¿Qué edad tiene?
Hace un siglo, si se le hacía esta pregunta a un cosmólogo, la respuesta podía ser: "infinita". Era una forma clara de eludir la cuestión de cómo se formó. La idea había quedado consagrada en 1917, cuando Albert Einstein presentó su modelo de un universo estático a través de su teoría general de la relatividad.
La relatividad general describe la gravedad, la fuerza que esculpe el cosmos, como el resultado de una masa que deforma su tejido, el espacio-tiempo. A mediados de los años 20 del siglo pasado, el astrofísico George Lemaître demostró que, según la teoría, el universo no era estático, sino que se estaba expandiendo, por lo que habría sido más pequeño en el pasado. La idea de Lemaître de que todo lo que existe estuvo una vez contenido en un único "átomo primordial" se transformó en los años 60, cuando los astrónomos descubrieron la luz más antigua del universo, el fondo cósmico de microondas. Esto indicaba que todo había comenzado en un estado caliente y denso: el Big Bang.
Actualmente, la mayoría de los astrofísicos confían en que eso ocurrió hace unos 13.850 millones de años, cifra que se basa en las estimaciones de la expansión del universo. De todos modos, hay cierta incertidumbre al respecto, ya que los métodos para calcular ese ritmo arrojan valores diferentes –véase el epígrafe ¿A qué velocidad se expande?–. El rango oscila entre 12.000 y 14.500 millones de años.
Podemos cotejar esto con la estrella más antigua que conocemos. Está claro que HD 140283, también conocida como la estrella Matusalén, es muy, muy vieja porque está formada casi exclusivamente por hidrógeno y helio, los elementos predominantes tras el Big Bang. Ahora, los astrónomos calculan que ha cumplido alrededor de la friolera de 14.460 millones de años. Eso podría hacerla ligeramente más antigua que el universo.
Pero el hecho de que la edad del astro más veterano que podemos encontrar se acerque tanto a nuestros cálculos de la del universo sugiere que el modelo estándar de la cosmología –el paradigma relativista general de cómo evolucionó el cosmos, que proporciona esas estimaciones– es bastante fiable. El tiempo de existencia del universo no está realmente en duda. Pero en cuanto a muchas otras propiedades del mismo, lo cierto es que no podemos estar tan seguros.
¿Cuál es su tamaño?
Si miras al cielo nocturno durante un rato, te preguntarás hasta dónde llega. Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, se pensaba que el universo estaba separado de la Tierra y de las estrellas que la rodeaban, una especie de tierra de nadie entre nosotros y el cielo. Sin embargo, desde la revolución científica del siglo XVII, los astrónomos han ideado diversas formas de medir las distancias a los objetos celestes en el universo.
Estos métodos se conocen colectivamente como la escalera de distancias cósmicas. "Se trata básicamente de un sistema de arranque", afirma James Schombert, de la Universidad de Oregón (EE. UU.). Cada parte de la escalera se apoya en la siguiente hasta que, finalmente, se llega a los objetos celestes más distantes y lo suficientemente brillantes como para ser vistos en las escalas cósmicas más grandes: las galaxias y las estrellas en explosión llamadas supernovas. Esto significa que podemos medir el universo en su totalidad, o al menos podemos intentarlo.
La galaxia más lejana que conocemos es GN-z11. Su luz ha tardado 13.400 millones de años en llegar hasta nosotros, la mayor parte de la edad del universo. Pero en ese tiempo, el espacio-tiempo se ha expandido. A partir de la tasa de expansión dada por el modelo estándar, GN-z11 está probablemente ahora a unos 32.000 millones de años luz de nosotros. Extrapolando a todo el cosmos observable, los astrónomos estiman que tiene un diámetro de 93.000 millones de años luz, es decir, aproximadamente 1.026 metros –100 millones de billones de kilómetros–.
Pero eso es solo la distancia entre las cosas más lejanas que podemos ver. "No se camina 1.026 metros y se choca contra una pared de ladrillos", dice Tony Padilla, de la Universidad de Nottingham (Reino Unido). Y señala:"El universo va mucho más allá".
Aunque es imposible observar allende ese horizonte cosmológico, sí hacemos inferencias basadas en lo que nos dice el modelo estándar de la cosmología. La mayoría de los científicos creen que, inmediatamente después del Big Bang, el universo sufrió un momento de expansión exponencial conocido como inflación cósmica. Es la mejor manera de cuadrar nuestras observaciones de un cosmos suave y uniforme en las escalas más grandes, porque la teoría cuántica nos dice que pequeñas fluctuaciones de energía en lugares aleatorios habrían creado una distribución desigual de la materia. Sin la inflación, esa aleatoriedad no podría haberse equilibrado durante el tiempo transcurrido desde la gran explosión.
Esta hipótesis también sugiere un universo mucho más grande que el que podemos ver. Mientras que el campo o fuerza que supuestamente lo hinchó se detuvo en algún momento en nuestra región del universo más amplio, seguiría provocando nuevos brotes inflacionistas en otros lugares. "En estos escenarios (de inflación eterna) se obtienen universos realmente grandes", dice Padilla.
Que formen o no parte de nuestro cosmos, o que estén separados, es una cuestión de perspectiva –véase: ¿cuántos universos hay? Sin embargo, para entender el tamaño del universo más allá del horizonte cosmológico, necesitamos obtener una mejor imagen de los primeros momentos del universo.
¿A qué velocidad se expande?
El espacio-tiempo es cada vez más grande, como la masa que sube en el horno. La prueba observacional de ello llegó en 1929, cuando el astrónomo Edwin Hubble demostró que las galaxias lejanas se alejan a gran velocidad de la nuestra. Incluso hemos podido cronometrar el ritmo de expansión, establecido como la velocidad a la que cada millón de pársecs –un pársec equivale a 3,26 años luz– de espacio se expande por segundos. Se obtiene midiendo la distancia a numerosas galaxias y comparando esas distancias con su corrimiento al rojo, es decir, la medida en que la luz emitida por cada galaxia se estira como resultado de la expansión del universo.
A principios de la década de 2000, el telescopio espacial Hubble demostró que el ritmo de expansión actual se acercaba a los 75 kilómetros por segundo por megapársec (un millón de pársecs). Los cosmólogos creían tenerlo claro. Lo único que faltaba era medir cuánto disminuía este ritmo a medida que la atracción gravitatoria de toda la materia y la energía del universo luchaba por unir las cosas. Pero cuando se obtuvo la respuesta, todo se hizo pedazos.
Porque a finales de los años 90, descubrimos que la expansión no se estaba ralentizando en absoluto. Al contrario, se aceleraba y nada en la física conocida podía explicarlo. Lo único que podía encajar era un factor de error que Einstein había incluido en sus ecuaciones de la relatividad general cuando pensaba que el universo era estático. Si se aumentaba, esta "constante cosmológica" podía invertir el freno de la gravedad e impulsar una expansión acelerada. Así nació la energía oscura, una misteriosa adición al modelo estándar de la cosmología que sigue eludiendo su caracterización.
El enigma se complicó en 2013, cuando el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) presentó el mapa más preciso del fondo cósmico de microondas. Al introducir esos datos en el modelo estándar y hacer avanzar el reloj, los investigadores calcularon que el universo debería estar expandiéndose a 68 kilómetros por segundo por megapársec, un ritmo más lento que el que se obtiene al analizar el brillo de las supernovas.
Para alinear los dos valores, los físicos refinaron sus cálculos y cuantificaron mejor las fuentes de posible error, solo para ver crecer la discrepancia. El desfase significa que el modelo estándar es incapaz de describir el universo tal y como lo observamos. Ahora, algunos cosmólogos se preguntan si la relatividad general, la piedra angular del modelo, necesita ser reajustada.
Ciertamente, hay un margen de maniobra. Tessa Baker, cosmóloga de la Universidad Queen Mary de Londres, afirma que, aunque las pruebas de la gravedad en el Sistema Solar y otras situaciones específicas son extraordinariamente precisas, puede ser que esa fuerza funcione de forma diferente a la predicha por Einstein en las escalas cosmológicas más grandes. "Los límites experimentales que tenemos sobre la gravedad que opera en escalas de distancia de megáparsecs o más son realmente débiles", afirma. La fuerza gravitatoria podría ser entre un 10 % y un 20 % más fuerte a dichas escalas, añade.
Chris Van Den Broeck, miembro del Instituto Nacional de Física Subatómica de Ámsterdam (Países Bajos), afirma que aún no está preparado para hacer sonar la campana de muerte del modelo estándar. "La tensión está ahí, pero aún no estoy convencido de que deba cundir el pánico", afirma el investigador belga.
¿Qué peso posee?
El cálculo de la cantidad de materia que hay en el cosmos ha preocupado durante mucho tiempo a los expertos, sobre todo porque parece que gran parte es invisible.
Tenemos, por ejemplo, la materia oscura, llamada así porque no interactúa con la luz. Esta misteriosa fuente de masa se invocó para explicar cómo se mantienen unidas las galaxias y los cúmulos de galaxias cuando nos dimos cuenta de que la atracción gravitatoria de la materia visible ordinaria no es suficiente para hacer el trabajo. Desde entonces, se ha convertido en un componente vital del modelo estándar y su mano gravitatoria oculta esculpe la estructura del cosmos.
Todavía no hemos detectado la materia oscura. Sin embargo, al observar el patrón de fluctuación de la temperatura en el fondo cósmico de microondas, indicativo de la interacción de la materia y la energía en el universo primitivo, los físicos pueden estimar su abundancia en comparación con la materia ordinaria. El resultado es que supera a la visible en una proporción de más de cinco a uno. El cosmos es aproximadamente un 5 % de materia ordinaria, un 27 % de materia oscura y un 68 % de energía oscura, esa otra forma misteriosa de masa/energía. Esto es un hecho, al menos por ahora.
Sin embargo, acaba de surgir un enigma a partir de las mediciones efectuadas para establecer el grado en que las galaxias se agrupan en una escala de 8 kilopársecs (8.000 pársecs). El valor de esta cantidad, conocida como sigma-8, depende del total de masa existente en el cosmos, ya que es la gravedad resultante de dicha masa la que atrae a los cúmulos de estrellas. Podemos medirla basándonos en las observaciones o predecirla echando mano del modelo estándar. Y, de nuevo, otra vez, aparece una discrepancia preocupante.
A partir de las proporciones establecidas de los diferentes tipos de materia y del comportamiento de la gravedad descrito por la relatividad general, el modelo estándar predice que sigma-8 debería ser 0,81.
Pero cuando Hendrik Hildebrandt, de la Universidad Ruhr de Bochum (Alemania), y sus colegas midieron este valor en 2017, obtuvieron un resultado diferente. Él y su equipo usaron una técnica llamada lente gravitacional débil, que mide el grado en que la luz de las galaxias distantes se distorsiona por los objetos masivos interpuestos entre nosotros y ellos. Su valor para el sigma-8 fue de 0,74, lo cual sugiere que hay menos materia en el universo de la predicha por el modelo estándar. Está previsto que futuros observatorios, como el Observatorio Vera Rubin, en tierra; y la misión Euclid de la ESA, en el espacio, dediquen tiempo a perfeccionar esta medición. Si la discrepancia se mantiene, habrá que explicarla. Y si no se puede explicar, entonces hay otra razón para pensar que nuestra cosmología estándar necesita una revisión.
¿Qué forma adopta?
Cuando los cosmólogos hablan de la geometría del universo, se refieren a la forma general del espacio-tiempo. En nuestro cosmos en expansión, existen básicamente dos posibilidades. Si la gravedad producida por toda la materia es más fuerte que la fuerza de dicha expansión, acabará juntando todo. En ese caso, viviríamos en un universo cerrado o esférico –algunos expertos plantean que se asemejaría a un toroide, esto es, una especie de dónut–.
Pero si lo que impulsa la expansión es más fuerte que la gravedad, entonces tendríamos un cosmos en perpetua huida o abierto que se parecería a una silla de montar. Sin embargo, parece estar precariamente equilibrado entre esas dos opciones. La teoría de la inflación cósmica ayuda a explicar esta casualidad al eliminar nuestra percepción de cualquier curvatura general, y la idea de que residimos en un universo plano está integrada en el modelo estándar de la cosmología. Aun así, hay dudas.
Alessandro Melchiorri, de la Universidad Sapienza de Roma, forma parte de un equipo que ha analizado los últimos datos de la misión Planck, que ha medido las fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas con la mayor precisión jamás alcanzada. Uno de los aspectos que analizaron los investigadores fue el grado de distorsión de la luz de dicho fondo por el proceso de lente gravitacional débil cuando viaja hacia nosotros. Y encontraron más lentes de las que predice el modelo estándar de la cosmología, a menos que se elimine la suposición de un universo plano. "Si se realiza un ajuste del modelo, dejando que la curvatura varíe, se ve que la mejor solución es un universo cerrado con más materia oscura", dice Melchiorri.
Pero como este y sus colegas demostraron, así se agravarían las discrepancias que se observan en otras partes del modelo estándar; entre ellas, que el universo parece expandirse más rápido de lo que las predicciones sugieren. Explicar esto es aún más difícil si su forma es esférica en lugar de plana. Casi todas las demás mediciones sugieren que, efectivamente, es plano. Es posible que la observación de Melchiorri y sus colegas sea una casualidad estadística que desaparezca con nuevos estudios del telescopio Vera Rubin o el satélite Euclid, por ejemplo.
Si no es así, la mejor manera de avanzar es extraer mejores datos sobre la naturaleza del Big Bang y la inflación cósmica. Y aquí es donde entran las ondas gravitacionales. Estas perturbaciones en el espacio-tiempo, conocidas por ser el resultado de colisiones entre agujeros negros distantes, pueden abrir una ventana al universo primitivo si podemos detectar alguna que haya llegado hasta nosotros desde los confines del cosmos. "Hay un montón de mecanismos que podrían haber causado un destello de radiación gravitacional una fracción de segundo después del Big Bang", dice Van Den Broeck.
Las ondas gravitacionales primordiales serían visibles hoy en día como un fondo de ondas, procedentes de todas las direcciones. Sus longitudes de onda serían mucho más largas que las que hemos detectado en los choques de agujeros negros, gracias a la expansión del universo. Nuestros observatorios en tierra funcionan a una frecuencia demasiado alta para localizarlas, pero el detector espacial previsto por la ESA, la antena espacial de interferometría láser (LISA), podría hacerlo. "Si viéramos las ondas gravitacionales primordiales, aprenderíamos mucho sobre el universo", dice Padilla. Tal vez, sabríamos si la inflación ocurrió realmente, y si el cosmos es plano después de todo.
¿Cuántos universos hay?
Como ya se ha mencionado, cuando los cosmólogos idearon la inflación cósmica, la idea de que el universo primitivo se infló exponencialmente en un instante, se dieron cuenta rápidamente de que podían haber obtenido más de lo que esperaban. "La inflación puede tener lugar en cualquier parte del espacio y del tiempo", dice Padilla. "Pasó en nuestra parcela del cosmos hace mucho tiempo, e hizo que nuestro rincón fuera muy grande, pero podría haber diferentes partes donde todavía está ocurriendo".
Este escenario, conocido como inflación eterna, produce un panteón de diferentes universos "burbuja", todos amontonados y dando lugar a nuevos brotes todo el tiempo. Bienvenidos al multiverso inflacionario. No hay forma de observarlo o medirlo porque todos los cosmos burbuja que contiene se encuentran fuera de los límites de nuestro horizonte observable. En cambio, muchos cosmólogos están convencidos de que existe porque es una consecuencia lógica de dos teorías, la de la inflación y la de la mecánica cuántica. El hecho de no poder verlos no ha impedido que la gente especule sobre cuántos universos podría haber y qué podrían contener. Con el multiverso inflacionario estándar, el número de cosmos es infinito. Lo que encontremos en cada uno de ellos podría ser algo tremendamente diferente la realidad que conocemos.
Esta idea de una mezcla cósmica surgió de los intentos de explicar la gravedad del mismo modo que las otras tres fuerzas de la naturaleza, como una fuerza cuántica. Se trata de teorías que sustituyen las conocidas partículas puntuales por diminutas cuerdas vibrantes que existen en múltiples dimensiones –normalmente 10 u 11, según la versión que se prefiera– y predicen un vasto paisaje de al menos 10.500 posibilidades diferentes de cómo podría ser la física en las innumerables burbujas del multiverso inflacionario. Cada una de ellas tendría diferentes leyes físicas y distintos valores para las constantes de la naturaleza.
O tal vez exista otro universo, y ya hemos visto pruebas tangibles de su existencia. En 2016, la antena antártica de impulso transitivo (ANITA) detectó una partícula de alta energía que, en lugar de dirigirse al espacio, parecía salir disparada de la Tierra. Dos años después, hizo un segundo descubrimiento de este tipo. Una de las explicaciones es que dicha partícula podría proceder de un universo paralelo creado al mismo tiempo que el nuestro, pero viajando hacia atrás en el tiempo.
¿Cuándo se acabará?
Antes de que se descubriera la energía oscura, la misteriosa fuerza que se cree que separa el espacio-tiempo, el futuro del universo dependía de la geometría. O bien el cosmos estaba cerrado y se colapasaría sobre sí mismo en un Big Crunch, o bien estaba abierto y se expandería para siempre. Ahora, sin embargo, el modelo estándar de la cosmología supone que vivimos en un universo plano que, gracias a la energía oscura, se dilataría eternamente.
Si dicha energía oscura no es más que una constante cosmológica, es decir, que no fluctúa con el tiempo, entonces la expansión del cosmos acabará convirtiéndose en una constante que alejará cada vez más los cúmulos de galaxias entre sí. "Nos quedaremos prácticamente solos", afirma Baker. En este escenario –a veces llamado "muerte térmica del universo" o "gran congelación"–, todas las estrellas acaban desapareciendo, los agujeros negros crecen y la materia restante tiende a igualar su temperatura. Así, la energía no puede fluir y, poco a poco, el universo entra en una especie de senectud cósmica, en la que no ocurre gran cosa.
Una alternativa es el llamado Big Rip. En este caso, la energía oscura se hace más fuerte y la expansión del universo sigue acelerándose. "Esto es más emocionante", asegura Baker. WIncluso los objetos ligados por la gravedad, como una galaxia, pueden acabar separándose", ya que la energía oscura supera la fuerza que mantiene unidos los objetos celestes. Cuál de estos escenarios es el correcto sólo se revelará cuando conozcamos la naturaleza de la energía oscura.
Pero antes de que te sientas demasiado cómodo pensando que todo esto es tan remoto que no necesitas preocuparte por ello, hay una posibilidad de que todo acabe mañana. Se basa en la idea, procedente de la teoría de cuerdas, de que existe un vasto paisaje de universos con diferentes leyes físicas. De ser así, nuestro cosmos podría realizar un truco cuántico llamado tunelización, en el que se transformaría repentinamente en un ente con propiedades diferentes. Las constantes de la naturaleza y, quizá, incluso las leyes de la física no se parecerían en nada a las que conocemos.
Eso no sería lo ideal, como mínimo, porque la estructura atómica depende del delicado equilibrio entre las fuerzas de la naturaleza. Si se rompe, los átomos que lo componen todo podrían desintegrarse en un instante. "Si mañana sufriéramos una de estas transiciones de fase a la hora del té, apenas lo notaríamos", afirma Baker. "Parpadea y todo habrá terminado". La pregunta definitiva para los cosmólogos, por tanto, podría ser si pueden o no averiguar si su querido modelo estándar es correcto antes de que el olvido cuántico nos atrape.
* Este artículo fue originalmente publicado en la edición impresa de Muy Interesante.
