas son visibles.
Si queremos, por ejemplo, calcular como de lejos está la Luna, nos fijamos que posición ocupa en un momento determinado con respecto al fondo de estrellas más lejanas. Y luego repetimos la operación desde un lugar de observación diferente, y midiendo los ángulos y aplicando sencillas reglas geométricas podremos saber la distancia de la Luna.
No todas las supernovas son iguales ni se producen por los mismos motivos. Aquí nos interesa un tipo concreto de supernovas conocidas con “supernovas IA”. Las supernovas tipo IA son supernovas que ocurren en sistemas binarios de dos estrellas que giran cada un alrededor de la otra, y en los que una de ella, o las dos, es una 
En la década de los 60 del siglo XX se observó que las radioondas de ciertas fuentes revelaban una fluctuación de intensidad muy rápida, como si brotaran “centelleos radioeléctricos” acá y allá. Los astrónomos se apresuraron a diseñar instrumentos más apropiados y precisos para captar ráfagas muy cortas de radioondas con la intención de que ello permitiera un estudio más detallado. Apenas iniciada la exploración se localizaron ráfagas de energía radioeléctrica emitidas desde algún lugar situado entre Vega y Altair. Las citadas ráfagas fueron de una brevedad sorprendente: duraron sólo 1/30 de segundo. Y algo aún más impresionante: todas ellas se sucedieron con notable regularidad, a intervalos de 1 y 1/3 de segundo. Se pudo calcular el período hasta la cienmilmillonésima de segundo: 1’33730109 segundos.
Un electrón que sigue una órbita curvada a velocidades próximas a la de la luz, emite energía. Esta energía no se reparte uniformemente en todas direcciones, sino que forma un estrecho haz en forma de cono en la dirección a la que miran las líneas de fuerza magnética que salen de la estrella. Como los polos magnéticos no tienen que coincidir necesariamente con el eje de rotación, si uno o ambos haces de radioondas se proyectasen en nuestra dirección, detectaríamos breves ráfagas de energía una o dos veces en cada revolución.
Hasta mediados del siglo XX, todos los conocimientos que se tenían del Cosmos habían sido obtenidos analizando la luz de las estrellas que llegaba a la Tierra, al principio a simple vista y posteriormente con la ayuda de los telescopios. Sin embargo, la luz visible constituye una porción muy pequeña de todo el espectro electromagnético. El resto de ondas llegaba en forma de radiaciones de longitud de onda no visible, y toda la información que escondían se perdía. Esto cambió con la invención de los radiotelescopios y el desarrollo de la radioastronomía. A partir de ese momento pudieron estudiarse las longitudes de onda no visibles: infrarrojos, ultravioletas, ondas de radio, rayos X, gamma, etc. Gracias a ello se pudo descubrir unos objetos que habían pasado desapercibidos hasta entonces.
Justo antes de que estas nubes desaparezcan para siempre, las colisiones en su materia supercalentada irradian cantidades colosales de energía, miles de millones de veces la luminosidad del Sol. Salen a borbotones gigantescos chorros de materia y radiación, que extienden cientos de miles de años luz por encima y por debajo del gas en remolino. Cuando cae una nube, y otra describe órbitas a la espera, la luminosidad del sistema fluctúa, y se vuelve más o menos brillante en cuestión de horas, días o semanas. Tan pronto el agujero negro supermasivo ha engullido todo el alimento disponible, tras dejar gas y estrellas sin comer en órbitas seguras y distantes, el cuasar simplemente se apaga. Y entonces tenemos una galaxia dócil con un agujero negro inactivo en su centro.
Se entiende por velocidad de escape de un astro, la velocidad mínima que debe alcanzar algo para poder escapar a la atracción gravitatoria del mismo. En el caso de la Tierra, ésta velocidad es de 11 km/segundo. Un cohete debe lograr dicha velocidad si quiere salir de la Tierra, de no ser así caería al suelo atraído por la gravedad de la Tierra. Para salir de la Luna hace falta una velocidad mucho menor, dado que la gravedad de la Luna es inferior a la terrestre. A la inversa, para escapar del campo gravitatorio de, por ejemplo, Júpiter hará falta una velocidad mucho más alta. Así pues, cuanto mayor sea la gravedad de un cuerpo, tanto más alta será la velocidad de escape necesaria.
Un agujero negro crea a su alrededor una especie de frontera, llamada horizonte de sucesos. Todo lo que sobrepase esa frontera ya no podrá salir nunca. En el interior se encuentra lo que los astrónomos denominan una singularidad, el punto donde confluye toda la materia que cae en el agujero y que tiene dimensión 0, y sin embargo una densidad infinita lo que de hecho quiere decir que allí dejan de cumplirse las leyes de la Física conocida por lo que no podemos explicar qué es lo que sucede en realidad. En cierta forma, lo que cae dentro de la singularidad deja de pertenecer a nuestro Universo y no sabemos que le ocurre. El tamaño del horizonte de sucesos depende de la masa del agujero negro; cuanto mayor es la masa mayor es el radio del horizonte. Para el Sol serían unos 3 km. y para la Tierra 9 metros. En el caso de agujeros negros esféricos y no giratorios este radio se conoce como “radio de Schwarzschild” por el nombre del físico que dio la fórmula para calcularlo. Cuando el agujero no es perfectamente esférico o está girando, la cosa es más complicada.
En otras palabras, si el astronauta que está fuera de la influencia del agujero negro pudiese observar a su compañero entrando en el mismo, le parecería que está inmóvil, suspendido para siempre en un instante interminable. Por su lado, éste astronauta, si sobrevive al estiramiento “de fideo”, y pudiese mirar hacia fuera, vería transcurrir todos los eones del resto de vida de todo el Universo en un soplo fugaz. Esto plantea una trascendente cuestión metafísica, pues mientras que el astronauta que está fuera contemplaría durante todos los años que le quedasen de vida a su compañero congelado, para éste sería el de fuera quien habría muerto instantáneamente y desvanecido con el resto del Universo. O sea, que si preguntásemos si el astronauta está vivo o muerto, la respuesta sería: “depende ¿visto desde dónde?”.
Las estrellas han cautivado el interés y la imaginación humana desde el mismo momento en que evolucionamos por encima del nivel animal. Todos los pueblos de la Tierra han intentado explicar que son las estrellas y por qué están ahí. Ni la Tierra ni los cielos, con todo lo que contienen, podían haber sido creados por los hombres, por tanto era evidente su origen divino. Cada pueblo explicaba la existencia del Universo recurriendo a un acto creativo de su dios o dioses particulares. Los detalles y la forma de explicar cómo se desarrolló está creación variaban mucho de una población a otra. Algunas civilizaciones llegaron a construir elaboradas mitologías en las que entremezclaban dioses con estrellas y constelaciones. Sin embargo hay algo en lo que coincidían casi todas: el cielo era la morada de los dioses. Tenía su lógica ya que, de toda la creación, el cielo es la parte más inaccesible, inmutable y perfecta. En la Tierra se producen cambios: las personas nacen y mueren, los ríos se secan o inundan y cambian de curso; los bosques pueden arder, el mismo mar cambia de nivel y la configuración de las costas y hasta en ocasiones una montaña puede estallar. Sin embargo, a lo largo de las generaciones, las estrellas siempre estaban ahí: fijas, inalterables, eternas. El cielo era el lugar de la armonía, la incorruptibilidad y la perfección, donde sólo podían residir los dioses.
La energía producida en las reacciones termonucleares se irradia hacía el exterior ejerciendo una presión hacia fuera que contrarresta la que la gravedad ejerce hacía el centro. Si ocasionalmente aumenta esta fuerza de radiación, la estrella se dilataría un poco, haciendo bajar la temperatura como hacen todos los cuerpos al expandirse. Disminuiría entonces la velocidad de las reacciones nucleares y por tanto la fuerza expansiva, y la estrella se comprimirá de nuevo un poco. Se llega así a un estado de equilibrio entre las fuerzas de expansión y contracción, que puede perdurar a lo largo de millones de años, durante los cuales la estrella permanece estable. Nuestro Sol se encuentra en este momento en esta situación. Para mantener estas elevadas temperaturas y presiones de radiación, las estrellas de mayor masa deben consumir energía más rápidamente y, por tanto, han de ser más brillantes que las de masa menor. Ésta es la ley “masa-brillo”. Se sigue de ello que las estrellas de gran masa consumen rápidamente sus reservas de combustible de hidrógeno y tienen una vida más corta. Esto significa que las estrellas muy brillantes deben ser muy jóvenes. Aquí hay que hacer hincapié en que estamos hablando del brillo o 
El nuevo núcleo de carbono se calienta aún más, y comienzan a formarse átomos más complicados, como los de oxígeno y neón. Mientras esto sucede, la estrella se contrae y se vuelve otra vez más caliente, con lo que regresa a la secuencia principal. Ahora la estrella ha comenzado a adquirir una serie de capas, al igual que una cebolla. Posee el núcleo de oxígeno-neón, luego una capa de carbono, luego otra de helio y el conjunto se halla envuelto por una de hidrógeno aún no convertido. Sin embargo, en comparación con su larga vida como consumidora de hidrógeno, la estrella se halla en un rápido descenso. Su vida no puede continuar durante demasiado tiempo, puesto que le energía producida por la fusión de helio y más allá, es de más o menos un veinteavo de la producida por la fusión del hidrógeno. En un tiempo comparativamente breve, la energía requerida para mantener la estrella expansionada contra la inexorable atracción de su propio campo gravitatorio comienza a escasear, y la estrella se contrae cada vez con mayor rapidez hasta más allá de lo que hubiera debido ser el tamaño de una estrella normal. Se convierte en una enana blanca.
Ocasionalmente, parte del material orbitará en espiral hacia la superficie de la enana blanca, donde el impulso gravitatorio lo comprimirá y hará que se encamine a la fusión, con lo que emitirá una explosión de energía. Si una gota particularmente grande de materia cae sobre la superficie de la enana blanca, la emisión de energía será lo suficientemente intensa como para ser vista desde la Tierra, y los astrónomos registrarán la existencia de una nova. Como es natural, esta clase de cosas pueden suceder más de una vez, por lo que existen también las novas recurrentes. La palabra nova –del latín, nueva- procede de la obra De Nova Stella escrita 1572 por el astrónomo danés 
Hasta 1995, la posibilidad de que hubiera planetas dando vueltas alrededor de otras estrellas había sido pura especulación. Al final de ese año se produjo el espectacular anuncio del primer descubrimiento. Unos meses después se descubrieron otros cuatro y, finalmente, se fueron encontrando mundos nuevos cada vez más deprisa. En la actualidad se conocen varios miles de planetas exosolares orbitando alrededor de otras estrellas. Los astrofísicos saben de la existencia de estos planetas, han deducido sus masas, las distancia a sus estrellas respectivas, el tiempo que tardan en completar sus órbitas e incluso la forma de dichas órbitas, pero ¿cómo podemos saber tantas cosas de planetas tan lejanos?
Todos hemos visto 
El estudio del espectro solar se inició entre finales del siglo XVII y principios del XVIII y estuvo evidentemente ligado a muchas especulaciones sobre la naturaleza de la luz. El mismo 
Este efecto suele ilustrarse con el silbido de una locomotora o la sirena de una ambulancia que, primero está acercándose a nosotros para alejarse a continuación. La sirena de la ambulancia produce un sonido uniforme, de una frecuenta constante y si nosotros somos el conductor de la ambulancia, así lo percibiremos puesto que nos desplazamos junto a la fuente del sonido. Pero un peatón externo que, sin moverse de donde esté, oiga aproximarse a la ambulancia percibirá un sonido más agudo que el que percibe el conductor y, una vez sobrepasado por la ambulancia, al alejarse ésta lo que notará es que el sonido es más grave. Esto se debe a que, si bien el sonido emitido tiene una longitud de onda y frecuencias constantes, al estar en movimiento con respecto al observador, el frente de ondas se va “apretando” a medida que se aproxima a éste ya que cada nueva onda es producida un poco más cerca de lo que hubiese sido caso de estar inmóvil el emisor y, en consecuencia, el sonido se percibe como más agudo de lo que es en realidad. Al ir alejándose la ambulancia ocurre lo contrario, las ondas en vez de “apretarse” se van distanciando cada vez más a medida que la sirena se aleja y, por tanto el sonido se percibe como más grave.
Como la luz es una onda, también está sometida al efecto Doppler. Su efecto se aprecia muy bien si nos fijamos en cualquiera de sus rayas espectrales. Cuando una raya espectral no aparece en su posición sino desplazada, podemos sospechar que se debe a un movimiento de la fuente con respecto a nosotros. Si el objeto observado se aleja de nosotros la longitud de onda aumenta, manifestándose entonces un “desplazamiento al rojo”. Si el objeto se acerca la longitud de onda disminuye y entonces el desplazamiento es al azul. Además, de la cantidad de desplazamiento se puede deducir la velocidad de acercamiento o alejamiento y conocer la velocidad de cualquier astro.
Pero tal vez el mayor descubrimiento astronómico realizado gracias al efecto Doppler, sea el realizado en los años 20 del siglo pasado por Edwin Hubble, de que las galaxias están alejándose todas unas de otras, a mayor velocidad aparente cuanto más distanciadas estén, mostrando un acusado desplazamiento al rojo en sus espectros2. Esto probó que el Universo está en expansión, evidencia que revolucionó toda la cosmología y llevó a la idea del Big Bang.
Actualmente, y como se explicará luego, Plutón ya no está considerado como planeta. Con todo lo ha sido durante más de ochenta años y posee unas particularidades únicas que lo hacen merecedor de una atención detallada. Empezaremos explicando la historia de su descubrimiento.
Plutón ha resultado ser excepcional por varios motivos. En primer lugar, después de encontrarnos con cuatro gigantes gaseosos seguidos, volvemos a tropezar con un planeta rocoso, que no sólo no es gigante, sino que es el más pequeño de los planetas. También su órbita es excepcional, pues es la más excéntrica de todas las órbitas planetarias, hasta el punto de que durante 20 de los 248 años que dura se encuentra más próximo al Sol que Neptuno. Además, mientras el resto de planetas orbitan todos, poco más o menos, en el mismo plano, la órbita de Plutón está inclinada 17º con respecto al plano de las órbitas de los otros planetas.
El cinturón de Kuiper (llamado así por el astrónomo holandés que pronosticó su existencia) es el conjunto de cuerpos que orbitan el Sol a una distancia que va desde poco más allá de la órbita de Neptuno hasta varias veces la distancia de éste al Sol. Está formado por millones de cuerpos rocosos, el primero de los cuales se descubrió en 1992. Su tamaño es diverso, normalmente son pequeños, como los asteroides, pero algunos son grandes. Se cree que el cinturón es la fuente de los 
Han sido observados cerca de un millar de objetos del cinturón de Kuiper. Los mayores son Eris, Haumea, Makemake y Quaoar, y algunos son casi tan grandes como Plutón. Eris, por ejemplo mide unos 2.325 km. de diámetro. Haumea (descubierto en 2003 por un equipo dirigido por José Luis Ortiz Moreno en el Observatorio de Sierra Nevada en Granada), presenta unas características interesantes. Para empezar, según recientes observaciones del año 2017, ha resultado ser bastante mayor de lo que inicialmente se había calculado. Su diámetro es de 2.322 km., es decir, prácticamente igual que Eris, sólo un poco menor que Plutón. Eso su diámetro mayor, porque Haumea no es esférico sino que presenta una forma muy ovalada, siendo su diámetro menor la mitad del mayor. Tiene dos pequeñas lunas de unos centenares de kilómetros de diámetro. Además, en la observación de 2017, se descubrió que Haumea tiene también un anillo de unos 70 km de ancho.
En marzo de 1781, el astrónomo alemán William Herschel realizó mediciones de las posiciones de las estrellas y, en la constelación de Géminis, se encontró mirando a un objeto que no era un punto de luz, sino que en vez de ello presentaba un pequeño disco. Al principio dio por supuesto que se trataba de un cometa distante, puesto que los cometas eran los únicos objetos, aparte de los planetas, que se mostraban en forma de disco bajo la observación telescópica. Además se movía contra el fondo de estrellas más lentamente que Saturno e incluso estaba más alejado. Observándolo noche tras noche, Herschel llegó a la conclusión de que había descubierto el séptimo planeta del Sistema Solar2.
Tiene un núcleo rocoso relativamente pequeño, rodeado de un manto de metano, amoniaco y agua que supone la mayor parte de la masa del planeta y rodeándolo todo una atmósfera de hidrógeno y helio. La superficie gaseosa de Urano es la más fría de los planetas del Sistema Solar, de entre -210ºC y casi -220ºC, y la que menos rasgos distintivos tiene, presentando un aspecto muy uniforme de bola de color azul verdoso.
No obstante, si la Tierra girase de esta forma, las estaciones serían tan extremadas que es dudoso que la vida hubiera llegado a desarrollarse alguna vez en nuestro planeta3. Una consecuencia de la orientación del eje es que las regiones polares reciben durante el transcurso del año más energía solar que las regiones ecuatoriales, sin embargo, la temperatura de Urano es más elevada en su ecuador que en sus polos. El mecanismo que causa esta circunstancia es aún desconocido. Tampoco se sabe por qué el planeta está tan inclinado, aunque se especula que en los inicios de su formación recibiera el impacto de un gran objeto que le ocasionara el vuelco del eje. Otra posibilidad es que las perturbaciones gravitatorias ejercidas por los otros planetas gigantes del sistema solar lo hayan forzado a inclinarse de esta manera.
Al estudiar en detalle el movimiento de Urano, los astrónomos se percataron que no se ajustaba exactamente a lo esperado, y que debía existir 
Neptuno es el gemelo de Urano, tanto en su composición como en su tamaño, sólo ligeramente inferior, aunque dada su mayor densidad, también su masa es algo superior a la de Urano.
