Nuevos datos sobre la materia y la energía

Se desconoce la naturaleza del 96% del Universo. La materia visible (galaxias, estrellas) representa solo el 4% de la materia y energía que se estima debe haber en el Universo. La materia no detectable directamente recibe el poco imaginativo nombre de ‘materia oscura’ y su contribución puede ascender hasta el 23% del total. Al 73% que falta se le denomina, ¡cómo no!, ‘energía oscura’.

Ya hacia 1930, el astrónomo suizo de origen búlgaro Fritz Zwicky (1898-1974) observó que las estrellas situadas en los límites de las galaxias espirales se movían a una velocidad diferente de la que deberían tener. Es un hecho de física elemental que la velocidad en las órbitas, y las estrellas se mueven alrededor de un hipotético centro de la galaxia en órbitas casi circulares, disminuye con el diámetro para equilibrar las fuerzas. Para Zwicky la conclusión estaba clara: había más masa en la galaxia que no era detectable. Los astrónomos de la época despreciaron su deducción porque según Zwicky, un hombre de mal carácter y pocos amigos, eran «unos cabrones esféricos, unos cabrones desde cualquier punto de vista que se les contemplase». En 1970, la acreditada astrónoma estadounidense Vera Rubin (1928-2016) confirmó sin lugar a dudas la conclusión del suizo: había una masa que no brillaba, transparente, una ‘masa oscura’. Rubin dedujo que para que la galaxia no se desintegrara debería disponer de una masa hasta diez veces mayor que la visible. A esta materia visible se la denomina MACHO (objetos de halo compacto masivos) y está constituida por materia bariónica, es decir, por protones y neutrones. A la materia oscura, que no se sabe de qué está formada, se la denomina WIMPS (partículas masivas de interacción débil). Una de esas partículas hipotéticas, no detectadas, es el llamado neutralino, una partícula supersimétrica cien veces más masiva que el protón. Y aún se aventuran interpretaciones más complejas.

La necesidad de tener en cuenta la energía oscura se descubrió cuando se tuvieron datos de que el Universo se está expandiendo aceleradamente, es decir, que las galaxias se están separando cada vez a mayor velocidad. Los datos los adquirieron los estadounidenses Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess cuando investigaban en dos equipos rivales sobre las supernovas SNIa, consideradas actualmente como las ‘candelas estándar’, ya que todas ellas tienen prácticamente el mismo brillo, debido a que su estallido se produce cuando una estrella enana blanca de un sistema binario absorbe materia de su compañera. La aceleración de la expansión del Universo se dedujo porque las explosiones de las supernovas SNIa eran más débiles de lo esperado, esto es, se encontraban a una distancia mayor. (Los tres investigadores recibieron el Premio Nobel de Física 2011 por este trabajo).

Pero, ¿cuál era la causa de la aceleración? ¿La antigravedad supuesta por Einstein cuando incluyó en las ecuaciones de la teoría general de la relatividad la constante cosmológica (su mayor error, dijo) para asegurar que el Universo era estático? ¿Una antigravedad cuyo efecto solo era sensible a distancias cósmicas? Los físicos teóricos suponen que la constante cosmológica es, en esencia, la densidad del espacio vacío y que la energía del vacío es la responsable de la expansión acelerada del Universo, es decir, es la energía oscura. Los físicos teóricos consideran que el espacio vacío es un medio dinámico que ‘bulle’ con la actividad de las partículas virtuales, de pares de partículas virtuales que resultan de las fluctuaciones cuánticas del vacío, un espaciotiempo cargado de energía invisible. En el vacío existe la gravitación, pero, curiosamente, su efecto es opuesto al de la materia y hace que la expansión se acelere. Además, la aceleración debe aumentar con el tiempo, ya que cuando más grande se hace el Universo, más energía de vacío (oscura) habrá y más lejos serán expulsadas las galaxias. Esta condición lleva al Big Freeze, a un Universo congelado. Pero, ¿ocurrirá esto? En resumen, se admite que la constante cosmológica mide la cantidad de energía oscura y que esta es la energía del espacio vacío. Nadie sabe cómo calcularla, aunque sí se estima su contribución a la densidad relativa de materia del Universo. Para que la la materia equilibrase la expansión su densidad debería ser la unidad. Sumando las contribuciones de la materia visible y oscura, la densidad puede ser de 0,3, por lo que la aportación de la constante cosmológica debe ser de 0,7. Si la densidad relativa de la materia es mayor de 1, el Universo va a un Big Crunch (Gran Contracción); si es igual a 1, a un Big Freeze (Gran Congelación).

¿Existió el Big Bang?

Según la teoría general de la relatividad, el Universo empezaría con una temperatura y una densidad infinitas. Por lo tanto, la teoría cae en una singularidad y no ofrece solución para el origen del Universo, cuestión que debe ser explicada, si acaso, cuánticamente. Stephen Hawking dice que «el origen del Universo fue un suceso cuántico, apareció espontáneamente, empezando en todos los estados posibles… dando lugar a muchos universos con muchos conjuntos diferentes de leyes físicas… Es lo que llaman el multiverso: son burbujas, miniuniversos, de los cuales unos pocos no colapsarán y se expandirán en una inflación no completamente uniforme, originando regiones con una densidad ligeramente mayor que otras, en donde la gravedad habría reducido el ritmo de expansión hasta que la materia se uniera para formar galaxias, estrellas y planetas». Y Michio Kaku afirma: «Cuando abrimos la puerta a la aplicación de las fluctuaciones cuánticas al Universo, nos vemos obligados a admitir la posibilidad de universos paralelos». Además, se pregunta: «¿Por qué no gira el Universo? No tiene espín. Las cargas eléctricas positivas y negativas dan cero. La gravedad domina el Universo, no la fuerza electromagnética. La respuesta puede ser que el Universo surgió de la nada ya que el vacío no tiene espín y su carga es cero». Otros explican estas opciones diciendo que hubo un Big sin Bang.

Nuevos datos sobre la evolución del Universo

Cualesquiera que sean las opciones, se supone que en las proximidades de la singularidad relativista, un universo burbuja se encontraba comprimido a la densidad de Planck, esto es, con la masa de Planck contenida en un cubo cuya arista es la longitud de Planck. En este estado, las cuatro fuerzas (gravedad, electromagnética, débil y fuerte) estaban unificadas. Cuando se desprendió la gravedad tuvo lugar, según Alan Guth, la inflación, una expansión del espacio a velocidad superlumínica. No se conocen las causas de la inflación, ni tampoco por qué tiene dos fases, una de crecimiento exponencial y otra de ralentización. Como dice Hawking : «En ausencia de una teoría cuántica ‘completa’ de la gravedad, no se pueden elaborar los detalles de la inflación». La justificación de la hipótesis inflacionaria se apoya en la uniformidad de la temperatura de la radiación del fondo de microondas (aunque con ‘arrugas en el tiempo’) porque en caso contrario no se hubiera igualado en zonas muy separadas. Además, la inflación justifica que el Universo sea muy grande, tanto, que el universo visible (definido por una región de longitud igual a la distancia que la luz pudo desplazarse en el tiempo transcurrido desde que comenzó la expansión) nos parece plano.

Cuando terminó la inflación, sin más justificación que la suposición de Andrei Linde de que el universo hiciera brotar otros universos, se separó la interacción fuerte. A los tres minutos del origen se formaron los núcleos atómicos, con un 73% de hidrógeno y un 25% de helio. A los 380.000 años terrestres, la temperatura era de 3.000 grados Kelvin; aparecieron los átomos y el Universo se volvió transparente (antes era negro). Mil millones de años después, las estrellas se condensaron y en su interior sintetizaron el carbono, elemento indispensable para que en el Universo apareciese vida. El carbono liberado en las explosiones de las supernovas fue reciclado en nuevas generaciones de estrellas y planetas, por lo que era necesario que una generación de estrellas naciese y muriese antes de que pudiese empezar la vida biológica. Según el cálculo basado en los datos de la sonda anisotrópica de microondas Wilkinson, WMAP, la edad del Universo es de 13.700 millones de años. A los 4.500 millones de años apareció el planeta Tierra después de dos o tres generaciones estelares.

La vida en el Universo

El astrónomo real británico Sir Martin Rees (Reino Unido, 1942) señala seis números que tienen que tener valores muy precisos para que en el Universo apareciese vida: 1.- Si la cantidad de relativa de hidrógeno que se convierte en helio en la fusión nuclear fuese menor, los protones y neutrones no se unirían y toda la materia quedaría en forma de hidrógeno. Si fuera mayor no quedaría hidrógeno. 2.- Si la relación entre la fuerza eléctrica y la gravitatoria fuera mayor no se habrían formado estrellas y si fuese menor las estrellas quemarían rápidamente el combustible. 3.- Si la densidad relativa de la materia fuera más pequeña se daría una expansión y si fuese mayor una contracción del Universo; pero ambas opciones se darían a una velocidad tan alta que impediría la generación de vida. 4.- Si el valor de la constante cosmológica fuese mayor, la antigravedad haría explotar el Universo. 5.- Si la amplitud de las irregularidades del fondo cósmico de microondas fuese menor, el Universo sería una masa de gas y polvo. 6.- El número de dimensiones espaciales debe ser de tres.

La conclusión de Rees es que tienen que existir muchos universos con constantes físicas diferentes. En el nuestro tienen los valores adecuados para que existamos. Este es el principio antrópico: vemos el Universo como es porque existimos, principio que nos obliga a darnos cuenta de la rareza extrema de la vida. (Principio que, en su significado más amplio, ha sido ampliamente contestado).

Frank Drake y Carl Sagan estudiaron las posibilidades de que un planeta de nuestra galaxia albergase vida inteligente que diera lugar a civilizaciones. Suponiendo que las condiciones fueran como en la Tierra, sería necesario que en su sistema ‘solar’ hubiese un planeta grande como Júpiter que lanzase al espacio cometas y meteoritos para minimizar los impactos; un gran satélite como la Luna para que el planeta no se tambalee y se creen climas extremos; un campo magnético intenso para desviar los rayos cósmicos; una velocidad de rotación moderada, ya que si fuera rápida el planeta estaría sometido a condiciones climáticas extremas con fuertes vientos y tormentas, y si fuera lenta presentaría caras ardientes transitorias; una localización alejada del centro de la galaxia para no recibir demasiada radiación… Pero la vida microbiana resistiría mucho mejor y sería más frecuente.

Grande es el deseo de los físicos (la filosofía ha muerto, dice Hawking) de entender la estructura del Universo ¿Está el problema más allá de la capacidad humana?