¿Por qué la noche es oscura?
autor: Marco Bersanelli
fecha: 1996-04-01
fuente: Perché la notte è buia?

El abismo negro del cielo, más allá de las estrellas y de las galaxias, lleva la señal del origen. Un astrofísico hace el punto sobre las búsquedas cosmológicas más avanzadas. Tratando su objeto con seriedad, la ciencia se tropieza con un factor que tiene que reconocer como "más allá". Se lo impone la fidelidad al método.

“¿Por qué la noche es oscura?". Parece una de aquellas preguntas de un niño de tres o cuatro años, que ante cualquier cosa no sabe retener aquella extraña palabra: “¿por qué?". Sin embargo, tomada en serio esta pregunta, lleva a consecuencias notables para la comprensión de la estructura del universo a gran escala y de su evolución en el tempo. En otras palabras, es una pregunta cosmológica. La cosmología es la rama de la astrofísica que tiene como objeto, único, por definición, el entero universo físico. La cosmología no tiene como objetivo el estudio de los planetas, las nebulosas, las estrellas o las galaxias; sino el conjunto de todas este cosas.

Sobre la pregunta de nuestro niño ha meditado seriamente Olbers en el año 1826. Él se ha dado cuenta que si el universo fuera infinito y llenado en modo más o menos uniforme de manantiales luminosos (estrellas, galaxias) entonces el fondo del cielo en lugar de negro nos debería aparecer luminoso, tan brillante como la superficie del sol y la temperatura en todas partes del universo sería de millares de grados. Sería de veras un universo poco acogedor. Pero evidentemente, y por suerte, las cosas no están así.
Cerca de un siglo después, en el año 1929, Hubble hizo el descubrimiento que puede ser considerado la base de la cosmología moderna. Hubble observó con gran atención y tenacidad las galaxias más lejanas observables con los telescopios entonces disponibles, y de cada una midió la distancia y la velocidad. Los resultados de su estudio mostraron un hecho asombroso: las galaxias se alejaban una de las otras a una velocidad tanto más grande cuanto mayor era la distancia recíproca entre ellas. Para coger la situación podemos imaginar un globo inflable, todo amarillo con pequeños lunares rojos. Cuando el globo es inflado, los puntos rojos se alejan, los unos de los otros, justo como las galaxias en el universo. Está en la naturaleza misma del espacio (globo amarillo) el hecho de no ser una realidad estática, sino en continua expansión. En cierto sentido las galaxias están "paradas" en el espacio, como los lunares son fijados sobre el plástico amarillo, pero el espacio en el que se encuentran se dilata.

Así Hubble descubrió el primer fundamental hecho que, sumado a una gran cantidad de otras evidencias acumuladas por la investigación astrofísica en los últimos 60 años, ha revolucionado nuestra visión cosmológica: el universo físico en su conjunto no es una realidad estática e inmutable, sino está en movimiento. Vivimos en un cosmos que cambia en el tiempo, que tiene un pasado, un futuro, una historia. El hecho que el cosmos tenga que ser mirado como una realidad en movimiento da completa justicia a la palabra "uni-verso": sugiere que la unidad de la totalidad es apuntada hacia una dirección, hacia un objetivo.
El descubrimiento fundamental de Hubble es al origen del modelo del Big Bang, propuesto por primera vez por George Gamow en el 1946. Si el universo se expande significa que en el pasado la misma cantidad de energía y materia tuvo que ser contenida en un volumen más pequeño. Por consiguiente la temperatura y la presión tuvieron que ser cada vez más grandes a medida que retrocedemos en el pasado. El gran ejercicio de la cosmología moderna es pues aquello de estudiar la física del universo yendo a reacio en el tiempo cósmico, considerando situaciones cada vez más extremas de densidad y temperatura.

¿Pero, si las cosas están así, a qué punto estamos de esta historia cósmica? De la observación de la velocidad con la que se expande es posible calcular la edad del universo: existe un tiempo determinado en el pasado en que la distancia entre dos puntos cualquiera del espacio, dos puntos rojos sobre el globo, tiende a cero. Este tiempo corresponde aproximadamente a hace 15 mil millones de años.
Al final de los años Cuarenta, finalizando un original estudio teórico, Gamow y sus dos estudiantes Alpher y Hermann se convencieron que podría ser hallada una huella directa de la existencia de una fase inicial de la historia del universo caracterizada por una altísima temperatura. Sus resultados llevaron a prever la existencia de un residuo de energía, hoy débil pero todavía observable, proveniente directamente del calor del universo inicial. Pero fue necesario un imprevisto para que la verdad emergiera.

No eran los tiempos de Internet o de World Wide Web, así que no muchos se enteraron de los trabajos de Gamow. Seguramente no ssabían nada, quince años después, Penzias y Wilson del Bell Laboratory, que estaban haciendo pruebas sobre una gran antena para telecomunicaciones. En el curso de sus medidas registraron un modesto "exceso de señal". Los dos científicos no descuidaron este hecho aparentemente marginal, pero lo analizaron directamente. Inicialmente atribuyeron el fenómeno a un defecto de su antena. Un atento análisis, sin embargo, enseñó que ni los instrumentos ni manantiales astronómicos conocidos podían explicar aquel efecto. Penzias mencionó el episodio a un amigo suyo de la universidad de Princeton, que le sugirió la posibilidad que se tratara de una señal de origen cosmológico, como Gamow había previsto. Fue en esta manera que Penzias y Wilson se dieron cuenta de haber captado por primera vez lo que ha sido llamado el eco del Big Bang, una huella directa del universo inicial, y que ha hecho hacer un salto increíble a la cosmología en los últimos treinta años. Por este descubrimiento en el año 1978 Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel.

Para entender mejor de qué se trata, basta con mirar un objeto cualquiera. Por ejemplo, la maceta de flores que está frente a mí, a tres metros de distancia. Puesto que la luz viaja a 300 mil kilómetros por segundo, la luz que parte de la maceta de flores en un tal instante alcanzará mis ojos un ciento millonésimo de segundo después: un tiempo muy pequeño, nadie se da cuenta, tampoco los más meticulosos. Si ahora alzo la mirada y veo la luna, la luz que veo ha partido efectivamente de la luna hace un segundo. En el caso del sol el retraso es de 8 minutos. Nosotros vemos las cosas como eran en el pasado, con un retraso mucho más pronunciado cuanto más lejano está el objeto: tenemos que conceder a la luz el tiempo de atravesar la distancia que nos separa de ello. Hoy nosotros vemos como las estrellas eran hace decenas, centenares, o millares de años. Las galaxias están tan lejanas que la luz ha empleado muchos millones de años para alcanzarnos . Las galaxias más lejanas nos mandan una señal que ha partido hace más de 10 mil millones de años. Si vamos más allá, el mensaje que recibimos proviene de un pasado tan profundo que las estrellas y las galaxias todavía no habían tenido el tiempo de formarse y emitir su energía: ¡es éste el hecho que explica porque el cielo es oscuro! Por fin, del fondo "último" del cielo recibimos una imagen de como el universo estaba en su primera infancia, hace cerca de 15 mil millones de años. A causa de la expansión del universo, la energía que hoy recibimos es muy inferior a aquella emitida en aquel lejano pasado: ella es equivalente a una temperatura de unos 3 grados bajo cero absoluto. Ésta es la señal que Penzias y Wilson han registrado: un tipo de luz fósil (el "Fondo Cósmico") que ha viajado por 15 mil millones de años antes de alcanzarnos, y que por tanto nos lleva un mensaje directo sobre las condiciones físicas del universo inicial. El abismo negro del cielo, más allá de las estrellas y las galaxias, lleva el signo del origen.

A causa de la extrema debilidad de la señal cósmica, se pueden hacer los experimentos sólo en regiones aisladas - para evitar interferencias - y con una atmósfera particularmente transparente (como algunas montañas desérticas o el centro de Antártica). Pero las condiciones ideales para estas medidas son dadas por el espacio. En el año 1992 el satélite Cobe hizo el primer verdadero mapa global del universo inicial, midiendo con gran sensibilidad el "Fondo Cósmico" en todas las direcciones.

Pues la región más extrema que podemos observar directamente corresponde a una época en la que la edad del universo era aproximadamente un veinte millonésimo de aquella actual: si comparamos la edad del universo actual a la edad de un adulto de 50 años, eso equivale a las primeras 20 horas de vida. Observaciones directas de lo que ha ocurrido antes no son posibles, porque en épocas anteriores la temperatura era tan elevada que desmigajaba los átomos en protones y electrones. En estas condiciones el universo es opaco: la luz no puede atravesar libremente el espacio. Es como si
hubiera un velo sobre los primeros dramáticos acontecimientos. Pero también detrás del velo, indirectamente, alguna forma se vislumbra. Hay varios fenómenos físicos ocurridos en los primeros minutos de vida del universo que son conocidos y descriptibles con razonable seguridad, cuyas huellas indirectas son hoy observables. En particular, después de unos 3 minutos de expansión, la mezcla uniforme de partículas y radiaciones que llenó el universo tuvo que tener una temperatura de mil millones de grados, y se encontraba en condiciones completamente análogas a aquellas existentes dentro de un núcleo estelar: como si el universo, en algún breve período, se hubiera encontrado en una fase de "estrella total". En aquella fase inicial las mismas reacciones termonucleares que hacen hoy resplandecer nuestro sol tienen que haber producido helio y otros elementos ligeros según una cantidad que pueden ser evaluados con cálculos elaborados. Ahora bien, las observaciones astronómicas confirman la presencia de una componente cosmológica de elementos ligeros según las abundancias previstas. Este hecho es otro de los pilares observados fundamentales que sustentan la actual reconstrucción cosmológica.

Yendo a tiempos aún más iniciales (y por lo tanto a energías aún más elevadas) el estudio de la cosmología se conecta de modo profundo con los conocimientos que derivan del infinitamente pequeño: la física de las partículas elementales. En efecto, cuando los físicos hacen chocar, por ejemplo, haces de protones y antiprotones a alta energía, en un gran acelerador de partículas, reproducen en un pequeñísimo volumen condiciones parecidas a las que tuvían que existir en todo lugar en el universo inicial. En los años más recientes se han formulado hipótesis teóricas, que describen las primeras fracciones de segundo de vida del universo, cuando las dimensiones del actual universo observable tenían que ser aproximadamente aquellas de una naranja.

Pues el universo tiene una historia, y como cada historia también aquella cósmica parece haber tenido un punto de partida. Esto es, en extrema síntesis, la hipótesis para el futuro. Sin embargo, a la pregunta: "Qué ocurrió al principio"? la cosmología no da respuestas. A medida que nos acercamos a aquel punto límite las variables físicas que usamos para describir el universo asumen valor infinito y las ecuaciones, sobre las cuales nos hemos apoyado para cumplir todos los pasos intermedios que nos han hecho llegar hasta este punto, pierden
significado. El espacio y el tiempo, y con ellos la energía (de la que la materia es una forma) parece que emerja de un acontecimiento a los umbrales del que la ciencia nos conduce, pero que la ciencia no aferra. Es uno de aquellos puntos de frontera en que la ciencia, tratando su objeto particular con seriedad y según su propio método, va a chocar contra un factor de la realidad que ella misma, para permanecer coherente, tiene que reconocer como "más allá", como "inconcebible". Esta situación siempre caracteriza el conocimiento científico, pero quizás emerja de modo más sugestivo cuanto más es "fundamental" el objeto en cuestión. Del resto eso no concierne sólo el origen de la realidad física en el sentido cosmológico, historia y pasado, sino también el origen de la realidad física en el presente. Si vuelvo a mirar la maceta de flores que tengo en mi habitación, todavía estoy delante del mismo misterio: ¿de qué está hecho?

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