Mirando hacia el futuro

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Looking to the Future. The Great Challenges Facing Astrophysics and Cosmology in the 21st Century.
The twentieth century has brought a number of exciting discoveries concerning the universe, which we could hardly have suspected a hundred years ago. The new century, just begun, promises great progress in our understanding of the origin, composition and evolution of the universe, the formation of galaxies, the secrets of black holes, the formation of stars and planetary systems and the origin of life itself.

Plantearse qué cuestiones sobre el estudio del universo serán las que podrán llevarnos a los avances más importantes en nuestro conocimiento durante un período tan largo como el siglo xxi constituye una propuesta bastante temeraria y en la que es difícil acertar. A menudo, el progreso de la ciencia se hace más patente en las nuevas cuestiones que es capaz de generar, impredictibles de entrada, que en las respuestas que podamos descubrir a preguntas largamente formuladas. No hay mejor manera de captar la dificultad, y a la vez las oportunidades, de intentar adivinar los grandes retos de la astrofísica y la cosmología para el siglo que empieza que pensar qué se habría podido decir sobre estos grandes retos hace ahora cien años, partiendo de los conocimientos que teníamos en 1909, y compararlo con el camino que realmente han seguido los descubrimientos científicos. En este artículo realizaremos este ejercicio para cinco grandes cuestiones que podemos considerar fundamentales. Veremos que, curiosamente, estas grandes cuestiones que inspiran nuestra exploración del universo ahora y hace cien años continúan siendo muy semejantes y están estrechamente relacionadas. En muchas de ellas los avances alcanzados han sido tan espectaculares como insospechados, pero en ninguna de ellas se ha llegado a una conclusión final.

La evolución de las estrellas

La primera gran cuestión que probablemente se habría planteado hace cien años es la fuente de energía, la evolución y el destino final de las estrellas que vemos en el cielo. Hacia 1909, Annie Jump Cannon estaba estableciendo la manera de clasificar las estrellas según su espectro, pero no sabíamos qué relación había con las características físicas y el estadio evolutivo de cada estrella. Este es seguramente el campo en el que los avances han sido más completos en el siglo xx: actualmente sabemos cómo evolucionan las estrellas en función de su masa, pasando por los estadios de la secuencia principal en que se encuentra ahora el Sol y por los de varios tipos de estrellas gigantes a medida que se suceden las etapas de fusión nuclear de diferentes núcleos.

Pero no comprendemos aún las condiciones precisas para que una estrella acabe la vida en diferentes tipos de explosiones supernova, y deje como cadáver estelar una enana blanca, un estrella de neutrones, o bien un agujero negro. Al mismo tiempo, también hemos descubierto la presencia de agujeros negros mucho más masivos que una estrella en el centro de las galaxias (la Vía Láctea contiene un agujero negro central con una masa de 4 millones de veces la del Sol), los cuales son responsables del fenómeno de los cuásares, los objetos más luminosos del universo. No entendemos tampoco cómo se han formado estos agujeros negros supermasivos. Quizá el reto más importante para el siglo xxi relacionado con el fin de las estrellas y del colapso gravitatorio consiste en verificar si las características del campo gravitatorio de un agujero negro predichas por la teoría de la gravedad de Albert Einstein se ajustan a la realidad, y en detectar las ondas gravitatorias emitidas por agujeros negros cuando dos de ellos se fusionan en uno sólo, principal objetivo de la misión espacial LISA.

¿Vida más allà de la Tierra?

La segunda gran cuestión que nos planteamos es el origen de los sistemas planetarios y la posible aparición de la vida en el universo fuera de nuestro planeta. Esta cuestión se había planteado ya desde el momento en que se comprendió que nuestro Sol no es más que una estrella, idea defendida en el siglo xvi por Giordano Bruno, quien intuyó también que las leyes físicas son igualmente válidas para todo el universo, que cada estrella tendría un sistema planetario semejante al del Sol, y que la vida podía estar presente en muchos de estos planetas. Immanuel Kant propuso que los planetas se forman en un disco circumestelar, que se origina a causa de la conservación del momento angular cuando la materia colapsa para formar una estrella.

Hace cien años no se había avanzado mucho más allá de estas ideas básicas, pero actualmente disponemos de muchos más datos científicos: hemos descubierto cientos de planetas gigantes (semejantes a los planetas gaseosos Júpiter y Saturno en nuestro sistema solar) alrededor de otras estrellas, conocemos muchos detalles de las condiciones físicas de las nubes de gas interestelares que continuamente se fragmentan y colapsan gravitatoriamente para formar nuevas estrellas, y hemos comprobado que la presencia de sistemas planetarios en otras estrellas es frecuente. Hemos podido validar también la teoría de formación de planetas a partir de la coalescencia de granos de polvo en los discos circumestelares, los cuales se agregan gradualmente hasta alcanzar las dimensiones de rocas, asteroides y, finalmente, planetas terrestres.

A pesar de que no hemos podido identificar aún planetas que sean muy semejantes a la Tierra (ya que sólo los planetas más masivos son fácilmente detectables con las técnicas actuales), todas las indicaciones de que disponemos auguran una gran abundancia de planetas terrestres. Muchos de estos planetas no deben ser adecuados para la presencia de vida: algunos están demasiado próximos o lejanos a su estrella (y por lo tanto, demasiado calientes o demasiado fríos), otros quizá se mueven en órbitas demasiado excéntricas o inestables (con las correspondientes variaciones dramáticas del clima), otros seguramente no tienen agua líquida. Pero si los sistemas planetarios son efectivamente habituales entre los cien mil millones de estrellas de la Vía Láctea, parece casi seguro que haya también muchos planetas en nuestra galaxia que reúnan todas las condiciones para que se haya podido formar la vida.

El reto más importante para el siglo xxi en este apartado será probablemente el de caracterizar la población de planetas aptos para la vida a partir de varios métodos de observación que se están desarrollando actualmente, y encontrar signos que demuestren la presencia de vida en algunos de estos planetas. Actualmente ya se han diseñado misiones espaciales para utilizar la interferometría entre varios telescopios en el espacio para poder anular la luz de una estrella y detectar directamente la luz mucho más endeble reflejada por un planeta que orbita la estrella, a fin de poder estudiar las variaciones temporales y el espectro de esta luz que podrían revelar la presencia de varios gases en cuya atmósfera algunos implican la existencia de la vida (como la presencia simultánea del oxígeno, el ozono y el metano).

los componentes del universo

Una tercera gran cuestión consiste en averiguar cuáles son los componentes básicos del universo. A principios del siglo xx los astrónomos podían sentirse eufóricos por los éxitos obtenidos en la espectroscopia estelar y las promesas de nuevos descubrimientos: los espectros de las estrellas habían demostrado la presencia de muchos átomos conocidos en la Tierra en las atmósferas estelares, y se podía proyectar el desarrollo de métodos que permitiesen medir la composición de cada tipo de estrella. Quizá de manera un tanto osada se hubiese podido incluso prever que todo el universo está formado de la materia que ya conocemos, y que las abundancias estelares contendrían todos los secretos que nos quedaban por descubrir sobre la composición del universo. Hoy en día los descubrimientos realizados van mucho más allá de las expectativas que se habrían podido tener hace cien años: la composición de las estrellas y de las nubes de gas interestelares revelan los procesos de síntesis de cada uno de los núcleos atómicos en el interior de las estrellas y durante las explosiones supernova, donde las reacciones nucleares de fusión han generado todos los núcleos más pesados que el helio. Cerca de un 99% de la materia del universo visible en forma de estrellas es hidrógeno y helio, pero todo el resto de átomos, que se concentran para formar granos de polvo y planetas terrestres para hacer posible la existencia de la vida, han sido creados en el interior de las estrellas. En cambio, los núcleos más ligeros (el helio, el deuterio y el litio) fueron creados durante los primeros minutos de existencia del universo después del Gran Estallido, y su medida nos ha llevado a poder comprobar precisamente el valor de la densidad media de la materia ordinaria al universo.

Pero en el siglo xx hemos aprendido también que la expectativa de un universo constituido totalmente de la materia que ya conocemos habría sido, efectivamente, del todo prematura. La evidencia observacional nos ha demostrado de forma abrumadora que sólo conocemos un 20% de la materia, constituida por los protones y neutrones, que forman los núcleos atómicos, y los electrones, que completan la construcción del átomo. El otro 80% ha sido llamado materia oscura, y sólo sabemos de su existencia a partir de los efectos gravitatorios que tiene. Tanto las observaciones de las órbitas de galaxias satélites como las de la deflección gravitatoria experimentada por la luz al pasar cerca de un cuerpo masivo demuestran que las galaxias están rodeadas de una gran cantidad de materia misteriosa, la cual no interactúa con la materia ordinaria excepto por la gravedad. Varias observaciones cosmológicas (utilizando la radiación de fondo del universo, las abundancias de los elementos sintetizados en el Gran Estallido, y la distribución de las galaxias en el universo a gran escala) confirman el mismo porcentaje del 80% para la fracción de materia de esta enigmática clase no-interactuante cuya naturaleza desconocemos totalmente. Este es, pues, otro gran reto por el siglo xxi: averiguar qué es la materia oscura.

© 2004 European Space Agency
El sistema binario Cygnus X-1 responde a las características que se esperan de un agujero negro. Se trata de un objeto compacto, que podemos ver en esta representación artística a la derecha, que contiene cerca de nueve veces la masa del Sol y cambia de brillo continuamente en varias escalas de tiempo. A la izquierda podemos ver una superestrella gigante azul, conectada con el agujero negro por una corriente de gas. Comprender el funcionamiento de los agujeros negros es uno de los retos a los que se enfrenta el estudio del universo.

«No comprendemos aún las condiciones precisas para que una estrella acabe su vida en diferentes tipos de explosiones supernova y deje como cadáver estelar una enana blanca, una estrella
de neutrones, o bien
un agujero negro»

 

07764© ESA/ NASA/ UCL (G. Tinetti)

Reproducción artística del planeta extrasolar HD 189733b, del que ahora se sabe que tiene metano y agua. Actualmente conocemos cientos de planetas gigantes alrededor de otras estrellas diferentes al Sol, pero pese a ello aún no podemos contestar una de las cuestiones que se plantean los astrónomos actuales: ¿hay vida más allá de la Tierra?

 

 

 

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eL origen de las galaxias

La cuarta gran cuestión que vamos a tratar es la naturaleza y el origen de las galaxias, principales constituyentes del universo visible. Hace cien años conocíamos que el Sol era parte de la Vía Láctea, un conjunto de estrellas dispuestas en forma de disco, pero no sabíamos qué había más allá de la Vía Láctea, ni qué eran las nebulosas de luz que se habían detectado entre los objetos celestes. Los avances en este campo no se hicieron esperar durante el siglo xx: en 1924, Edwin Hubble demostraba que la nebulosa de Andrómeda, una nubecilla de luz conocida hoy como galaxia de Andrómeda que podemos ver a simple vista en la constelación del mismo nombre en nuestras tardes de otoño, es en realidad una galaxia semejante a la nuestra que se encuentra a la inmensa distancia de 2,5 millones de años-luz (Hubble obtuvo la distancia de un millón de años-luz porque el método que utilizaba sufría aún de algunos errores sistemáticos, pero fue lo bastante fiable como para demostrar que esta galaxia debía ser un objeto externo a la Vía Láctea y de un tamaño comparable). La gran cantidad de nebulosas semejantes que se habían catalogado por todo el cielo debían ser, por lo tanto, también galaxias que contenían miles de millones de estrellas. Hubble amplió así nuestro universo, que pasó de ser sólo la Vía Láctea a ser un universo de galaxias cuya inmensidad no alcanzamos aún a comprender. Sin embargo, por si se hubiese quedado corto con este descubrimiento, en 1929 Hubble descubrió la expansión del universo mediante la medida de la distancia y la velocidad radial de alejamiento a varias galaxias: el espacio se expande como si fuera una goma que se estira homogéneamente a lo largo del tiempo, haciendo que las galaxias se alejen progresivamente unas de otras.

La estructura y evolución de las galaxias han sido profusamente investigadas a lo largo del siglo xx, enmarcadas dentro del modelo del Gran Estallido que describe la expansión y evolución del universo. Hoy sabemos que el Gran Estallido se produjo hace 13.700 millones de años, y las galaxias se han formado mediante el colapso gravitatorio de la materia en regiones del universo que de entrada tenían un pequeño exceso de masa respecto a las otras. Como la luz viaja a una velocidad fija, podemos ver el pasado de las galaxias cuando las observamos hasta distancias a las que se acercan en un horizonte de 13.700 millones de años-luz. La historia de las galaxias se despliega por tanto en el cielo a medida que las observamos a distancias más lejanas. Actualmente estamos aún aclarando esta historia, y el reto que se plantea para el siglo xxi es descubrir las características de los primeros objetos que colapsaron y formaron estrellas, cómo éstos han evolucionado y han formado las galaxias actuales, y cómo las diversas poblaciones estelares que han existido en las galaxias del pasado han creado los elementos atómicos con las abundancias que hoy observamos en las estrellas actuales.

Cómo empezó todo?

Finalmente, la gran cuestión que más curiosidad ha despertado en los astrónomos y cosmólogos de todas las épocas es el origen y la naturaleza del universo en su totalidad. Hace cien años, esta pregunta se debería haber formulado desde la única realidad conocida, nuestro enjambre de estrellas llamado Vía Láctea: ¿cómo se formó la galaxia, y qué hay más allá? Hoy en día esta pregunta se enmarca en la teoría del Gran Estallido, para la que hemos acumulado durante el siglo xx una evidencia experimental ya definitiva gracias especialmente a la observación detallada de la radiación cósmica de fondo, residuo de una época primitiva en la que toda la materia del universo se repartía homogéneamente por el espacio y era bañada por la radiación que aún hoy se propaga por todas partes.

Pero las preguntas básicas continúan siendo las mismas de siempre, retocadas por los nuevos conocimientos adquiridos: ¿es el universo infinito o bien existe un tamaño máximo, quizá mucho más grande que nuestro horizonte observable de 13.700 millones de años luz, sobre el que se extienden las condiciones de homogeneidad de nuestro universo? ¿Qué había antes del Gran Estallido, y qué dio lugar a unas condiciones prácticamente homogéneas pero con pequeñas fluctuaciones que después originarían el colapso de las galaxias? ¿Cómo se acabará el universo, si es que ha de tener un fin?

Los cosmólogos esperamos continuar encontrando nuevas pistas que nos permitan por lo menos reformular estas preguntas desde nuevos paradigmas. Actualmente muchos científicos trabajan sobre dos indicios que nos pueden conducir hacia nuevos descubrimientos cosmológicos: uno es la idea teórica del modelo inflacionario, que propone que las condiciones casi homogéneas del Gran Estallido fueron establecidas por una fase anterior de expansión universal acelerada y creación de energía que se convirtió finalmente en la materia del universo, pero que hasta ahora no ha recibido ninguna confirmación observacional muy convincente. El otro es el descubrimiento observacional durante la última década del hecho de que la expansión del universo ha experimentado una transición en la época actual, pasando de la desaceleración debida a la atracción gravitatoria de la materia hasta hace unos 5.000 millones de años, a una aceleración de la expansión a gran escala desde entonces. Esta nueva aceleración podría producirse por un hipotético nuevo componente del universo que se ha llamado energía oscura, o quién sabe si por alguna extraña modificación que alterase la teoría de la gravedad de Einstein. Quizá el reto más importante que podemos desear para el siglo xxi es poder hacer nuevos descubrimientos y avances en direcciones que, actualmente, ninguno de nosotros podría sospechar.

BIBLIOGRAFÍA
Giner-Sorolla, A., 1983. Un nou gènesi. Ediciones 62. Barcelona.
Harrison, E., 1981. Cosmology: the Science of the Universe. Cambridge University Press. Cambridge.
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Martínez, V., 2006. Mariners que solquen el cel. L’aventura de descobrir l’univers. Bromera. Alzira.
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Riera, S., 1996. Origen i evolució de l’univers: Breu història de la cosmologia. Ediciones 62. Barcelona.
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Trigo, J. M., 1999. Nosaltres a l’univers. Proa. Barcelona.
Trigo, J. M., 2000. L’origen del Sistema Solar. Pòrtic. Barcelona.

Jordi Miralda. Profesor de la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).
© Mètode, Anuario 2010.

© NASA / ESA / JHU (H: Bradley, H. Ford) / UCSC (R. Bouwens, G. Illingworth)
Imagen del telescopio espacial Hubble del cúmulo de galaxias Colmena 1689, donde podemos observar varias galaxias del trasfondo distorsionadas por la lente gravitatoria que produce la masa del cúmulo. La gran masa requerida para explicar esta lente demuestra la existencia de materia oscura.

«La evidencia observacional nos
ha demostrado que sólo conocemos un 20% de la materia. El otro 80%
ha sido llamado materia oscura, y sólo sabemos de su existencia a partir de sus efectos gravitatorios»

 

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© R. Gendler

En 1924, Edwin Hubble demostró que la entonces conocida como nebulosa de Andrómeda era en realidad una galaxia. Pasábamos a comprender que el universo no era solo la Vía Láctea, como hasta aquel momento habíamos creído, sino que estaba compuesto por multitud de galaxias. Arriba, imagen de la vecina galaxia de Andrómeda M31.

 

«Quizá el reto más importante que podemos desear para el siglo XXI es poder hacer nuevos descubrimientos y avances en direcciones que actualmente ninguno de nosotros podría sospechar»

© Mètode 2011 - 64. La mirada de Galileo - Número 64. Invierno 2009/10
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Profesor de Investigación ICREA de Astrofísica. Instituto de Ciencias del Cosmos, Universidad de Barcelona.