Un universo misterioso
Revelando las luces y las sombras del cosmos
¿Por qué nuestro universo es como lo observamos? ¿Será siempre de la misma forma? Comprender la naturaleza de los principales componentes del universo es esencial para obtener una descripción precisa del proceso que lo ha llevado hasta su estado actual. Hoy en día muchas observaciones independientes apoyan la idea de que el contenido de materia del universo se divide en un componente bariónico ordinario y observable (~5 %) y la materia oscura invisible (~23 %). El ~72 % restante del contenido del universo está en la forma de un campo de energía oscura absolutamente misteriosa. Esta composición hace hincapié en que, aunque seguimos desconociendo un ~95 % de nuestro universo, incluso la contribución minoritaria de materia normal, y aparentemente conocida, conlleva importan-tes retos para los cosmólogos.
Palabras clave: cosmología, astrofísica, bariones, materia oscura, energía oscura.
¿Solo materia o algo más?
Nuestra comprensión del universo ha cambiado drásticamente en los últimos cien años. Al comienzo del siglo pasado, se creía que nuestra galaxia, la Vía Láctea, era el centro del universo. Más allá de la extensión de nuestra galaxia, todo era incierto. En aquel momento, ya se habían observado algunas nebulosas, pero se pensaba que eran grupos de estrellas no resueltas de nuestra galaxia. En 1924, Edwin Hubble calculó la distancia a algunas de estas nebulosas y demostró que, de hecho, eran galaxias alejadas de los límites de la Vía Láctea. Se confirmaba así la existencia del universo extragaláctico.
«Nuestra comprensión del universo ha cambiado drásticamente en los últimos cien años. Al inicio del siglo pasado se pensaba que la Vía Láctea era el centro del universo»
Unos años antes, en 1915, Al-bert Einstein había presentado su teoría de la relatividad general, una descripción unificada y revolucionaria de la gravedad como propiedad del espacio-tiempo. Cuando, en 1925, Alexander Friedmann resolvió las ecuaciones de Einstein en condiciones de homogeneidad e isotropía a gran escala, ¡la solución describía un universo en expansión! Solo cuatro años más tarde, Hubble descubrió una interesante correlación mientras analizaba el movimiento de las galaxias cercanas: cuanto más alejadas estaban entre ellas, mayores eran sus velocidades de recesión. Como las galaxias no se movían alrededor de un centro, el resultado sugería que, en el pasado, todas habían estado más cerca unas de otras y que, por lo tanto, tenían un origen común. Estas observaciones fueron la primera confirmación de un universo que se expande a partir de un punto de partida común, el Big Bang.
El modelo cosmológico están-dar actual, basado en la teoría del Big Bang, se definió de forma definitiva como una descripción válida de nuestro universo en 1965, cuando Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la primera luz emitida por el universo después del Big Bang, la radiación de fondo de microondas, detectada como una emisión isotrópica y no polarizada que llenaba todo el espacio.
La teoría del Big Bang nos sirve para explicar mu-chas pruebas observacionales (Hamilton, 2013). De acuerdo a este modelo, nuestro universo y, por consiguiente, el espacio-tiempo, comenzaron después del Big Bang hace unos 13.700 millones de años. Al principio, toda la materia, la energía y la radiación estaban comprimidas en un plasma muy caliente y denso. Debido a la alta temperatura, la materia estaba completamente ionizada y la interacción entre fotones y electrones era fuerte. A medida que el universo se expandía, se enfrió hasta alcanzar una temperatura en la que los electrones quedaban capturados por los núcleos atómicos para formar los primeros átomos, principalmente de hidrógeno.
«El modelo cosmológico estándar actual, basado en la teoría del Big Bang, es va definir de manera definitiva como una descripción válida de nuestro universo en 1965, cuando se descubrió la radiación de fuentes de microondas»
La primera luz emitida por el universo primordial, caliente y denso y en el que la materia y la radiación estaban acopladas, se puede detectar en la radiación de microondas que llena el cielo de manera uniforme, el fondo cósmico de microondas. Esta radiación, emitida cuando el universo tenía unos 375.000 años, dibuja un medio homogéneo con una temperatura extremadamente uniforme en todo el cielo, en el que solo se pueden medir pequeñas fluctuaciones. De hecho, en los últimos treinta años, gracias a satélites espaciales como COBE, WMAP o, más recientemente, Planck, hemos podido calcular las anisotropías de temperatura del fondo cósmico de microondas con una precisión sorprendente (figura 1). Estas anisotropías, resultado de las pequeñas fluctuaciones de densidad del universo primordial, representan las semillas de formación de estructuras cósmicas: gracias a la acción de la gravedad, estas sobredensidades iniciales dieron lugar a los sistemas más grandes que observamos en la actualidad.
Investigando las fluctuaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas, los cosmólogos tratan de responder una de las cuestiones más fundamentales: ¿cómo llegó a ser nuestro universo tal y como lo observamos? Estas y muchas otras observaciones han revelado un hecho realmente sorprendente: la mayor parte de la materia del universo no es observable en el sentido clásico, sino oscura, puesto que no emite ondas electromagnéticas. Sin embargo, esta materia oscura se puede observar indirectamente gracias a sus efectos e interacción con las estructuras visibles. Además de materia, sabemos que el universo también está compuesto de radiación. Todo esto, no obstante, es solo una pequeña fracción del contenido actual del universo. Aunque la densidad energética de los diferentes componentes del universo cambia con el tiempo, en la actualidad, mientras lo observamos, el componente dominante de la densidad de energía toma la forma de un campo misterioso y desconocido de energía oscura.
Recientemente, en septiembre de 2015, los observatorios LIGO detectaron ondas gravitatorias (es decir, olas en el espacio-tiempo generadas, en este caso, por la fusión entre dos agujeros negros), lo que confirma la predicción realizada hace casi un siglo por la teoría de la relatividad general y refuerza nuestro modelo cosmológico actual (figura 2).
Materia ordinaria. Trazando lo visible
Las observaciones astronómicas han revelado un universo en el que las estructuras cósmicas crecen y evolucionan de forma jerárquica, lo que da lugar a un gran número de objetos de diferentes masas y escalas. Durante la evolución cósmica, la atracción gravitatoria hace que las estrellas formen galaxias y estas a su vez formen cúmulos. Esta estructura a gran escala del universo se completa con una red de filamentos menos densos que conectan los cúmulos de galaxias, así como con regiones casi sin materia llamadas «vacíos». Grandes catálogos de galaxias, como el Sloan Digital Sky Survey, han confirmado esta distribución con una precisión sin precedentes (por ejemplo, Bull et al., 2016; Olmo, 2012).
Las mediciones de las anisotropías del fondo cósmico de microondas y de la nucleosíntesis temprana han revelado que la materia ordinaria da cuenta del 5 % del contenido total de masa y energía del universo temprano. Las estrellas, los planetas, las nubes de gas y el polvo están formados por esta materia bariónica, compuesta de átomos e iones ordinarios y que podemos observar gracias a su emisión de radiación en un amplio rango de energías. Sin embargo, una incógnita en relación con este componente ordinario es que, cuando los astrónomos suman toda la materia visible en la actualidad, falta una fracción de más de la mitad de bariones. Concretamente, al contenido bariónico presente del universo contribuyen las galaxias (~10 %), el gas templado del espacio (~10 %) y las nubes de gas frío del medio intergaláctico (30 %). El ~50 % restante no se ha podido detectar hasta el momento (figura 3).
Las simulaciones cosmológicas sugieren que una gran parte de los bariones restantes reside en un medio intergaláctico templado-caliente distribuido a lo largo de los filamentos de la red cósmica. Este plasma caliente y difuso, formado por material altamente ionizado, es difícil de detectar con las instalaciones de observación actuales. Sin embargo, recientes observaciones en rayos X de los filamentos asociados con el cúmulo masivo de galaxias Abell 2744 parecen apoyar el escenario sugerido por las simulaciones (Eckert et al., 2015). Al mismo tiempo, un análisis de las distorsiones experimentadas por la radiación del fondo cósmico de microondas cuando cruza las galaxias centrales identificadas por el Sloan Digital Sky Survey parece haber detectado todos los bariones restantes en el interior y alrededor de las galaxias (Hernández-Monteagudo et al., 2015). Estos resultados indican que el misterio de los bariones perdidos, pese a estar cerca de ser resuelto, sigue siendo controvertido. Aunque la fracción de bariones que no detectamos es consistente con modelos razonables sobre el impacto de los vientos galácticos en el modelo cosmológico estándar, detectar este componente sigue siendo un reto importante para comprender la composición de nuestro universo y cómo este llegó a ser lo que hoy en día observamos.
Materia oscura. Buscando lo invisible
Las observaciones del fondo cósmico de microondas predicen que alrededor de un 80 % de la materia del universo es invisible a nuestros telescopios y detectores. No podemos observar este componente de «materia oscura», pero inferimos su existencia por su interacción gravitatoria con la materia normal (véase Bull et al., 2016).
En 1933, gracias a un análisis de la dinámica de las galaxias en el cúmulo de Coma, el astrónomo Fritz Zwicky se dio cuenta de que la masa total en galaxias luminosas era mucho menor que la masa gravitatoria total del cúmulo. Para explicar esta discrepancia, sugirió la presencia de una materia oscura dominante, no detectada e invisible que llenaría el espacio entre galaxias.
Sin embargo, la existencia de materia oscura no se aceptó de forma general hasta más de cuarenta años después, cuando Vera Rubin y sus colaboradores obtuvieron resultados similares observando las curvas de rotación de las galaxias espirales. Contrariamente a lo que ocurre en un universo newtoniano puro, observaron una velocidad estelar constante en las regiones exteriores de las galaxias, lo que confirmaba la existencia de materia oscura que llenaba el potencial galáctico y ligaba las estrellas a las galaxias incluso a gran distancia del centro galáctico.
La existencia de materia oscura también se ha confirmado mediante el efecto de lentes gravitatorias. De acuerdo con la relatividad general, la trayectoria de la luz se curva cuando pasa cerca de un objeto masivo. Como resultado, cuando la luz emitida por galaxias lejanas viaja a través de sistemas más masivos, como los cúmulos de galaxias, obtenemos imágenes galácticas alargadas y distorsionadas. La magnitud de este efecto depende de la masa total del cúmulo que actúa como lente y proporciona una de las estimaciones más precisas de la masa de los cúmulos (figura 3).
Desde 1980, numerosas observaciones independientes adicionales, como las de las anisotropías del fondo cósmico de microondas o las de rayos X del gas intracúmulo caliente, confirmaron la presencia de una cantidad significativa de materia oscura en el universo.
La detección de materia oscura a partir de diferentes efectos gravitatorios proporciona importantes pistas sobre sus propiedades principales. Hasta ahora no se ha observado que la materia oscura interactúe con los bariones o con la luz –aparte de hacerlo mediante la interacción gravitatoria–. Por consiguiente, debe ser oscura, en el sentido de que no emite ni absorbe luz. Además, la materia oscura debe ser fría (o tener una velocidad muy baja), para poder colapsar y permitir la formación de objetos con interacción gravitatoria. Las pruebas observacionales sugieren que la materia oscura debería tomar la forma de materia sin colisiones. Pese a que existen varias soluciones que satisfacen estos requisitos, el consenso general es que, si la materia oscura existe, debe ser una nueva partícula que todavía no incluimos en el modelo estándar de la física de partículas.
«La mayor parte de la materia del universo no es observable en el sentido clásico, sino oscura, ya que emite ondas electromagnéticas»
Actualmente, existen una serie de experimentos que intentan detectar la materia oscura desde diferentes canales. Por ejemplo, los experimentos del LHC (Gran Colisionador de Hadrones, en sus siglas en inglés), el mayor acelerador de partículas, tratan de producir candidatos a la materia oscura haciendo colisionar partículas a diferentes energías. Como la materia oscura debería ser estable e interactuar solo de forma débil con la materia normal, los detectores solo pueden calcular la pérdida energética después de la colisión. Por otro lado, al contrario que la materia normal, como las partículas de materia oscura deberían llegar continuamente a nuestro planeta y cruzar su superficie sin apenas interacción, se han construido una serie de experimentos subterráneos con este fin. Sin embargo, por el momento, ninguno de estos canales ha dado resultado.
A ello se suman los experimentos de detección indirecta de los procesos de aniquilación de materia oscura que producen fotones altamente energéticos, como los de rayos gamma. Regiones con altas concentraciones de materia oscura, como el centro de nuestra galaxia o las galaxias enanas, son los lugares perfectos para detectar estos sucesos. Pese al número de sucesos de rayos gamma recogidos desde 2008 por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi, no tenemos ninguna confirmación clara de estos procesos.
Las simulaciones numéricas, que resuelven la evolución gravitatoria de miles de millones de partículas de materia oscura, confirman que el modelo de materia oscura fría es consistente, al menos a gran escala, con la distribución de estructuras cósmicas proporcionada por los grandes catálogos de galaxias (figura 4). A escalas más pequeñas, no obstante, aparecen una serie de tensiones entre el modelo aceptado y las observaciones, que hacen necesario simular de forma más precisa algunos de los procesos físicos involucrados, especialmente relevantes a escala galáctica (véase Bull et al., 2016). En este sentido, la mejora de las simulaciones numéricas actuales –en términos físicos y de resolución– será esencial para profundizar en nuestra comprensión del universo y de sus principales componentes.
Energía oscura. Adivinando lo desconocido
Sorprendentemente, la inmensa mayoría del contenido energético del universo no lo representan la radiación y la materia, ni la luminosa ni la oscura, sino que consiste en una forma poco conocida de energía, la llamada «energía oscura». Su principal característica es que, a diferencia de cualquier otra forma conocida de materia o energía, tiene una presión negativa, por lo que actúa como fuerza de repulsión (véase Bull et al., 2016).
La confirmación llegó a finales de los años noventa, cuando dos equipos independientes encontraron pruebas observacionales de una expansión acelerada del universo. La importancia de un descubrimiento tan crucial les valió a Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess un Premio Nobel en 2011.
Ambos grupos investigaron supernovas tipo Ia, explosiones estelares particularmente energéticas que marcan la muerte de una pequeña estrella compacta, perteneciente a un sistema binario de estrellas, con una enorme descarga de energía. Todas las supernovas brillan con una luz intrínseca similar, así que, dependiendo de la atenuación que se observe, se pueden utilizar para medir distancias en el universo y, por lo tanto, su expansión con el tiempo. Los dos grupos descubrieron de forma independiente que nuestro universo no se está frenando por efecto de la atracción gravitatoria de la materia que contiene, sino que se expande cada vez más rápido. Puesto que este resultado no se puede explicar únicamente con las formas de materia y energía que conocemos, se sugiere la existencia de una energía oscura dominante responsable de este efecto. Al combinar esta idea con la observación proporcionada por el fondo cósmico de microondas de un universo plano, la cantidad de materia oscura necesaria para explicar las observaciones actuales sería de un ~72 % del contenido energético total.
En una de las interpretaciones más sencillas, la energía oscura se puede relacionar con una energía de vacío, es decir, la energía asociada al espacio vacío, bien representada por lo que se conoce como constante cosmológica. La constante cosmológica apareció por primera vez en la formulación de Einstein de las ecuaciones que describen nuestro universo. Pese a que en realidad no se conocía su significado físico, este concepto se introdujo como una forma de compensar la fuerza de la gravedad y de construir un universo «estático», que ni se expandía ni se contraía con el tiempo, tal y como sugería el modelo aceptado en la época. Esta imagen, sin embargo, se abandonó después de que Hubble encontrara pruebas observacionales de un universo en expansión y eliminara así la necesidad de la constante cosmológica.
«Cerca de un 80% de la materia del universo es invisible a nuestros telescopios y detectores. No podemos observar este componente de «materia oscura», pero inferimos la existencia por su interacción gravitatoria con la materia normal»
Sin embargo, desde finales de los noventa, las diferentes pruebas de la expansión acelerada del universo hicieron que la energía oscura entrara a formar parte del modelo cosmológico estándar (figura 2). Por simplicidad, el modelo aceptado incluye la energía oscura en forma de una constante cosmológica, pero lograr una comprensión más profunda de su naturaleza sigue siendo todo un desafío. De hecho, a pesar de su efectividad, representa inconvenientes tanto teóricos como observacionales. Por un lado, aunque se estima que el valor de esta energía de vacío es positivo, es tan increíblemente pequeño que es difícil de explicar de forma natural desde el punto de vista de la física de partículas. Por otro lado, las pruebas observacionales de la existencia de la energía oscura son solo pruebas indirectas de su presión negativa obtenidas a partir de la expansión acelerada del universo. Además, con respecto a la densidad crítica de nuestro universo, la energía oscura comenzó a dominar (por encima de la materia y la radiación) el total de energía del universo y a ser responsable de su expansión acelerada solo muy recientemente en la historia del mismo. ¿Por qué solo ahora? Este hecho también plantea un interrogante embarazoso para los cosmólogos.
¿Qué hay detrás de la energía oscura?
Toda una rama de la cosmología se dedica a investigar la naturaleza de la energía oscura, tanto observacionalmente como teóricamente y, además de la constante cosmológica, se han propuesto muchos modelos para explicar la alta precisión de los datos cosmológicos. ¿Cómo elegir entre todos ellos? Si existe más de un modelo que representa con éxito parte de las propiedades observadas del universo, ¿cómo podemos discriminar? Los científicos suelen invocar el criterio de simplicidad y naturalidad. Esta es la razón principal por la cual la constante cosmológica sigue siendo el paradigma preferido.
Entre las diferentes alternativas, hay teorías muy complejas y ambiciosas que tratan de interpretar la materia y la energía oscuras como dos aspectos de un mismo fenómeno que modifican la gravedad a diferentes escalas espaciales. La idea es que, o bien el ~72 % del universo está compuesto de la misteriosa energía oscura, o la relatividad general se ha de reemplazar por una nueva forma de gravedad a escalas cósmicas. Algunos teóricos apoyan esta última interpretación, considerando que tanto la energía oscura como la aceleración cósmica son fallos de la relatividad general a escalas superiores a los supercúmulos (es decir, grandes agrupaciones de cúmulos de galaxias). Sin embargo, la mayoría de intentos de modificar la relatividad general con este fin han resultado incompatibles con muchos datos observacionales y, en consecuencia, han sido descartados.
Recientemente, una nueva campaña de observaciones de supernovas de tipo Ia ha proporcionado cálculos muy precisos del ritmo de expansión del universo, mostrando cierta tensión con el valor obtenido a partir de la radiación del fondo cósmico de microondas (Riess et al.; 2016, Moskowitz, 2016). Así, el escenario se complica: al parecer, el universo se expande aún más rápido de lo que pensábamos. Puede que la energía oscura –si es que existe– se comporte de forma distinta a lo que se especulaba. Esto, por ejemplo, apoyaría la idea de una energía oscura dinámica que cambie en el espacio y el tiempo, tal y como proponen los llamados modelos de «quintaesencia».
«En menos de un siglo, gracias a la combinación de avances observacionales numéricos y teóricos, se ha hecho un gran progreso en nuestra comprensión del universo»
En este contexto, las sofisticadas simulaciones cosmológicas realizadas con avanzados superordenadores, capaces de resolver complejos cálculos numéricos de forma masiva, juegan un papel fundamental. Estas simulaciones permiten cambiar la descripción gravitatoria del universo y la historia de su expansión para obtener propiedades mensurables de las estructuras numéricas resultantes, como por ejemplo el número de sistemas que se esperan a cualquier escala de masa, y poder comparar, en última instancia, con lo observado. Esta es una forma muy útil de probar las predicciones de estas teorías e incluso descartar alguna de ellas.
En términos de observación, buscar algo invisible y desconocido como la energía oscura siempre supone un desafío emocionante. Para abordar esta tarea tan ambiciosa, en los últimos años se han planeado grandes programas de sondeo diseñados para observar una gran cantidad de galaxias y supernovas a grandes distancias. Entre ellos, el Dark Energy Survey y la misión Euclid pretenden sondear la geometría y la expansión del universo observando los detalles de la distribución a gran escala de las galaxias y calculando los pequeños efectos de lente gravitatoria provocados por la distribución de la materia oscura. Estas observaciones abarcarán el período cósmico en el que la energía oscura comenzó a provocar la aceleración cósmica. Por consiguiente, ofrecerán más información sobre la naturaleza intrínseca de la energía oscura y ayudarán a responder muchas de las cuestiones abiertas: ¿es la energía oscura una constante en el tiempo? ¿Por qué solo comenzó a ser dominante recientemente? ¿Qué es? ¿Existe realmente o debemos cambiar nuestra comprensión de la gravedad?
Mirando al futuro
En menos de un siglo, gracias a la combinación de avances observacionales, numéricos y teóricos, se ha hecho un gran progreso en nuestra comprensión del universo. Pese a los notables logros, la cosmología sigue siendo un campo fértil y óptimo para la aparición de nuevas teorías y modelos alternativos, que en ocasiones se convierten en cuestiones filosóficas pero que siempre impulsan el progreso científico. De hecho, cada teoría exitosa y cada descubrimiento observacional siempre conlleva nuevos retos y nuevas ventanas abiertas al universo. Añadir pequeñas piezas al rompecabezas global es crucial, no solo para entender el universo que observamos hoy en día sino, principalmente, para profundizar en nuestra comprensión de su origen y de su destino último.
En el momento en que escribimos este artículo, se ha detectado una segunda señal de onda gravitatoria. Se confirma así un nuevo canal muy potente para la exploración de nuestro universo. Este hecho, combinado con las impresionantes instalaciones de observación futuras, como el Square Kilometre Array, nos proporcionará pistas cruciales para hacer frente a algunas de las preguntas abiertas restantes. Lo que aprendamos de esta nueva ventana al universo sigue siendo un misterio. En cambio, tenemos la certeza de que lo más emocionante serán las nuevas cuestiones y retos que surjan.
Bull, P., Akrami, Y., Adamek, J., Baker, T., Bellini, E., Beltrán Jiménez, J., ... Winther, H. A. (2016). Beyond LCDM: Problems, solutions, and the road ahead. Physics of the Dark Universe, 12, 56–99. doi: 10.1016/j. dark.2016.02.001
Eckert, D., Jauzac, M., Shan, H., Kneib, J. P., Erben, T., Israel, H., ... Tchernin, C. (2015). Warm-hot baryons comprise 5-10 per cent of filaments in the cosmic web. Nature, 528, 105–107. doi: 10.1038/nature16058
Hamilton, J. Ch. (2013). What have we learned from observational cosmology? Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics, 46(A), 70–85. doi: 10.1016/j. shpsb.2013.02.002
Hernández-Monteagudo, C., Ma, Y.-Z., Kitaura, F. S., Wang, W., Génova-Santos, R., Macías-Pérez, J., & Herranz, D. (2015). Evidence of the missing baryons from the kinematic Sunyaev-Zeldovich effect in Planck data. Physical Review Letters, 115(19). doi: 10.1103/PhysRevLett.115.191301
Moskowitz, C. (2016, April 11). Cosmic speed measurement suggests dark energy mystery. Scientific American. Consultado en: http://www. scientificamerican.com/article/cosmic-speed-measurement-suggests-dark-energy-mystery/
Olmo, G. J. (2012). Open questions in cosmology. Rijeka: InTech. doi: 10.5772/45746
Riess, A. G., Macri, L. M., Hoffmann, S. L., Scolnic, D., Casertano, S., Filippenko, A. V., ... Foley, R. J. (2016). A 2.4 % determination of the local value of the Hubble constant. The Astrophysical Journal, 826(1). doi: 10.3847/0004-637X/826/1/56
