TEMAS 33 Presente y Futuro Del Cosmos

3er trimestre 200300033 9 778411 355668 Presente y futuro del cosmos 6,50 EURO  INTRODUCCION Sumario 4 El sentido de la cosmología moderna P. James E. Peebles EVOLUCION 8 El ciclo vital de las galaxias Guinevere Kauffmann y Frank van den Bosch 18 Estrellas primigenias Richard B. Larson y Volker Bromm EXPANSION 26 Exploración del espacio-tiempo mediante supernovas Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff 32 Antigravedad cosmológica Lawrence M. Krauss 40 El sino de la vida en el universo Lawrence M. Krauss y Glenn D. Starkman 48 El universo y su quintaesencia Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt ESTRUCTURA 58 ¿Es finito el espacio? Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman y Jeffrey R. Weeks 66 Nuevas dimensiones para otros universos Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali PERSPECTIVAS 73 Un cartógrafo cósmico Charles L. Bennett, Gary F. Hinshaw y Lyman Page 76 Ecos de la gran explosión Robert R. Caldwell y Marc Kamionkowski 82 Un telescopio para la energía oscura Pilar Ruiz-Lapuente 86 Una nueva teoría del universo João Magueijo 88 Ondas en el espacio-tiempo W. Wayt Gibbs  INTRODUCCION ALFRED T. KAMAJIAN, FUENTE: CENTRO GODDARD DE VUELOS ESPACIALES, NASA  El sentido de la cosmología moderna Un enjambre de ideas y teorías, no siempre compatibles, es el fruto de la extraordinaria vivacidad de esta disciplina hoy en día P. James E. Peebles C orren tiempos excitantes para cercana al tiempo en que no existían Suelo comparar el proceso de asen- los cosmólogos. Asistimos a galaxias. Por último, la curvatura del tar los resultados, sea en cosmología una oleada de descubrimien- espacio-tiempo parece estar relacio- o en otra ciencia, con el ensamblaje tos, bullen las ideas y ha cobrado nada con el contenido de materia del de un marco. Buscamos reforzar ca- nuevo auge la investigación para universo, tal y como debería aconte- da pieza de prueba mediante el ma- someter a prueba las nuevas hipóte- cer si el universo se expande de chihembrado de otros tipos de medi- sis. Pero atravesamos también tiem- acuerdo con las predicciones de la ciones. Nuestro marco de la expansión pos de confusión. No pueden ser teoría de Einstein de la gravitación, del universo está ensamblado con ri- correctas todas las ideas que están la relatividad general. gidez suficiente como para considerar- sobre el tapete, seguro. Ni siquiera lo sólido. Nadie cuestiona con serie- son coherentes entre sí. ¿Cómo juz- dad la teoría la gran explosión; todas gar el progreso? Razonaré mi punto las piezas encajan de maravilla. In- de vista. cluso la alternativa más radical —la Los cosmólogos hemos establecido última encarnación de la teoría del firmemente los fundamentos del estado estacionario— no pone en duda campo sobre la refutación de teorías que el universo se expande y enfría. ya periclitadas. En los últimos 70 Todavía se dejarán oír opiniones años hemos reunido pruebas abun- divergentes en cosmología, pero ata- dantes de que nuestro universo se ñen a los añadidos a la parte conso- expande y enfría. En primer lugar, lidada. la luz procedente de galaxias remo- Por ejemplo, no sabemos qué hacía tas está corrida hacia el rojo; así debe el universo antes de expandirse. Una ocurrir si el espacio se expande y las teoría puntera, la de la inflación, es galaxias se alejan entre sí. En segundo una adición atractiva en el marco lugar, un mar de radiación térmica mencionado, pero carece de refuerzos inunda el espacio, de acuerdo con lo firmes. En eso es precisamente en lo que cabe esperar de un espacio que que los cosmólogos se afanan ahora. fue más denso y caliente. En tercer Si las mediciones en marcha están de lugar, el universo contiene grandes acuerdo con las huellas de la infla- cantidades de deuterio y helio, que Que el universo está expandién- ción, entonces las contaremos como es lo que procede si en el pasado las dose y enfriándose es la esencia de la un argumento convincente de esta TELESCOPIO SUBARU, OBSERVATORIO ASTRONOMICO NAC. DE JAPON temperaturas fueron mucho más teoría de la gran explosión —deno- teoría. Pero mientras eso no ocurra, altas. En cuarto lugar, las galaxias minación gráfica, pero que puede me abstendría de apostar sobre la parecían, miles de millones de años inducir a error—, en el bien enten- realidad de la inflación. [N. de la R.: atrás, nítidamente más jóvenes, dido de que describe la evolución del los resultados del primer año de obser- según debe suponerse de una era más universo, pero no cómo empezó. vaciones del satélite WMAP, publi- Nuestro marco de la teoría de la gran explosión está apuntalado sólidamente. 4 TEMAS 33  Ficha de las principales teorías Concepto Nota Comentarios El universo evolucionó a partir de un estado más Sobresaliente Pruebas convincentes obtenidas desde caliente y denso alto muchos ángulos de la astronomía y la física El universo se expande tal como predice la teo- Sobresaliente Pasa los exámenes, pero muy pocos de ría de la relatividad general bajo tales exámenes han sido exigentes La materia oscura constituida por partículas exó- Muchas líneas de pruebas indirectas, pero ticas domina las galaxias Notable alto hay que encontrar todavía las partículas y descartar las teorías alternativas La mayor parte de masa del universo se distri- Prometedor ajuste de medidas recientes, buye de forma suave; actúa de acuerdo con la Notable bajo pero tiene que hacerse mucho más para constante cosmológica de Einstein, causando la depurar las pruebas y resolver problemas aceleración de la expansión teóricos El universo creció de la inflación Incompleto Elegante, aunque carece de pruebas direc- ROBERT GENDLER tas y requiere una extrapolación enorme de las leyes de la física cados en febrero de 2003, se han inter- caos saludable alrededor de un marco necio pensar que agotaremos las lí- pretado como una confirmación de sólido que crece poco a poco. Estu- neas de investigación productivas algunas predicciones básicas de la diantes de la naturaleza, ajustamos en un tiempo cercano. La confusión hipótesis de la inflación y una reduc- nuestros conceptos al progreso de las es un signo de que estamos haciendo ción del número de modelos inflacio- lecciones. algo bien: es la conmoción fértil de narios concretos viables.] No estoy Las enseñanzas, en este caso, inclu- una planta en construcción. criticando la teoría; simplemente yen los signos de la aceleración de la quiero señalar que éste es un trabajo expansión: el brillo de las superno- arriesgado y nuevo que debe esperar vas cercanas y lejanas; la edad de las su comprobación. estrellas más viejas; la curvatura de Más sólidos son los datos que abo- la luz alrededor de masas remotas, y BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA nan la idea de que la masa del uni- las fluctuaciones de la temperatura verso consiste en materia oscura agru- del fondo de radiación térmico del fir- EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO. P. James E. Pee- pada en torno a la periferia de las mamento [véase “Antigravedad cos- bles, David N. Schramm, Edwin L. Tur- galaxias. También tenemos respaldo mológica”, de Lawrence M. Krauss, ner y Richard G. Kron en Investigación y a favor de la denostada constante cos- en este mismo número]. Pese a las Ciencia, diciembre 1994. mológica de Einstein o de algo simi- pruebas, impresionantes, me siento THE INFLATIONARY UNIVERSE: THE QUEST FOR A NEW THEORY OF COSMIC ORIGINS. lar; sería el agente de la aceleración todavía incómodo respecto a los deta- Alan H. Guth. Perseus Press, 1997. que el universo parece estar experi- lles de la constante cosmológica, in- BEFORE THE BEGINNING: OUR UNIVERSE mentando. A principios del decenio cluidas las posibles contradicciones AND OTHERS. Martin Rees. Perseus Press, de 1990, los cosmólogos daban la bien- con los resultados de las simulacio- 1998. venida a la materia oscura como una nes de la evolución de las galaxias y THE ACCELERATING UNIVERSE: INFINITE forma elegante de explicar los movi- su distribución espacial. La teoría del EXPANSION, THE COSMOLOGICAL CONS- TANT, AND THE BEAUTY OF THE COSMOS. mientos de las estrellas y el gas en universo en aceleración es un edifi- Mario Livio y Allan Sandage. John Wiley las galaxias. Muchísimos investiga- cio en construcción. Admiro la arqui- & Sons, 2000. dores, sin embargo, mostraban su tectura, pero no quisiera mudarme allí CONCLUDING REMARKS ON NEW COSMOLO- desagrado ante la constante cosmo- todavía. GICAL D ATA AND THE V ALUES OF THE lógica. Hoy la mayoría la aceptan, o Con el tiempo, la inflación, la quin- FUNDAMENTAL PARAMETERS. P. James E. su concepto aliado, la quintaesencia. taesencia y otros conceptos someti- Peebles en IAU Symposium 201: New Los físicos de partículas han reco- dos a debate o bien estarán sólida- Cosmological Data and the Values of the gido el guante que la constante cos- mente integrados en el marco central Fundamental Parameters. Dirigido por A. N. Lasenby, A. W. Jones y A. Wilkin- mológica lanza a la teoría cuántica. o bien se abandonarán sustituidos son; agosto 2000. Borrador disponible en Este cambio de opinión no refleja por algo mejor. En cierto modo, traba- xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0011252 en la debilidad, sino que muestra que el jamos fuera de la obra. Pero el uni- Web. campo se encuentra en un estado de verso es un lugar complicado, y sería PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 5 EVOLUCION DON DIXON El ciclo vital de las galaxias Se está a punto de correr el velo de misterio que envuelve un capítulo fundamental de la astrofísica: la diversidad de las galaxias Guinevere Kauffmann y Frank van den Bosch 8 TEMAS 33 H ace un siglo, no se sabía que aglomeraciones gigantescas entre las piezas hay que estudiar diferentes existiese una multitud de ga- que median inmensos vacíos? ¿Por clases de galaxias, cada una obser- laxias. Se creía que la nues- qué las galaxias adoptan esa sor- vada en una fase distinta de su his- tra era el universo. En el espacio prendente variedad de formas, tama- toria. Estas mediciones empezaron a había quizá mil millones de estre- ños y masas? No nos es posible obser- ser cosa de todos los días hará menos llas, y entre ellas unas manchas borro- var el nacimiento de una galaxia en de diez años, cuando la astronomía sas que parecían estrellas emergen- toda su extensión; procede con exas- entró en una nueva edad de oro. tes o tal vez moribundas. Hasta que perante lentitud. Para montar las Gracias a los avances de los teles- llegó la época dorada de la astro- nomía, los primeros decenios del si- glo XX; Edwin Hubble y otros demos- 1. LA GALAXIA DEL SOMBRERO es un ejemplo de casi todos los fenómenos que los astróno- traron entonces que muchas de esas mos quieren explicar desde hace un siglo. Tiene un bulbo elipsoidal y brillante de estrellas, manchas borrosas eran verdaderas un agujero negro de enorme masa enterrado en el bulbo, un disco con brazos espirales (que galaxias. se observan casi de canto) y cúmulos de estrellas dispersos por los alrededores. Hasta más ¿Por qué las estrellas residen en allá de esta imagen se extiende, según se cree, un halo de materia oscura, invisible por na- turaleza. OBSERVATORIO MERIDIONAL EUROPEO/BARTHEL/NEESER PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 9  2. LAS SIMULACIONES ejecutadas con su- ción esferoidal de estrellas, como una H. MATHIS, V. SPRINGEL, G. KAUFFMANN Y S.D.M. WHITE Instituto de Astrofísica Max Planck, Garching, Alemania, Y G. LEMSON, A. ELDAR Y A. DEKEL Universidad Hebrea, Israel (simulación de la formación de galaxias en una región de 900 millones de años-luz de diámetro) perordenadores de la distribución espacial galaxia elíptica en miniatura. Alre- de las galaxias concuerdan perfectamente dedor de un tercio de las galaxias es- con las observaciones. pirales ofrecen, hacia su centro, una estructura rectangular. Se piensa que estas “barras” están creadas por dos de cosas antes dispersos. Con el inestabilidades del disco. descubrimiento de miles de millones Se denomina irregulares a las gala- de galaxias, la astronomía estelar xias que no encajan en ninguna de perdió importancia para la cosmolo- las dos categorías precedentes. Parece gía, y viceversa: las estrellas eran que algunas fueron elípticas o espi- demasiado pequeñas para que con- rales antes de que un encuentro tasen a gran escala, los debates sobre reciente con una vecina las distor- el origen del universo demasiado abs- sionase. Otras son sistemas aislados, tractos para los astrónomos estela- amorfos; no exhiben signos de per- res. Pero ahora sabemos que un cua- turbaciones recientes. dro coherente del universo debe Cada una de las tres clases abarca incluir lo grande y lo pequeño. galaxias de una amplia gama de lumi- copios y los detectores podemos con- nosidades. En promedio, sin embargo, templar la evolución de las galaxias Las especies galácticas las elípticas brillan más que las espi- a lo largo de escalas de tiempo cós- micas. El telescopio espacial Hubble ha tomado imágenes muy profundas P ara descubrir cómo se formaron las galaxias se buscan pautas y tendencias en sus propiedades. Según rales, y es más probable que una gala- xia débil sea irregular que lo sea una brillante. Con las galaxias más débi- del cielo, captando galaxias de una el sistema de clasificación desarrolla- les, las enanas, se rompe el esquema debilidad aparente sin precedentes. do por Hubble, las galaxias se divi- de la clasificación. Heterogéneas por Los instrumentos de tierra, como los den en tres grandes grupos: elípticas, naturaleza, cualquier intento de asig- grandes telescopios Keck, han pro- espirales e irregulares (véase el recua- narles categorías precisas ha susci- porcionado datos estadísticos de gala- dro “Tipos de galaxias”). Las más pe- tado controversia. A grandes rasgos, xias muy lejanas (y, por tanto, anti- sadas son las elípticas, sistemas re- se agrupan en dos bloques: los siste- guas). Es como si los biólogos contaran gulares, sin rasgos especiales, casi mas ricos en gas, donde se generan con una máquina del tiempo que les esféricos, que apenas contienen gas estrellas, y los pobres en gas, donde permitiera viajar a la prehistoria y o polvo. En ellas las estrellas giran no ocurre ese fenómeno. tomar fotografías de los animales y en torno al centro como las abejas revo- Una pista interesante acerca del las plantas que habitaron la Tierra lotean alrededor de la colmena. La origen de la morfología galáctica nos en cada época. El desafío de los astró- inmensa mayoría de sus estrellas son la aporta la curiosa relación que se nomos es el de los biólogos: determi- muy viejas. advierte entre el tipo y la densidad nar cómo evolucionaron las especies Las galaxias espirales, así nues- local de galaxias. La mayoría de las de los tiempos pasados hasta con- tra propia Vía Láctea, son estructu- galaxias están dispersas por el espa- vertirse en las formas actuales. ras organizadas muy planas —se las cio, lejos de la vecina más cercana; La tarea tiene realmente dimen- llama también galaxias de disco—, de las que se encuentran en estas cir- siones astronómicas. Abarca escalas donde las estrellas y el gas se mue- cunstancias, sólo del 10 al 20 por físicas separadas por muchos órde- ven en órbitas circulares o casi cir- ciento son elípticas (las espirales nes de magnitud, de la evolución cós- culares alrededor del centro. Los bra- dominan). El resto, sin embargo, se mica del universo entero a la consti- zos espirales, que recuerdan a la agrupa en cúmulos; para ellas, la tución de una simple estrella. Esta rueda de un molinete, son filamen- situación se invierte. Las elípticas amplitud complica mucho la elabo- tos compuestos de gas, polvo y estre- son mayoría, y las espirales que que- ración de modelos realistas del naci- llas jóvenes y calientes. En el centro dan apenas si cuentan con gas y estre- miento de una galaxia, pero liga esta- presentan un bulbo, una acumula- llas jóvenes. Esta relación entre la densidad y la morfología intrigó durante largo tiempo a los astróno- mos. La evolución galáctica Luz y oscuridad U n porcentaje pequeño de espira- ■ Uno de los campos más activos de la astrofísica contemporánea es el estu- dio de la adquisición de la forma de las galaxias. Los telescopios exami- les y elípticas presentan la pecu- nan las galaxias más primitivas y las simulaciones por computadora desa- liaridad de poseer un centro muy rrollan los hechos con un detalle sin precedente. pequeño y luminoso, un núcleo galác- ■ Quizá reciban pronto las galaxias lo que se consiguió para las estrellas a tico activo (NGA). Los ejemplos más principios del siglo XX: una explicación unificada, basada en unos pocos extremos y raros son los cuásares, procesos generales, que abarque una inmensa variedad de objetos astro- que brillan más que las galaxias a que nómicos. Entre esos procesos se cuentan las inestabilidades gravitatorias, pertenecen. Se piensa que los NGA el enfriamiento radiativo, la relajación (que lleva a las galaxias a un equili- contienen agujeros negros cuya masa brio interno) y las interacciones intergalácticas. multiplica millones y hasta miles de ■ Sin embargo, aún quedan abiertos varios interrogantes. Pudiera despejar- millones de veces la del Sol. La teo- los el profundo efecto que las estrellas, por insignificantes que parezcan ría predice que el gas que cae hacia comparadas con las grandes escalas galácticas, ejercen en la estructura estos monstruos radia un 10 por ciento de las galaxias. de su energía intrínseca, suficiente para crear un haz luminoso que se 10 TEMAS 33  Tipos de galaxias egún la clasificación “diapasónica” que elaboró Edwin Hubble en los ELIPTICAS S años veinte del siglo pasado, hay tres tipos básicos de galaxias: elíp- ticas (a la derecha, el mango del diapasón), espirales (las púas del dia- pasón) e irregulares (abajo, a la izquierda). Las galaxias más pequeñas, o enanas, cuentan con su propia, e incierta, taxonomía. Cada uno de estos grupos se divide en subclases, definidas por los detalles morfológicos de las galaxias. A medida que se baja por el dia- pasón, el disco galáctico adquiere prominencia creciente en las imáge- M89 nes ópticas, a expensas del bulbo central. Los diferentes tipos de Hubble E0 quizá representen distintas fases de desarrollo. Las galaxias empiezan siendo espirales sin bulbos, sufren una colisión durante la cual se tornan irregulares y terminan constituidas en elípticas o espirales con bulbo. IRREGULARES M49 E4 M82 Irregular M110 E5 TIPOS DE ENANAS M84 M32 S0 ESPIRALES ESPIRALES Elíptica BARRADAS NORMALES VII Zw 403 NGC 660 NGC 7217 Compacta azul SBa Sa Pequeña nube de Magallanes NGC 7479 NGC 4622 Irregular SBb Sb Leo I M58 M51 Esferoidal SBc Sc N. A. SHARP/NOAO/AURA/NSF (M82); B. KEEL/TELESCOPIO HALL/OBSERVATORIO LOWELL (M32); R. SCHULTE-LADBECK/U. HOPP/M. CRONE/ASTROPHYSICAL JOURNAL (enana compacta azul); NOAO/AURA/NSF (Pequeña Nube de Magallanes); DAVID MALIN, ©OBSERVATORIO ANGLO-AMERICANO (Leo I); NOAO/AURA/NSF (M89, M49, M110, M84); R. BRANCH/R. MILNER/A. BLOCK/NOAO/ AURA/NSF (NGC 660); A. BLOCK/NOAO/AURA/NSF (NGC 7479); F. CIESLAK/A. BLOCK/NOAO/AURA/NSF (M58); B. KEEL/R. BUTA/G. PURCELL/ OBSERVATORIO INTER-AMERICANO DE CERRO TOLOLO, CHILE (NGC 7217); G. BYRD/R. BUTA/T. FREEMAN/NASA (NGC 4622); NASA/STScI/AURA (M51) PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 11  3. PUEDE QUE SE ESTE OBSERVANDO di- expansión cósmica domina y la den- DEL ATLAS OF PECULIAR GALAXIES, DE HALTON ARP (Instituto de Tecnología de California, 1966); nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Arp/frames.html (galaxias en colisión Arp 270) rectamente por primera vez la formación de sidad de la región disminuye. Por una galaxias elípticas. razón: decrece más despacio que la densidad de sus alrededores. En un cierto momento, el exceso de densi- dad de una región, comparada con interaccionan entre sí o con las par- las cercanías, llega a tal magnitud, tículas comunes. que su atracción gravitatoria supera Se llevan veinte arduos años ela- a la expansión cósmica. La región borando un modelo de la formación empieza a derrumbarse sobre sí galáctica basado en la MOF. El marco misma. básico es la teoría de la Gran Explo- Hasta ese instante la región no sión y la expansión del universo. Los constituye un objeto coherente; se cosmólogos siguen debatiendo acerca trata de un mero incremento alea- del origen de la expansión y de lo torio de la densidad en la bruma que sucedido en sus primeras fases, pero llena el universo. Pero una vez estas incertidumbres no afectan a la empieza su contracción, o “colapso”, formación de las galaxias: su histo- adquiere una vida interna propia. El ria comienza unos cien mil años des- sistema —al que llamaremos proto- pués de la Gran Explosión, cuando el galaxia desde ahora— busca un equi- universo se componía ya de bariones librio. Se denomina a este proceso detecte en el otro extremo del uni- (esto es, materia ordinaria, sobre todo “relajación”. Los bariones se com- verso. núcleos de hidrógeno y helio), elec- portan como las partículas de cual- A los NGA se los consideraba antes trones (ligados a los núcleos), neu- quier gas. Calentados por las ondas anomalías, pero últimamente se ha trinos, fotones y MOF. Las observa- de choque originadas en el colapso, visto que son una parte esencial en ciones indican que la materia y la intercambian energía en las colisio- la formación de las galaxias. Alcan- radiación se distribuían homogénea- nes que se producen entre ellos; se zaron su máxima actividad cuando el mente: la densidad apenas variaba llega así a un equilibrio hidrostático, universo tenía alrededor de un cuarto en una parte entre cien mil de un lu- un equilibrio entre la presión y la de su edad actual —al mismo tiempo gar a otro. El problema está en saber gravedad. La atmósfera de la Tierra que se estaba creando la mayoría de cómo pudieron ingredientes tan sim- también está en equilibrio hidrostá- las estrellas de las galaxias elípti- ples dar lugar a semejante variedad tico (o casi), razón por la cual la pre- cas—. Es más, se cree que en el inte- de galaxias. sión disminuye exponencialmente con rior de toda galaxia elíptica y de toda Si se comparan las condiciones de la altitud. galaxia espiral con bulbo residen agu- entonces con la actual distribución de En la materia oscura, sin embargo, jeros negros supermasivos, haya o no la materia, destacan dos diferencias la relajación procede de un modo pecu- un NGA central. De ello se infiere importantes. La primera, que el uni- liar. Las partículas de MOF son, por que toda galaxia ha pasado por uno verso abarca hoy una gama enorme definición, muy poco interactivas; no o más episodios de NGA. Mientras la de densidades. Las regiones centra- se redistribuye la energía entre ellas materia cae hacia el agujero negro, les de las galaxias son más de cien mediante colisiones. Un sistema com- el núcleo está activo. Si no hay ma- mil millones de veces más densas que puesto por estas partículas no alcan- teria que lo alimente, permanecerá el universo en su promedio y la Tierra zará un equilibrio hidrostático, sino dormido. un trillón de veces más densa que que pasará por una —en expresión La mayor parte de la información ellas. La segunda, que los bariones y más bien contradictoria— relajación que poseemos acerca de estos fenó- la MOF estaban mezclados al prin- violenta. Cada partícula no inter- menos nos llega por mediación de los cipio, mientras que hoy los bariones cambiará energía con otra partícula fotones: fotones ópticos de las estre- constituyen densos nudos (las gala- individual, sino con el conjunto de llas, fotones de radio del gas de hidró- xias) dentro de halos gigantescos de partículas por medio del campo gra- geno neutro, fotones de rayos X del materia oscura. Los bariones y la vitatorio. gas ionizado. Pero puede que la gran MOF se han desacoplado. Los cuerpos que se mueven por un mayoría de la materia no emita foto- La primera de estas diferencias campo gravitatorio están siempre nes de ninguna longitud de onda. Nos halla explicación en la acción de la canjeando energía gravitatoria por referimos a la famosa materia oscura, inestabilidad gravitatoria. A poco que cinética, o viceversa. Si se lanza una cuya existencia se conoce a partir de una región sea más densa que la pelota al aire, subirá cada vez más sus efectos gravitatorios. Las partes media, su exceso de masa ejercerá alto, pero a la vez se irá frenando: visibles de la galaxia se hallan envuel- una fuerza gravitatoria superior a la ganará energía gravitatoria a expen- tas en “halos” esféricos o elipsoida- media también y atraerá materia sas de la cinética; cuando caiga, les de materia oscura. Se cree que, a hacia sí. Se irán creando de esa forma ganará energía cinética a expensas escalas mayores, halos semejantes a campos gravitatorios mayores, que de la gravitatoria. Las partículas de ésos mantienen ligados los cúmulos atraerán más y más materia. Este la MOF de una protogalaxia se com- de galaxias. proceso amplifica las diferencias de portan de una forma parecida. Hasta ahora, por desgracia, no se densidad iniciales. Mientras se mueven, se va modifi- ha detectado la materia oscura direc- cando su velocidad conforme cambia tamente. Su naturaleza es todavía Relajación y equilibrio el balance de su energía cinética y su uno de los mayores misterios de la ciencia. Hoy día, los más aceptan que se trata de materia oscura fría (MOF), M ientras tanto, la gravedad de una región debe competir con la expansión del universo, que va energía gravitatoria. Pero al contra- rio que una pelota cerca de la super- ficie terrestre, las partículas de la partículas sin identificar que apenas separando la materia. Al principio la MOF vagan en un campo gravitato- 12 TEMAS 33  La gestación de una galaxia DON DIXON res procesos básicos determina- T ron la conversión de los grumos de la sopa primordial en galaxias: la expansión global del universo tras la Gran Explosión, la fuerza de la gra- vedad y el movimiento de las partí- culas y de otros constituyentes mayo- res. Las transacciones cambiantes entre estos tres fenómenos explican que las galaxias sean cuerpos cohe- rentes, independientes, en vez de masas uniformes de gas o un enjam- bre de agujeros negros. Conforme a esta teoría, se coagulan primero cuer- pos pequeños, que luego se juntan y construyen otros mayores. Un ingre- diente crucial es la materia oscura, que alcanza un estado de equilibrio dis- 1 Muy al principio, un fluido primordial —mezcla de materia común (azul) y oscura (rojo)— llena el universo. Su 2 En una primera fase la expansión cósmica domina la gravedad. El fluido se diluye. Pero las zonas de tinto del que caracteriza a la materia común. densidad varía muy poco de un lugar mayor densidad se diluyen más despa- a otro. cio que las demás. RADIACION 3 Con el tiempo, estas zonas se hacen tan densas, en comparación con su entorno, que la gravedad supera 4 A medida que el derrumbe progresa, la zona alcanza un equilibrio. La densidad, tanto de la materia común 5 La materia oscura, que no radia, mantiene su estructura. Pero la ma- teria común sí emite energía; en su a la expansión; empiezan entonces a como de la oscura, tiene su máximo derrumbe toma la forma de un disco rota- desplomarse sobre sí mismas. en el centro y decrece hacia el exterior. tivo que va condensándose en estrellas. 6 Las protogalaxias interaccionan; se imparten unas a otras momentos angulares y se fusionan, creándose 7 Cuando se fusionan dos discos de tamaño parecido las órbitas de las estrellas se desordenan. Nace una gala- 8 Las fusiones galácticas desencade- nan la formación de nuevas estrellas y proporcionan material al agujero negro entes cada vez mayores. (Este paso es xia elíptica. Es posible que con posteriori- central; se crea así un núcleo galáctico coetáneo con los pasos 4 y 5.) dad se desarrolle un disco a su alrededor. activo, que arrojará chorros de plasma. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 13 rio que no es constante. Al fin y al en una estructura mayor. Esta estruc- simulaciones numéricas. Para simu- cabo, el campo gravitatorio está gene- tura también se fusionará con otras, lar una parte del universo con una rado por el conjunto de las partícu- y así sucesivamente. La construcción resolución que permita estudiar la las que participan en el colapso. jerarquizada caracteriza a los mode- formación de halos individuales se Los cambios en el campo gravita- los de MOF. La razón es muy simple. utilizan los superordenadores. Las torio llevan a algunas partículas a Puesto que las fluctuaciones a propiedades estadísticas y la distri- ganar energía y a otras a perderla. pequeña escala de la densidad se bución espacial de los halos resul- Tal y como ocurre con los bariones, superponen a las de escalas mayores, tantes concuerdan muy bien con las el sistema se relaja gracias a esta la densidad alcanza su máximo valor de las galaxias observadas, lo que redistribución de la energía de las en las regiones menores. Cabe una constituye un sólido respaldo del partículas y se crea un halo de MOF analogía con la cima de una montaña. modelo de formación jerárquica y de en un estado de equilibrio denominado La posición exacta del pico coincide la existencia de la MOF. virial. El proceso es complejo y nunca con una estructura diminuta: una se ha desarrollado teóricamente en china, digamos, en una piedra arriba El papel de la rotación detalle. A falta de una análisis rigu- roso, se intenta reproducirlo con simu- laciones, que muestran que todos los de una cuesta en lo más alto del monte. Si un banco de niebla se echa encima de la montaña, primero se L a construcción jerarquizada ex- plica de forma natural la diversi- dad de las estructuras galácticas. En halos de MOF en equilibrio virial tie- esfumará la china, luego la piedra, las galaxias espirales, las estrellas y nen distribuciones de densidad simi- después el repecho y por último el el gas recorren órbitas circulares. Su lares. monte entero. estructura, pues, está gobernada por El punto final del colapso y rela- De forma similar, las regiones más el momento angular. ¿De dónde pro- jación de una protogalaxia es el halo densas del universo temprano son las cede ese momento? Según la hipóte- de materia oscura, en cuyo interior protogalaxias más pequeñas, las pri- sis más común, cuando el universo se se encuentra el gas bariónico en equi- meras regiones que se han desplo- llenó de protogalaxias, ejercieron, librio hidrostático a una tempera- mado sobre sí mismas, seguidas por unas sobre otras, fuerzas de marea tura de unos millones de grados. Cada estructuras cada vez mayores. Lo que que les impartieron un movimiento partícula de la MOF conservará su distingue a la MOF de otros tipos de rotación. Una vez se produjo el energía a partir de este momento; el posibles de materia oscura es que colapso de las protogalaxias, cada gas bariónico, en cambio, emitirá experimenta fluctuaciones de densi- una quedó con una cantidad deter- radiación, se enfriará, se contraerá dad a todas las escalas. Los neutri- minada de momento angular. y se acumulará en el centro del halo nos, por ejemplo, carecen de fluc- A medida que el gas de las proto- de materia oscura. El enfriamiento tuaciones a escalas pequeñas. Un galaxias se enfriaba, fue contrayén- es la causa del desacoplo entre bario- universo dominado por los neutrinos dose y cayendo hacia el centro. Así nes y la MOF. sería como una montaña con una cima como los patinadores sobre hielo giran Hasta ahora hemos considerado la llanísima. más deprisa cuando cierran los bra- formación de una galaxia aislada, No podemos describir con relacio- zos, el gas rota más y más deprisa a ignorando su entorno. Cerca se cons- nes matemáticas sencillas la forma- medida que se contrae. El gas se apla- tituirán otras galaxias. La gravedad ción jerárquica de los halos de mate- naba, por la misma razón que la Tierra las aproximará hasta que se fusionen ria oscura. Hemos de recurrir a es una esfera algo achatada, y con el Las variaciones de la densidad galática as variaciones de densidad en el universo pregalác- una onda pequeña se superponía a otra un poco mayor, L tico siguieron una pauta que facilitó la ulterior for- mación de protogalaxias. Consistían en ondas de varias y así sucesivamente. Las mayores densidades, pues, se daban en regiones muy pequeñas. Fueron las que primero longitudes de onda superpuestas a un “ruido rosa” (se ori- se contrajeron y convirtieron en elementos componentes ginaron como ondas de sonido en el plasma primordial): de estructuras mayores. REGIONES QUE SE CONTRAEN DENSIDAD PRIMERO MEDIA DENSIDAD SARA CHEN POSICION 14 TEMAS 33 tiempo giró tan rápido que la fuerza 4. LAS EXPLOSIONES DE LAS SUPERNOVAS GERALD CECIL et al. Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y NASA (superburbuja en NGC 3079) centrífuga (dirigida hacia afuera) podrían expulsar materia de las galaxias pe- igualó a la atracción gravitatoria (diri- queñas con tanta eficiencia que apenas na- gida hacia dentro). Para cuando se cerían estrellas en ellas. alcanzó este equilibrio centrífugo, el gas, con su aplanamiento, había adquirido ya forma de disco, tan denso ción. Es más, el número de galaxias que empezó a coagularse y crear con brotes de formación de estrellas nubes, donde se formaron las estre- —en los que se crean estrellas a un llas. Nacía así una galaxia espiral. ritmo frenético— aumenta muchí- Puesto que la mayoría de los halos simo cuando se observan épocas tem- terminan con algún momento angu- pranas. Quizás estemos asistiendo lar, es natural preguntarse por qué directamente, por primera vez, a la no todas las galaxias son espirales. formación de galaxias elípticas. ¿Cuándo aparecen las elípticas? Si las galaxias elípticas y los bul- Desde hace mucho se enfrentan dos bos de las espirales están ligados a puntos de vista. Según uno de ellos, las fusiones galácticas, será también la mayoría de las estrellas de las gala- muy posible que durante su cons- xias elípticas y de los bulbos actua- trucción se creen agujeros negros les se formaron en las primeras épo- supermasivos. Se da una sorpren- cas con un colapso de una pieza. Según dente correlación de la masa de los el otro, las elípticas son productos agujeros negros con la masa de la resolver algunas incongruencias preo- posteriores, resultado de la fusión de elíptica que los alberga o del bulbo; cupantes. La simple idea del gas que galaxias espirales. pero no existe correlación con la masa se enfría dentro de un halo de ma- Este segundo punto de vista goza del disco. Se han ampliado los mode- teria oscura se topa con una dificul- de una aceptación creciente. Las los de fusión para que incorporen agu- tad de consideración: la catástrofe simulaciones por computadora de la jeros supermasivos y, por tanto, NGA. del enfriamiento. De acuerdo con los fusión de dos espirales muestra que El abundante gas que se inyecta en cálculos del ritmo de enfriamiento, el las enormes fluctuaciones del campo el centro durante la fusión galáctica gas tendría que haberse enfriado gravitatorio terminan por destruir puede revivir un agujero negro dor- deprisa y depositado en el centro de ambos discos. Las estrellas de las dos mido. En otras palabras: los cuása- los halos. El espacio intergaláctico galaxias están demasiado separadas res abundaban más en el pasado por- se habría vaciado así casi por com- como para chocar entre sí; el proceso que eran más frecuentes las fusiones pleto; y, sin embargo, dista mucho de de fusión recuerda a la relajación vio- galácticas. ser un vacío. Alguna fuente extra de lenta de la materia oscura. Si las ¿Qué decir de las galaxias enanas? energía debió de impedir que el gas masas de las galaxias se parecen, se Figuran en el esquema jerárquico se enfriara deprisa. engendrará una acumulación regu- como residuos, pequeñas aglomera- lar de estrellas con unas propiedades ciones que no han conocido todavía Posibles respuestas muy semejantes a las de una galaxia una fusión. Las observaciones más elíptica. Una cantidad considerable del gas de los discos de las dos gala- xias originales perderá su momento recientes descubren que la formación estelar procede en ellas de manera bastante errática, mediante brotes ¿Q ué pasa con el momento angu- lar? La cantidad de momento angular que los modelos imparten a angular y se desplazará hacia el inte- cortos separados por largos períodos las protogalaxias es parecida a la que rior. Allí alcanzará densidades muy tranquilos [véase “Galaxias enanas y se les mide hoy a las espirales. Mien- altas; comenzará una intensa gene- brotes de formación estelar”, por Sara tras el gas retenga su momento angu- ración de estrellas. Puede que más C. Beck; I NVESTIGACIÓN Y C IENCIA , lar, podrá la hipótesis de la MOF tarde vuelva a caer gas, se enfríe y agosto de 2000]. En galaxias más reproducir los tamaños observados construya un nuevo disco alrededor pesadas, como la Vía Láctea, la for- de las espirales. Ahora bien, en las de la elíptica. Habrá aparecido con mación de estrellas tiene lugar a un simulaciones se pierde momento ello una galaxia espiral con un bulbo ritmo más o menos constante. Estos angular; durante las fusiones galác- en el centro. resultados sorprenden porque se ha ticas, una gran parte se transfiere a El gran rendimiento de la forma- supuesto a menudo que la masa de la materia oscura. La consecuencia ción de estrellas durante las fusiones una galaxia determinaba su fertili- es que el tamaño de los discos gene- galácticas explica que las galaxias dad. Pero en una galaxia ligera las rados por las simulaciones se queda elípticas carezcan de gas: lo han con- explosiones de las supernovas agi- en un décimo del real. Parece que los sumido. Las fusiones explican tam- tan, si no eliminan, el gas del sis- modelos olvidan algún componente bién la relación entre morfología y tema e impiden la formación estelar. esencial. densidad: una galaxia en un medio Hasta la perturbación más pequeña Hay una tercera incongruencia, muy denso conocerá varias fusiones puede tener un efecto demoledor. que concierne al número de galaxias y, por tanto, será más probable que Quizá sea esta sensibilidad a las con- enanas. Las teorías jerárquicas pre- acabe elíptica. diciones iniciales y a los sucesos alea- dicen una abundancia de halos poco La observación confirma que estas torios la causa de la heterogeneidad pesados de materia oscura y, por fusiones e interacciones fueron comu- de las galaxias enanas. extensión, de galaxias enanas. Pero nes en el universo, sobre todo en sus A pesar de los notables éxitos de no se ve tal abundancia. El número principios. En las imágenes del teles- esta concepción establecida de la for- de enanas de poca masa en los alre- copio espacial Hubble, muchas gala- mación de galaxias, se está lejos de dedores de la Vía Láctea es de diez a xias antiguas presentan morfologías comprender todos los procesos que cien veces menor de lo que la teoría perturbadas, huella de una interac- intervienen. Es más, aún quedan por predice. O bien esos halos de mate- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 15 ria oscura no existen, o bien escapan simulaciones actuales no incluyen miento. El calentamiento frena ade- a la detección porque no se forman este proceso, que ocurre a escalas más el descenso del gas desde el exte- estrellas en su interior. mucho menores que las galácticas. rior hacia el centro de la galaxia y, Se han sugerido varias soluciones Incorporar la formación estelar con por tanto, reduce la transferencia de para estos problemas. Las propues- todo detalle supera la capacidad de momento angular a la materia oscura, tas entran en dos categorías: las que los superordenadores actuales. con lo que se aliviaría el problema del se decantan por un cambio funda- Y, sin embargo, la formación de momento angular. Y las explosiones mental de modelo, relativo quizás a estrellas afecta profundamente a la de las supernovas expulsarían masa la naturaleza de la materia oscura, estructura de la galaxia [véase “El de las galaxias al medio intergalác- y las que revisan la conversión del gas gas entre las estrellas”, por Ronald tico [véase “Explosiones galácticas”, en estrellas. Pocos son partidarios de J. Reynolds; INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, por Sylvain Veilleux, Gerard Cecil y abandonar el modelo de la MOF; fun- marzo de 2002]. Algunos piensan que Jonathan Bland-Hawthorn; INVESTI- ciona muy bien para escalas mayo- el efecto de las estrellas podría sol- GACIÓN Y C IENCIA , abril de 1996]. En res que las galaxias. La mayoría cen- ventar los tres problemas a la vez. La el caso de los halos de masa menor, tra sus esfuerzos, pues, en la energía que ceden calienta el gas; se donde la velocidad de escape es pe- formación estelar. No obstante, las eliminaría la catástrofe del enfria- queña, el proceso podría ser tan efi- La relajación galáctica na galaxia es un objeto bien definido —y una parcela arbi- densidad. (Un equilibrio similar determina la temperatura y tamaño U traria del espacio— gracias a un estado interno de equilibrio que fija sus propiedades globales: morfología, distribución de su de las estrellas.) La materia común y la oscura alcanzan el equi- librio por vías diferentes. MATERIA COMUN 1 La materia común —constituida, so- bre todo, por gas de hidrógeno— se mueve en un principio en cualquier direc- 2 Las partículas de gas chocan unas con otras; la energía se redistribuye y se genera una presión 3 Con el tiempo, el gas alcanza un equilibrio hidrostático; en él la den- sidad es mayor cerca del centro de gra- ción. La densidad varía aleatoriamente. que se opone a la gravedad. vedad. MATERIA OSCURA 1 Al principio, la materia oscura pre- senta la misma distribución que la materia común. La diferencia estriba 2 A medida que las partículas se mueven, el campo gravitatorio se modifica y las partículas ganan o pier- 3 Gradualmente, el sistema alcanza un equilibrio virial, en el que el campo gravitatorio no vuelve a DON DIXON en que las partículas no colisionan. den energía. fluctuar. 16 TEMAS 33 ciente, que apenas se engendrarían estrellas; se explicaría así por qué se observan menos galaxias enanas de las esperadas. Dado nuestro precario entendi- miento de todos estos fenómenos, que- dan bastantes lagunas en los mode- los. Aún está por ver si los problemas se solventarán o si, por el contrario, demandarán un marco nuevo. Nues- tra teoría de la formación de las gala- xias evolucionará con el tiempo. Los rastreos que se están llevando a cabo, como el “Estudio Digital Sloan de los Cielos”, facilitarán datos mejores tanto de las galaxias cercanas como de las distantes. Los avances de la cosmología fijarán más las condicio- nes iniciales de la formación galác- tica. Las observaciones precisas de la radiación del fondo cósmico de micro- ondas han determinado ya con pre- cisión los valores de los parámetros cosmológicos a gran escala, así que los constructores de modelos pueden centrarse ahora en las complejida- des que se presentan a escalas meno- res. Quizás unifiquemos pronto lo grande, lo pequeño y lo mediano en una teoría indivisa de la evolución cós- mica. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA COSMOLOGICAL PHYSICS. John A. Peacock. Cambridge University Press, 1999. THE FORMATION OF ELLIPTICALS, BLACK HOLES AND ACTIVE GALACTIC NUCLEI: A THEORETICAL PERSPECTIVE. Guinevere Kauffmann, Stéphane Charlot y Martin G. Haehnelt en Philosophical Transac- tions of the Royal Society of London, Se- ries A, vol. 358, n.o 1772, págs. 2121- 2132; 15 de julio de 2000. THE BIG BANG. Joseph Silk. W. H. Free- man and Company, 2001. THE MORPHOLOGICAL EVOLUTION OF GA- LAXIES. Roberto G. Abraham y Sidney van den Bergh en Science, vol. 293, n.o 5533, págs. 1273-1278; 17 de agosto de 2001. Disponible en astro-ph/0109358. THE ANGULAR MOMENTUM CONTENT OF DWARF GALAXIES: NEW CHALLENGES FOR THE T HEORY OF G ALAXY F ORMATION . Frank C. van den Bosch, Andreas Burkert y Rob A. Swaters en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 326, número 3, páginas 1205-1215; 21 de sep- tiembre de 2001. Disponible en astro- ph/0105082. N EW P ERSPECTIVES IN A STROPHYSICAL COSMOLOGY. Martin Rees. Segunda edi- ción. Cambridge University Press, 2002. GALAXY FORMATION AND EVOLUTION: RE- CENT PROGRESS. Richard S. Ellis. Semi- nario impartido en la undécima escuela de invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias “Galaxies at High Redshift”. Disponible en astro-ph/0102056. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 17 Estrellas primigenias Con una masa y un brillo excepcionales, las primeras estrellas que irrumpieron en el universo cambiaron el curso de la historia cósmica Richard B. Larson y Volker Bromm V ivimos en un universo repleto ción o desplome (“colapso”) de algu- años. A medida que el cosmos se ex- de cuerpos destellantes. En una nas estrellas primigenias podría pandía, la radiación de fondo se enro- noche clara miles de estrellas haber sembrado el universo de aguje- jecía hacia mayores longitudes de recrean nuestra vista. Con todo, ape- ros negros supermasivos, que se for- onda; el universo crecía cada vez más nas ocupan una zona restringida y maron en el seno de las galaxias y se frío y oscuro. No hay observaciones próxima de la Vía Láctea. Si nos ser- convirtieron en fuentes espectacula- de esa época oscura. vimos del telescopio se nos ofrecerá res de energía para los cuásares. En Aproximadamente mil millones de un reino mucho más vasto, que bri- resumen, las estrellas primigenias años después de la gran explosión, las lla con la luz de miles de millones de hicieron posible el nacimiento de galaxias brillantes y cuásares ya galaxias. Pero el universo, nos dice nuestro universo. habían aparecido. Ello significa que la cosmología, careció de relieve y las primeras estrellas se formaron persistió oscuro durante un largo seg- La edad oscura algún tiempo antes. ¿Cuándo sur- mento de su historia primitiva. Las primeras estrellas no aparecieron hasta unos 100 millones de años des- A unque el estudio del universo temprano adolece de la falta de observaciones directas, se ha podido gieron estos objetos luminosos ini- ciales? Martin Rees, Abraham Loeb y mu- pués de la gran explosión (big bang). examinar gran parte de la historia del chos astrofísicos más han participado Transcurrieron casi mil millones de universo al apuntar los telescopios en la solución de estos problemas. años antes de que abundaran las gala- hacia galaxias lejanas y cuásares que Los estudios más recientes comien- xias en el cosmos. ¿Cómo ocurrió esa emitieron su luz hace miles de millo- zan con los modelos cosmológicos transición de la oscuridad a la luz? nes de años. Podemos inferir la edad estándar que describen la evolución Los investigadores dedicados a su de un objeto a partir del corrimiento del universo subsiguiente a la gran estudio han dando pasos importan- hacia el rojo de su luz, lo que repre- explosión. Aunque el universo tem- tes en el camino que nos lleva a la senta cuánto se ha expandido el uni- prano era sumamente homogéneo, la respuesta. Mediante técnicas refi- verso desde que se emitiera esa luz. radiación de fondo presenta indicios nadas de simulación por ordenador, Los cuásares y galaxias más viejos que de microfluctuaciones de densidad: han construido modelos sobre la posi- observamos ahora datan de unos mil grumos en la sopa primordial. De ble evolución de las fluctuaciones de millones de años después de la gran acuerdo con los modelos, esos grumos densidad resultantes de la gran explo- explosión (adoptando un valor actual evolucionaron gradualmente hacia sión hacia las primeras estrellas. para la edad del universo entre 12.000 estructuras ligadas por gravedad. Además, las observaciones de los cuá- y 14.000 millones de años). Los inves- Primero se constituyeron sistemas sares lejanos han permitido retro- tigadores necesitarán mejores teles- pequeños, que, agrupados luego, ori- traernos en el tiempo y analizar un copios para ver objetos más alejados ginaron aglomeraciones de impor- breve momento de los últimos días de y cuyas edades correspondan a épo- tancia. Las regiones más densas adop- la “era cósmica oscura”. cas anteriores. taron una estructura reticular de De acuerdo con los nuevos mode- Basándonos en la radiación del filamentos, en los nodos de cuya red los, las estrellas primigenias go- fondo de microondas, emitida unos surgieron los primeros sistemas de zarían, a buen seguro, de masa y lu- 400.000 años después de la gran explo- formación de estrellas, unas peque- minosidad notables. Su formación sión, nos es dado, sin embargo, extraer ñas protogalaxias. De modo similar, constituyó un acontecimiento crucial determinadas conclusiones sobre el que alteró el universo y su evolución universo temprano. La uniformidad consiguiente. Esas estrellas cambia- de la radiación de fondo prueba que LA ESTRUCTURA COSMICA PRIMIGENIA ron la dinámica del cosmos al calen- la materia estaba homogéneamente adoptó la forma de una red de filamentos. Las tar y ionizar el gas circundante. Las distribuida en aquella época. Puesto primeras protogalaxias, sistemas de peque- más precoces crearon y dispersaron que no había objetos luminosos gran- ña escala con diámetros de unos 30 a 100 los primeros elementos pesados, asen- des que perturbaran la “sopa” primor- años-lluz, convergieron en los nodos de la tando así el camino que llevaría, con dial, la materia debió permanecer red. Dentro de las protogalaxias, las regio- el tiempo, a la aparición de sistemas homogénea y carente de estructuras nes más densas se contrajeron para gene- solares como el nuestro. La contrac- durante los siguientes millones de rar las primeras estrellas (recuadro). 18 TEMAS 33 DON DIXON las protogalaxias se unieron y nacie- designar estos elementos más pesa- Y se hizo la luz ron las galaxias, que, a su vez, se con- gregaron en cúmulos. El proceso con- tinúa en la actualidad: si bien la dos. Las estrellas jóvenes y ricas en metales de la Vía Láctea se llaman Población I estelar; las estrellas vie- L as simulaciones muestran que las nubes de gas primordial se originaron en los nodos de una red formación de galaxias está casi con- jas y pobres en metales, Población II de filamentos de pequeña escala; des- cluida, las galaxias se están todavía estelar. Las estrellas con ningún me- pués, comenzaron a contraerse por su agrupando en cúmulos, que se distri- tal en absoluto —la generación pri- propia gravedad. La compresión debió buyen en una red filamentosa exten- mordial— configuran la Población III haber calentado el gas hasta tempe- dida por el universo entero. estelar. raturas por encima de los 1000 kel- Según los modelos cosmológicos, En ausencia de metales, la física vin. Algunos átomos de hidrógeno se los primeros sistemas pequeños capa- de los primeros sistemas de forma- combinaron en el gas caliente y denso, ces de formar estrellas aparecieron ción de estrellas es bastante más sim- creando trazas de hidrógeno molecu- transcurridos de 100 millones a 250 ple que la de las nubes de gas mole- lar. Las moléculas de hidrógeno empe- millones de años desde la gran explo- cular de hoy día. Los propios modelos zaron a enfriar las partes más densas sión. Estas protogalaxias alcanzaron cosmológicos pueden facilitar, en prin- del gas al emitir radiación infrarroja, una masa que multiplicaba de cien cipio, una descripción completa de tras colisionar con los átomos de hi- mil a un millón de veces la solar; las condiciones iniciales que prece- drógeno. La temperatura de estas medirían entre 30 y 100 años-luz. Se dieron a la primera generación de es- regiones más densas cayó hasta los trata de unas propiedades similares trellas. Por el contrario, las estrellas 200 o 300 kelvin, relajando la presión a las de las nubes de gas molecular engendradas en nubes de gas mo- del gas y permitiendo el desplome donde se forman actualmente las lecular nacen en medios complejos, gravitatorio del gas en grumos. estrellas en la Vía Láctea. Pero las alterados por la formación estelar Este enfriamiento desempeñó una protogalaxias primigenias presen- anterior. Cabría, pues, resultar más función esencial, pues posibilitó que taban peculiaridades específicas. Pri- sencillo modelar la formación de las la materia común del sistema pri- mero, constarían sobre todo de ma- primeras estrellas que las del pre- mordial se separase de la materia teria oscura, supuestas partículas sente. En cualquier caso, el proble- oscura. El hidrógeno frío se asentaba elementales que componen, así se ma requiere un estudio teórico. Varios en una base plana y giratoria con cree, hasta el 90 por ciento de la masa grupos de investigación han ideado forma grumosa y de filamentos, po- del universo. En las galaxias actua- ya simulaciones por ordenador que siblemente con estructura de disco. les la materia oscura está separada ilustran la formación de las estrellas Puesto que las partículas de la ma- de la materia ordinaria: con el tiem- primigenias. teria oscura no emiten radiación ni po, la materia común se concentra en Al grupo integrado por Tom Abel, pierden energía, permanecerían dis- las regiones internas de la galaxia, Greg Bryan y Michael L. Norman le persas en la nube primordial. En bre- mientras que la materia oscura per- debemos las simulaciones más rea- ve, el sistema de formación estelar se manece dispersa en un gran halo exte- listas. Con la ayuda de Paolo Coppi pareció a una galaxia en miniatura, rior. En las protogalaxias la materia nosotros hemos elaborado unas si- con un disco de materia ordinaria y ordinaria coexistía mezclada con la mulaciones basadas en hipótesis un halo de materia oscura. Dentro materia oscura. más sencillas, si bien encaminadas del disco, los grumos más densos de Además, en las protogalaxias no a explorar un amplio rango de posi- gas continuaron su contracción gra- habría cantidades significativas de bilidades. Toru Tsuribe ha generado vitatoria; andando el tiempo, algunos elementos distintos del hidrógeno y unos cálculos similares utilizando de ellos sufrieron una contracción el helio. La gran explosión produjo ordenadores más potentes. Una si- descontrolada convirtiéndose en es- hidrógeno y helio; la mayor parte de mulación aún más idealista es la de trellas. los elementos más pesados se crean Fumitaka Nakamura y Masayuki Los primeros sistemas de formación sólo como producto de las reacciones Umemura, con unos resultados muy estelar eran mucho más calientes que de fusión termonuclear de las estre- instructivos. Aunque estos estudios las nubes de gas molecular donde llas, por lo que no debieron estar pre- difieren en varios detalles, todos nacen hoy la mayoría de las estrellas. sentes antes de que se formaran las han producido descripciones simi- Los granos de polvo y las moléculas primeras estrellas. Los astrónomos lares sobre la formación de las estre- que contienen elementos pesados han utilizan el término “metales” para llas primigenias. enfriado las nubes del presente hasta temperaturas de sólo unos 10 kelvin. A la masa mínima que un grumo ga- Las estrellas primigenias seoso o nebulosa debe tener para con- traerse por su propia gravedad se la ■ Las simulaciones por ordenador muestran que las estrellas primigenias irrum- conoce por masa de Jeans; es direc- pieron a los 100-250 millones de años de la gran explosión. Se formaron en tamente proporcional al cuadrado de pequeñas protogalaxias que habían evolucionado a partir de fluctuaciones de la temperatura del gas e inversamen- densidad del universo. te proporcional a la raíz cuadrada de ■ Puesto que las protogalaxias no contenían más elementos químicos que el la presión gaseosa. Los sistemas pri- hidrógeno y el helio, la física de la formación estelar favoreció el nacimiento migenios de formación de estrellas de cuerpos increíblemente más pesados y luminosos que el Sol. debieron tener presiones similares a ■ La radiación de las estrellas primigenias ionizó el gas de hidrógeno circun- las nubes moleculares actuales. Ahora dante. Algunas estrellas explotaron constituidas en supernovas, dispersando bien, puesto que las temperaturas de por el universo los elementos pesados. Las estrellas más masivas se desplo- los primeros grumos de gas en con- maron en agujeros negros. A medida que las protogalaxias se mezclaban y tracción eran casi 30 veces superio- unían para formar galaxias, los agujeros negros se concentraron en los cen- res que las temperaturas de las nubes tros galácticos. moleculares, su masa de Jeans debió haber sido unas 1000 veces mayor. 20 TEMAS 33  La línea cósmica del tiempo DE LA EPOCA OSCURA... Tras la emisión de la radiación del fondo cósmico de microondas (unos 400.000 años después de la gran explosión), el universo creció, haciéndose más frío y oscuro. Evolucionó gradualmente a partir de las fluctuaciones de densidad producidas en la singularidad inicial. 00 0 A 14.0 DE 12.00 DE AÑOS ES MILLON DON DIXON E AÑOS LONES D 1000 MIL E AÑOS ONES D 100 MILL OS GRAN EXPLOSION N DE AÑ 1 MILLO EMISION DE LA RADIACION DEL FONDO COSMICO EPOCA DE MICROONDAS OSCURA ESTRELLAS PRIMIGENIAS SUPERNOVAS Y AGUJEROS NEGROS FUSION DE INICIALES ...AL RENACIMIENTO PROTOGALAXIAS La aparición de las primeras estrellas y protogalaxias GALAXIAS ACTUALES (a los 100 millones de años de la gran explosión) provocó una cadena de sucesos que transformaron el universo. En las nubes moleculares de las del hidrógeno molecular resulta ine- primordiales, dado que la ineficien- regiones más próximas de la Vía ficiente en las densidades más altas cia del enfriamiento del hidrógeno Láctea, la masa de Jeans es prácti- encontradas cuando se inició la con- molecular mantendría bastante alta camente igual a la masa del Sol, valor tracción de los grumos. En estas den- la masa de Jeans. Las simulaciones, que comparten las masas de los gru- sidades, las moléculas de hidrógeno sin embargo, aún no han determi- mos preestelares observados en estas chocan contra otros átomos antes de nado con precisión el resultado final nubes. Si escalamos por un factor que tengan tiempo suficiente para del desplome y, por ende, no puede 1000, podemos estimar que las masas emitir un fotón infrarrojo; esto descartarse la formación de sistemas de los primeros sistemas de forma- aumenta la temperatura del gas y binarios. ción de estrellas debieron tener de 500 frena la contracción hasta que los A propósito de la masa alcanzada a 1000 masas solares. De acuerdo con grumos han alcanzado por lo menos por las estrellas primigenias discre- esta predicción, todas las simulacio- unos pocos cientos de masas solares. pan los grupos. Según Abel, Bryan y nes por ordenador antes menciona- ¿Cuál fue la suerte de los primeros Norman esas estrellas no tendrían das mostraban la creación de grumos grumos que se desplomaron? ¿For- más de 300 masas solares. En cam- con masas del orden de varios cien- maron estrellas de masas de tama- bio, creemos nosotros que podrían tos la masa solar o mayores. ños parejos o se fragmentaron más haber existido masas de 1000 veces A tenor de nuestros cálculos, las para crear estrellas de menor masa? la solar. Ambas predicciones son váli- masas predichas para los grumos pri- Los diversos equipos de investiga- das bajo diferentes circunstancias: migenios no vendrían determinadas ción han llevado sus cálculos hasta las genuinas estrellas primordiales por las condiciones cosmológicas adop- el punto en que los grumos evolucio- podrían haber tenido masas no mayo- tadas (pensemos en la naturaleza nan por sí mismos para dar lugar a res que 300 masas solares, mientras exacta de las fluctuaciones iniciales las estrellas. Ninguna de las simu- que las estrellas que se formaron un de densidad). De hecho, tales masas laciones ha revelado ninguna ten- poco después, a partir de la contrac- dependen sobre todo de la física del dencia a la fragmentación. Semejante ción de protogalaxias mayores, po- hidrógeno molecular y, en menor me- planteamiento concuerda con la expli- drían haber alcanzado valores más dida, dependen del modelo cosmológi- cación de la formación estelar hoy; las altos. Debido a los efectos de retroa- co o de la técnica de simulación. Por observaciones y las simulaciones limentación tales predicciones cuan- varias razones. En primer lugar, el muestran que la fragmentación de titativas resultan difíciles; cuando hidrógeno molecular no puede en- los grumos de formación estelar se una estrella masiva nace, genera una friar el gas por debajo de los 200 kel- limita a la creación de sistemas bina- radiación muy intensa y expulsa vin, constituyendo a éste en el límite rios (dos estrellas que orbitan una materia que puede arrasar parte del inferior de la temperatura de los pri- alrededor de la otra). Por lo que pa- gas de un grumo en colapso. No obs- meros grumos de formación estelar. rece, la fragmentación resultaría in- tante, estos efectos dependen de la En segundo lugar, el enfriamiento cluso menos probable en los grumos presencia de elementos pesados en el PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 21  Nacimiento y muerte de las estrellas primigenias AGITACION ANCESTRAL DON DIXON El proceso que desembocó en la creación de las estrellas primordiales difirió mucho de la formación estelar del presente. Ello no obstante, las muertes violentas de algunas de estas estrellas prepararon el camino para el advenimiento del universo que vemos hoy. Los primeros sistemas de formación de estre- 1 llas —pequeñas protogalaxias— constaban sobre todo de las partículas elementales conoci- das como materia oscura (color rojo). La materia común —gas de hidrógeno (azul )— estaba en un principio mezclada con materia oscura. RADIACION ULTRAVIOLETA El enfriamiento del hidrógeno Las regiones más densas del gas La radiación ultravioleta procedente 2 permitió la contracción de materia común, mientras que la materia 3 se contrajeron en grumos forma- dores de estrellas; la masa de cada 4 de las estrellas ionizó el gas de hidrógeno neutro circundante. oscura permaneció dispersa. una centuplicaba varias veces A medida que aumentaba el número de El hidrógeno se asentó en un disco la solar. Algunos grumos de éstos estrellas, las burbujas de gas ionizado se en el centro de la protogalaxia. se contrajeron para engendrar estrellas mezclaron y fusionaron; el gas intergalác- muy pesadas y luminosas. tico terminó por ionizarse del todo. SUPERNOVA AGUJERO NEGRO Transcurridos unos millones La atracción gravitatoria empujó Los agujeros negros posiblemente 5 de años, al final de su vida breve, algunas de las primeras estrellas 6 a las protogalaxias una contra otra. Con bastante verosimilitud, las colisio- 7 se fusionaron para formar un agujero negro supermasivo en el centro de la proto- explotaron constituidas en supernovas. nes avivaron la formación estelar, galaxia. El gas que se arremolinó en torno Las portadoras de masa mayor a la manera en que se produce hoy a ese agujero podría haber generado una se desplomaron en agujeros negros. la fusión galáctica. radiación parecida a la de los cuásares. 22 TEMAS 33 gas; debe, pues, esperarse que sean nes de años después de la gran explo- de las nubes moleculares de hoy (10 menos importantes en las estrellas sión. En línea con tales resultados, kelvin). Hasta que la temperatura no más tempranas. Por tanto, parece las últimas trazas de gas de hidró- cayó a tal nivel —lo que ocurrió unos seguro concluir que las primeras geno neutro se ionizarían por esa 2000 millones de años después de la estrellas del universo fueron in- época. El helio requiere más energía gran explosión—, el proceso de for- creíblemente más masivas y lumi- para ionizarse que el hidrógeno; ahora mación estelar pudo haber favore- nosas que el Sol. bien, si las estrellas primigenias goza- cido a las estrellas masivas. Como ron de la masa que se les atribuye, resultado, un gran número de éstas El renacimiento ionizarían hidrógeno y helio al mismo nacieron durante las primeras fases cósmico tiempo. de formación de la galaxia mediante ¿Q ué efecto ejercieron las es- trellas primordiales en el Si las estrellas primigenias no fue- ron tan masivas, el helio debería fusiones sucesivas de protogalaxias. Un fenómeno similar ocurre ahora resto del universo? Propio de las estre- haberse ionizado más tarde por la en el universo al colisionar dos gala- llas sin metales es poseer una tem- radiación energética de otras fuen- xias: desencadenan un brote de forma- peratura superficial más alta que las tes, por cuásares. Las observaciones ción estelar, es decir, un incremento estrellas de composiciones parecidas venideras de los objetos lejanos ayu- repentino del ritmo de formación de al Sol. La producción de energía darán a determinar cuándo se ionizó estrellas. Aunque tales sucesos son nuclear en el centro de una estrella el helio cósmico. hoy escasos, parecen capaces de pro- resulta menos eficiente si no hay Además, si las estrellas primor- ducir una cifra importante de estre- metales; la estrella debería ser más diales gozaron de una masa pode- llas masivas. caliente y compacta para contra- rosa, habrían vivido sólo unos pocos rrestar la gravedad. En razón de la millones de años. Algunas de las estre- Datos desconcertantes estructura más compacta, las capas superficiales de la estrella serían también más calientes. En colabo- llas habrían explotado constituidas en supernovas al final de su vida, expulsando los metales fabricados en E sta hipótesis sobre la primera formación de estrellas podría ayudar a explicar algunas caracte- ración con Rolf-Peter Kudritzki y las reacciones de fusión. Las estre- rísticas desconcertantes del universo Abraham Loeb, uno de los autores llas que superan de 100 a 250 veces actual. Ignoramos por qué las gala- (Bromm) ha diseñado modelos teóri- la masa solar revientan en explosio- xias contienen un número de estre- cos para estas estrellas con masas nes muy enérgicas. Algunas de las pri- llas pobres en metales menor del que entre 100 y 1000 masas solares. De migenias alcanzarían masas de ese cabe esperar de un ritmo proporcio- acuerdo con los mismos, se registra- rango. Puesto que los metales son nal de formación estelar. La discre- rían unas temperaturas de superfi- más eficientes que el hidrógeno en el pancia podría resolverse si la for- cie de unos 100.000 kelvin, casi 17 ve- enfriamiento de las nubes molecula- mación primordial hubiera producido ces más altas que la temperatura res, permiten que éstas se desplomen sólo estrellas muy masivas; al morir, superficial del Sol. Por tanto, la pri- para formar estrellas; en consecuen- estas estrellas habrían dispersado mera luz estelar del universo corres- cia, la producción y dispersión de grandes cantidades de metales, luego pondería a la radiación ultravioleta incluso una pequeña cantidad metá- incorporados directamente en las procedente de estrellas muy calien- lica podría haber ejercido un efecto estrellas menos masivas de hoy. tes; debería haber empezado a calen- considerable en la formación estelar. Otro rasgo paradójico lo observa- tar y ionizar el gas de hidrógeno y En colaboración con Andrea Ferra- mos en la notable concentración de helio neutros que circundaba a esas ra hemos encontrado que, cuando la metales en el gas intergaláctico emi- estrellas, en cuanto emergieron. abundancia de metales en una nube sor en rayos X que hay en los cúmu- A este suceso lo hemos dado en lla- de formación estelar crece por encima los de galaxias. Ese fenómeno admi- mar renacimiento cósmico. Aunque de la milésima parte de la metalici- tiría fácil justificación si hubiera los astrónomos no pueden estimar la dad del Sol, los metales enfrían presto habido un período temprano de rápida cantidad de gas que se condensó en el gas hasta la temperatura de la formación de estrellas masivas y, en las estrellas primigenias, habría bas- radiación cósmica de fondo. (Esta consecuencia, una tasa elevada de tado una fracción de sólo una parte temperatura decae a medida que el supernovas que enriquecieran quí- en 100.000 para que ionizaran, en universo se expande; mil millones de micamente el gas intergaláctico. Un buena medida, el gas restante. Una años después de la gran explosión era ritmo intenso de supernovas en una vez que las estrellas primigenias de 19 kelvin y, hoy, de 2,7 kelvin.) Un época temprana encaja también con comenzaron a brillar, se formó alre- proceso de enfriamiento tan eficiente recientes indicios de que la mayor dedor de cada una de ellas una bur- permite la creación de estrellas con parte de la materia común y los meta- buja creciente de gas ionizado. En el masas menores, lo que podría haber les del universo residen en el medio transcurso de cientos de millones de constituido un acicate para acelerar difuso intergaláctico, no en las pro- años fueron apareciendo más y más la tasa de nacimiento estelar. Cabe pias galaxias. Para producir seme- estrellas, las burbujas de gas ioni- la posibilidad de que, hasta la apa- jante distribución de materia, la for- zado terminaron por mezclarse y rición de la primera generación de mación de galaxias debió haber sido fusionarse, hasta que el gas interga- metales, no se acelerara el ritmo de un proceso espectacular, donde con- láctico se ionizó por completo. formación estelar. En este caso, la vergieran brotes intensos de forma- Expertos del Instituto de Tecno- segunda generación de estrellas ción de estrellas muy masivas y cas- logía de California y del Servicio Sloan podría haber sido la verdadera res- cadas de supernovas que expulsaron de Inspección Digital del Firmamento ponsable de la iluminación del uni- gas y metales lejos de las galaxias. han hallado pruebas de las fases fina- verso y del renacimiento cósmico. Las estrellas cuya masa multipli- les de este proceso de ionización. Al comienzo del período activo del ca 250 veces la solar no explotan al Observaron intensas absorciones en nacimiento de una estrella, la tem- final de sus vidas; antes bien, se con- la luz ultravioleta de los espectros de peratura del fondo cósmico podría traen en agujeros negros de similar cuásares que datan de unos 900 millo- haber sido superior a la temperatura masa. Varias de las simulaciones por PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 23  Características comparadas Con las simulaciones por ordenador se han obtenido las posibles masas, tamaños y otras propiedades de las estrellas primigenias. Las columnas inferiores comparan las mejores estimaciones de las primeras estrellas con las medidas del Sol. DON DIXON SOL ESTRELLAS PRIMIGENIAS MASA: 1,989 ∞ 1030 kilogramos MASA: de 100 a 1000 masas solares RADIO: 696.000 kilómetros RADIO: de 4 a 14 radios solares LUMINOSIDAD: 3,85 ∞ 1023 kilowatt LUMINOSIDAD: de un millón a 30 milllones TEMPERATURA SUPERFICIAL: 5780 kelvin en unidades solares TIEMPO DE VIDA: 10.000 millones de años TEMPERATURA SUPERFICIAL: DE 100.000 a 110.000 kelvin TIEMPO DE VIDA: 3 milllones de años ordenador mencionadas conceden una después de las primeras estrellas, llas primordiales fueron probable- masa semejante a algunas de las podrían haber supuesto una fuente mente muy masivas y brillantes, los estrellas primigenias. Puesto que las adicional de luz y de radiación ioni- instrumentos a bordo del Telesco- estrellas primordiales se formaron zante en los momentos iniciales. pio Espacial de Próxima Generación en las regiones más densas del uni- En resumen, disponemos de un cua- —el sucesor del Telescopio Espacial verso, cualquier agujero negro resul- dro coherente de la historia precoz del Hubble— podrían detectar algunos de tante del desplome de las mismas se universo, aunque ciertos detalles per- estos cuerpos ancestrales. Llegado incorporaría, mediante procesos de manezcan todavía en el terreno de la ese momento, los astrónomos ten- mezcla y fusión, en sistemas de un especulación. La formación de las pri- drán pruebas directas del mecanismo tamaño creciente. Es posible que algu- meras estrellas y protogalaxias desen- en cuya virtud un cosmos oscuro y sin nos de estos agujeros negros se con- cadenó un proceso de evolución cós- estructuras generó el abanico bri- centraran en pleno interior de las mica. Por lo que sabemos, el período llante de objetos que hoy nos dan luz galaxias grandes y sirvieran de semi- más intenso de formación de estre- y vida. lla de los agujeros negros superma- llas, galaxias y actividad de cuása- sivos —millones de veces más pesa- res se desarrolló unos miles de millo- dos que el Sol— que se encuentran nes de años después de la gran hoy en los núcleos galácticos. explosión; todos estos fenómenos BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA A mayor abundamiento, los astró- habrían continuado hasta hoy con nomos piensan que la fuente de ener- ritmo decreciente a medida que enve- THE FORMATION OF THE FIRST STARS. Ri- gía de los cuásares es el gas que se jece el universo. La arquitectura cós- chard B. Larson en Star Formation from arremolina en los agujeros negros del mica se ha desplazado ahora hacia the Small to the Large Scale. Dirigido por centro de las galaxias. Si se hubie- mayores escalas conforme las gala- F. Favata, A. A. Kaas y A. Wilson. ESA Pu- ran formado agujeros negros meno- xias se van congregando en cúmulos. blications, 2000. res en los centros de algunas de las Es de esperar seguir avanzando en IN THE BEGINNING: THE FIRST SOURCES OF protogalaxias primigenias, la acreción el conocimiento de las primeras eta- LIGHT AND THE REIONIZATION OF THE UNI- VERSE. R. Barkana y A. Loeb en Physics de materia en los agujeros podría pas de la historia, cuando las estruc- Reports, vol. 349, n.o 2, págs. 125-238; habría generado “minicuásares”. De turas comenzaron a desarrollarse a julio de 2001. presentarse, pues, esos objetos justo pequeña escala. Puesto que las estre- 24 TEMAS 33  EXPANSION DAVID BRILL Exploración del espacio-tiempo mediante supernovas Las explosiones de estrellas observadas a inmensas distancias muestran que la expansión cósmica podría estar acelerándose, lo que nos lleva a pensar en la intervención de una nueva forma de energía, exótica Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff H ace mucho tiempo (unos 5000 millones de años), en una galaxia muy lejana (a unos 2000 megaparsec) explotó una es- trella y su destello brilló más que mi- les de millones de soles juntos. Su luz se propagó por el espacio, apagán- dose y aumentando en longitud de onda a través de un cosmos en expan- sión, antes de que una brizna de ella llegara a la Tierra. En un intervalo de 10 minutos de cierta noche oscura de 1997, unos centenares de fotones de la supernova, no más, aterrizaron en el espejo de un telescopio de Chile. En el observatorio, un ordenador creó una imagen digital donde se eviden- ciaba el puntito luminoso. Pese a su apariencia irrelevante, aquella débil mota fue para nosotros una ráfaga de luz, un faro que alumbraba nuestra exploración del espacio y el tiempo. En colaboración con otros compa- ñeros repartidos por diversos países, hemos seguido la llegada de la luz emitida desde docenas de supernovas. Tales observaciones nos han facultado 1. ¿DONDE ESTA LA SUPERNOVA? Este par de imágenes, realizadas con el Telescopio Blanco de cuatro metros de diámetro del Ob- servatorio Interamericano de Cerro Tololo, aportaron la primera prueba de una super- nova. En la imagen de la derecha, obtenida tres semanas más tarde que la imagen de la izquierda, la supernova altera sutilmente la apariencia de una de las galaxias, aunque se percibe. ¿Puede el lector encontrarla? Algu- nas discrepancias se deben a las condicio- nes atmosféricas cambiantes. Solución: en la figura siguiente. 26 para cartografiar la forma del uni- relatividad general de Albert Einstein cercanas y brillantes, tal como pre- verso y establecer un esbozo crono- aúna estas propiedades fundamen- decía la relatividad general para un lógico de su expansión. La conclusión tales del universo y describe la ma- universo que se expande y distancia, a la que nosotros y otro equipo de nera en que condicionan el movimien- por ende, unas galaxias de otras. Los astrónomos hemos arribado pone en to de la materia y la propagación de astrónomos en cuestión midieron la tela de juicio postulados aceptados la luz; merced a ello, puede predecir velocidad de alejamiento de las ga- desde hace decenios. Según parece, determinados fenómenos que los laxias a través del corrimiento de el universo es mayor y está más vacío astrónomos someten a medición. líneas espectrales visibles hacia lon- de lo esperado. Además, su expan- Antes de que Einstein publicara su gitudes de onda mayores (el corrimien- sión no remite, como muchos cosmó- teoría en 1916 y de las primeras ob- to al rojo). Aunque suele asociársele logos habían pronosticado, sino que servaciones de la expansión cósmica, con el efecto Doppler —fenómeno res- se acelera. acontecidas durante la década si- ponsable del cambio de tono del sil- guiente, se creía que el universo man- bato de un tren que pasa o de una bo- Curvas estelares tenía inalterado su tamaño. El propio cina de coche—, el corrimiento al rojo A lo largo de buena parte del siglo pasado se ha mantenido vivo el interés en torno al curso de la expan- Einstein desconfió de sus ecuaciones cuando advirtió que implicaban un universo dinámico. La situación cam- cosmológico debe entenderse, con ma- yor rigor, como el resultado de la ex- pansión del universo; ésta alarga la sión cósmica. Por un doble motivo: da bió, sin dejar lugar a la duda, con las longitud de onda de la luz que viaja cuenta de la geometría del universo nuevas mediciones de los movimien- entre las galaxias. Las emisiones pro- y refleja la naturaleza de sus consti- tos de las galaxias realizadas por cedentes de objetos remotos, al haber tuyentes, es decir, de la materia, la Edwin P. Hubble y otros: las galaxias viajado durante más tiempo, experi- luz y, posiblemente, otras formas de lejanas y débiles se alejaban de la mentan un corrimiento al rojo mayor energía más sutiles. La teoría de la Tierra más deprisa que las galaxias que la radiación de fuentes próximas. El estado de la técnica en tiempos de Hubble limitó la comprobación de la expansión cósmica a galaxias que estaban bastante cerca. En el inter- valo temporal que invirtió la luz en llegar a la Tierra desde esas galaxias próximas, el universo sólo se había expandido una pequeña fracción de su tamaño global. Con estos cambios modestos, el corrimiento al rojo es directamente proporcional a la dis- tancia; el cociente fijo de los dos se llama constante de Hubble y describe el ritmo actual de expansión cósmica. Desde hace años, los astrónomos espe- raban comprobar que las galaxias más alejadas se apartan de esta rela- ción simple entre corrimiento al rojo y distancia, ya sea porque el ritmo de expansión ha cambiado a lo largo del tiempo o porque el espacio que media esté curvado. Medir ese efecto cons- tituye, pues, un objetivo crucial para los cosmólogos; es un reto difícil que exige medios para acotar las inmen- sas distancias a que se encuentran las galaxias. Hubble y otros calcularon las dis- tancias a diversas galaxias partiendo del supuesto de que todas ellas tenían el mismo brillo intrínseco. De acuerdo con su razonamiento, las que lucían mucho se hallaban cerca y, lejos, las de brillo pálido. Pero ese plantea- miento resulta válido sólo a grandes rasgos, pues las galaxias difieren en sus propiedades. Y falla por completo cuando hablamos de fuentes lejanas cuya luz tarda muchísimo en alcan- zar la Tierra y nos muestra el estado de esas galaxias distantes hace miles de millones de años (de jóvenes); el PETER CHALLIS brillo intrínseco de esas galaxias remotas pudo haber diferido nota- blemente del que emiten galaxias 27 PETER CHALLIS 2. UNA SUPERNOVA REMOTA, con un corrimiento al rojo de afecta sólo a algunos elementos de la imagen obtenida después z = 0,66, aparece junto a la flecha. La explosión de esta estrella del suceso. más viejas que observamos en nues- natural. Pese a la espectacularidad Ia con los detectores modernos ha con- tra vecindad. Es difícil desentrañar de la transformación postrera, el vertido a tales destellos de luz en las de los efectos de la expansión tales comienzo de la vida del progenitor es candelas estándar mejor conocidas de cambios evolutivos. Por eso, los astró- el de una estrella ordinaria, una bola los astrónomos. nomos han venido buscando otras estable de gas cuyas capas externas La frecuencia con que una luz de “candelas estándar” cuyo brillo intrín- se mantienen por el calor de las ince- ésas aparece en una galaxia típica seco sea mejor conocido. santes reacciones nucleares que se se cifra en torno a una vez cada 300 Para verse hoy lo que lució hace desarrollan en su interior y convier- años. En la Vía Láctea son sucesos miles de millones de años luz, los fa- ten hidrógeno en helio, carbono, oxí- poco habituales. Si escudriñamos ros emisores deben ser muy poten- geno, neón y otros elementos. Cuando algunos miles de galaxias descubri- tes. Al comienzo de los setenta del una estrella muere, las cenizas nuclea- remos, casi cada mes, una supernova siglo XX, algunos se fijaron en los cuá- res se mezclan en ascuas incandes- de tipo Ia. Hay tantas galaxias en el sares, fuentes portadoras de inmensa centes, comprimidas por la gravedad universo que, cada pocos segundos, energía (probablemente alimentadas hasta alcanzar el tamaño de la Tierra estallan en el firmamento superno- por agujeros negros que atrapan a y la densidad de un millón de veces vas cuyo brillo nos las hace accesi- las estrellas y gas de su alrededor). la típica de la materia ordinaria. bles al estudio. Sólo queda descubrir- Pero los cuásares estudiados diver- Esas estrellas enanas blancas, en las e investigarlas. A esa tarea se ha gían unos de otros incluso más que su mayoría, se enfrían y apagan, ex- aplicado nuestro grupo, “High-Z Team” las galaxias; resultaron, pues, de tinguiéndose. Ahora bien, si ocurre (donde Z designa el símbolo de corri- escasa utilidad. que se halla en órbita cerca de otra miento al rojo); el equipo se organizó Pero otros pensaron en las super- estrella, puede succionar materia de en 1995 bajo la dirección de Brian P. novas. Esas estrellas que explotan su compañera y adquirir una densi- Schmidt, de los observatorios de podían, quizá, servir de candelas dad creciente, hasta que prende una Mount Stromlo y Siding Spring en estándar para la exploración cos- ignición termonuclear descontrolada. Australia. Compite en este campo el mológica. Se trataba de un camino El cataclismo nuclear destroza por grupo formado en torno al programa controvertido, pues las supernovas entero la estrella enana, lanzando Supernova, “Supernova Cosmology manifestaban también una amplia material a unos 10.000 kilómetros Project”, que empezó en 1988 y está variación en sus propiedades. Sin por segundo. Y el brillo de esta bola liderado por Saul Perlmutter, del La- embargo, la investigación realizada, de fuego en expansión tarda unas tres boratorio Nacional Lawrence en Ber- a lo largo de los últimos diez años, semanas en alcanzar su máximo, para keley [véase “Supernovas y expansión por nuestro equipo ha permitido declinar en meses. acelerada del universo”, de Pilar Ruiz- determinar, con exquisita precisión, Aunque varían ligeramente en el Lapuente, Alex G. Kim y Nicholas el brillo intrínseco de las supernovas brillo, estas supernovas siguen un Walton en INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, de tipo Ia. patrón, en el que las explosiones mayo- marzo de 1999]. res y más brillantes duran más que Cada equipo desarrolla su propio Muerte estelar las débiles. Por tanto, si investigamos programa. Ambos, sin embargo, sacan ¿E n qué consiste una supernova de tipo Ia? A grandes trazos, es el estallido final producido cuando su duración, podremos corregir las diferencias y deducir su brillo in- trínseco con una precisión de hasta el partido de un mismo avance funda- mental, el despliegue de grandes detectores electrónicos de luz en teles- una estrella que ha muerto se trans- 12 %. En el curso de los últimos diez copios gigantes. Esta combinación forma en una bomba termonuclear años, el estudio de supernovas de tipo produce imágenes digitales de obje- 28 TEMAS 33 tos débiles sobre una superficie con- de cosechar resultados, preparamos A continuación, nos centramos en siderable de cielo. Los dos grupos han con antelación el tiempo de observa- los mejores candidatos de supernova. compartido, por dar un ejemplo de ción que debía desarrollarse en una Los observamos con los mayores ins- los nuevos medios técnicos, la Cámara batería de telescopios dispersos por trumentos ópticos del mundo, los de Gran Rendimiento, desarrollada todo el mundo, para que así las medi- telescopios Keck recién construidos por Gary M. Bernstein y J. Anthony ciones de seguimiento se acometie- en Hawai. Tales observaciones ha- Tyson. Cuando esta cámara se coloca ran antes de que se apagaran las brán de resolver si los objetos descu- en el foco del Telescopio Blanco, de supernovas. biertos son o no supernovas de tipo cuatro metros, del Observatorio In- La búsqueda de estrellas que explo- Ia, calibrar con exactitud su brillo teramericano de Cerro Tololo, con tan en los cielos desata un terremoto intrínseco y determinar su corrimien- una sola exposición se cubre casi tanta de actividad frenética. Los astróno- to al rojo. extensión como la luna llena y obtiene mos han de tomar y comparar cien- una imagen de unas 5000 galaxias en tos de imágenes digitales a un ritmo En el lado oscuro 10 minutos. Para encontrar supernovas dis- tantes, no hay más que tomar imá- vertiginoso. En todas las estancias de Cerro Tololo hay ordenadores que eje- cutan la orden impuesta de alinear M ientras tanto, otros componen- tes del grupo, que trabajan con telescopios de Australia, Chile y los genes de la misma fracción del fir- imágenes, corregir diferencias en EE.UU., siguen la evolución de las mamento con unas pocas semanas de transparencia atmosférica y tamaño supernovas para determinar el mo- diferencia y buscar, en los cambios de la imagen y sustraer los dos regis- mento en que alcanzan el máximo de operados, explosiones de estrellas. tros. En condiciones de normalidad, brillo y su lento desvanecimiento. Du- Los detectores digitales cuentan el la mayoría de las galaxias desapa- ra meses la campaña de observación número de fotones en cada elemento recen, dejando sólo un “ruido” en la de una supernova. A menudo, el aná- de imagen de forma precisa. Por tanto, diferencia entre dos imágenes. Las lisis final tiene que esperar un año o a nosotros sólo nos queda sustraer la señales mayores denuncian un objeto más, intervalo en que ha desapare- primera imagen de la segunda y com- nuevo o cambiante que puede ser una cido la luz de la estrella que ha esta- probar las diferencias significativas estrella variable, cuásares, asteroi- llado y podemos obtener una buena entre las dos. Puesto que se exami- des y, en contados casos, supernovas. imagen de su galaxia huésped. Nos nan miles de galaxias en cada par de Nuestros programas informáticos sirve esta vista final para sustraer, imágenes, podemos estar seguros de registran la posición de los nuevos de las imágenes de la supernova, el que la búsqueda entre numerosas objetos y se aprestan a identificar brillo constante de la galaxia. Las parejas de imágenes terminará por supernovas. Pero los tests automa- mejores mediciones que hemos logra- hallar muchas supernovas, siempre tizados son imperfectos. Hemos de do proceden del Telescopio Espacial que el tiempo de observación acom- escrutar las imágenes de forma visual Hubble, capacitado para registrar pañe. Para nuestra fortuna, la situa- para determinar si una supuesta detalles sutilísimos que nos permi- ción del observatorio, al pie de los supernova lo es en verdad. Puesto ten separar la estrella que ha explo- Andes en la cordillera sur del desierto que de nuestros descubrimientos se tado de su galaxia huésped. chileno de Atacama (uno de los luga- ha de realizar un seguimiento inme- Los dos equipos han estudiado ya res más secos del mundo), asegura diato en otros telescopios, se pasa al ejemplos de supernova en alto corri- cielos despejados. Con la esperanza análisis sin perder tiempo. miento al rojo, que estallaron hace 3. LA EXPANSION COSMICA podría, en principio, seguir uno de los siguientes comportamientos básicos: permanecer constante (izquierda), decelerarse (centro) o acelerarse (derecha). En cual- quier caso, una porción dada del universo crece en tamaño con el transcurso del tiempo (de DANIELS & DANIELS abajo arriba). Ahora bien, tomando como referencia el caso de expansión constante, la edad del universo —el tiempo pasado desde el comienzo de la expansión— es mayor para un universo que se está acelerando y menor para un universo que se frena. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 29  4. EL EXPERIMENTO de la cinta elástica muestra la relación lineal entre velocidad de recesión y lejanía. Se ofrecen dos instantes de la cinta estirada hacia arriba a cierto rit- mo. La velocidad de los puntos marcados en la goma está dada por la longitud de las fle- chas de colores. El punto más cercano al ori- gen es el que menos se mueve durante el in- tervalo entre los dos instantes; por tanto, su N A E NS SIO EXPANSION ENT NT ACELERADA velocidad es la menor (flecha amarilla). El CO PAN TA punto más alejado es el que más se mueve; SL por tanto, su velocidad es la más alta (flecha EX MA violeta). La pendiente de la línea resultante ION DA PASADO es el ritmo de expansión (gráfico de la iz- ANS PI DISTANCIA DISTANCIA quierda). Si el ritmo cambia con el tiempo, la RA DANIELS & DANIELS (izquierda); DAVID SCHNEIDER (gráficas) EXP pendiente lo hará también (gráfico de la de- S MA recha). Los tiempos iniciales aparecen hacia N IO arriba a la derecha, porque la luz de los ob- NS EXPANSION jetos alejados tarda más tiempo en alcanzar PA DECELERADA la Tierra, el origen del dibujo. Si el ritmo era EX ACTUAL más lento en el pasado —señal de que la ex- pansión se acelera— la línea se curvará ha- cia arriba (línea roja). Si el ritmo era más rá- pido —en un universo que decelera su VELOCIDAD CAMBIO DE TAMAÑO expansión— la línea continuará curvándose DEL UNIVERSO hacia abajo (línea azul). entre 4000 y 7000 millones de años. viación de los rayos de luz al atrave- En primer lugar, el espacio puede Tenía entonces el universo entre la sar en su camino las regiones exter- tener una curvatura negativa. Para mitad y dos tercios de su edad actual. nas de galaxias. El fenómeno de la entender semejante deformación del En el curso de tales estudios, uno y lente gravitatoria acarrea un aumento espacio, sirvámonos de una analogía otro grupo recibieron una misma sor- ocasional del brillo de fuentes remo- bidimensional. Los seres que viven presa, mayúscula: las supernovas tas; en la mayoría de los casos, sin en un mundo plano y de dos dimen- son más débiles de lo esperado. La embargo, provoca una disminución siones (como los personajes de la discrepancia entre lo esperado y lo del brillo. De ese modo podría contri- novela de Edwin A. Abbott Planilan- observado es leve; en promedio, las buir a la debilidad de las supernovas dia) podrían averiguar que un círcu- supernovas remotas aparecen un 25 distantes. Sin embargo, de los cálcu- lo de radio r tiene una circunferen- por ciento más débiles de lo espe- los realizados se desprende que este cia de exactamente 2πr. Pero si su rado. Ahora bien, basta esa cifra efecto sólo adquiere significación mundo estuviera ligeramente cur- para cuestionar las teorías cosmo- cuando se trata de fuentes situadas vado en forma de silla de montar, ten- lógicas más arraigadas. todavía más lejos que las supernovas dría una curvatura levemente nega- Antes de extraer ninguna conclu- estudiadas. Podemos, pues, descartar tiva [véase “Inflación en un universo sión radical, los astrónomos de esa explicación. de baja densidad”, por Martin A. Bu- ambos equipos han buscado expli- ¿No sería, pensamos, por último, cher y David N. Spergel, en INVES- caciones más llanas que justifica- que las supernovas remotas difirie- TIGACIÓN Y C IENCIA , marzo de 1999]. ran la relativa debilidad de las ran de las cercanas, quizá porque se Los residentes bidimensionales del supernovas remotas. Se apela a la formaron de estrellas más jóvenes país curvado en silla de montar po- oscuridad provocada por el polvo que albergaban menos elementos drían permanecer ignorando esa cur- cósmico, que apantallaría parte de pesados que las típicas de galaxias vatura hasta que midieran un círcu- la luz. Pero nosotros descartamos más viejas? No descartamos esta posi- lo grande de radio dado y descubrieran esa posibilidad por la sencilla razón bilidad, aunque en nuestro análisis que su circunferencia era mayor que de que los granos de polvo filtrarían procuramos ya tomar en considera- 2πr. la luz azul más que la roja, haciendo ción esas diferencias. Estos estudios La mayoría de los cosmólogos han parecer a las supernovas más rojas dan buenos resultados cuando se apli- dado por supuesto, apoyados en razo- de lo que en realidad son (de la mis- can a galaxias cercanas, cuya edad y nes teóricas, que nuestro espacio tri- ma forma que el polvo atmosférico morfología varía bastante de una a dimensional, igual que Planilandia, colorea el sol poniente). No obser- otra, así como los tipos de supernova no está curvado. Pero si poseyera cur- vamos ninguna alteración de ese ti- observados en ellas. vatura negativa, la enorme esfera de po. Y, a menos que mostrara una Puesto que ninguno de estos efec- radiación arrojada por una super- dispersión regular por todo el espa- tos triviales explica las observacio- nova muy antigua tendría un exten- cio, el polvo cósmico tendería a intro- nes, nos inclinamos, con otros mu- sión mayor que la que dispondría en ducir una gran variación en las me- chos, a pensar que la debilidad de un espacio geométricamente plano, diciones, cosa que tampoco vemos. brillo de las supernovas remotas se determinando que la fuente apare- Se pretende justificar también tal debe a la estructura del cosmos. ciera extrañamente debilitada. palidez recurriendo al fenómeno de Podrían hallarse involucradas dos Una segunda explicación de la ines- lente gravitatoria. Así se llama la des- propiedades del espacio y del tiempo. perada debilidad de las supernovas 30 TEMAS 33  sión puede acelerarse si una forma LEJOS DAVID SCHNEIDER / FUENTE: CRAIG J. HOGAN, ROBERT P. KIRSHNER Y NICHOLAS B. SUNTZEFF 0,00001 BAJA exótica de energía llena el espacio. Esta extraña “energía de vacío” queda 0,0001 EXPANSION incorporada en las ecuaciones de Einstein dentro de la constante cos- INTENSIDAD RELATIVA DE LUZ ACELERADA mológica. A diferencia de las formas DISTANCIA RELATIVA 0,001 comunes de masa y energía, la ener- gía de vacío añade una fuerza repul- siva y puede expandir el universo a 0,01 EXPANSION velocidades crecientes. Una vez admi- DECELERADA timos esta extraordinaria posibili- dad, nuestras observaciones encajan 0,1 perfectamente, incluso suponiendo la geometría plana preferida por los teóricos. 1 Las pruebas de la presencia de una CERCA forma extraña de energía, que ejerce ALTA una fuerza gravitatoria repulsiva, constituyen el resultado más des- 0,01 0,1 1 concertante de cuantos cabía esperar. CORRIMIENTO AL ROJO (z ) Y lo es en tal grado, que lo tomamos con reservada cautela. Para disipar 5. LAS OBSERVACIONES DE SUPERNOVA realizadas por el equipo en el que participan los dudas contamos con los avances téc- autores (puntos rojos) se desvían ligera, aunque significativamente, del comportamiento es- nicos, tales como los nuevos detecto- perado: una deceleración bastante rápida (línea azul) que ocurriría si el universo fuera “pla- res infrarrojos y el Telescopio Espacial no” y sin constante cosmológica. Pero las observaciones indican que el universo tiene sólo de Nueva Generación, que pronto nos el 20 % de la materia necesaria para hacerlo plano, porque se está decelerando con mayor permitirán examinar nuestras con- lentitud que lo predicho (línea negra). Las mediciones sugieren que la expansión se está ace- clusiones con mayor precisión y fia- lerando, debido posiblemente a una constante cosmológica no nula (línea roja). bilidad. Estos maravillosos instru- mentos nos habrán de facilitar la percepción de faros más débiles, que remotas lo atribuye a que éstas se veríamos el problema. Los nuevos emitieron su destello hace mucho más hallarían más alejadas que lo que sus resultados se hallan también en sin- tiempo en galaxias remotísimas. corrimientos al rojo sugieren. Con tonía con la investigación reciente de otras palabras, las supernovas situa- la cuantía total de materia alojada das a estas enormes distancias mos- en el universo, a través del estudio trarían menos corrimiento al rojo que de los cúmulos galácticos. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA lo que cabría atribuirles. Para justi- ¿Qué aclara la nueva determina- ficar ese menor corrimiento hacia el ción de la densidad de materia del THE LITTLE BOOK OF THE BIG BANG. Craig rojo, los cosmólogos postulan que la universo a propósito de la curvatura J. Hogan. Springer-Verlag, 1998. expansión del universo procedió con del mismo? De acuerdo con los prin- DISCOVERY OF A SUPERNOVA EXPLOSION AT HALF THE AGE OF THE UNIVERSE. S. mayor lentitud en el pasado que lo cipios de la relatividad general, la cur- Perlmutter, G. Aldering, M. Della Valle, que se supone, con un consiguiente vatura del universo y su decelera- S. Deustua, R. S. Ellis, S. Fabbro, A. menor desplegamiento global del uni- ción están vinculadas. Parafraseando Fruchter, G. Goldhaber, D. E. Groom, L. verso y de la luz que viaja en su seno. a John A. Wheeler, la materia le M. Hook, A. G. Kim, M. Y. Kim, R. A. indica al espacio-tiempo cómo cur- Knop, C. Lidman, R. G. McMahon, Peter La fuerza varse y éste le dice a aquélla cómo Nugent, R. Pain, N. Panagia, C. R. Penny- ¿Q ué significa que la expansión moverse. Una baja densidad de mate- packer, P. Ruiz-Lapuente, B. Schaefer y N. Walton (The Supernova Cosmology cósmica se frene menos depri- ria implica una curvatura negativa Project) en Nature, vol. 391, págs. 51-54; sa de lo que se venía pensando? Si el y poco frenado. Si el universo está enero de 1998. universo consta de materia normal, prácticamente vacío, estos dos efec- OBSERVATIONAL EVIDENCE FROM SUPER- la gravedad ha de frenar sin cesar la tos de atenuación se hallarán cerca NOVAE FOR AN ACCELERATING UNIVERSE expansión. Un frenado escaso, según de su máximo teórico. AND A COSMOLOGICAL CONSTANT. Adam sugieren las mediciones de las super- Entendido eso, se explica mejor G. Riess, Alexei V. Fifippenko, Peter novas, nos indica lisa y llanamente nuestra sorpresa. Las supernovas Challis, Alejandro Clocchiattia, Alan Diercks, Peter M. Garnavich, Ron L. Gi- que la densidad global de materia que vemos son más débiles que lo pre- lliland, Craig J. Hogan, Saurabh Jha, Ro- distribuida en el universo es baja. dicho incluso para un universo casi bert R Kirshner, B. Leibundgut, M. M. Por muchos supuestos teóricos que vacío (que adquiere máxima curva- Phillips, David Reiss, Brian P. Schmidt, socave tal conclusión, no está ayuna tura negativa). Tomadas por el valor Robert A. Schommer, R. Chris Smith, J. de pruebas. En este contexto, algu- que indican, nuestras observaciones Spyromilio, Christopher Stubbs, Nicho- nos astrónomos afirman que ciertas demandan que la expansión se esté las B. Suntzeff y John Tonry en Astrono- estrellas parecen más viejas que la acelerando con el tiempo. Ahora bien, mical Journal, vol. 116, n.o 3, págs. 1009- 1038; septiembre de 1998. edad aceptada del universo, obvia un universo compuesto de manera Información adicional en la búsqueda de contradicción. Pero si el cosmos se exclusiva por materia ordinaria no supernovas está disponible en cfa-www. expandía antaño con mayor parsi- puede crecer así, porque no dejaría .harvard.edu/cfa/oir/Research/supernova/ monia, según nos revelan ahora las de ejercerse la fuerza de atracción HighZ.html y http://www-supernova.lbl. supernovas, la edad del universo debe gravitatoria. Sin embargo, de acuerdo .gov/ en la telaraña mundial. revisarse al alza, con lo cual resol- con la teoría de Einstein, la expan- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 31 Antigravedad cosmológica La constante cosmológica, una peculiar forma de energía inherente al espacio mismo, se ha convertido en una de las dos explicaciones plausibles de la expansión acelerada Lawrence M. Krauss D ecía en 1946 George Orwell, posibles, la “abierta” y la “cerrada”. la palabra de Aristóteles, que así alu- novelista y crítico social, que En un cosmos donde la materia bata- día al éter, elemento invisible que “para ver lo que se tiene ante lla con el impulso expansivo de la bañaba el espacio [véase “Materia las narices hay que luchar sin parar”. gran explosión (“big bang”), la geo- oscura en el universo”, de Lawrence Estas palabras vienen muy a cuento metría abierta es la victoria de la M. Krauss; INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, para describir la cosmología moderna. expansión: ésta proseguiría sin límite febrero de 1987]. El universo nos rodea —somos parte temporal. En el universo cerrado, Pero ahora contamos con un mazo de de él— y, sin embargo, a veces hay ganaría la gravedad; el mundo aca- pruebas que van más allá. Ni siquiera la que mirar lo que pasa lejos para cono- baría por desplomarse sobre sí mismo materia ocultada basta para producir un cer los procesos que rigen nuestra de nuevo y terminaría en una ardiente universo plano. Quizás el mundo no sea vida. Y aunque creemos que los prin- gran implosión (“big crunch”). Los plano, sino abierto, en cuyo caso habrá cipios que gobiernan la naturaleza órdenes de cosas abierto, cerrado y que modificar, o desechar, la teoría infla- son simples, el desentrañarlos ya es plano vienen a ser como lanzar un cionaria. O tal vez sí lo sea, en cuyo harina de otro costal. El firmamento cohete más deprisa, más despacio o caso no tendrá sus constituyentes prin- da pistas sutiles. El dicho de Orwell exactamente a la velocidad de esca- cipales en la materia visible, la oscura es doblemente cierto para los cos- pe de la Tierra, la necesaria para su- o la radiación, sino en una forma aún mólogos que han de interpretar las perar la atracción gravitatoria del más etérea de energía que poblaría el recientes observaciones de estrellas planeta. espacio vacío. que estallaron a cientos de millones Al decir de uno de los postulados de años de luz de distancia. En con- tra de lo esperado, la expansión del universo, en vez de frenar su veloci- clave de la teoría inflacionaria, vivi- mos en un universo plano, donde existe un perfecto equilibrio de fuer- L a idea de esa forma de energía tiene una historia larga y agita- da. Empieza cuando Einstein com- dad, la acelera. zas. Esa misma teoría, para resolver pletó su teoría general de la relati- Se sabe desde 1929, por lo menos, varias paradojas de la formulación vidad, más de diez años antes de que que el universo visible se expande. corriente de la gran explosión, dicta Hubble enseñase convincentemente Ese año Edwin P. Hubble mostró que que muy al principio del universo que el universo se expande. La rela- las galaxias lejanas se van separando hubo un período de expansión rápida. tividad entrelazaba espacio, tiempo como si el cosmos entero estuviese Aunque el contenido visible del cos- y materia. Prometía así lo que hasta hinchándose. Semejante alejamiento mos no basta para pensar en un uni- entonces había sido imposible: el cono- actúa contra el efecto opuesto ejer- verso plano, la dinámica celeste indica cimiento científico no sólo de la diná- cido por la gravedad conjunta de que hay mucha más materia que la mica de los objetos del universo, sino cúmulos galácticos y de todos los pla- percibida. La mayor parte de la ence- también de la dinámica del mismo netas, estrellas, gases y polvo que rrada en las galaxias y agrupaciones cosmos. Sólo había un problema. Al contienen. Hasta la minúscula atrac- de galaxias tiene que ser invisible contrario que las demás fuerzas fun- ción gravitatoria de un clip retarda para los telescopios. Hace más de diez damentales a las que se halla sujeta un poco la expansión cósmica. Hace años denominé “quintaesencia” a esa la materia, la gravedad es siempre diez años la concordancia de la teo- materia a la que llaman oscura; tomé atractiva: sólo tira de, nunca empuja. ría con la observación daba a enten- der que había suficientes clips, sufi- ciente materia en el universo para 1. EL LLAMADO ESPACIO VACIO está repleto de partículas elementales que surgen y desa- detener casi —pero sólo casi— la parecen muy deprisa. No podemos detectarlas directamente. Su presencia obedece a un expansión. Por decirlo en la forma principio básico de la combinación de la mecánica cuántica con la relatividad especial: na- geométrica que Einstein promovió, da es exacto, ni siquiera la nada misma. La energía conjunta de estas partículas “virtuales”, parecía que el universo era “plano”. como otras formas de energía, podría ejercer una fuerza gravitatoria, de atracción o repul- La del universo plano es una geo- sión en razón de principios físicos mal conocidos por ahora. A escala macroscópica esa ener- metría intermedia entre otras dos gía podría actuar como la constante cosmológica propuesta por Albert Einstein. 32 TEMAS 33 ALFRED T. KAMAJIAN  o no, el espacio vacío no está, después Tipos de materia de todo, vacío. S i las partículas virtuales pueden Tipos Composición Indicio Contribución de materia probable principal aproximada a Ω cambiar las propiedades de los Materia Materia ordinaria Las observaciones 0,01 átomos, ¿podrían también afectar a visible (compuesta sobre todo telescópicas la expansión del universo? Yakov B. de protones y neutrones) Zeldovich mostró en 1967 que la ener- que forma las estrellas, gía de las partículas virtuales actua- el polvo y el gas ría como la energía asociada a la cons- tante cosmológica. Pero había un serio Materia Materia ordinaria Los cálculos de la nucleo- 0,05 oscura demasiado oscura para síntesis en la gran explosión problema. La teoría cuántica predice bariónica dejarse ver, quizás enanas y la abundancia todo un espectro de partículas vir- marrones o negras (objetos del deuterio observada tuales, que abarcaría todas las lon- compactos de gran masa gitudes de onda posibles. Al sumar del halo, los MACHO) todas las contribuciones sale una energía total infinita. Incluso cuando Materia Partículas exóticas como La gravedad de la masa 0,3 oscura los “axiones”, los neutrinos visible no basta para explicar los teóricos ignoran los efectos cuán- no bariónica con masa o las partículas las velocidades orbitales ticos menores que cierta longitud de de gran masa que interac- de las estrellas dentro onda —más allá de la cual se supone túan débilmente (los WIMP) de las galaxias y de las que unos fenómenos gravitatorios galaxias en los cúmulos cuánticos mal conocidos cambian las “Materia La constante cosmológica El fondo de microondas 0,6 cosas—, la energía que le calculan al oscura” (la energía del espacio da a entender que el cosmos vacío es unos 120 órdenes de magni- cosmológica vacío) es plano, pero no hay tud mayor que la contenida en toda suficiente materia bariónica la materia del universo. o no bariónica para que lo sea ¿Qué consecuencias tendría una constante cosmológica tan inflada? n el universo se albergan miles y miles de millones de galaxias, cada una de las Aprovechando la cita de Orwell, es E cuales contiene un número no menos abrumador de estrellas. Y, sin embargo, fácil poner un límite observacional a parece que en su mayor parte es “materia oscura”. La constante cosmológica, si su valor. Mire los dedos de su mano. se confirma su existencia, actuaría a escala cósmica como una forma aún más exó- Si la constante alcanzase el valor que tica de materia oscura. La magnitud omega, Ω, es el cociente de la densidad de le asigna la teoría cuántica, el espa- materia o energía y de la densidad necesaria para que el universo sea plano. cio entre los ojos y la mano se expan- diría tan deprisa que la luz de ésta nunca llegaría a aquéllos. Para ver lo que se tuviese ante la cara habría La inexorable atracción gravitatoria depende de la posición o del tiempo; de que luchar sin parar (por así decirlo), de la materia podría hacer que el uni- ahí que se lo llame “constante cosmoló- pero nunca valdría para nada. El verso acabase por desplomarse. Ante gica”. La fuerza que causa actuaría aun mero hecho de que veamos algo quiere semejante conclusión, Einstein, que cuando no hubiese materia ni radiación. decir que la energía del espacio vacío imaginaba un universo estático y Su fuente, pues, sería una curiosa forma no puede ser grande. Y que podamos estable, añadió un término a sus ecua- de energía que residiera en el espacio ver, no ya dónde terminan los brazos, ciones, un “término cosmológico”, que vacío. La constante cosmológica, como sino hasta los remotos confines del lo estabilizaba con una nueva fuerza el éter, le daba al vacío una especie de universo, impone un límite aún más de largo alcance en el espacio. Si su aura casi metafísica. Al prescindir de ella estricto a la constante cosmológica: valor era positivo, sería una fuerza la naturaleza volvía a ser razonable. ha de ser casi 120 órdenes de mag- repulsiva, una especie de antigrave- ¿O no? En los años treinta la constan- nitud menor que el cálculo mencio- dad que impediría que el universo se te cosmológica dio unas primeras seña- nado antes. Esta discrepancia entre derrumbase bajo su propio peso. les de vida en un contexto diferente: el la teoría y la observación es el pro- Pero, ay, Einstein abandonaría cinco intento de combinar las leyes de la mecá- blema cuantitativo más desconcer- años después este apaño, del que dijo nica cuántica con la teoría especial de tante de la física actual. que había sido su “mayor pifia”. La esta- la relatividad. Paul A. M. Dirac y, luego, La respuesta más a mano es que bilidad que ofrecía el término era ilu- Richard Feynman, Julian S. Schwinger habría alguna ley física no descu- soria, y aún contaba más en su contra el y Shinichiro Tomonaga mostraron que bierta que anularía la constante cos- respaldo observacional creciente a la el espacio vacío era más complicado de mológica. Mas por mucho que plazca tesis de la expansión. En 1923 Einstein lo supuesto. Resultaba que las partícu- a los teóricos que la constante desa- le escribía a Hermann Weyl: “Si el mun- las elementales podían brotar espon- parezca, ciertas observaciones astro- do no es cuasiestático, ¡fuera el térmi- táneamente de la nada y desaparecer de nómicas —de la edad del universo, de no cosmológico!”. Como el éter antes, nuevo, siempre y cuando fuese en un la densidad de la materia en su seno parecía que el término acabaría en la tiempo cuya brevedad impidiera la medi- y de la naturaleza de las estructuras papelera. ción. Estas partículas virtuales, así se las cósmicas— abogan por lo contrario. En la teoría general de la relatividad conoce, producen efectos mensurables; Entre las cuestiones persistentes la fuente de las fuerzas gravitatorias alteran los niveles de energía de los áto- de la cosmología se incluye la edad (atractivas o repulsivas) es la energía. mos y crean fuerzas entre las placas del universo. Midiendo la velocidad La materia no es más que una forma de metálicas neutras. La teoría de las par- de las galaxias, podemos calcular energía. Pero el término cosmológico es tículas virtuales concuerda con las obser- cuánto han tardado en ocupar su posi- distinto. La energía asociada a él no vaciones hasta el noveno decimal. Guste ción presente, suponiendo que todas 34 TEMAS 33 partieron del mismo punto. En una ARCHIVOS DE EINSTEIN, UNIVERSIDAD DE ZURICH primera aproximación podemos pres- cindir de la deceleración causada por la gravedad: el universo se expande a velocidad constante y el intervalo de tiempo transcurrido es el cociente entre la distancia intergaláctica y la velocidad de separación medida, es decir, la inversa de la constante de Hubble. Cuanto mayor sea ésta, más rápida será la expansión y más joven el universo. La primera evaluación que Hubble hizo de la constante que lleva su nom- bre fue de casi 500 kilómetros por segundo por megaparsec; con ello indi- caba que dos galaxias separadas por una distancia de un megaparsec (unos tres millones de años luz) se separa- 2. ESTA CARTA DE EINSTEIN al matemático Hermann Weyl reconoce que un universo de ta- rían, en promedio, a 500 kilómetros maño inmutable podría ser propenso a la expansión o la contracción: “En el universo de De por segundo. Dado este valor, el cos- Sitter dos puntos de fluido inestables distintos se separan aceleradamente. Si el mundo no mos tendría unos 2000 millones de es cuasiestático, ¡fuera el término cosmológico!” años, en penosa contradicción con la edad comprobada de la Tierra, cifrada en más de 4000 millones de años. con que las estrellas queman su com- tres millones de estrellas cuyas pro- Pero si se toma en consideración la bustible nuclear, oscilan entre los piedades cubrían las aporías exis- atracción gravitatoria de la materia, 15.000 y los 20.000 millones de años. tentes. Comparamos luego nuestras el análisis predice que los objetos se Serían, pues, más viejas que el uni- estrellas modelo con las de los cúmu- movieron más deprisa al principio y, verso. los globulares. Las más viejas, con- por tanto, que tardaron menos en lle- Para resolver si el conflicto de las cluimos, tendrían no más de 12,5 gar a su posición actual que si la velo- edades debíase a fallos de la teoría millones de años. Pero esa cifra seguía cidad hubiera sido constante. Esta cosmológica o a los modelos estela- sin concordar con la edad de un uni- precisión reduce la edad calculada res, mis colaboradores Brian C. verso plano dominado por la materia. en un tercio, con lo que la discre- Chaboyer, Pierre Demarque y Peter Hasta que, hace dos años, el saté- pancia resulta desastrosamente peor. J. Kernan y yo reevaluamos en 1995 lite Hiparcos, lanzado por la Agencia A lo largo de los últimos setenta las edades de los cúmulos globula- Espacial Europea para determinar años se ha determinado mejor la velo- res. Simulamos los ciclos de vida de la ubicación de más de 100.000 estre- cidad de la expansión del universo, aunque persistiera la tensión entre la edad que se le calcula y la de algu- 3. DEMOSTRACION experimental del efecto nos de sus objetos. Pero desde hace Casimir, medio para corroborar la teoría de un tiempo han empezado a conver- que el espacio está lleno de efímeras “partí- ger las diversas mediciones de la cons- culas virtuales”. El efecto genera unas fuer- tante de Hubble gracias al lanza- zas entre los objetos metálicos, de atracción miento del Telescopio Espacial Hubble entre placas metálicas paralelas (derecha), y al desarrollo de nuevas técnicas de por ejemplo. Hablando sin mucho rigor, el observación. Wendy L. Freedman, de hueco finito entre las placas impide que se los Observatorios Carnegie, y sus materialicen partículas virtuales con una colaboradores le conceden un valor de longitud de onda mayor que una determina- 73 kilómetros por segundo por mega- da. Por tanto, hay más partículas fuera de las parsec (con un intervalo más proba- placas que entre ellas, desequilibrio que las ble, dependiendo del error experi- empuja entre sí y acerca (abajo). El efecto mental, de 65 a 81). Estos resultados Casimir depende de la morfología de las pla- ponen el límite superior de la edad cas, gracias a lo cual es posible diferenciar- de un universo plano en unos 10.000 lo de las demás fuerzas de la naturaleza. millones de años. STEVE K. LAMOREAUX (fotografía), JARED SCHNEIDMAN DESING ¿E s suficiente esa edad? Depen- de de la que tengan los cuer- pos más antiguos que daten los astró- nomos. Las estrellas más viejas de nuestra galaxia se refugian en los cúmulos globulares, ubicados algunos de éstos en los aledaños de la Vía Láctea, razón por la cual se sospecha FLUCTUACIONES que nacieron antes que el resto de la DEL VACIO Vía Láctea. Las evaluaciones de su PLACAS DE CASIMIR edad, basadas en el cálculo del ritmo PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 35 llas cercanas, revisó las distancias a tenido. Contamos con datos convin- gas intergaláctico caliente que emite que se encontraban e, indirectamente, centes de que la cuantía total de mate- rayos X. Su temperatura, inferida del las distancias de los cúmulos globu- ria que encierra el universo no basta espectro de éstos, depende de la masa lares. Los nuevos valores alteraron para hacerlo plano. total del cúmulo: cuanto mayor sea, las estimaciones admitidas de su bri- En ese censo cósmico se calcula pri- mayores son la gravedad y la presión llo. Nos forzaron a rehacer nuestro mero la síntesis de elementos en la que hace que el gas se aguante con- análisis, porque el brillo determina gran explosión originaria. Los ele- tra ella, y esto conduce a una tem- la velocidad a la que las estrellas con- mentos ligeros del universo —hidró- peratura más alta. El equipo de Simon sumen el combustible y, por tanto, su geno, helio y sus isótopos menos abun- D. White, tras recoger información esperanza de vida. Parece ahora que dantes, como el deuterio— se crearon acerca de varios cúmulos, llegó a la los cúmulos globulares podrían te- en los primeros tiempos del universo conclusión según la cual la materia ner, en el límite de los márgenes de en unas cantidades relativas que luminosa abarcaba entre el 10 y el error, sólo 10.000 millones de años, dependieron del número de protones 20 % de su masa total. De estos resul- lo que ya encaja con las edades y neutrones disponibles, los consti- tados, cuando se los combina con las cosmológicas. tuyentes de la materia normal. mediciones del deuterio, se desprende Ahora bien, esa concordancia mar- Comparando, pues, la concentración que la densidad total de materia ginal no deja de resultar incómoda. relativa de los distintos isótopos se incluida en cúmulos —contando pro- Exige que ambos conjuntos de eda- infiere la cantidad total de materia tones, neutrones y partículas más des estimadas se hallen cerca del ordinaria que se produjo en la gran exóticas, como ciertas candidatas a borde de los intervalos admisibles. explosión. (Ni que decir tiene que materia oscura— no pasa, como Lo único que puede abandonarse es pudo haber habido otra materia cuya mucho, del 60 % de la requerida para la suposición de que vivimos en un composición no fuera de protones y que el universo sea plano. universo plano dominado por la mate- neutrones.) Un tercer conjunto de observaciones, ria. Una densidad menor de materia, Las observaciones pertinentes die- que también tiene que ver con la distri- que correspondería a un universo ron un paso de gigante en 1996. El bución de la materia a las mayores esca- abierto con una deceleración menor, grupo dirigido por David R. Tytler y las, respalda la tesis de un universo con aliviaría un tanto la tensión. Aun así, Scott Burles midieron la abundan- masa insuficiente para ser plano. Ningún la única forma de elevar la edad por cia primordial del deuterio obser- otro campo de la cosmología ha avan- encima de los 12.500 millones de años vando la absorción de la luz de los cuá- zado tanto en los últimos veinte años sería aceptar que el universo no está sares por las nubes de hidrógeno como el del conocimiento sobre el ori- dominado por materia, sino por una intergalácticas. Al tratarse de nubes gen y la naturaleza de las estructuras constante cosmológica. La fuerza que nunca alojaron estrellas, su deu- cósmicas. Se da por sentado desde hace repulsiva resultante haría que la terio debía proceder sólo de la gran mucho que las galaxias se agregaron a expansión de Hubble se acelerara con explosión. De los descubrimientos de partir de ligeras concentraciones de mate- el tiempo. Las galaxias habrían estado Tytler y Burles se desprende que la ria en el universo primitivo, pero nadie distanciándose antaño menos depri- densidad media de la materia ordi- sabía el agente de tales ondulaciones. sa que hoy y habrían tardado más en naria está entre el 4 y el 7 % de la nece- El desarrollo de la teoría inflacionaria ocupar su situación actual, por lo que saria para que el universo sea plano. en los años ochenta aportó el primer el universo sería más viejo. Se ha sondeado también la den- mecanismo verosímil: el reforzamiento Los cálculos que se manejan sobre sidad de materia a través del estu- de las fluctuaciones cuánticas hasta que la edad del universo son sólo indica- dio de las principales macroestruc- adquirieron un tamaño macroscópico. tivos. Otros pilares de la cosmología turas mantenidas por la gravedad, los Las simulaciones numéricas del cre- observacional se han visto sacudidos cúmulos galácticos. Estas agrupa- cimiento de las estructuras tras la in- también. Al escrutar zonas cada vez ciones de cientos de galaxias abarcan flación nos han mostrado que, si la ma- mayores del universo ha mejorado la casi toda la materia visible. La mayor teria oscura, en vez de protones y capacidad de tomar nota de su con- parte de su contenido luminoso es un neutrones, consta de otro tipo de par- tículas (las llamadas WIMP), entonces ciertas perturbaciones sutiles de la radia- ción de fondo de microondas pudieron Sumario de los valores inferidos de la densidad cósmica de materia crecer hasta convertirse en las estruc- turas que vemos ahora. Además, las con- centraciones de materia deberían seguir Observación Ωmateria evolucionando y creando cúmulos de Edad del universo <1 galaxias si hay una densidad global de Densidad de protones y neutrones 0,3–0,6 materia muy alta. El crecimiento par- simonioso del número de cúmulos ricos Cúmulos de galaxias 0,3–0,5 a lo largo de la historia reciente del uni- Evolución galáctica 0,3–0,5 verso da a entender que la densidad de materia no llega al 50 por ciento de la Radiación del fondo de microondas cósmico <1 ~ necesaria para defender un universo Supernova de tipo Ia 0,2–0,5 plano. L as mediciones de la contribución a Ω de la materia concuerdan más o menos. Aunque cada una de estas mediciones tiene sus escépticos, la mayoría de los E ste rosario de pruebas de la insu- ficiencia de materia para pensar en un universo plano vence la arrai- astrónomos acepta ahora que la materia sola no puede hacer que Ω sea igual a 1. Pero es posible que otras formas de energía, como la constante cosmológica, apor- gada resistencia contra esta posi- ten lo que falta. bilidad. Así las cosas, caben dos in- terpretaciones. Estamos ante un 36 TEMAS 33  3 nf at N ita ia r i m IO in er ) se la O S do de P L pu d X a ida N E nc ns A nu de G R (la S I N 2 INTERVALO DE LOS DATOS DE LAS SUPERNOVAS EXPANSION A RITMO CONSTANTE ria) mate la 1 NUEVO MODELO PREFERIDO que (compatible con todos ADA más R de los datos) ELE e a) AC ica pu gic ΩCONSTANTE COSMOLOGICA lóg m oló o os osm A te c ntec R AD stan sta LE con con CE a (la DE que l ás m de ia pue ASINTOTA ter la ma DEL MODELO ( ESTATICO ORIGINAL DE EINSTEIN VIEJO MODELO EXPANSION PERMANENTE ESTANDAR (la materia no puede detener PLANO el impulso expansivo) 0 0 INTERVALO DERRUMBE DE LOS DATOS (el universo se expande e (la vi jov AD pa s m de y contrae al menos una vez) ej en DEL FONDO ás s D m á E ) ra ay ns as DE MICROONDAS s m LA qu or id CE e qu ad RR el r R (la tr se PO INTERVALO el e to A la ía un el ta DO de m ce er es o O DE LOS DATOS s rs D iv va l d ns e sa so es ne niv la ve A er lo e A d t qu ar p e ni RT id no rio se DE LOS DON DIXON (ilustración), DMITRY KRASNY (dibujo) B o e a la so r en a r el qu el u CA IE ta e q n CUMULOS se nec erg u R l d l v u o) ( ES TO e a e a es ía D pl a an rio p a o) en lor er gí a –1 0 1 2 3 ΩMATERIA 4. ESTE MAPA DE LOS MODELOS muestra cómo depende la evolu- diferencia (que representa las intensidades relativas de la expansión ción del universo de dos magnitudes cosmológicas claves: la densi- y de la gravedad) determina el cambio de velocidad de la expansión dad media de materia (eje horizontal) y la densidad de energía en la con el tiempo (línea azul). Estos dos efectos han sido sondeados por constante cosmológica (eje vertical). Sus valores, dados aquí en uni- observaciones recientes (regiones sombreadas). El tercer factor, un dades cosmológicas estándar, tienen tres efectos distintos. Primero, equilibrio de las dos densidades, determina el destino del universo (lí- su suma (que representa el contenido energético cósmico total) de- nea roja). Los tres efectos tienen muchas permutaciones, al contra- termina la geometría del espacio-ttiempo (línea amarilla). Segundo, su rio de lo que sucede si la constante cosmológica es cero. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 37  GEORGE MUSSER Y DMITRY KRASNY Densidad media del universo 10 –20 10–21 DENSIDAD (GRAMOS POR CENTIMETRO CUBICO) MATERIA 10–22 5. LA COINCIDENCIA COSMICA es uno de los CONSTANTE muchos misterios que rodean a la constan- COSMOLOGICA 10–23 te cosmológica. La densidad media de la ma- teria ordinaria disminuye con la expansión 10–24 del cosmos (en rojo). La densidad equiva- 10–25 lente representada por la constante cosmo- lógica es fija (en negro). ¿Por qué, pues, las 10–26 dos tienen hoy casi el mismo valor pese a ta- les comportamientos antagónicos? Esta 10–27 concordancia, o es puro azar, una precondi- ción de la existencia humana (lo que remite 10–28 al principio antrópico débil), o una indicación de que actúa un mecanismo cuya naturale- 10–29 za no se vislumbra hoy por hoy. 10–30 10–31 0 5 10 15 20 FORMACION FORMACION AHORA DE LAS DEL SISTEMA MUERTE PRIMERAS SOLAR DEL SOL GALAXIAS EDAD (MILES DE MILLONES DE AÑOS) universo abierto, la primera; la se- ximada, de la aceleración de la expan- sión, que depende de la diferencia gunda, estamos ante un universo sión del universo, un signo que apunta entre la densidad de materia (que plano gracias a alguna forma adicio- a una constante cosmológica con el frena la expansión) y la constante nal de energía que no está asociada mismo valor que se desprende de los cosmológica (que puede acelerarla). a la materia ordinaria. demás datos. La combinación de todos estos Para optar por una u otra opción Las observaciones del fondo de mi- resultados nos da a entender que la se ha pugnado por medir el fondo de croondas y las de las supernovas ilu- constante aporta del 40 al 70 por cien- microondas con una gran resolución. minan dos aspectos diferentes de la to de la energía necesaria para que Las investigaciones provisionales res- cosmología. El fondo de microondas el universo sea plano. Los teóricos paldan en estos momentos un uni- revela la geometría del universo, que están ya dándole vueltas a algo que verso plano. Mientras, los investiga- es sensible a la densidad total de hace 20 años habría sido impensable: dores que estudian las supernovas energía, sea cual sea su forma, mien- una constante cosmológica mayor que remotas han proporcionado la pri- tras que las supernovas sondean cero, pero mucho menor que la pre- mera prueba directa, aunque apro- directamente la velocidad de expan- dicha por la actual teoría cuántica. El destino del universo a constante cosmológica cambia la idea más común y divide por ocho. En un universo en expansión la densidad L sencilla acerca del futuro del universo. La cosmología ha venido prediciendo dos resultados posibles que depen- de energía asociada a la constante cosmológica lleva las de ganar. Si la constante es positiva, generará en el espa- dían de la geometría del universo o, equivalentemente, de cio una fuerza repulsiva de largo alcance y el universo la densidad media de materia. Si la densidad de un uni- seguirá expandiéndose, aunque la densidad total de la verso lleno de materia sobrepasa cierto nivel crítico, es energía en la materia y el espacio supere el valor crítico. “cerrado”, en cuyo caso acabará por dejar de expandirse, (Quedan descartados los valores negativos grandes de la empezará a contraerse y al final desaparecerá en un ardiente constante porque la resultante fuerza atractiva ya habría apocalipsis. Si es menor que ese valor crítico, será “abierto” puesto fin al universo.) y se expandirá eternamente. Un universo “plano”, en el que Esta nueva predicción de la expansión eterna ni siquiera la densidad es igual al valor crítico, se expandirá también presupone que la constante lo sea en realidad, como reclama para siempre, pero más despacio. la relatividad general. Si la densidad de energía del espa- Ahora bien, estos órdenes de cosas parten de que la cons- cio vacío varía con el tiempo, el destino del universo depen- tante cosmológica sea nula. Si no lo es, puede que sea ella derá de cómo lo haga. Y podría haber un precedente para y no la materia la que controle el destino final del universo. esos cambios: la expansión inflacionaria del universo pri- La razón estriba en la constante, que, por definición, repre- mordial. Quizás el universo esté ahora entrando en una nueva senta una densidad fija de energía en el espacio. La mate- era de inflación, que acabaría por llegar a un final. ria no puede competir: al doblarse el radio su densidad se —L.M.K. 38 TEMAS 33 Un prodigio de sintonía fina ha de eli- Caldwell y Paul J. Steinhardt han minar las energías de las partículas recuperado la denominación “quin- virtuales hasta el lugar decimal 123, taesencia” para nombrar esa energía pero dejando intacto el 124, una pre- variable. Da una idea del revuelo teó- cisión no vista en ninguna otra parte rico de hoy el que la materia oscura de la naturaleza. que en un principio fue llamada así Steven Weinberg y sus colabora- parezca ahora casi corriente y molien- dores echan mano del último recurso te en comparación. Por mucho que me de los cosmólogos, el principio antró- guste el nombre, ninguna de las ideas pico. Si el universo observado es uno concebidas para esa quintaesencia entre una infinitud de universos sin parece convincente. Todas son ad vinculación mutua —cada uno de los hoc. El problema de la constante cos- cuales podría tener constantes de la mológica sigue retándonos. naturaleza ligeramente distintas, ¿Cómo sabrán los cosmólogos que según recientes encarnaciones de la se han reconciliado con este universo teoría inflacionaria combinada con que tanta perplejidad teórica causa? ideas emergentes de gravedad cuán- Nuevas mediciones del fondo de tica—, los físicos pueden confiar en microondas, el análisis continuo de calcular la magnitud de la constante las supernovas remotas y la medi- cosmológica inquiriendo en qué uni- ción de las lentes gravitatorias que versos podría darse vida inteligente. actúan sobre la luz de los cuásares Weinberg y otros han llegado a un lejanos deberían permitir que se pre- resultado que es coherente con el cisase el valor de la constante cosmo- valor aparente de la constante cos- lógica en unos años. Una cosa ya es mológica hoy. segura. La cosmología vigente en los Pero la mayoría de los teóricos no años ochenta, según la cual el uni- están por esa labor. En su opinión, verso era plano y estaba dominado por no hay razón por la que la constante materia, ha muerto. El universo o es deba tomar un valor determinado; lo abierto o está lleno de una energía de toma, simplemente. Aunque este origen desconocido. Aunque creo que argumento pudiera ser cierto, no se las observaciones apuntan en favor han agotado otras posibilidades, que del segundo estado de cosas, ambos podrían restringir el valor de la cons- impondrían una visión de la física tante mediante una teoría fun- radicalmente nueva. damental y no por un accidente his- tórico. E n otra línea de investigación milita la tradición iniciada por Dirac. Argumentaba que se ha medido un número grande del universo, su edad (o, equivalentemente, su ta- BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA maño). Si ciertas magnitudes físicas DREAMS OF A FINAL THEORY. Steven Wein- cambiasen con el tiempo hoy podrían berg, Pantheon Books, 1992. ser o muy grandes o muy pequeñas. PRINCIPLES OF PHYSICAL COSMOLOGY. P. La constante cosmológica podría ser James E. Peebles. Princeton University uno de esos casos. Podría, en efecto, Press, 1993. no ser constante. Al fin y al cabo, si BEFORE THE BEGINNING: OUR UNIVERSE la constante cosmológica es fija y no AND O THERS . Martin Rees. Addison- Wesley, 1997. vale cero, es que estamos viviendo en THE AGE OF GLOBULAR CLUSTERS IN LIGHT el primer y único momento de la his- OF HIPPARCOS: RESOLVING THE AGE PRO- toria cósmica en el que la densidad BLEM? Brian Chaboyer, Pierre Demarque, de materia, que disminuye con la Peter J. Kernan y Lawrence M. Krauss en expansión del universo, es equipa- Astrophysical Journal, vol. 494, n.o 1, rable a la energía almacenada en el págs. 96-110, 10 de febrero de 1998. Pre- espacio vacío. ¿Por qué esa coin- publicación disponible en xxx.lanl.gov/ cidencia? Ciertos grupos, en cambio, abs/astro-ph/9706128, de la World Wide Web. han imaginado que alguna forma de THE END OF THE AGE PROBLEM, AND THE energía cósmica imita una constante CASE FOR A COSMOLOGICAL CONSTANT cosmológica, aunque varía con el REVISITED. Lawrence M. Krauss en As- tiempo. trophysical Journal, vol. 501, n.o 2, pági- Se adentraron por esa senda P. Ja- nas 461-466, 10 de julio. Prepublicación mes Peebles y Bharat V. Ratra, hace disponible en xxx.lanl.gov/abs/astro- diez años. Movidos por los nuevos ph/9706227, de la World Wide Web. LIVING WITH LAMBDA. J. D. Cohn. Pre- hallazgos sobre las supernovas, otros publicación disponible en xxx.lanl.gov/ grupos han resucitado la idea. Algu- abs/astro-ph/9807128, de la World Wide nos se han inspirado en los concep- Web. tos de la teoría de cuerdas. Robert PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 39 El sino de la vida en el universo Hace miles de millones de años, el universo, demasiado caliente entonces, no podía albergar la vida. Llegará un momento en que se habrá hecho tan frío y ralo, que la vida, por muy inteligente que sea, perecerá Lawrence M. Krauss y Glenn D. Starkman L a vida eterna es creencia cen- vestigio de nuestra civilización actual del universo en los años veinte aquietó tral en muchas religiones. A o futura. A primera vista, la expan- esa ansiedad, porque la expansión menudo se la asocia a un Val- sión perpetua es motivo de optimismo. impide que el universo alcance tal halla espiritual, una existencia sin ¿Qué podría impedir que una civili- equilibrio, Pero pocos cosmólogos de- dolor, muerte, preocupaciones o ma- zación avanzada explotara recursos rivaron otras consecuencias para la les, un mundo distinto de la realidad sin término para sobrevivir indefi- vida en un universo en expansión física. Pero existe otra clase de vida nidamente? indefinida, hasta que en 1979 apa- eterna que anhelamos, una en el reino Ahora bien, la vida medra con ener- reció el artículo hoy clásico del físico temporal. Escribía Charles Darwin gía e información. Y, de acuerdo con Freeman Dyson, del Instituto de en el epílogo de su libro Sobre el ori- propuestas muy generales, sólo pue- Estudios Avanzados de Princeton, a gen de las especies: “Puesto que todas den acumularse cantidades finitas su vez motivado por un trabajo ante- las formas de vida presentes son des- de energía y de información incluso rior de Jamal Islam, actualmente en cendientes por línea directa de las durante un tiempo infinito. Para que la Universidad de Chittagong, en que vivieron antes del período Cám- la vida persistiera, tendría que desen- Bangladesh. Desde el artículo de Dy- brico, podemos estar seguros de que volverse con menguantes recursos y son, los físicos y los astrónomos han la sucesión ordinaria por generación un conocimiento limitado. Hemos lle- vuelto una y otra vez sobre el tema. no se ha cortado nunca… Por tanto, gado a la conclusión de que ninguna Hace un año, espoleados por recien- podemos contemplar con alguna con- forma significativa de conciencia tes observaciones que apuntan un fianza la seguridad de un dilatado puede existir para siempre bajo estas futuro a largo plazo del universo radi- futuro.” condiciones. calmente diferente del que hasta El Sol acabará por agotar su reserva ahora se había imaginado, decidimos de hidrógeno. La vida tal como la Los desiertos considerar el asunto de nuevo. conocemos en nuestro planeta ter- de la vasta eternidad Durante los últimos 12.000 millo- minará. Pero la raza humana se amolda. Nuestra descendencia bus- cará nuevos hogares, propagándose D urante el siglo pasado, la escato- logía científica —doctrina sobre el sino del mundo— ha oscilado entre nes de años, más o menos, el universo ha atravesado varias etapas. En los tiempos más antiguos era increíble- por todos los rincones del universo de el optimismo y el pesimismo. No mente caliente y denso. Gradualmen- la misma suerte que los organismos mucho después de la confiada predic- te, se expandió y se enfrió. Durante han colonizado todos los nichos posi- ción de Darwin, los científicos de la cientos de miles de años, la radiación bles en la Tierra. La muerte y el mal época victoriana comenzaron a preo- imperaba; se cree que el célebre fondo se cobrarán su tributo; quizá persis- cuparse por la “muerte térmica”, en cósmico de microondas es un vesti- tan dolor y angustia, aunque nues- la que el cosmos entero llegaría a una gio de esa era. Luego comenzó a domi- tra progenie sabrá sobrellevarlos. temperatura constante por doquier, nar la materia. Se erigieron estruc- O tal vez no. Los científicos andan volviéndose incapaz de cambiar. turas astronómicas cada vez mayores. lejos de entender las bases físicas de El descubrimiento de la expansión Ahora, si las recientes observaciones la vida y el devenir del universo; pese a ello, pueden aventurar algunas hipótesis razonables sobre el destino 1. LOS HITOS EN EL CAMINO A LA ETERNIDAD comienzan con el estallido inicial y pasan de los seres vivos. Las observaciones por el nacimiento y muerte de las estrellas (línea del tiempo al pie). A medida que se extin- cosmológicas actuales indican que el gan las últimas estrellas, los seres inteligentes necesitarán nuevas fuentes de energía, ta- universo continuará expandiéndose les como las cuerdas cósmicas (arriba). Lamentablemente, los procesos naturales —tales por siempre, en vez de crecer hasta como los brotes de agujeros negros— roerán estas concentraciones lineales de energía, un tamaño máximo para luego con- forzando finalmente a las forma de vida a que se busquen otro sustento, si es que pueden traerse, según se pensaba antes. encontrarlo. Como los procesos que rigen el universo actúan en escalas de tiempo que va- Por tanto, no estamos condenados rían ampliamente, es mejor representar la línea del tiempo en escala logarítmica. Si el uni- a perecer en una violenta “gran implo- verso se está expandiendo a un ritmo acelerado, otros efectos (mostrados en azul sobre la sión” en la que se borrara cualquier línea del tiempo) volverán la vida aún más miserable. 40 TEMAS 33 SLIM FILMS / FUENTE: FRED C. ADAMS, GREGORY LAUGHLIN, LAWRENCE M. KRAUSS Y GLENN D. STARKMAN; MARK CLEMENS (línea del tiempo) El espacio y el tiempo se separan Inflación cósmica 10–44 segundos transcurridos 10–28 segundos transcurridos desde la gran explosión desde la gran explosión DON DIXON Y GEORGE MUSSER UNIVERSO OBSERVABLE CUMULO GALACTICO AGUJERO NEGRO DOMINIOS ESFERA DE REFERENCIA TIEMPO 2. LA ESTRATEGIA DE RECOLECCION DE ENERGIA ideada por el fí- convertir materia —aprehendida de sus dominios (esfera verde)— sico Steven Frautschi ilustra lo difícil que será sobrevivir en el fu- en energía. Pero conforme crecen sus dominios, aumenta el coste turo lejano, dentro de unos 10100 años. En muchas situaciones cos- de incautar nuevo territorio; la conquista apenas si puede mante- mológicas, los recursos se multiplican a medida que el universo —y ner el ritmo de dilución de la materia. De hecho, la materia se en- cualquier esfera de referencia arbitraria en él (esfera azul)— se ex- rarecerá hasta el punto de que la civilización no será capaz de cons- pande y se vuelve observable una fracción suya cada vez mayor truir sin peligro un agujero negro suficientemente grande como para (esfera roja). Una civilización podría utilizar un agujero negro para repescarla. cosmológicas son correctas, la expan- la materia ordinaria y exótica, la lenta necesariamente la falta de recursos, sión del universo empieza a acele- evaporación de los agujeros negros. sino la dificultad de reunirlos. rarse, una señal de que un extraño Suponiendo que la vida inteligente La culpa la tiene lo mismo que nos tipo nuevo de energía, quizá prove- pueda adaptarse a las cambiantes permite considerar la subsistencia niente del espacio mismo, está impo- circunstancias, ¿a qué límites funda- eterna: la expansión del universo. A niéndose. mentales se enfrenta? En un universo medida que el universo crece en La vida tal como la conocemos de- eterno, potencialmente de volumen tamaño, mengua la densidad media pende de las estrellas. Pero las estre- infinito, cabría esperar que una civi- de las fuentes ordinarias de energía. llas mueren sin remedio; su tasa de lización avanzada pudiera hacer aco- Si se duplica el radio del universo se nacimiento ha disminuido aparato- pio de una cantidad infinita de mate- divide por ocho la densidad de áto- samente tras un apogeo inicial hace ria, energía e información. mos. Para las ondas luminosas, la unos 10.000 millones de años. Dentro Sorprendentemente, eso no es cier- disminución es aún más aguda; en de unos 100 billones de años, la última to. Incluso tras una eternidad de duro cada duplicación del radio su densi- estrella formada según las pautas y bien planificado quehacer, los seres dad de energía decrece por un factor conocidas languidecerá, y comenza- vivos sólo llegarían a acumular un 16 porque la expansión las estira y rá una nueva era. Ciertos procesos, número finito de partículas, una can- por ello agota su energía. demasiado lentos hoy para reparar tidad finita de energía y un número Como resultado de esta dilución, el en ellos, adquirirán protagonismo: la finito de bits de información. Para recolectar recursos consume cada vez dispersión de los sistemas planeta- mayor frustración, el número de par- más tiempo. Los seres inteligentes rios por encuentros cercanos entre tículas, ergios y bits disponibles puede tienen dos estrategias bien claras: o estrellas, el posible decaimiento de crecer sin límite. El problema no es dejar que el material les llegue o tra- Aparece el electromagnetismo Se crean los núcleos atómicos 10–11 segundos transcurridos desde la gran explosión 10 –5 años 42 TEMAS 33  TAMAÑO RELATIVO DEL UNIVERSO 0,001 0,01 0,1 1 10100 10–18 DENSIDAD (gramos equivalentes 10–21 3. LA DILUCION del cosmos por la expansión del espacio afecta de por centímetro cúbico) MATERIA 10–24 manera diferente a las diversas formas de energía. La materia or- RADIACION dinaria (naranja) se enrarece en proporción directa al volumen, COSMICA DE FONDO mientras que la radiación cósmica de fondo (violeta) escasea con 10–27 AHORA más rapidez aún a medida que la luz se estira hasta las microon- das y más allá todavía. La densidad de energía representada por LAURIE GRACE Y GEORGE MUSSER CONSTANTE COSMOLOGICA 10–30 una constante cosmológica (azul) no cambia, según las teorías ac- tuales. 10–33 10–36 105 106 107 108 109 1010 1011 EDAD (años) tar de recolectarlo ellos. En el primer ahora que esta situación contradice Frautschi había pensado. El tamaño caso, la mejor decisión a largo plazo las observaciones. Y no está exenta de del agujero negro necesario para reco- es dejar que la gravedad actúe. De dificultades: tras unos 1033 años, la ger energía indefinidamente supera todas las fuerzas de la naturaleza, sólo materia accesible se encontrará tan el tamaño del universo visible. la gravedad y el electromagnetismo concentrada, que la mayor parte se La dilución cósmica de la energía pueden atraer las cosas desde dis- colapsará en agujeros negros, lleván- es un verdadero aprieto si el universo tancias arbitrariamente grandes. dose cualquier forma de vida. Encon- se expande con una celeridad cada vez Pero el electromagnetismo sufre trarse dentro de un agujero negro no mayor. Todos los objetos remotos que apantallamiento: las partículas car- es una condición agradable. En la aún percibimos acabarán por alejarse gadas con signo opuesto se contra- Tierra, todos los caminos llevan a de nosotros más rápido que la velo- rrestan entre sí. Un objeto típico del Roma, pero dentro de un agujero negro cidad de la luz y, al ocurrir eso, desa- universo es neutro y, por tanto, todos los caminos llevan en un plazo parecerán de nuestra vista. Los recur- inmune a las fuerzas eléctricas y mag- finito de tiempo al centro del agujero, sos totales a nuestra disposición están néticas de largo alcance. La gravedad, donde la muerte y la desmembración por tanto limitados a lo que podamos por contra, no puede apantallarse, sobrevienen indefectiblemente. ver hoy, como máximo. porque las partículas de materia y la Por desgracia, ninguna estrategia No todas las formas de energía están radiación sólo se atraen gravitato- de búsqueda activa de recursos sale sujetas en igual medida a la dilución. riamente; no se repelen. mejor parada que la pasiva. La expan- El universo podría, por ejemplo, estar sión del universo se lleva energía repleto de una red de cuerdas cósmi- Rendirse al vacío cinética, de manera que los recolec- cas (concentraciones de energía infi- P ero hasta la gravedad debe riva- lizar con la expansión del universo, que separa los objetos y debilita con tores tendrían que largar por la borda su botín para mantener su velocidad. Incluso en la situación más optimista nitamente largas y delgadas que podrían haber aparecido al tiempo que el universo primigenio se enfriaba ello su atracción mutua. En todas las (en la que la energía viaja camino del desigualmente). La energía por uni- circunstancias, salvo en una, la gra- recolector a la velocidad de la luz y dad de longitud de una cuerda cósmica vedad acaba por resultar incapaz de se recoge sin pérdidas) una civiliza- permanece constante a pesar de la acumular grandes cantidades de ma- ción podría hacer acopio de una can- expansión del universo. Los seres inte- teria. De hecho, puede que nuestro tidad ilimitada de energía sólo den- ligentes podrían intentar cortar una universo haya alcanzado ya esta con- tro o cerca de un agujero negro. Esta cuerda, congregarse en torno a los dición; quizá los cúmulos de galaxias última posibilidad fue estudiada por extremos seccionados y comenzar a sean los mayores objetos que la gra- Steven Frautschi, del Instituto de consumir la energía. Si la red de cuer- vedad consiga mantener juntos. La Tecnología de California, en 1982. das fuera infinita, podrían albergar única excepción acaece si el universo Concluyó que la energía disponible la esperanza de satisfacer su apetito se encuentra justo en equilibrio entre de los agujeros disminuiría más veloz- para siempre. El problema de esta la expansión y la contracción, en cuyo mente que lo que cuesta recogerla. estrategia es que lo que cualquier caso la gravedad continúa indefini- Hace poco volvimos a examinar esta forma de vida pueda hacer, lo pueden damente acumulando cantidades de posibilidad y encontramos que los hacer también los procesos naturales. materia cada vez mayores. Pero se cree apuros serían aún mayores de lo que Si una civilización llegara a inge- 5∞109: Se acaba la inflación; comienza a decrecer la fracción observable del universo 1,5∞1010: Se extingue el Sol El universo se enfría a la temperatura de Gibbons-Hawking Se forman las primeras estrellas Las galaxias allende el cúmulo local se vuelven invisibles Se forman átomos neutros Nace el Sol Se detiene la formación Los planetas se disocian de estrellas de las estrellas 105 106 3∞109 7∞1011 5∞1012 1014 1015 AHORA PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 43 niárselas para cortar cuerdas cósmi- cas, la red de cuerdas se desmem- El peor de los universos posibles braría; podrían, por ejemplo, apare- cer espontáneamente agujeros negros e entre todas las situaciones de un universo en eterna expansión, la más en las cuerdas que los devoraran. Por tanto, los seres sólo podrían usufruc- D desoladora es la que está dominada por la llamada constante cosmológica. No sólo se haría irremediable que en ese universo la vida se acabe, sino que, tuar una cantidad finita de cuerda además, la calidad de vida se deterioraría rápidamente. De corroborarse las hasta encontrar otro extremo cortado. recientes observaciones que indican que la expansión se está acelerando, el La entera red de cuerdas acabaría por futuro que nos espera se presenta lúgubre. desaparecer, dejando desamparada a La expansión cósmica se lleva los objetos, apartándolos entre sí a no ser que la civilización. queden sujetos por la gravedad u otra fuerza. En nuestro caso, la Vía Láctea ¿Qué hay de la extracción del vacío forma parte de un cúmulo de galaxias mayor. Este cúmulo, cuya sección es de cuántico? Después de todo, la acele- unos 10 millones de años-luz, permanece como una entidad cohesionada, mien- ración cósmica puede estar acciona- tras que las galaxias exteriores al mismo son barridas a medida que se expande da por la llamada constante cosmoló- el espacio intergaláctico. La velocidad relativa de estas galaxias remotas es pro- gica, una forma de energía que no se porcional a su distancia. Más allá de una cierta distancia llamada horizonte, la diluye a medida que el universo se velocidad excede a la de la luz (lo cual no contradice la teoría de la relatividad, expande. De ser así, el espacio vacío porque es la expansión del espacio mismo la que imparte esa velocidad). Más estaría lleno de un extraño tipo de ra- lejos no se puede ver nada. diación, llamada radiación de Gib- Si el universo tiene una constante cosmológica de valor positivo, como apun- bons-Hawking o de de Sitter. Lamen- tan las observaciones, la expansión se está acelerando: las galaxias están tablemente, es imposible extraer empezando a separarse cada vez más rápido. Su velocidad sigue siendo pro- energía de esta radiación para reali- porcional a su distancia, pero la constante de proporcionalidad permanece inal- zar trabajo útil. Si el vacío proporcio- terada en vez de disminuir con el tiempo, como ocurre si el universo se dece- nara energía, caería a un estado de lera. Consecuentemente, las galaxias que ahora se encuentran más allá de nuestro energía más bajo, pero el vacío ya es horizonte quedarán para siempre fuera de nuestra vista. Incluso las galaxias el estado de energía más bajo que que ahora vemos (excepto las de nuestro cúmulo local) acabarán por adquirir existe. la velocidad de la luz y desaparecer de nuestra vista. La aceleración, que guarda Con independencia de lo inteligen- un parecido con la inflación del universo en sus etapas más tempranas, comenzó tes que seamos y de lo cooperativo que cuando el cosmos tenía aproximadamente la mitad de la edad actual. se muestre el universo, algún día nos La desaparición de las galaxias lejanas será gradual. Su luz se estirará hasta tendremos que enfrentar a la limi- que se vuelva indetectable. Conforme pase el tiempo, disminuirá la cantidad de materia que podamos ver, y el número de mundos que nuestras naves espa- tación de los recursos disponibles. ciales puedan alcanzar irá menguando. Dentro de dos billones de años, mucho Incluso así, ¿hay alguna manera de antes de que muera la última de las estrellas del universo, ya no serán obser- resistir indefinidamente? vables ni accesibles ninguno de los objetos que no pertenezcan a nuestro pro- La estrategia obvia consiste en no pio cúmulo de galaxias. No habrá más mundos que conquistar, literalmente. crearse necesidades, un ardid que Estaremos realmente solos en el universo. Dyson examinó cuantitativamente. Para reducir el consumo de energía —L.M.K. y G.D.S. y mantenerlo restringido a pesar de los trajines, tendríamos que acabar por reducir la temperatura corporal. Se podría especular sobre humanos producto de la ingeniería genética que se mantuvieran a temperaturas algo por debajo de los 37 grados C. sino que puede tomar cuerpo en una algún día nuestros entes conscientes. Pero la temperatura corporal del multitud de formas diferentes, desde Estos nuevos “cuerpos” funcionarán cuerpo humano no puede reducirse cyborgs hasta nubes interestelares a temperaturas más frías y a tasas arbitrariamente; la temperatura de conscientes. Muchos filósofos y gno- metabólicas más bajas, esto es, a tasas congelación de la sangre es un límite seólogos modernos consideran que el más bajas de consumo energético. firmemente establecido. Cabría, en pensamiento consciente es un proceso Dyson demostró que, si los organis- opción alternativa, despojarnos por que un ordenador podría llevar a cabo. mos pudieran frenar su metabolismo entero de nuestros cuerpos. No es necesario que nos preocupemos a medida que el universo se enfría, Por futurística que pueda parecer, aquí de los detalles (lo cual resulta podrían componérselas para consu- la idea de desprendernos de nuestros apropiado, pues no estamos en dis- mir una cantidad total de energía finita cuerpos no presenta dificultades fun- posición de hacerlo). Todavía dispo- durante toda la eternidad. Aunque las damentales. Sólo supone que la cons- nemos de muchos miles de millones temperaturas más bajas también fre- ciencia no está ligada a un conjunto de años para diseñar nuevas encar- narían la consciencia (el número de particular de moléculas orgánicas, naciones físicas a las que transferir pensamientos por segundo), la tasa Los agujeros negros consumen las galaxias Se acaba el combustible galáctico, a la actual tasa de consumo 1030 1037 años transcurridos desde la gran explosión 44 TEMAS 33  DON DIXON Y GEORGE MUSSER UNIVERSO OBSERVABLE CUMULO GALACTICO TIEMPO ESFERA DE REFERENCIA TIEMPO 4. EL UNIVERSO EN EXPANSION tiene un aspecto completamen- lumen limitado, que crece invariablemente a medida que les da te diferente si el crecimiento se decelera (secuencia superior) o tiempo de propagarse a las señales luminosas (esfera roja). Si la si se acelera (secuencia inferior). En ambos casos, el universo es expansión se decelera, podemos observar una fracción del cos- infinito, pero cualquier porción del espacio —demarcada por una mos cada vez mayor. Más y más galaxias llenarán el cielo. Pero si esfera de referencia que representa la distancia a ciertas gala- la expansión está acelerándose, veremos una fracción del cos- xias— se hace mayor (esfera azul). Sólo podemos observar un vo- mos cada vez menor. El espacio parece vaciarse. seguiría siendo suficientemente gran- ticas del infinito retan tal intuición. damente 100 watt. A –118 grados C, de para que el número total de pen- Para que un organismo mantuviera un organismo de complejidad equi- samientos fuera, en principio, ilimita- el mismo grado de complejidad, argüía valente podría pensar a la mitad de do. En breve, los seres inteligentes Dyson, su velocidad de procesamien- velocidad, pero gastaría una cuarta podrían sobrevivir para siempre, no to de información debe ser direc- parte de la potencia. La transacción sólo en tiempo absoluto sino también tamente proporcional a la tempera- es aceptable porque los procesos físi- en tiempo subjetivo. Siempre que se tura corporal, mientras que la tasa cos del ambiente aminoran su ritmo les garantizara a los organismos un de consumo de energía es proporcio- en proporción equivalente. número infinito de pensamientos, no nal al cuadrado de la temperatura les importaría llevar una vida con un (el factor adicional de la temperatura Morir, dormir ritmo lánguido. Cuando se dispone de miles de millones de años por delante, ¿a qué vienen las prisas? resulta de la termodinámica básica). Por tanto, los requerimientos de ener- gía se reducen más rápidamente que L amentablemente, hay truco. La mayor parte de la energía se di- sipa en forma de calor, que debe es- A primera vista, diríase que eso se la agudeza cognitiva. A 37 grados C, capar (usualmente por radiación) consigue de balde. Pero las matemá- el cuerpo humano gasta aproxima- para que el objeto no se caliente. La El efecto túnel cuántico licua la materia 1065 PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 45 LAURIE GRACE Y GEORGE MUSSER SIN HIBERNACION CON HIBERNACION 1 102 1 102 1 VELOCIDAD 1 10–3 TASA MAXIMA 10–3 DE RACIO- VELOCIDAD DE RACIOCINIO VELOCIDAD DE RACIOCINIO DE DISIPACION DE CALOR (pensamientos por segundo) (pensamientos por segundo) 10–3 CINIO 10–3 10–6 10–6 VELOCIDAD 10–6 10–6 10–9 10–9 POTENCIA (watt) POTENCIA (watt) DE RACIOCINIO 10–9 TASA MAXIMA 10–9 10–12 10–12 DE DISIPACION 10–12 DE CALOR 10–12 10–15 10–15 TASA METABOLICA 10–15 10–15 10–18 10–18 10–18 10–21 TASA 10–18 10–21 10–21 METABOLICA 10–21 10–24 10–24 10–24 10–24 10–27 10–27 10–30 10–27 10–30 10–27 10–30 10–30 310 101 10–1 10–3 10–5 10–7 10–9 10–11 10–13 310 101 10–1 10–3 10–5 10–7 10–9 10–11 10–13 TEMPERATURA (kelvin) TEMPERATURA (kelvin) 5. ¿VIDA ETERNA CON ENERGIA FINITA? Si una nueva forma de hibernación (gráfico de la derecha) podría eliminar el problema de vida pudiera reducir su temperatura corporal por debajo del valor la expulsión de calor. A medida que la forma de vida se enfriase, de los 37 grados C, consumiría menos energía, aunque a costa de pasaría dormida una fracción de tiempo cada vez mayor, redu- un raciocinio más lánguido (gráfico de la izquierda). Como el me- ciendo aún más su tasa metabólica promedio y su velocidad de tabolismo decaería más velozmente que el raciocinio, la forma de raciocinio. De esta manera, el consumo de potencia se podría man- vida podría arreglárselas para concebir un número infinito de pen- tener siempre por debajo de la tasa máxima de disipación de ca- samientos con recursos limitados. Pero con la reserva de que su lor, a la vez que permitiría un número infinito de pensamientos. Pe- capacidad para disipar el calor residual también disminuiría, im- ro este ardid se vería desbaratado por otros problemas, como los pidiendo que se pudiera enfriar por debajo de los 10 –13 kelvin. La límites cuánticos. piel humana, por ejemplo, brilla en tener un número infinito de pensa- ren relojes despertadores para des- el infrarrojo. A temperaturas muy mientos. Dyson concluyó que efecti- pabilar a los organismos periódica- bajas, el radiador más eficiente sería vamente la vida eterna era posible. mente. Estos relojes tendrían que un gas diluido de electrones. Pero in- Desde aquel artículo original de operar con precisión durante lapsos cluso la eficiencia de este radiador 1979, se le han visto varias pegas a cada vez más largos con energías cada óptimo decrece con el cubo de la tem- este plan. Para empezar, Dyson con- vez menores. La mecánica cuántica peratura, más velozmente que la cedió que la temperatura media del nos dicta que tal cosa es imposible. disminución de la tasa metabólica. espacio profundo (actualmente 2,7 kel- Considérese, por ejemplo, un des- Llegaría un momento en que los or- vin, como impone el fondo cósmico de pertador que consista en dos peque- ganismos no podrían reducir más radiación de microondas) disminui- ñas bolas que se separen lo suficiente, su temperatura. Se verían forzados ría sin cesar a medida que el universo se apunte luego la una hacia la otra irremediablemente a reducir su com- se expande, de manera que los orga- y se suelten. Cuando chocan, suena plejidad, esto es, a volverse más ne- nismos podrían continuar reduciendo un timbre. Para alargar el tiempo cios. En poco tiempo, no podrían ser su temperatura indefinidamente. entre los timbrazos, los organismos siquiera considerados inteligentes. Pero si el universo posee una cons- soltarían las bolas a velocidades cada Para los tímidos, esto podría pare- tante cosmológica, la temperatura vez menores. El reloj acabará por cer el final. Mas para compensar la tiene un mínimo absoluto fijado por enfrentarse a las limitaciones del ineficiencia de los radiadores, Dyson la radiación de Gibbons-Hawking. principio de indeterminación de Hei- concibió una audaz estrategia de Para las estimaciones actuales del senberg, que impide que la velocidad hibernación. Los organismos sólo valor de la constante cosmológica, es- y la posición de las bolas se especifi- pasarían despiertos una pequeña frac- ta radiación presenta una tempera- que a la vez con una precisión arbi- ción de su tiempo. Mientras durmie- tura efectiva de unos 10–29 kelvin. Co- traria. Si la una o la otra son suficien- ran, sus ritmos metabólicos decaerían, mo señalaron los cosmólogos J. Richard temente imprecisas, el despertador pero —y esto es crucial— seguirían Gott II, John Barrow, Frank Tipler, no funcionará, y la hibernación se disipando calor. De esta manera, con- cada uno por su parte, y nosotros mis- convertirá en el descanso eterno. seguirían una temperatura corporal mos, una vez que los organismos se Podrían imaginarse otros desper- media todavía más baja. Entregados hubieran enfriado hasta este nivel, tadores que permanecieran para a la latencia una fracción cada vez no podrían continuar reduciendo su siempre por encima de los límites mayor de su tiempo, podrían consu- temperatura para consumir menos cuánticos y quedaran incluso inte- mir una cantidad finita de energía y, energía. grados en el mismo organismo. No sin embargo, existir para siempre y Una segunda dificultad: se requie- obstante, a nadie se le ha ocurrido Los electrones y los positrones se combinan formando una nueva clase de materia Se evaporan los agujeros negros galácticos 1085 años desde la gran explosión 1098 46 TEMAS 33 todavía ningún mecanismo especí- Dyson no se rinde. En su correspon- fico fiable que pueda despertar a un dencia con nosotros, ha sugerido que organismo consumiendo además una la vida puede soslayar los límites cantidad finita de energía. cuánticos de la energía y la infor- La tercera duda, y la más general, mación, por ejemplo creciendo en sobre la viabilidad de la vida inteli- tamaño o empleando diferentes tipos gente a largo plazo tiene que ver con de memoria. En sus propias palabras, las limitaciones fundamentales de la la cuestión reside en si la vida es computación. Los informáticos pen- “analógica” o “digital”, esto es, si es saban que era imposible calcular sin la física del continuo o la física cuán- gastar una cantidad mínima de ener- tica la que impone sus límites. gía por operación, una cantidad que Nosotros creemos que a largo plazo es directamente proporcional a la la vida es digital. temperatura del ordenador. Luego, a ¿Queda alguna otra esperanza para principios de los ochenta, los investi- la vida eterna? La mecánica cuán- gadores se dieron cuenta de que cier- tica, que, en nuestra opinión, impone tos procesos físicos, así los efectos un límite ineludible a la vida, puede cuánticos o el movimiento browniano acudir en su auxilio de otra guisa. de una partícula en un fluido, podrían Por ejemplo, si la mecánica cuántica servir de base para un ordenador sin de la gravedad permite la existencia pérdidas. Tales ordenadores fun- de agujeros de gusano estables, las cionarían con una cantidad de ener- formas de vida podrían soslayar las gía arbitrariamente pequeña. Para barreras levantadas por la velocidad emplear menos, irían más lentos (un de la luz, visitar partes del universo compromiso que los organismos eter- que de otra manera serían inaccesi- nos pueden llegar a satisfacer). Sólo bles y recoger cantidades infinitas de hay dos condiciones. La primera, los energía e información. O quizá pudie- computadores deben permanecer en ran construir universos “bebé” y equilibrio térmico con su entorno. La enviarse a sí mismos, o al menos un segunda, nunca deben borrar infor- conjunto de instrucciones para recons- mación. Si lo hicieran, la computación tituirse a sí mismos, hasta el uni- se volvería irreversible. Según las le- verso bebé. De esta manera, la vida yes de la termodinámica un proceso podría perpetuarse. irreversible debe disipar energía. En cualquier caso, los límites de- Desafortunadamente, estas condi- finitivos de la vida sólo se volverán ciones son imposibles de cumplir en significativos a escalas de tiempo un universo en expansión. Conforme realmente cósmicas. Aun así, para la energía cósmica se diluye y se estira algunos puede resultar perturbador la longitud de onda de la luz, los orga- que la vida, en su encarnación física, nismos se vuelven incapaces de emi- deba tener un final. Mas para noso- tir o absorber la radiación que nece- tros resulta notable que, incluso con sitarían para establecer un equilibrio nuestro limitado conocimiento, poda- térmico con sus alrededores. Y con una mos extraer conclusiones hasta de cantidad finita de materia a su dis- asuntos tan subidos. Quizás el cono- posición, y por tanto una memoria cer nuestro fascinante universo y finita, finalmente tendrían que olvi- nuestro destino en él sea un don dar un pensamiento viejo para poder mayor que la capacidad de morar en concebir uno nuevo. él para siempre. ¿Qué clase de existencia perpetua podrían tener esos organismos, si- quiera en principio? Podrían reunir BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA sólo un número finito de partículas y una cantidad finita de información. THE LAST THREE MINUTES: CONJECTURES Esas partículas y bits sólo podrían ABOUT THE ULTIMATE FATE OF THE UNI- configurarse en un número finito de VERSE. Paul C. W. Davies. HarperCollins, maneras. Como los pensamientos son 1997. la reorganización de la información, THE FIVE AGES OF THE UNIVERSE: INSIDE THE PHYSICS OF ETERNITY. Fred Adams y una información finita implica un Greg Laughlin. Free Press, 1999. número finito de pensamientos. Todo QUINTESSENCE: THE MISTERY OF THE MIS- lo que acabarían haciendo los orga- SING MASS. Lawrence M. Krauss. Basic nismos sería rememorar el pasado, Books, 1999. meditando los mismos pensamientos LIFE, THE UNIVERSE AND NOTHING: LIFE una y otra vez. La eternidad se con- AND DEATH IN AN EVER-EXPANDING UNI- vertiría en una prisión, en vez de en VERSE. Lawrence M. Krauss y Glenn D. un horizonte cada vez más amplio Starkman en Astrophysical Journal, vol. 531, págs. 22-30; 2000. También dispo- para la creatividad y el descubri- nible en Internet en xxx.lanl.gov/abs/ miento. Puede que fuera el nirvana; astro-pli/9902189. pero ¿sería realmente vida? PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 47 El universo y su quintaesencia El universo aparece gobernado por un campo de energía invisible, agente de su expansión acelerada Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt ¿N o hay nada más que decir? ¿Entendemos el cosmos, salvo detalles nimios? Tal parecía, escasos años atrás. Después la gravedad repulsiva. Poco a poco va venciendo a la fuerza atractiva de la materia común; en virtud de ello, provoca que el universo se acelere Muchos cosmólogos, no obstante, se inclinan ahora por otra idea distinta, conocida como “quintaesencia”. La traducción sería “el quinto elemento”, de un siglo de acalorados debates, la continuamente a ritmos de expan- en alusión a la filosofía griega, que ciencia había llegado a un cuerpo de sión cada vez mayores, conducién- describía un universo formado por doctrina comúnmente admitido so- dolo quizás hacia una nueva fase los “elementos” tierra, aire, fuego y bre las líneas esenciales de la his- inflacionaria y hacia un futuro total- agua, más una sustancia sutil que toria del universo. Todo comenzaría mente diferente del que los cosmólo- impediría que la Luna y los planetas con gas y radiación sometidos a tem- gos imaginaban diez años atrás. se desplomaran sobre el centro de la peraturas y densidades altísimas. Se Hasta hace poco, la ciencia se había esfera celeste. En 1998, Robert R. irían expandiendo y enfriando a lo centrado en confirmar la existencia Caldwell, Rahul Dave y uno de los largo de 15.000 millones de años. Las de la energía oscura. Su atención se autores (Steinhardt), entonces en la galaxias y otras estructuras com- dirige ahora hacia un problema más Universidad de Pennsylvania, adop- plejas se desarrollarían a partir de profundo: ¿de dónde viene esa ener- tamos el término con otro significado: unas semillas microscópicas —las gía? Lo más plausible es que sea in- un campo cuántico y dinámico, no fluctuaciones cuánticas—, estirán- herente a la construcción del espa- distinto de los campos eléctricos o dose hasta un tamaño cósmico en un cio. Aun cuando cierto volumen del magnéticos, que repele gravitatoria- período breve de “inflación”. Sólo una espacio estuviera vacío del todo —sin mente. pequeña fracción de la materia esta- ningún residuo de materia o radia- En la quintaesencia lo que los cos- ría formada por los elementos quí- ción— seguiría alojando la energía en mólogos encuentran fascinante es su micos de nuestra experiencia diaria. cuestión. Esta constituye una noción dinamismo. Toda teoría de la ener- En su proporción mayor se hallaría respetable desde Albert Einstein y gía oscura halla su principal reto en constituida por materia oscura, par- su intento, en 1917, de elaborar un la justificación de la cantidad nece- tículas elementales exóticas que no modelo estático del universo. Igual saria de la misma; no excesiva, que interactúan con la luz. Pese a los mis- que Isaac Newton y otros científicos impediría la formación de estrellas y terios por resolver, tal sería, a gran- eximios, Einstein creía en un univer- galaxias, aunque sí la suficiente para des trazos, el cuadro. so inalterable, sin contracción ni ex- que sus efectos se sientan todavía O eso era lo que pensábamos. Pero pansión. Para establecer su teoría de hoy. La energía de vacío es comple- resulta que nos habíamos perdido la la relatividad general, tuvo que incluir mayor parte de la historia. En los una energía de vacío o, por emplear últimos cinco años las observaciones su terminología, una constante cos- han convencido a los cosmólogos de mológica. Ajustó el valor de la cons- que los elementos químicos y la mate- tante de suerte tal, que la repulsión ria oscura, en conjunto, constituyen gravitatoria se viera exactamente menos de la mitad del contenido del compensada con la atracción gravi- universo. El grueso se lo lleva una tatoria de la materia. “energía oscura” omnipresente, do- Más tarde, cuando los astrónomos tada de una curiosa propiedad: su establecieron la expansión del cos- gravedad no ejerce una fuerza de mos, Einstein se arrepintió de su deli- atracción. Repele. Por la gravedad, cado ajuste artificial. Lo consideró elementos químicos y materia oscura su mayor error. Pero quizá su duro se ven forzados a crear estrellas y juicio pecó de apresuramiento. Si la galaxias; por su gravedad repulsiva constante cosmológica tuviera un la energía oscura forma una neblina valor ligeramente mayor del que Ein- 1. UN NUEVO DOMINIO. A escalas en las casi homogénea que baña el espacio. stein propuso, la repulsión supera- que las propias galaxias son pequeños bo- El universo es un campo de bata- ría a la atracción de la materia y se caditos, parece reinar una gran “energía lla entre dos tendencias, donde triunfa aceleraría la expansión cósmica. oscura”. 48 TEMAS 33 DON DIXON  JANA BRENNING 0,0 1999]. Pero semejante interpretación quedó descartada tras las mediciones de manchas calientes y frías de la radiación del fondo de microondas, crí eria a) cuya distribución demuestra que el tic t Hip sid ma espacio es plano y que la densidad erb en e la total de energía es igual a la densi- ad óli 0,5 la d a d dad crítica. Si engarzamos las dos ca de tiv 0,5 observaciones y recurrimos a una Cu ón rela DATOS aritmética simple, advertiremos la rva DE CUMULOS cci ad necesidad de una componente ener- tur DE GALAXIAS (fra nsid ad gética adicional que dé cuenta de los De el e dos tercios de la densidad de energía sp 1,0 perdida. aci 0,0 Plana Cualquiera que sea su naturaleza, o-t DATOS DEL FONDO la nueva componente habrá de ser ie DE MICROONDAS mp (para la quintaesencia) oscura, ni absorberá ni emitirá luz, o pues si lo hiciera se habría detectado Es DATOS DEL FONDO ya. En eso se asemeja a la materia fé DE MICROONDAS ric DATOS (para la constante oscura. Pero la nueva componente a 1,5 DE cosmológica) SUPER- —llamada energía oscura— difiere –0,5 NOVAS de la materia oscura en un aspecto crucial: debe ser gravitatoriamente repulsiva, pues de lo contrario la ener- gía oscura habría sido arrastrada 0 0,5 1,0 1,5 hacia las galaxias y los cúmulos, Densidad relativa de la energía oscura donde hubiera afectado al movimiento (fracción de la densidad crítica) de la materia visible. No se ve rastro de tal influencia. No sólo eso. La repul- 2. EL TRIANGULO COSMICO. En esta gráfica de observaciones cosmológicas, los ejes sión gravitatoria resuelve la “crisis representan los valores posibles de tres características decisivas del universo. Si el uni- de edad” que padeció la cosmología verso fuera plano, tal y como sugiere la teoría inflacionaria, los tipos diferentes de obser- en los años noventa. Si partimos de vaciones (áreas coloreadas) y la línea de curvatura cero (línea roja) deberían superpo- las medidas actuales de la velocidad nerse. Hoy día, los datos del fondo de microondas facilitan una mejor superposición si la de expansión y se supone que ésta se energía oscura consistiera en quintaesencia (línea discontinua) más que si ésta fuera la ha ido frenando, la edad del universo constante cosmológica (área verde). se cifra en menos de 12.000 millones de años. Pero existen pruebas que apuntan tamente inerte, manteniéndose siem- es inerte o dinámica. Los físicos de a que algunas estrellas de nuestra pre a la misma densidad. Por consi- partículas se han percatado de que galaxia tienen 15.000 millones de guiente, para explicar la cantidad deben estar pendientes de los avan- años. Al provocar la aceleración del actual de energía oscura, el valor de ces en el cielo, no menos que de los ritmo de expansión del universo, la la constante cosmológica tendría que progresos en los aceleradores. repulsión determina que la edad es- estar finamente ajustado en la crea- La investigación de la energía timada del cosmos coincida con la ción del universo para que poseyera oscura se ha ido consolidando paso a edad observada de los objetos celes- el valor idóneo, razón por la cual esa paso a lo largo de los últimos diez tes [véase “Antigravedad cosmoló- constante presenta el aire de un fac- años. El primero se dio con la elabo- gica”, de Lawrence M. Krauss, en este tor harto confuso. En contraste con ración del censo de toda la materia mismo número]. ello, la quintaesencia interactúa con contenida en las galaxias y en los El punto flaco potencial de la argu- la materia y evoluciona con el tiempo, cúmulos galácticos; se emplearon téc- mentación residía en que la repulsión por lo que podría naturalmente ajus- nicas ópticas, de rayos X y de radio. gravitatoria acelerase la expansión, tarse para alcanzar el valor observado Se determinó que la masa total alma- fenómeno que aún no se había obser- hoy. cenada en los elementos químicos y vado. Pero en 1998 se dio un paso fir- en la materia oscura da cuenta sólo me. Dos grupos independientes toma- Dos tercios de realidad de un tercio aproximadamente de la ron medidas de supernovas muy L a distinción entre ambas opcio- nes reviste interés máximo. Los físicos de partículas recurrieron a los cantidad global que la mayoría de los teóricos predicen, la llamada densi- dad crítica. distantes y descubrieron un cambio en el ritmo de expansión. Ambos gru- pos concluyeron que el universo se aceleradores de altas energías para Muchos cosmólogos se acogieron a aceleraba y que lo hacía con el ritmo descubrir nuevas formas de energía ese resultado para poner en tela de predicho por la teoría [véase “Explo- y materia. Ahora, el propio cosmos nos juicio los postulados teóricos. Esta- ración del espacio-tiempo mediante revela una clase de energía sin pre- ríamos viviendo en un universo en supernovas”, de Craig J. Hogan, cedentes, sutilmente dispersa; de tan permanente expansión, cuyo espacio Robert P. Kirshner y Nicholas B. débil interacción, que escapa a la sería curvo hiperbólico, como la salida Suntzeff, en este número]. capacidad detectora de los acelera- de una trompeta [véase “Inflación en Todas estas observaciones reducen dores. Para desarrollar una teoría un universo de baja densidad”, por lo esencial a tres números: la densi- fundamental de la naturaleza resulta Martin A. Bucher y David N. Spergel; dad promedio de la materia (la común imperioso establecer si esta energía INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, marzo de y la oscura), la densidad promedio de 50 TEMAS 33 la energía oscura y la curvatura del ritmo de cambio de la densidad de ve reforzada a sí misma. El universo espacio. De acuerdo con las ecuacio- energía es proporcional a “w + 1”. se expande a un ritmo acelerado. La nes de Einstein, las tres cantidades Para la energía de vacío —cuya den- energía de vacío crece a expensas del se suman en la densidad crítica. Las sidad, por definición, nunca cambia— campo gravitatorio. posibles combinaciones de los tres esta suma debe ser nula. En otras Estos conceptos pueden parecer números se representan mediante un palabras, “w” ha de ser precisamente extraños. También a Einstein le resul- sencillo diagrama triangular (véase igual a –1. Por lo que la presión tiene taron difíciles de asimilar. El, que la figura 1). Los tres conjuntos de que ser negativa. consideraba un universo estático, observaciones —el censo de la mate- ¿Qué significa tener una presión motivación última de la energía de ria, el fondo cósmico de microondas negativa? La mayoría de los gases vacío, lo creyó un error desafortu- y las supernovas— se corresponden calientes presentan presiones posi- nado que no debía haber cometido. con tiras del interior del triángulo. tivas; la energía cinética de los áto- Pero la constante cosmológica, una Las tres tiras se superponen en la mos y la radiación los empuja hacia vez introducida, no se desvanecería misma posición, lo que es, sin duda, fuera del recipiente. Nótese que el con facilidad. Los teóricos cayeron en una prueba de la energía oscura. efecto directo de una presión posi- la cuenta de que los campos cuánti- tiva, empujar, se opone al efecto de cos poseían una cantidad finita de De la implosión su gravitación, atraer. Pero cabe ima- energía de vacío, una manifestación a la explosión ginar una interacción entre átomos de las fluctuaciones cuánticas que E n nuestra experiencia nos las ve- mos con la materia común, que cumple la ley de la atracción gravi- que sobrepase la energía cinética y origine que el gas explote hacia den- tro (implosione). El gas implosivo producen pares de partículas “vir- tuales” desde el principio. Una esti- mación del total de energía de vacío tatoria. Nos resulta harto difícil ima- tiene una presión negativa. Un globo producida por todos los campos cono- ginar que la energía oscura pueda con este gas reventaría hacia dentro, cidos predice una cantidad enorme: repelerse gravitatoriamente. El quid ya que la presión del exterior (cero o 120 órdenes de magnitud más que la de la cuestión se encierra en su pre- positiva) excedería a la presión del densidad de energía de toda la mate- sión, que es negativa. En la ley de interior (negativa). Curiosamente, el ria. Esto quiere decir que, aunque Newton de la gravedad, la presión no efecto directo de una presión nega- cueste imaginarlo, las partículas vir- desempeña ningún papel; la fuerza tiva, implosión, puede ser opuesto al tuales deberían contribuir con una de la gravedad depende sólo de la de su gravitación, repulsión. densidad de energía constante y posi- masa. En la ley de Einstein de la gra- tiva, lo que a su vez implicaría una vedad, sin embargo, la fuerza de la Una precisión improbable presión negativa. Ahora bien, si esta gravedad depende no sólo de la masa, sino también de otras formas de ener- gía y de la presión. De ese modo, la E n un globo el efecto gravitatorio es muy pequeño. Imaginemos, sin embargo, que el espacio entero se estimación es correcta, la aceleración de grandes espacios separaría los áto- mos, las estrellas y las galaxias. Se presión ejerce un doble efecto: directo llena del gas implosivo. No habría, trata, a todas luces, de una estima- (originado por la acción de la presión en este caso, ningún borde superfi- ción incorrecta. Uno de los principa- sobre la materia circundante) e indi- cial ni presión exterior alguna. El gas les objetivos de las teorías unificadas recto (causado por la gravitación que aún tiene presión negativa, pero no de la gravitación ha sido configurar la presión genera). hay nada que lo empuje, por lo que el motivo. El signo de la fuerza gravitatoria no ejercería efectos directos. Sólo A tenor de cierta propuesta, alguna se determina por la combinación alge- poseería el efecto gravitatorio, es simetría no descubierta en la física braica de la densidad total de ener- decir, la repulsión. La repulsión fundamental cancelaría los efectos gía más tres veces la presión. Si la ensancha el espacio, aumentando su mayores, anulando la energía de presión es positiva, como en el caso volumen y, como consecuencia, la can- vacío. Por ejemplo, las fluctuaciones de la radiación, la materia común y tidad de energía de vacío. Por tanto, cuánticas de los pares de partículas la materia oscura, entonces la com- la tendencia del ensanchamiento se virtuales contribuyen con energía binación es positiva y la gravitación, atractiva. Si la presión es lo sufi- cientemente negativa, la combina- ción final resulta también negativa 3. LA TARTA DEL UNIVERSO. El ingrediente principal del universo es la “energía oscura”, y la gravitación, repulsiva. Para formada o por la constante cosmológica o por la quintaesencia, un campo cuántico. Los otros expresarlo de forma cuantitativa, los ingredientes son la materia oscura compuesta de partículas elementales exóticas, de mate- cosmólogos consideran la relación ria común (visible y no luminosa) y de cantidades traza de radiación. entre la presión y la densidad de ener- gía, conocida como la ecuación de MATERIA COMUN estado, o “w”. Para un gas ordinario, NO LUMINOSA “w” es positivo y proporcional a la 3,5% temperatura. Pero en algunos siste- mas, “w” puede ser negativo. Si su ENERGIA OSCURA 70% MATERIA OSCURA valor es inferior a –1/3, la gravedad EXOTICA es repulsiva. 26% MATERIA La energía de vacío cumple esta ORDINARIA VISIBLE condición (en el supuesto de que su 0,5% densidad sea positiva). Se trata de una consecuencia de la ley de la conser- JANA BRENNING vación de la energía, según la cual la energía nunca puede destruirse. O RADIACION 0,005% dicho en términos matemáticos, el A causa del redondeo los porcentajes no suman 100 PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 51  REPULSIVO DON FOLEY / FUENTE: R. R. CALDWELL Y PAUL J. STEINHARDT ATRACTIVO RADIACION MATERIA QUINTAESENCIA QUINTAESENCIA COMUN (PRESION MODERADAMENTE NEGATIVA) (PRESION MUY NEGATIVA) 4. PRESION Y GRAVEDAD. El que una cantidad de energía pueda representan los pozos de energía potencial.) La radiación tiene una ejercer una fuerza gravitatoria atractiva o repulsiva depende de la pre- mayor presión, por lo que su gravedad es más atractiva. En el caso de sión. Si la presión es nula o positiva, como es el caso de la radiación la quintaesencia, la presión es negativa y la gravedad es repulsiva (las y de la materia común, la gravedad es atractiva. (Las depresiones depresiones se convierten en colinas, los picos). positiva a las partículas con espín tículas es extremadamente bajo. La el tiempo, un reino de posibilidades semientero (el de quarks y electrones), fuerza más débil conocida en la natu- que se resume en la palabra quinta- pero con una energía negativa a las raleza comporta densidades de ener- esencia. Para la quintaesencia, “w” partículas con espín entero (los foto- gía que son 1050 veces superiores. no ha de tener valores fijos, aunque nes). En las teorías estándar, la can- Si extrapolamos hacia atrás en el ha de ser inferior a –1/3 a fin de que celación es inexacta, y deja de lado tiempo, la energía de vacío se nos la gravedad sea repulsiva. una densidad de energía inacepta- ofrece incluso más paradójica. Hoy día La quintaesencia puede adoptar blemente grande. Pero los físicos han la materia y la energía oscura tienen muchas formas. Los modelos más sen- explorado los modelos con la llamada densidades promedio similares. Pero cillos proponen un campo cuántico supersimetría, una relación entre los hace miles de millones de años, cuya energía varía con tal parsimo- dos tipos de partículas que puede con- cuando comenzaron a existir, nues- nia que, a primera vista, recuerda ducir a una cancelación exacta. Ado- tro universo era del tamaño de un una energía de vacío constante. La lece, sin embargo, de un grave incon- pomelo, por lo que la materia era 100 idea está tomada de la cosmología veniente: la supersimetría sería órdenes de magnitud más densa. La inflacionaria; allí, un campo cósmico válida sólo para muy altas energías. constante cosmológica, sin embargo, conocido como “inflatón” conduce la Los teóricos siguen buscando una habría tenido el mismo valor que expansión en el universo temprano forma de preservar los efectos de can- ahora. En otras palabras, por cada utilizando un mismo mecanismo celación incluso a bajas energías. 10100 partes de materia, los procesos [véase “El universo inflacionario”, por En otro cuadro teórico, la energía físicos habrían generado una parte Alan H. Guth y Paul K. Steinhardt; de vacío no se anularía con exactitud. de energía de vacío; grado éste de I NVESTIGACIÓN Y C IENCIA , julio de Habría, quizás, algún mecanismo de exactitud que parece matemática- 1984]. Difieren sobre todo en un punto cancelación imperfecto. En vez de mente razonable, pero que resulta importante: la quintaesencia es bas- otorgar a la constante cosmológica el absurdo en el mundo real. Esta nece- tante más débil que el “inflatón”. Hace valor de exactamente cero, el meca- sidad de un ajuste casi titánico cons- ya diez años Christof Wetterich, nismo sólo cancelaría hasta el 120 tituye el motivo principal de buscar Bharat Ratra y P. James E. Peebles decimal. Entonces, la energía de va- otras alternativas a la constante cos- abordaron la hipótesis. cío constituiría los dos tercios perdi- mológica. En el marco de la teoría cuántica, dos del universo. Con todo, esto re- los procesos físicos admiten una des- sulta muy confuso. ¿Qué mecanismo Trabajo de campo cripción sea en términos de campos podría operar con tal precisión? Aun- que la energía oscura represente una cantidad enorme de masa, se extiende A fortunadamente, la energía de vacío no es el único proceso por el que se producen presiones negati- o sea en términos de partículas. Puesto que la quintaesencia tiene densidades de energía muy peque- de forma tan sutil que su energía es vas. Otro mecanismo es una fuente ñas y varía de forma gradual, una inferior a 4 electronvolt por milíme- de energía que, en oposición a la ener- partícula de quintaesencia sería tro cúbico, lo que para un físico de par- gía de vacío, varía en el espacio y en inconcebiblemente ligera y grande, 52 TEMAS 33 nada menos que del tamaño de un sibilidad. La quintaesencia con w cer- estar camufladas. En algunas for- supercúmulo galáctico. Parece, pues, cano a –1 podría ser la aproximación mulaciones, éstas se doblan, como más razonable optar por una des- razonable más cercana. en una pelota cuyo radio, demasiado cripción mediante campos. La idea de pequeño, resultara indetectable (al campo nos traslada a una distribu- La quintaesencia menos para la instrumentación ac- ción continua de energía que asigna en las branas tual). Para otra hipótesis alterna- a cada punto del espacio un valor numérico, la intensidad del campo. La energía del campo tiene una com- A l afirmar que la quintaesencia es un campo hemos dado el primer paso para explicarla. ¿De dónde puede tiva, la razón se encuentra en una extensión de la teoría de cuerdas, la teoría M (teoría de membranas o sim- ponente cinética, que depende de la venir un campo tan extraño como ése? plemente branas), que añade una variación temporal de la intensidad Los físicos de partículas encuentran undécima dimensión: la materia de dicho campo, y una componente explicaciones para fenómenos muy común está confinada en dos super- potencial, que depende sólo del valor dispares, desde la estructura de los ficies tridimensionales llamadas de la intensidad. Conforme el campo átomos hasta el origen de la materia, “branas”, separadas por un interva- cambie, se desplazará el equilibrio pero la quintaesencia permanece lo microscópico a lo largo de la un- entre la energía potencial y la ciné- ayuna de razones. Aunque las teo- décima dimensión [véase “Nuevas tica. rías modernas de las partículas ele- dimensiones para otros universos”, En el caso de la energía de vacío, mentales incluyen muchas clases de de Nima Arkani-Hamed, Savas Di- recuérdese que la presión negativa era campos que cumplen con el compor- mopoulos y Georgi Dvali, en este mis- el resultado directo de la conserva- tamiento requerido, no se sabe toda- mo número]. ción de la energía; impone ésta que vía que sus energías potenciales y No estamos capacitados para ob- cualquier variación de la densidad cinéticas produzcan presiones nega- servar tales dimensiones supernu- de energía es proporcional a la suma tivas. merarias; ahora bien, si existen, ten- de la densidad de energía (un número De acuerdo con cierta hipótesis dríamos que poder percibirlas por positivo) y la presión. Para la ener- exótica, la quintaesencia necesita de vía indirecta. De hecho, la presencia gía de vacío, el cambio es nulo, por lo una física de más dimensiones. En de dimensiones enrolladas o de bra- que la presión tiene que ser negativa. los últimos decenios, se ha venido nas cercanas actuaría como un cam- Para la quintaesencia, el cambio es investigando la teoría de cuerdas, po. El valor numérico que el campo lo suficientemente gradual como para que podría conjugar la relatividad asigna a cada punto del espacio po- que la presión siga siendo negativa, general con la mecánica cuántica en dría corresponderse con el radio o aunque menos negativa. A esta con- una teoría unificada de las fuerzas con la distancia del intervalo. Si es- dición le corresponde tener más ener- fundamentales. Los modelos de cuer- te radio o el intervalo cambiaran gía potencial que cinética. das predicen la existencia de 10 di- lentamente con la expansión del uni- Al ser menos negativa la presión, mensiones, cuatro de las cuales son verso, se comportarían exactamente la quintaesencia no acelera el uni- las tres dimensiones espaciales más igual que el hipotético campo de la verso con la fuerza con que lo hace la el tiempo. Las seis restantes deben quintaesencia. energía de vacío. En última instan- cia, serán los observadores los que decidirán entre las dos. Aunque la 5. EXPANSION Y QUINTAESENCIA. El universo se expande a distintos ritmos en función quintaesencia se muestra más acorde de cuál sea la forma de energía predominante. La materia provoca que el crecimiento se fre- con los datos disponibles, la distin- ne, mientras que la constante cosmológica induce su aceleración. La quintaesencia está a ción no resulta todavía significativa mitad de camino: fuerza a que la expansión se acelere, pero más lentamente. Con el tiempo desde el punto de vista estadístico. la aceleración podría o no cambiar (líneas discontinuas). Además, a diferencia de la energía de vacío, el campo de la quintaesencia 5 JANA BRENNING puede estar sometido a todo tipo de evoluciones complejas. El valor de w EXPANSION ETERNA podría ser positivo, luego negativo y, de nuevo, positivo. Podría adoptar 4 valores distintos en lugares diferen- CONSTANTE COSMOLOGICA Tamaño relativo del universo tes. Pese a que la falta de uniformi- dad se presume pequeña, podría ser QUINTAESENCIA detectable estudiando la radiación 3 MATERIA PURA del fondo cósmico de microondas. Una diferencia ulterior radica en la perturbación de la quintaesencia. Las ondas se propagan por ella como 2 las ondas sonoras a través del aire. En el argot científico, la quintaesen- COLAPSO FINAL cia es “blanda”. La constante cosmo- lógica de Einstein, por contra, es 1 HOY rígida; no puede modificarse. Lo que da pie a una cuestión interesante. Cualquier forma de energía conocida es blanda hasta cierto punto. Quizá 0 la rigidez sea una idea sin existen- { 0 HOY 20 40 60 80 cia real, en cuyo caso la constante (la edad actual Edad del universo cosmológica constituiría una impo- depende de los modelos) (en miles de millones de años) PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 53  Curiosa coincidencia abundar, pero se expandirían dema- acaba por seguir el mismo camino, en C ualquiera que sea el origen de la quintaesencia, su dinamismo parece haber solucionado el espinoso siado rápido para la formación de estrellas, planetas y vida. Nuestro universo tendría el valor óptimo. Sólo que la densidad de energía permanece con un factor casi constante de la den- sidad de radiación y materia. En este problema del ajustado fino. Para abor- en éste, “el mejor mundo de todos”, sentido, la quintaesencia imita a la dar tal cuestión podemos preguntar- podría haber seres inteligentes capa- materia y a la radiación, aun cuando nos por qué la aceleración cósmica ces de contemplar la naturaleza del su composición difiera por completo. comenzó en ese momento particular universo. Pero los físicos discrepan Se da ese parecido porque la densi- de la historia. Creada cuando el uni- sobre la validez explicativa del argu- dad de radiación y materia determina verso sólo tenía 10 –35 segundos, la mento antrópico [véase “Exploración el ritmo de expansión cósmica, lo que, energía oscura debe haber permane- del universo”, por Martin Rees; IN- a su vez, controla la velocidad a la que cido en la sombra durante casi 10.000 VESTIGACIÓN Y CIENCIA, enero de 2000]. se modifica la densidad de la quin- millones de años, un factor que supera Una respuesta más satisfactoria que taesencia. Considerado más de cerca, en 1050 a la edad. Sólo entonces, tal incluye una forma de la quintaesen- se descubre que esta fracción crece y como sugieren los datos, superó a cia conocida como campo encaminado, de un modo paulatino. En alcanzar la materia y determinó que el universo ha sido propuesta por Ratra y Peebles, su valor final tarda la quintaesencia comenzara a acelerarse. ¿No es una de Princeton, y por Steinhardt, Ivaylo muchos millones de años, si no miles coincidencia que, justo cuando los Zlatev y Limin Wang, de la Universidad de millones de años. seres pensantes evolucionaron, el uni- de Pennsylvania. Las ecuaciones que ¿Por qué la quintaesencia alcanzó verso se acelerara? La suerte de la describen los campos encaminados su valor cuando lo hizo? La acelera- materia parece haber ido asociada a tienen un comportamiento clásico de ción cósmica podría haber comenzado la de la energía oscura. Pero, ¿cómo? atractor, lo mismo que los que halla- en el pasado con idéntica facilidad con Si la energía oscura es energía de mos en ciertos sistemas caóticos. En que podría hacerlo en un futuro remoto; vacío, resulta punto menos que impo- tales sistemas, el movimiento converge todo depende de la elección de las cons- sible explicar dicha coincidencia. hacia el mismo resultado para un tantes en la teoría del campo de tra- Martin Rees, de la Universidad de amplio rango de condiciones iniciales; zas. Lo que nos lleva de nuevo a las Cambridge, y Steven Weinberg, de la una canica puesta en una bañera vacía coincidencias. Pero quizá se dio algún de Texas en Austin, han propuesto siempre cae hacia el desagüe no suceso en el pasado reciente que de- una explicación antrópica. Quizá nues- importa dónde se coloque. sencadenó la aceleración. Steinhardt, tro universo sea uno más entre una De forma similar, la densidad ini- junto con Christian Armendáriz Picón multitud de universos, en cada uno cial de energía del campo encami- y Viatcheslav Mukhanov, de la Uni- de los cuales la energía de vacío adopta nado no tiene por qué quedar prefi- versidad Ludwig Maximilian en Mú- un valor diferente. Los universos con jada en un valor determinado, porque nich, sostienen que tal episodio pudo energías de vacío superiores a 4 elec- el campo se ajusta por sí mismo rápi- ser la transición del dominio de la ra- tronvolt por milímetro cúbico podrían damente a ese valor. Su evolución diación al dominio de la materia. Según la teoría de la gran explosión, la energía del universo se concentraba 6. CAMPO ENCAMINADO. Si la energía oscura es la constante cosmológica, la densidad principalmente en forma de radia- de energía debe ajustarse de suerte tal, que supere a la densidad de materia en la historia ción. A medida que el universo se reciente (izquierda). En el caso de la quintaesencia conocida por “campo encaminado” (dere- enfriaba, la radiación perdía energía cha), cualquier valor inicial de la densidad (línea discontinua) convergería en un encami- más deprisa que materia. Cuando el nado común (línea azul), que discurriría paralelo a la densidad de radiación hasta que la den- universo contaba con unas pocas dece- sidad de materia superara a ésta. Esto provocaría que la densidad del campo se congelara, nas de miles de años —un tiempo muy lo que desencadenaría la aceleración cósmica. Tamaño relativo del universo Tamaño relativo del universo 10–30 10–20 10–10 1 10–30 10–20 10–10 1 10120 10120 (relativa a la densidad de materia actual) (relativa a la densidad de materia actual) RA CAMPO ENCAMINADO DI Densidad de energía del universo Densidad de energía del universo AC MA ION RA TE MA DI RIA TE AC 1080 1080 RIA ION ENERGIA INICIAL DE LA 1040 1040 QUINTAESENCIA CONSTANTE COSMOLOGICA 1 1 Hoy Edad del universo 5 x 109 Edad del universo 5 x 109 10–43 (años) Comienza la aceleración 10–43 (años) Comienza la aceleración 10–6 10–6 104 JANA BRENNING 5 x 105 Se forman Se forman Termina la inflación los núcleos Se libera la radiación Termina la inflación los núcleos La densidad de materia supera de los átomos del fondo de microondas de los átomos a la densidad de radiación 54 TEMAS 33 corto en términos logarítmicos— el JANA BRENNING Tamaño relativo del universo en el momento de la explosión balance de la energía se desplazó a 1 0,67 0,5 0,4 0,33 0,8 favor de la materia. Este cambio señaló el comienzo de la época dominada por DATOS VALORES ACTUALES PREDICHOS la materia, de la cual nosotros somos DE CONSTANTE beneficiarios. Sólo entonces la gra- Más débil SUPERNOVAS COSMOLOGICA vedad pudo congregar la materia en 0,6 w = –1 galaxias y macroestructuras. Al mis- mo tiempo, cambió la velocidad de Brillo relativo (magnitudes) expansión del universo. QUINTAESENCIA En cierta variante de los modelos w = –2/3 encaminados, tal transformación 0,4 desencadenó una serie de sucesos que condujeron a la aceleración cósmica actual. A lo largo de la mayor parte de la historia del universo, la quin- 0,2 QUINTAESENCIA w = –1/3 taesencia persistió relacionada con la Más brillante energía de radiación; constituía una componente insignificante del cos- mos. Pero cuando el universo se con- virtió en un dominio de la materia, 0,0 el cambio en el ritmo expansivo sacó SOLO MATERIA a la quintaesencia de su comporta- (sin energía oscura) miento imitador. En vez de seguir a la radiación o incluso a la materia, –0,2 la presión de la quintaesencia adoptó 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 un valor negativo. Su densidad per- Corrimiento hacia el rojo maneció casi fija y terminó por sobre- 7. CUANDO VER ES CREER. Los datos de las supernovas podrían ser una vía para deci- pasar la menguante densidad de dir entre la quintaesencia y la constante cosmológica. Esta última hace que el universo materia. En una situación así, que los se acelere muy rápidamente, por lo que las supernovas con un determinado corrimiento seres pensantes y la aceleración cós- hacia el rojo se hallarían muy lejanas y, por tanto, serían muy débiles. Los telescopios ac- mica comenzaran a existir casi al tuales (datos mostrados en color gris) no pueden discernir entre los dos casos, pero la mismo tiempo no constituye una mera Sonda de las supernovas y la aceleración (Supernova Acceleration Probe) podrá. Las mag- coincidencia. Ambos procesos, la for- nitudes de las supernovas, según lo predicho por cuatro modelos, se presentan en el dia- mación de las estrellas y los plane- grama con diferentes colores. tas necesarios para la vida y la trans- formación de la quintaesencia en una componente de presión negativa, se desencadenaron con la instauración para averiguar el cambio operado por formarse. Hasta que la materia tomó del dominio de la materia. el ritmo de expansión del universo a el control. El paso siguiente —nues- lo largo del tiempo. La Sonda para tra época— es uno de continuo enfria- Con la mirada en el futuro la evolución del espacio extragalácti- miento, condensación y de evolución M uy pronto, la atención de los cosmólogos se centrará en la detección de la quintaesencia. Presen- co profundo, controlada desde tierra, se encargará de ese aspecto. A más largo plazo, la ciencia deberá de estructuras complicadas de mayor tamaño. Pero este período se acerca a su fin. La aceleración cósmica re- ta, cierto, efectos observables. Puesto asimilar las implicaciones de los des- mite. El universo que conocemos hoy, que su valor de w difiere del de la ener- cubrimientos, que sin duda nos con- con estrellas, galaxias y cúmulos bri- gía de vacío, provoca un ritmo de ace- ducirán a una nueva interpretación llantes, parece haber constituido un leración cósmica distinto. Con las medi- del lugar que ocupamos en la histo- breve interludio. A medida que la ace- ciones precisas de las supernovas, a ria cósmica. Al principio (entendiendo leración domine en los próximos lo largo de un amplio rango de dis- por tal el inicio del que disponemos 10.000 millones de años, la materia tancias, podría discriminarse entre alguna pista) existió la inflación, un y la energía del universo se diluirán ambos. Los astrónomos han propuesto período de expansión acelerada sub- y el espacio se ensanchará tan rápi- dos nuevos observatorios con el fin de siguiente a la gran explosión. El espa- damente, que se impedirá la forma- resolver la cuestión: la Sonda de las cio carecía casi de materia entonces; ción de nuevas estructuras. Los obje- supernovas y la aceleración y el Teles- un campo cuántico parecido a la quin- tos vivientes encontrarán al cosmos copio terrestre de gran apertura para taesencia con su presión negativa bastante hostil [véase “El sino de la búsquedas. Los distintos ritmos de comenzó a influir en la historia. En vida en el universo”, de Lawrence M. aceleración engendran también dife- ese período, el universo se expandió Krauss y Glenn Starkman, en este rencias pequeñas en el tamaño angu- un factor mayor de lo que lo ha hecho mismo número]. Si la aceleración está lar de las manchas calientes y frías de durante los 15.000 millones de años causada por la energía de vacío, enton- la radiación del fondo cósmico de micro- desde que la inflación terminara. Al ces la historia cósmica ha culminado: ondas; deberían detectarlo la Sonda final de la inflación, el campo dege- los planetas, las estrellas y las ga- Wilkinson de la anisotropía del fondo neró en gas caliente de quarks, gluo- laxias que vemos constituyen el pi- de microondas y el satélite Planck. nes, electrones, luz y energía oscura. náculo de la evolución cósmica. Otras pruebas consistirían en Durante miles de años, el espacio Pero si la aceleración se debe a la medir la variación del número de se encontraba empapado de radia- quintaesencia, el final está todavía galaxias con corrimiento hacia el rojo, ción; los átomos no podían siquiera por escribir. El universo podría pro- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 55 seguir en sempiterna aceleración, o la quintaesencia podría degenerar en COLABORADORES DE ESTE NUMERO nuevas formas de materia y radiación Asesoramiento y traducción: repoblando así el universo. Al ser tan Pilar Ruiz-Lapuente: El sentido de la cosmología moderna, Exploración del espacio-tiem- exigua la densidad de energía oscura, po mediante supernovas y Una nueva teoría del universo; Mª Rosa Zapatero: El ciclo vital la materia proveniente de ella lleva- de las galaxias, Estrellas primigenias, El universo y su quintaesencia, Un cartógrafo cós- ría una energía insuficiente para mico y Ondas en el espacio-tiempo; Juan Pedro Campos: Antigravedad cosmológica, ¿Es finito el espacio?, Nuevas dimensiones para otros universos y Ecos de la Gran Explosión; engendrar algo de interés. Bajo deter- Angel Garcimartín: El sino de la vida en el universo minadas condiciones, sin embargo, la quintaesencia podría degenerar a tra- vés de la nucleación de burbujas. El interior de la burbuja estaría vacío, Portada: Prensa Científica, S.A. pero sus paredes podrían ser lugares de vigorosa actividad. Conforme la INVESTIGACION Y CIENCIA pared de la burbuja se desplazara DIIRECTOR GENERAL José M.ª Valderas Gallardo hacia fuera, barrería toda la energía DIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal Garfella obtenida de la degeneración de la quin- EDICIONES Juan Pedro Campos Gómez taesencia. En algún caso, dos burbu- PRODUCCIÓN M. a Cruz Iglesias Capón jas chocarían con liberación de fan- Bernat Peso Infante SECRETARÍA Purificación Mayoral Martínez tásticas exhibiciones pirotécnicas; se ADMINISTRACIÓN Victoria Andrés Laiglesia formarían quizá partículas muy masi- SUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado vas como los neutrones y protones, tal Olga Blanco Romero vez estrellas y planetas. EDITA Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a A los habitantes del futuro, el uni- 08021 Barcelona (España) verso les parecerá muy inhomogéneo, Teléfono 934 143 344 Telefax 934 145 413 donde la vida quedaría confinada en www.investigacionyciencia.es islas remotas separadas por inmen- SCIENTIFIC AMERICAN sos vacíos. ¿Se imaginarán ellos que EDITOR IN CHIEF John Rennie su origen fue el de un universo homo- EXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristina géneo e isotrópico como el que noso- MANAGING EDITOR Ricki L. Rusting tros contemplamos ahora? ¿Llegarán SENIOR EDITOR Michelle Press a saber que el universo estuvo vivo NEWS EDITOR Philip M. Yam una vez y que murió con el fin de dis- SPECIAL PROJECTS EDITOR Gary Stix frutar de una segunda oportunidad? SENIOR WRITER W. Wayt Gibbs Los experimentos podrían ofrecer- EDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, nos pronto alguna idea sobre nues- Graham P. Collins, Carol Ezzell, Steve Mirsky y George Musser tro futuro. ¿Será el fin mortal de la PRODUCTION EDITOR Richard Hunt energía de vacío o el potencial indo- VICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNACIONAL meñado de la quintaesencia? Al final, Dean Sanderson la respuesta dependerá de si la quin- PRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER taesencia tiene un lugar en la natu- Gretchen G. Teichgraeber raleza, el reino, quizá, de la teoría de CHAIRMAN Rolf Grisebach cuerdas. Nuestro puesto en la histo- ria cósmica es función de la relación DISTRIBUCION PUBLICIDAD entre la ciencia de lo muy grande y GM Publicidad para España: de lo muy pequeño. Edificio Eurobuilding LOGISTA, S. A. Juan Ramón Jiménez, 8, 1.a planta Aragoneses, 18 28036 Madrid (Pol. Ind. Alcobendas) Tel. 912 776 400 - Fax 914 097 046 BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA 28108 Alcobendas (Madrid) Tel. 914 843 900 Cataluña: COSMIC CONCORDANCE AND QUINTESSEN- QUERALTO COMUNICACION CE. Limin Wang, R. R. Caldwell, J. P. Os- para los restantes países: Julián Queraltó triker y Paul J. Steinhardt en Astrophysi- Prensa Científica, S. A. Sant Antoni M.ª Claret, 281 4.º 3.a cal Journal, vol. 530, n.o 1, parte 1, págs. Muntaner, 339 pral. 1.a 08041 Barcelona 17-35; 10 de febrero, 2000; astro-ph/ 08021 Barcelona Tel. y fax 933 524 532 9901388. Teléfono 934 143 344 Móvil 629 555 703 DYNAMICAL SOLUTION TO THE PROBLEM OF A SMALL COSMOLOGICAL CONSTANT AND Copyright © 2003 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017. LATE-TIME COSMIC ACCELERATION. C. Copyright © 2003 Prensa Científica S. A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España) Armendáriz Picón, V. Mukhanov y Paul J. Steinhardt en Physical Review Letters, Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción en todo o en parte por ningún medio volumen 85, n.o 21, páginas 4438-4441; mecánico, fotográfico o electrónico, así como cualquier clase de copia, reproducción, registro o 20 de noviembre, 2000; astro-ph/0004314. transmisión para uso público o privado, sin la previa autorización escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, así como el logotipo correspondiente, WHY COSMOLOGISTS BELIEVE THE UNIVER- son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aquí. SE IS ACCELERATING. Michael S. Turner en Type Ia Supernovae: Theory and Cos- ISSN: 1135-5662 Dep. legal: B. 32.350 – 1995 mology. Dirigido por Jens C. Niemeyer y James W. Truran. Cambridge University Imprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perpètua de Mogoda (Barcelona) Press, 2000; astro-ph/ 9904049. Printed in Spain - Impreso en España 56 TEMAS 33  ESTRUCTURA BRYAN CHRISTIE ¿Es finito el espacio? Suele darse por sentada la infinitud del cosmos. Podría ésta ser mera ilusión. Próximas mediciones resolverán, a buen seguro, un problema muy viejo en la historia del pensamiento y la ciencia Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman y Jeffrey R. Weeks E n una noche clara, mirando el cielo, nos parece que no tiene fin lo que podríamos ver, estre- llas y galaxias sin cuento. Se nos apa- recería radiante de luz la oscuridad que hay entre ellas, si la contemplá- semos con un telescopio sensible. Cierto es que la edad del universo y la velocidad de la luz limitan el volu- men observable. Pero con tiempo sufi- ciente, ¿no podríamos ir viendo cada vez más lejos, percibiendo nuevos fenómenos, nuevas galaxias? Quizá no. Igual que en una sala de espejos, a lo mejor es un engaño la apa- rente infinitud del universo. El cos- mos podría ser finito. La ilusión de infinidad se debería a que la luz ro- dease el espacio entero, más de una vez quizás, y creara así múltiples imágenes de cada galaxia. La Vía Láctea no sería una excep- ción; por raro que parezca, en los cielos habría copias de la Tierra tal y como era en épo- cas anteriores. Con el trans- curso del tiempo los astró- nomos irían observando la evolución de las galaxias y buscando nuevos espejismos. Pero al final no entraría nuevo espacio en su campo visual. Lo habrían visto ya todo. 1. LA “CAJA DE INFINITO” nos da una idea de cómo un cosmos finito puede parecer que no tiene fin. La caja contiene sólo tres bolas, pero los espejos que tapizan sus paredes producen un número infinito de imágenes. En el universo real no hay frontera que refleje la luz. La multiplicidad de imágenes se produ- ciría al rodear, una y otra vez, los rayos de luz el universo. A partir del patrón de imáge- nes repetidas podría deducirse el tamaño y configuración reales del universo. 58  Una de las disputas más antiguas se recurre a la densidad de la mate- en filosofía gira en torno a la finitud ria y energía del cosmos. Parece que o infinitud del universo. Es un error es demasiado baja para que arquee frecuente creer que se ha zanjado ya el espacio y lo cierre sobre sí mismo en favor de la infinitud. El razona- (para que su geometría sea “esféri- miento que se esgrime y repite en los ca”). Por tanto, el espacio ha de tener, manuales saca una conclusión inde- bien la geometría euclídea que nos bida de la teoría general de la rela- es familiar, la de un plano, bien tividad. Según ésta, el espacio es un una “hiperbólica”, la de una medio dinámico que se curva de una silla de montar. La primera forma, entre tres posibles a tenor de impresión es que un universo la distribución de materia y energía así se extiende sin fin. en su seno. Puesto que estamos inmer- Ante esta conclusión podría sos en el espacio, no podemos ver la sostenerse que el universo fuera flexión directamente, sólo percibirla esférico pero tan grande, que la a través de la atracción gravitatoria parte observable pareciese euclí- y la distorsión geométrica de las imá- dea, a la manera en que una parte genes. Para determinar cuál es, de pequeña de la superficie terrestre se esas tres, la geometría del universo, nos antoja plana. De mayor alcance BRYAN CHRISTIE BRYAN CHRISTIE por George Berkeley y Ernst Mach. ESFERICO Abordando las causas de la inercia, Newton imaginó dos cubos medio lle- EUCLIDEO nos de agua. El primero está quieto, lisa la superficie del agua. El segundo gira deprisa, la superficie es cóncava. ¿Por qué? La respuesta ingenua atribuye el fenómeno a la fuerza centrífuga. Pero, ¿cómo sabe el segundo cubo que está girando? En concreto, ¿qué define el sistema de referencia inercial, res- pecto al cual el segundo cubo gira y el primero no? La respuesta de Ber- HIPERBOLICO keley y de Mach es que toda la mate- ria del universo proporciona en su conjunto el marco de referencia. El primer cubo está en reposo con res- pecto a las galaxias lejanas; por eso, su superficie permanece plana. El segundo gira con respecto a esas gala- xias, así que su superficie es cón- cava. Si no hubiese galaxias remo- tas, no habría razón para preferir un marco de referencia a otro. La super- ficie de ambos cubos debería perma- necer lisa y, por tanto, no haría falta una fuerza centrípeta que mantu- viera la rotación. En pocas palabras: no habría inercia. Mach infirió que 2. LA GEOMETRIA LOCAL del espacio puede ser euclídea, esférica o hiperbólica, únicas op- la magnitud de la inercia que expe- ciones compatibles con la simetría observada del cosmos. Los ángulos de un triángulo su- rimenta un cuerpo es proporcional a man exactamente 180 grados en el plano euclídeo, más de 180 en la superficie esférica y me- la cantidad total de materia del uni- nos en la hiperbólica (silla de montar). La geometría local determina el movimiento de los verso. Un universo infinito causaría objetos, pero no describe el mecanismo de conexión entre volúmenes para dar al universo una inercia infinita. Nada podría su configuración global. moverse. Además del argumento de Mach, hay unos trabajos preliminares de cosmología cuántica que pretenden es el problema de que la relatividad como un toro; habría entonces muchos describir la formación espontánea sea una teoría local. Predice la cur- caminos diferentes. Un observador del universo a partir de la nada. vatura de cada pequeño volumen de vería imágenes múltiples de cada Algunas de estas teorías predicen espacio —su geometría— a partir de galaxia y sería muy fácil que las inter- que un universo de volumen reducido la materia y de la energía que con- pretase equivocadamente como gala- es más probable que otro de volumen tenga. Ni la relatividad ni las obser- xias distintas en un espacio sin fin, grande. La probabilidad de que lle- vaciones cosmológicas corrientes tal y como el visitante de una sala de gase a existir un universo infinito dicen nada acerca de cómo se unen espejos sufre la ilusión de que está sería nula. Hablando sin demasiada esos volúmenes y le dan al universo viendo una gran multitud. precisión: su energía sería infinita, su configuración global, es decir, su Un espacio múltiplemente conexo y ninguna fluctuación cuántica podría topología. Las tres geometrías cós- no es mero capricho matemático. reunir tanta. micas verosímiles son compatibles Algunas teorías de la unificación de Históricamente, la idea de un uni- con muchas topologías distintas. Así, las fuerzas fundamentales de la natu- verso finito choca con un obstáculo. la relatividad describiría un toro (una raleza hasta lo prefieren. Por ahora Parece que ha de tener un borde. forma de rosquilla) y un plano con las no lo contradice ninguna observa- Aristóteles arguyó que el universo mismas ecuaciones, pese a que el toro ción. En los últimos años han flo- es finito porque para fijar un marco sea finito y el plano infinito. La deter- recido las investigaciones sobre la de referencia absoluto, que era impor- minación de la topología requiere topología cósmica. Las nuevas obser- tante en su concepción del mundo, tener en cuenta físicamente algo más vaciones quizás ofrezcan una res- hacía falta una frontera. Quienes le que la relatividad. puesta definitiva. criticaban se preguntaban qué pa- Suele aceptarse que el universo es, saba en el borde. No hay borde sin al igual que un plano, “simplemente conexo”, lo que quiere decir que la luz dispone de un solo camino direc- M uchos esperan que el universo sea finito. En parte por como- didad. A la mente le cuesta menos que haya otro lado. Así que ¿por qué no redefinir “el universo” de manera que incluyese el otro lado? Georg F. to para ir de una fuente a un obser- abarcar lo finito que lo infinito. Dos B. Riemann resolvió este quebradero vador. Un universo, euclídeo o hiper- líneas de argumentación apoyan la de cabeza a mediados del siglo XIX . bólico, simplemente conexo sería finitud; la primera guarda relación Propuso como modelo del cosmos la infinito. Cabe, sin embargo, que el uni- con un experimento mental conce- hiperesfera: la superficie tridimen- verso sea “múltiplemente conexo”, bido por Isaac Newton y retomado sional de una bola tetradimensional, 60 TEMAS 33  lo mismo que una esfera corriente es schrift der Astronomischen Gesells- muchos videojuegos, el venerable la superficie bidimensional de una chaft retó a sus lectores: Asteroides por ejemplo, donde una bola tridimensional. Fue el primer nave espacial sale por el lado dere- ejemplo de un espacio que, siendo Imaginen que a consecuencia de cho de la pantalla y reaparece en el finito, carece de la problemática fron- una experiencia astronómica izquierdo.) Aparte de las intercone- tera. enormemente ampliada se viese xiones entre los lados, el espacio es Cabría aún preguntarse qué hay que el universo entero consiste igual que antes. Los ángulos de los fuera del universo. Pero esta pre- en un número incontable de triángulos suman 180 grados, los gunta presupone que la realidad física copias de nuestra Vía Láctea, haces paralelos de rayos láser no se definitiva ha de ser un espacio euclí- que el espacio infinito podía divi- cortan nunca, etcétera; se cumplen deo de cierto número de dimensiones. dirse en cubos, cada uno de los las reglas de la geometría euclídea. Es decir, presupone que, si el espa- cuales contenía una copia exacta A primera vista, el espacio parece cio es una hiperesfera, habrá de alo- de la Vía Láctea. ¿Nos aferra- infinito a quienes viven en él, porque jarse en un hiperespacio euclídeo ríamos al supuesto de que se no hay límites observables. Si no tetradimensional desde cuyos extra- trataría de una infinidad de rodea el universo y vuelve a encon- muros podríamos mirarlo. Ahora repeticiones idénticas del mismo trar los mismos objetos, la nave no bien, la naturaleza no tiene por qué mundo?... Seríamos mucho más podría decir si está en un toro. En tres amoldarse a esa hipótesis. Sería per- felices concibiendo que esas dimensiones se empieza con un blo- fectamente aceptable que el universo repeticiones eran ilusorias, que que cúbico de espacio y se pegan sus fuese una hiperesfera y no estuviese el espacio tenía unas propieda- caras opuestas para formar un toro inmerso en un espacio de más dimen- des conectivas peculiares, de tridimensional. siones. Puede que sea difícil visua- manera que si saliésemos de un El toro bidimensional euclídeo es lizar semejante objeto porque esta- cubo cualquiera por un lado vol- topológicamente equivalente a la mos acostumbrados a ver las formas veríamos de inmediato a entrar superficie de una rosquilla. Pero no desde fuera. Nada obliga a que haya en él por el opuesto. puede residir en nuestro espacio euclí- un “exterior”. deo tridimensional. Las rosquillas sí, Para finales del siglo XIX los mate- El ejemplo de Schwarzschild ilus- porque se las dobla de manera que máticos habían descubierto diversos tra la construcción mental de un toro por fuera tengan una geometría esfé- espacios finitos sin fronteras. En 1900 a partir del espacio euclídeo. En dos rica y alrededor del agujero, una Karl Schwarzschild llamó la aten- dimensiones se empieza con un cua- hiperbólica. Sin esa curvatura no ción sobre su interés. En un anexo a drado y se identifican los lados opues- podríamos percibir desde fuera la ros- un artículo que publicó en Vierteljahr- tos como uno solo. (Ocurre eso en quilla. 1 3. EL ESPACIO EN FORMA DE ROSQUILLA, más apropiadamente denominada toro-22 euclídeo, es un cuadrado plano cuyos lados opuestos están conectados (1). Cualquier cosa que cruce un lado reapa- rece por el opuesto. Aunque esta superficie no puede existir dentro de nuestro espacio tridimensional, puede construirse una versión distorsionada pegando el lado de arriba y el de abajo (2) y doblando el cilindro resultante hasta convertirlo en un anillo (3). A los observadores de la galaxia roja que se ha pin- tado aquí el espacio les parecerá infinito porque su línea de visión no acaba nunca (abajo). La luz de la galaxia amarilla les llegará a lo largo de varios caminos diferentes, así que verán más de una imagen de ella. Un toro-33 euclídeo se construye a partir de un cubo, no de un cuadrado. 2 3 BRYAN CHRISTIE PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS  Cuando Albert Einstein publicó su se abordan en topología cósmica. Por pero cuesta más representarlas primer modelo relativista del uni- simplicidad, imagínese un universo visualmente. Una consiste en recor- verso en 1917, lo asoció a la hiperes- bidimensional. Repitamos el procedi- tar un poliedro sólido de un espacio fera de Riemann. En aquellos años miento de construcción de un toro-2, hiperbólico tridimensional y pegar la topología del espacio constituía un pero empecemos con una superficie pares de caras, de manera que cual- tema de confrontación. Aleksander hiperbólica. Recórtesele un octógono quier objeto que salga por una retorne Friedmann generalizó enseguida el regular e identifíquense pares de por el punto correspondiente de la modelo de Einstein para que inclu- lados opuestos, de forma que lo que opuesta. yera universos en expansión y espa- salga del octógono por un lado vuelva Hay que fijarse bien en los ángu- cios hiperbólicos. De sus ecuaciones por el opuesto. Sirve también una los del octógono. En una superficie siguen viviendo los cosmólogos. Se- pantalla de Asteroides octogonal. Este plana, los ángulos de un polígono no ñaló que las ecuaciones de su modelo es un universo múltiplemente conexo, dependen de su tamaño. Grande o hiperbólico valían lo mismo para uni- cuya topología equivale a la de una pequeño, todo octógono regular tiene versos finitos que para el infinito ordi- rosquilla con dos agujeros. Un obser- ángulos interiores de 135 grados. En nario, observación desconcertante, vador situado en el centro del octó- una superficie curvada, en cambio, pues no se conocían en aquel enton- gono vería las imágenes más próxi- los ángulos varían con el tamaño. En ces ejemplos de espacios hiperbólicos mas de sí mismo en ocho direcciones una esfera crecen con el polígono, finitos. diferentes. Se produce la ilusión de mientras que en una superficie hiper- un espacio hiperbólico infinito, aun- bólica decrecen. La anterior cons- C ómo puede ser finito un espacio hiperbólico constituye, sin duda, la cuestión más correosa de cuantas que la verdad es que se trata de un universo finito. En tres dimensiones son posibles construcciones similares, trucción requiere un octógono del tamaño justo para que los ángulos tengan 45 grados y al identificar los lados opuestos los ocho vértices se encuentren en un solo punto y el ángulo total sea de 360 grados. Esta sutileza explica por qué la construc- ción no vale para un octógono plano; en la geometría euclídea ocho vérti- ces de 135 grados no pueden encon- trarse en un solo punto. El universo bidimensional obtenido al identifi- car los lados opuestos de un octógono ha de ser hiperbólico. La topología determina la geometría. El tamaño del polígono o poliedro se mide en relación a la única escala de longitud geométricamente signi- ficativa en el espacio: el radio de cur- vatura. Una esfera, por ejemplo, puede adquirir cualquier tamaño físico (en metros, digamos), pero su superficie valdrá siempre 4π veces el cuadrado de su radio, es decir, 4π radianes al cuadrado. El mismo prin- TESELA 1 cipio se aplica al tamaño de una topo- TESELA 2 logía hiperbólica; para ella también se define el radio de curvatura. La topología hiperbólica más compacta, descubierta por uno de nosotros (Weeks) en 1985, puede construirse identificando pares de caras de un poliedro de 18 caras. Su volumen es BRYAN CHRISTIE / FUENTE: JEFFREY R. WEEKS de aproximadamente 0,94 radianes cúbicos. A partir de poliedros mayo- res se generan otras topologías. El universo puede, a su vez, medirse en radianes. Diversas observaciones astronómicas coinciden en que la den- sidad de materia del cosmos es sólo un tercio de la necesaria para que el espacio sea euclídeo. Ahora bien, o una 4. EL ESPACIO HIPERBOLICO FINITO se forma con un octógono cuyos lados opuestos es- constante cosmológica aporta la dife- tán conectados. Cualquier cosa que cruce un lado volverá a entrar por el opuesto (arriba rencia o el universo presenta una geo- a la izquierda). Topológicamente, el espacio octogonal es equivalente a una rosquilla con metría hiperbólica cuyo radio de cur- dos agujeros (arriba a la derecha). Unos observadores que viviesen en la superficie verían vatura es de 18.000 millones de años una red octogonal infinita de galaxias, que sólo puede dibujarse en una variedad hiperbó- luz. En el último caso el universo lica, extraña superficie combada en la que cada punto adopta la geometría de una silla de observable tiene un volumen de 180 montar (abajo). radianes cúbicos, que es sitio bas- 62 TEMAS 33 tante para 200 de los poliedros de BRYAN CHRISTIE / FUENTE: JEAN-PIERRE LUMINET 5 2,5 Weeks. En otras palabras, si el uni- verso tiene la topología de Weeks, su volumen será sólo un 0,5 por ciento NUMERO DE PARES (MILES) 4 de lo que parece. A medida que el espacio se expande uniformemente, sus proporciones no cambian y, por 3 tanto, la topología permanece cons- tante. 0 Casi todas las topologías requie- 2 0 5 ren geometrías hiperbólicas. En dos dimensiones un espacio euclídeo finito ha de tener la topología de un 1 toro-2 o la de una botella de Klein; en tres dimensiones sólo hay 10 posi- 0 bilidades euclídeas, el toro-3 y nueve 0 2,5 5 variaciones simples de él (por ejem- SEPARACION DE LOS PARES (MILES DE MILLONES DE AÑOS LUZ) plo, pegar las caras opuestas con un cuarto de giro o con una reflexión, 5. LAS DISTANCIAS entre los cúmulos de galaxias no muestran el patrón que se esperaría si en vez de hacerlo de manera directa). el universo fuese finito e interconectado: unos picos muy finos a distancias relacionadas con Hay, por contra, innumerables topo- el tamaño real del cosmos (recuadro). Pero los autores sólo estudiaron los cúmulos que es- logías posibles para un universo tán a menos de unos dos mil millones de años luz de la Tierra. El universo podría estar inclu- hiperbólico tridimensional. so interconectado a escalas mayores. P ese a la plétora de posibilidades, los cosmólogos de los años veinte se sintieron incapacitados para medir Boudewijn F. Roukema y otros han logía del universo por medio de la directamente la topología del uni- rastreado la existencia de patrones radiación del fondo cósmico de micro- verso. Acabaron desinteresados por entre los cuásares. Aunque estos obje- ondas, el débil resplandor remanente la cuestión. Entre 1930 y 1990 el pro- tos reciben su energía de agujeros de cuando el plasma primordial de la blema quedó postergado bajo un negros instalados en el centro de las gran explosión (“big bang”) se con- manto de obscuridad. La mayoría de galaxias, brillan; cualquier patrón densó en hidrógeno y helio gaseosos. los manuales de astronomía repetían que formen se percibirá desde muy La radiación se distingue por su nota- que el universo había de ser una hi- lejos. Los observadores identificaron ble homogeneidad. Su temperatura peresfera, un espacio euclídeo infini- todas las agrupaciones de cuatro o e intensidad son iguales en todas las to o un espacio hiperbólico infinito. más cuásares. Examinando las rela- regiones del cielo casi en una parte Las demás topologías se dejaban de ciones espaciales en el seno de cada en 100.000. Pero hay ligeras ondu- lado. Pero los años noventa han asis- grupo, comprobaron que algún par laciones, descubiertas en 1991 por el tido a la recuperación de la cuestión. de grupos no era uno, visto desde dos satélite Explorador del Fondo de Mi- Se han escrito tantos artículos sobre direcciones diferentes. Roukema halló croondas (COBE). Hablando sin mu- topología cósmica en los tres últimos dos casos posibles; quizá no alcan- cha precisión, el fondo de microondas años como en los ochenta preceden- zan significación estadística. lleva en sí las variaciones de densi- tes. Y lo más apasionante, se busca Roland Lehoucq, Marc Lachièze- dad del universo primitivo que serían determinar la topología a través de Rey y uno de los firmantes (Luminet) las semillas de estrellas y galaxias. la observación. se han esforzado por hallar otros ca- Estas fluctuaciones son la clave de La prueba más sencilla para esta- minos. Con el método de la cristalo- la solución de una gavilla de proble- blecer la topología es la observación grafía cósmica que hemos elaborado, mas cosmológicos, topología incluida. de la disposición de las galaxias. Si podemos detectar la presencia de Los fotones de las microondas que lle- se alojaran en una red rectangular, patrones en un universo euclídeo, sin gan aquí empezaron su viaje hace repitiéndose la imagen de una misma tener que reconocer que unas gala- aproximadamente el mismo tiempo y galaxia en puntos equivalentes de la xias sean imágenes de otras. Si las a una misma distancia de la Tierra; red, el universo sería un toro-3. Otros imágenes de las galaxias se repitie- sus puntos de partida forman, pues, patrones revelarían topologías más sen periódicamente, el histograma una esfera, denominada “última complicadas. No sería fácil buscar de todas las distancias entre ellas superficie de dispersión”, cuyo cen- esos patrones, pues las distintas imá- exhibiría máximos a ciertas distan- tro es la Tierra. Así como un disco de genes de una galaxia mostrarían cias, que representarían el tamaño papel lo bastante grande se montará momentos diferentes de su historia. real del universo. No hemos encon- sobre sí mismo si con él envolvemos Los astrónomos tendrían que reco- trado todavía ningún patrón; quizá la estilográfica, la superficie final de nocer la misma galaxia pese a los sea por la escasez de datos sobre las dispersión se cortará a sí misma si, cambios de aspecto o posición con res- galaxias que están a más de 2000 mi- en razón de su tamaño, rodea por com- pecto a las galaxias cercanas. A lo llones de años luz. El Estudio Digital pleto el universo. La intersección de largo de los últimos 25 años, Dmitri Sloan de los Cielos, un proyecto esta- una esfera consigo misma es una cir- Sokoloff, Viktor Shvartsman, J. Ri- dounidense-nipón para levantar un cunferencia de puntos. chard Gott III y Helio V. Fagundes mapa tridimensional de buena parte Observada desde la Tierra, veríamos han buscado sin éxito imágenes repe- del universo, está produciendo un dos circunferencias en el cielo con el tidas entre las galaxias situadas a conjunto de datos mayor. mismo patrón de variaciones de la tem- menos de mil millones de años luz de Por último, otros grupos de inves- peratura. Esas dos circunferencias son, la Tierra. tigadores se proponen abordar la topo- en realidad, una sólo en el espacio, per- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 63  cibida desde dos perspectivas. Serían fuerzas que tienden a distorsionar do de microondas, lanzada por la NASA como las imágenes múltiples de una vela sus imágenes. Por ejemplo, a medida a finales del año 2000, y el satélite en una habitación con espejos, cada uno que las galaxias se aglutinan ejercen Planck, programado por la Agencia de los cuales la muestra desde un ángulo una atracción gravitatoria variable Espacial Europea para el 2007, harán distinto. en la radiación durante su viaje hacia las observaciones cruciales. la Tierra y modifican su energía. Las posiciones relativas de las cir- S tarkman y Weeks, firmantes del artículo, trabajan con David N. Spergel y Neil J. Cornish en la espe- El COBE no estaba capacitado para resolver estructuras de una escala angular menor de 10 grados. Tampoco cunferencias coincidentes, si es que existen, revelarán la topología espe- cífica del universo. Si la superficie rada detección de esos pares de circun- identificaba lugares calientes o fríos; final de dispersión apenas alcanza a ferencias. Al método no le afectan las todo lo que podía decirse con seguri- rodear el universo, sólo intersecará incertidumbres de la cosmología con- dad era que estadísticamente algunas sus imágenes ilusorias más cercanas. temporánea. Se basa en la observa- de las fluctuaciones eran reales, no Si es mayor, llegará más lejos e inter- ción de curvatura constante del espa- artefactos espurios de origen instru- secará las imágenes más cercanas cio, pero no presupone nada acerca mental. Los aparatos han ido ganan- siguientes. Si la superficie final de de la densidad de la materia, la geo- do en resolución y nitidez. Algunos dispersión es bastante grande, cabrá metría del espacio o la presencia de hacen ya observaciones en labora- esperar cientos, si no miles, de pares una constante cosmológica. El pro- torios terrestres o aerostáticos, pero de circunferencias. Se apreciará una blema principal estriba en identifi- no abarcan el cielo entero. La Sonda notable redundancia en los datos. Las car las circunferencias, pese a las Wilkinson de la anisotropía del fon- circunferencias mayores determi- narán la topología del espacio y la posición y orientación de los meno- 6. SI RODEASE el cosmos, la luz crearía patrones en el cielo. Toda la luz recibida en la Tierra res. La coherencia interna de los pa- procedente de un momento o de una distancia determinados —la radiación de microondas trones, pues, no sólo verificará la del fondo cósmico remanente de la gran explosión, por ejemplo— define una esfera. Si és- corrección de los hallazgos topológi- ta es mayor que el universo se cortará a sí misma, lo que definirá a su vez una circunferen- cos, sino también la de los datos del cia, formada por los puntos que vemos dos veces, a la izquierda y a la derecha (derecha). fondo de microondas. Una venda circular enrollada alrededor de un dedo es un ejemplo en dos dimensiones. TIERRA TIERRA BRYAN CHRISTIE / FUENTE: JEFFREY R. WEEKS 64 TEMAS 33  JEFFREY R. WEEKS 7. TRES UNIVERSOS POSIBLES, grande, mediano y pequeño (fila de no se monta sobre sí misma, ni, por tanto, se generan patrones. En el arriba), producirían patrones característicos en la radiación de mi- mediano la esfera se corta a sí misma una vez por cada dirección. croondas del fondo cósmico, tal y como se simula aquí (fila de aba- Puede verificarse si la lectura en el sentido del reloj alrededor de la jo). Cada uno de estos universos tiene la topología de un toro-33 y apa- esfera descubre la misma secuencia de colores que si se hace en rece repetido seis veces para sugerir la red regular que vería un sentido contrario. Por último, en el universo pequeño la esfera se cor- observador. En el universo grande la esfera de la radiación de fondo ta a sí misma muchas veces y se produce un patrón más complejo. Otros equipos acarician planes dife- teorías del todo, como la de cuerdas, Igor Y. Sokolov y otros se han valido rentes para los datos. John D. Barrow se hallan en pañales. Pero las teorías de los datos de COBE para descartar y Janna J. Levfin, de la Universidad acabarán por predecir la topología dicha explicación si el espacio es un de Sussex, Emory F. Bunn, del Colegio del universo a gran escala. toro-3. Pero sigue siendo viable si el Bates, y Evan Scannapieco y Joseph Los intentos empeñados en la bús- espacio es hiperbólico. I. Silk, de la Universidad de California queda de la unificación de la física Desde la noche de los tiempos las en Berkeley, no descartan un examen han engendrado la subespecialidad culturas se han preguntado cómo directo del patrón de los lugares de la cosmología cuántica. Hay tres empezó el universo y si es finito o calientes y fríos. Ya han construido hipótesis básicas para el nacimiento infinito. Mediante una combinación mapas de muestra que simulan el del universo, defendidas, respecti- de agudeza matemática y de obser- fondo de microondas para topologías vamente, por Andrei Linde, Alexan- vación cuidadosa la ciencia del si- concretas. Han multiplicado la tem- der Vilenkin y Stephen W. Hawking. glo XX ha respondido en parte la pri- peratura en cada dirección por la tem- Una diferencia sobresaliente entre mera pregunta. El siglo XXI podría peratura en todas las demás, y han ellas es el volumen que esperan tenga dar pronto una respuesta de la se- generado así un inmenso mapa tetra- un universo recién nacido: muy gran- gunda. dimensional de la función de correla- de en las de Linde y Vilenkin, muy ción de dos puntos. Los mapas pro- pequeño en la de Hawking. Quizá los porcionan una manera cuantitativa datos topológicos distingan entre de comparar topologías. J. Richard estos modelos. Bond, Dmitry Pogosyan y Tarun Sou- Si las observaciones descubriesen BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA radeep están aplicando nuevas téc- que el universo es finito, podría tal CIRCLES IN THE SKY: FINDING TOPOLOGY nicas, relacionadas con la anterior, vez avanzarse en la resolución del WITH THE MICROWAVE BACKGROUND RA- a los datos del COBE, que podrían ser problema de la homogeneidad gene- DIATION. Neil J. Cornish, David N. Sper- bastante precisos como para identificar ral del universo. La necesidad de gel y Glenn D. Starkman en Classical and los espacios hiperbólicos menores. explicar semejante uniformidad con- Quantum Gravity, vol. 15, n.o 9, págs. dujo a la teoría de la inflación, pero 2657-2670; septiembre de 1998. Prepu- M ás allá de la satisfacción inte- ésta se ha visto después en apuros por- blicación en xxx.lanl.gov/abs/astro- lectual, el descubrimiento de la que, en su formulación común, exige ph/9801212 en la World Wide Web. RECONSTRUCTING THE GLOBAL TOPOLOGY topología del espacio acarrearía pro- que la geometría cósmica sea euclí- OF THE UNIVERSITY FROM THE COSMIC MI- fundas consecuencias para la física. dea, en manifiesta contradicción con CROWAVE B ACKGROUND . Jeffrey R. Aunque la relatividad no entra en la la densidad observada de la materia. Weeks en Classical and Quantum Gra- topología del universo, otras teorías Ante esa aporía, se han propuesto vity, vol. 15, n.o 9, págs. 2599-2604, sep- que se están desarrollando predirán formas ocultas de energía y modifi- tiembre de 1998. Prepublicación en la topología o al menos asignarán pro- caciones de la inflación. Otra posibi- xxx.lanl.gov/ abs/astro-ph/9802012 en la babilidades a las distintas posibili- lidad es que el universo sea menor de World Wide Web. En las direcciones de la World Wide Web dades. Hablamos de teorías necesa- lo que parece. Si fuese así, la infla- www.geom.umn.edu/software/download rias para explicar la gravedad en los ción podría haberse detenido pre- y www.northnet.org/weeks pueden en- primeros momentos de la gran explo- maturamente —antes de engendrar contrarse programas de ordenador gratui- sión, cuando los efectos mecano- una geometría euclídea— y aun así tos para el estudio de la topología. cuánticos encerraban interés. Las habría homogeneizado el universo. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 65 Nuevas dimensiones para otros universos El universo visible podría extenderse en una membrana flotante por un espacio con dimensiones supernumerarias. Estas unificarían las fuerzas de la naturaleza y podrían contener universos paralelos Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali E dwin A. Abbott contaba en aquejan a la física de partículas y a intensa como el electromagnetismo Planilandia: Una historia en la cosmología desde hace mucho. y las otras fuerzas a la escala de muchas dimensiones, de 1884, Ideas tan fuera de lo común como Planck, se ha dado tradicionalmente las aventuras de “A. Cuadrado”, que la teoría de cuerdas y la multidi- por sentado que la teoría que unifi- vivía en un mundo bidimensional mensionalidad nacen del afán por que la gravedad con las demás inte- poblado de triángulos, cuadrados, conocer la fuerza de la gravedad. Más racciones se manifestará sólo a esas pentágonos y demás figuras geomé- de tres siglos después de que Isaac energías. En tal caso la naturaleza tricas animadas. Hacia el final del Newton propusiera su ley de la gra- de la teoría unificada final estaría en relato, el primer día del año 2000, vitación, la física sigue sin explicar el futuro previsible, y más allá de una criatura esférica de la tridi- por qué es la gravedad muchísimo toda esperanza, fuera del alcance de mensional “Espaciolandia” atraviesa más débil que las otras fuerzas; de la investigación experimental directa. Planilandia y saca a Cuadrado de su una levedad, efectivamente, enorme. Los aceleradores más potentes en dominio planar y le enseña la ver- Basta un pequeño imán para levan- funcionamiento sondean las energías dadera naturaleza tridimensional de tar del suelo un clavo y vencer así la entre 100 y 1000 GeV (un teraelectron- un mundo mayor. Cuando consigue atracción gravitatoria de la masa volt, o TeV). Se ha visto que la fuerza entender lo que la esfera le está mos- entera de la Tierra. La atracción gra- electromagnética y la interacción dé- trando, Cuadrado conjetura que qui- vitatoria entre dos electrones es 1043 bil (fuerza ejercida entre partículas zás Espaciolandia sea a su vez un veces más débil que su mutua repul- elementales, a la que se deben cier- pequeño subespacio de un universo sión eléctrica. La gravedad nos parece tos tipos de desintegración radiac- tetradimensional aún mayor. importante —nos asienta los pies en tiva) se unifican en ese intervalo. Los físicos llevan ya unos años el suelo y pone a la Tierra a dar vuel- Entenderíamos por qué es la grave- examinando en serio una idea muy tas alrededor del Sol— sólo porque dad tan débil si desentrañásemos el parecida: que todo lo que vemos en esas grandes agregaciones de mate- factor de 1016 que separa la escala nuestro universo está encerrado en ria son eléctricamente neutras; las electrodébil de la escala de Planck. una “membrana” tridimensional ten- fuerzas eléctricas son tan pequeñas, Para nuestro infortunio, la teoría dida en un dominio dotado de más que pueden despreciarse y la grave- de la física de las partículas elemen- dimensiones. Pero al revés que dad queda, con ser tan débil, como la tales, el modelo estándar, que tan Cuadrado, que comprendió gracias única fuerza perceptible. extraordinarios éxitos ha tenido, no a una intervención divina procedente puede explicar el tamaño de ese salto de Espaciolandia, es posible que los La levedad inexplicable inmenso, porque está ajustada meti- físicos estén pronto en condiciones de la gravedad culosamente para concordar con la de detectar y verificar la existencia de dimensiones supernumerarias de la realidad que podrían medir hasta L a masa de los electrones tendría que ser 10 22 veces mayor para que las fuerzas eléctricas y gravita- escala electrodébil observada. La buena noticia es que ese ajuste (con otros 16) vale de una vez por todas un milímetro. Ya se están prepa- torias entre dos de ellos fuesen igua- para cubrir miríadas de observacio- rando experimentos que buscan los les. La producción de una partícula nes. La mala es que hemos de sinto- efectos de tales dimensiones adicio- tan pesada requeriría 1019 gigaelec- nizar finamente la teoría básica con nales en la fuerza de la gravedad. Si tronvolt (GeV) de energía, la llamada una precisión de alrededor de una la teoría es correcta, los experimentos energía de Planck. Una magnitud parte en 1032; si no, los efectos cuán- con partículas de altas energías que asociada a ésta es la longitud de ticos —inestabilidades— arrastra- pronto se realizarán en Europa verán Planck, 10–35 metros. Por mor de com- rían la escala electrodébil sin parar procesos insólitos relacionados con paración, el núcleo de un átomo de hasta la escala de Planck. Que en la la gravedad cuántica; por ejemplo, hidrógeno, un protón, es unas 1019 teoría haya un equilibrio tan deli- la creación de microagujeros negros veces mayor y tiene una masa de al- cado es como entrar en una habita- transitorios. La teoría no es una his- rededor de 1 GeV. Ni siquiera el Gran ción y encontrar un lápiz que se man- toria fantástica; se basa en avances Colisionador de Hadrones del CERN, tiene vertical sobre su punta en una recientes de la teoría de cuerdas y conseguirá escudriñar distancias de mesa. No es imposible, pero sí muy resolvería ciertos problemas que menos de alrededor de 10–19 metros. inestable, y nos preguntaríamos cómo Ya que la gravedad llega a ser tan lo ha logrado. 66 TEMAS 33 BRYAN CHRISTIE 1. UN UNIVERSO MEMBRANA en un ámbito de más dimensiones: ahí puede que estemos viviendo. Los ex- perimentos podrían detectar señales de di- mensiones supernumerarias “grandes”, de hasta un milímetro, este año. Los teóricos atacan este problema, físico germano, se basa lo llaman el problema de la jerarquía, en un supuesto sobre la desde hace veinte años alterando la acción de la gravedad a cortas naturaleza de la física de partículas distancias que no está comprobado. cerca de los 10–19 metros (o 1 TeV), La ley gravitatoria newtoniana de suerte que se estabilice la escala del inverso del cuadrado de la dis- electrodébil. La modificación más tancia —que dice que la fuerza entre popular del modelo estándar que con- dos masas decae con el cuadrado de sigue tal objetivo se basa en una nueva la distancia que los separa— fun- dimensiones y la simetría, la supersimetría, que, vol- ciona extraordinariamente bien a dis- fuerza de la gravedad viendo a la metáfora del lápiz, es como tancias macroscópicas y explica la caerá con el inverso del cubo un hilo invisible que lo sujetase e impi- órbita de la Tierra alrededor del Sol, de la distancia. Pero una vez que diese que cayera. Los aceleradores no la de la Luna alrededor de la Tierra, las líneas se hayan extendido por la han ofrecido todavía ninguna prueba etcétera. Pero como la gravedad es tan circunferencia entera, sólo les que- directa de la supersimetría, pero cier- débil, la ley se ha comprobado expe- darán tres dimensiones por donde tos indicios indirectos respaldan la rimentalmente sólo hasta distancias seguir dispersándose; en consecuen- ampliación supersimétrica del modelo de alrededor de un milímetro, y hemos cia, para distancias mucho mayores estándar. Por ejemplo, cuando las de extrapolar a través de 32 órdenes que R la fuerza variará con el inverso intensidades medidas de las interac- de magnitud para concluir que la gra- del cuadrado de la distancia. ciones fuerte, débil y gravitatoria se vedad se torna intensa a la escala de El mismo efecto se produce cuando extrapolan teóricamente a distancias Planck de 10–35 metros. hay muchas dimensiones adiciona- más cortas, se cortan con mucha exac- La ley del inverso del cuadrado es les, todas dobladas hasta convertirse titud en un valor común, siempre y natural en un espacio tridimensio- en circunferencias de radio R. Para cuando la extrapolación se atenga a nal. Imaginemos unas líneas de fuerza n dimensiones espaciales supernu- reglas supersimétricas. De lo que se gravitatoria que emanan uniforme- merarias, a distancias menores que desprende que se produce una unifi- mente de la Tierra. A una mayor dis- R la fuerza de la gravedad seguirá una cación supersimétrica de esas tres tancia de ésta se dispersarán sobre ley de la inversa de 2 + n. Como no fuerzas a unos 10–32 metros; aunque una capa esférica de mayor área. El hemos medido la gravedad a distan- es alrededor de mil veces mayor que área crece con el cuadrado de la dis- cias menores de un milímetro, qui- la longitud de Planck, sigue estando tancia y la fuerza, pues, se diluirá en zás estemos pasando por alto los cam- muy alejada del alcance de los coli- ese mismo grado. Supongamos que bios que le causen a la gravedad sionadores de partículas. hubiese una dimensión más, que el dimensiones adicionales con un ta- espacio fuese tetradimensional. Las maño R de menos de un milímetro. La gravedad líneas de campo que emanasen de un Además, la ley del inverso de 2 + n y las dimensiones punto se dispersarían entonces por haría que la gravedad alcanzase la espaciales grandes una corteza tetradimensional, cuya “intensidad de la escala de Planck” D urante veinte años, no hubo otra manera viable de abordar el pro- blema de la jerarquía que la de cam- superficie aumentaría con el cubo de la distancia; la gravedad seguiría una ley del inverso del cubo. muy por encima de los 10–35 metros. Es decir, la longitud de Planck (dis- tancia a la que la gravedad se vuelve biar la física de partículas cerca de La ley del inverso del cubo no des- fuerte) no sería tan pequeña y se redu- los 10–19 metros mediante la intro- cribe nuestro universo, pero imagí- ciría el problema de la jerarquía. ducción de procesos nuevos, como la nese ahora que la dimensión adicio- Puede resolverse el problema de la supersimetría. Pero últimamente se nal se dobla y dibuja una pequeña jerarquía por completo si admitimos ha propuesto un enfoque radical- circunferencia de radio R y que es- la existencia de dimensiones ulte- mente diferente, que modifica el espa- tamos mirando las líneas de campo riores en número suficiente para acer- cio-tiempo, la gravedad y la propia que salen de una diminuta masa pun- car la escala de Planck a la electro- escala de Planck. La idea clave reside tual. Cuando las líneas de campo débil. La unificación final de la en el extraordinario tamaño de la están mucho más cerca de la masa gravedad con las demás fuerzas ten- escala de Planck; aceptado durante que la distancia R, podrán disper- dría lugar entonces cerca de los 10–19 un siglo desde que lo propusiese el sarse uniformemente por las cuatro metros y no, como se ha venido supo- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 67 niendo, a los 10–35 metros. Cuántas Admitir la existencia de dimensio- de radio, y quizás tan inmensas como dimensiones harían falta dependería nes supernumerarias puede parecer un milímetro. de su magnitud. Recíprocamente, extravagante y un recurso ad hoc. dado un número de dimensiones adi- Para los físicos constituye, sin em- Nuestro universo cionales, podemos calcular qué tama- bargo, una idea muy conocida; se en una pared ño deberían tener para que la grave- dad se tornara intensa alrededor de los 10–19 metros. Si hubiese sólo una remonta a los años veinte, cuando Theodor Kaluza y Oskar Klein crea- ron una notable teoría unificada de S i esas dimensiones son tan gran- des, ¿por qué no las hemos perci- bido todavía? A simple vista distingui- dimensión más, su radio R vendría a la gravedad y el electromagnetismo ríamos unas dimensiones super- ser del orden de la distancia entre la que requería una dimensión adicio- numerarias de un milímetro, no Tierra y el Sol. La observación, pues, nal. Las modernas teorías de cuerdas, digamos con un microscopio. Y aun- ya excluye esta posibilidad. Dos di- que necesitan para tener coherencia que no hemos medido la gravedad por mensiones supernumerarias, en cam- matemática interna 10 dimensiones debajo del milímetro, disponemos de bio, resolverían el problema de la je- espaciales, le insuflaron nueva vida. abundantes resultados experimen- rarquía si midiesen alrededor de un En el pasado se dio por sentado que tales de las otras fuerzas a distan- milímetro, precisamente donde acaba las dimensiones supernumerarias se cias mucho menores, cerca de los 10–19 nuestro conocimiento directo de la doblaban y dibujaban circunferencias metros, compatibles todos ellos sólo gravedad. Si hubiese más dimensio- minúsculas de un tamaño parecido a con un espacio de tres dimensiones. nes serían aún menores; si fuesen la tradicional longitud de Planck de ¿Cómo podría haber dimensiones siete, necesitaríamos que midiesen 10–35 metros, lo que las hacía inde- supernumerarias grandes? unos 10–14 metros, el tamaño, apro- tectables y dejaba, además, sin resol- La respuesta es a la vez simple y ximadamente, de un núcleo de ura- ver el problema de la jerarquía. Por peculiar: toda la materia y todas las nio. Para los patrones de medidas contra, en la nueva teoría de que esta- fuerzas que conocemos —excluida la actuales se trata de un tamaño muy mos hablando las dimensiones super- gravedad— están adheridas a una pequeño, pero enorme según la vara numerarias se enrollan formando cir- “pared” del espacio de las dimensio- de medir de la física de partículas. cunferencias de al menos 10–14 metros nes adicionales. En éstas no pueden Vocabulario básico Dimensiones. Distinguimos en nuestro universo cuatro dimen- tre se extienden sólo unos 40.000 kilómetros, la longitud de siones: tres espaciales (arriba y abajo, izquierda y derecha, un meridiano). adelante y atrás) y una temporal. Aunque nos cuesta imagi- nar dimensiones ulteriores, matemáticos y físicos llevan años Dimensiones adicionales pequeñas. Algunas teorías físi- analizando las propiedades de espacios teóricos dotados de cas introducen dimensiones reales supernumerarias enrolla- cualquier número de dimensiones. das en circunferencias tan pequeñas (quizá 10–35 metros de radio) que no las detectamos. Piénsese en una hebra de algo- Tamaño de las dimensiones. Las cuatro dimensiones espa- dón, que, en buena aproximación, es unidimensional. Basta cio-temporales conocidas se caracterizan por su inmensidad. un solo número para especificar dónde está una hormiga en La temporal arranca, al menos, desde hace 13.000 millones la hebra. Pero con un microscopio veremos ácaros movién- de años y podría prolongarse en un futuro sin fin. Las tres dose por la superficie bidimensional de la misma: a lo largo dimensiones espaciales pueden ser infinitas (nuestros teles- de la extensa dimensión de la longitud y alrededor de la corta copios han detectado objetos que están a más de 12.000 dimensión de la circunferencia. millones de años-luz) o finitas (las dos de la superficie terres- Dimensiones adicionales grandes. Podría haber dimen- siones “grandes”, hasta de un milímetro, sin que dejasen de sernos invisibles. Ningún dato experimental conocido con- tradice esa hipótesis, capaz de explicar varios misterios de la física de partículas y de la cosmología. Todo lo que contiene el universo tridimensional que habitamos, con la excepción de la gravedad, estaría adherido a una “membrana”, como bolas de billar que se mueven en el tapete verde y bidimensional de una mesa. BRYAN CHRISTIE Dimensiones y gravedad. El comportamiento de la grave- dad —en particular su intensidad— guarda íntima relación con el número de dimensiones en que actúe. El estudio de la acción de la gravedad en distancias de menos de un milíme- tro podría descubrirnos dimensiones supernumerarias gran- PODEMOS ASOCIAR las bolas de una des. Están en marcha experimentos de esa índole. Dichas mesa de billar al comportamiento de las par- dimensiones aumentarían además la producción de peculia- tículas elementales en la membrana que quizá sea nuestro univer- res objetos propios de la gravedad cuántica, como los micro- so. Los choques entre bolas radian energía en las tres dimensiones agujeros negros, la partícula gravitón y las supercuerdas; en forma de ondas sonoras (rojo), el equivalente de los gravitones todos ellos podrían detectarse en los aceleradores de partí- de la comparación. El estudio preciso de los movimientos de las bo- culas de altas energías antes de que transcurran diez años. las detectaría la energía “que falta” y, por tanto, las dimensiones superiores. —Graham P. Collins, de la redacción. 68 TEMAS 33 moverse los electrones, protones, fo- electrones están representadas por BRYAN CHRISTIE tones y demás partículas del modelo diminutas longitudes de cuerda con estándar; las líneas de campo eléc- dos cabos que han de estar adheri- tricas y magnéticas no pueden ex- dos a una D-brana. Los gravitones, tenderse hasta un espacio de ulte- por contra, constituyen bucles mi- riores dimensiones. La pared tiene núsculos de cuerda que pueden vagar sólo tres dimensiones, y por lo que se en todas las dimensiones porque care- refiere a dichas partículas, el uni- cen de extremos que los anclen en verso bien podría ser tridimensional. una D-brana. Sólo las líneas de campo gravitato- rias pueden extenderse hasta un espa- ¿Vive? cio de dimensiones superiores y sólo la partícula que transmite la gra- vedad, el gravitón, viaja libremente L os teóricos de raza acostumbran, cuando aparece una teoría nueva, rodearla y darle caza. O lo que es lo a ellas. La presencia de las dimen- mismo, descubrirle alguna contra- siones adicionales puede percibirse dicción con los resultados experi- exclusivamente por medio de la gra- mentales conocidos. La teoría de las LINEAS DE FUERZA vedad. dimensiones adicionales grandes Recurramos a una metáfora. Ima- cambia la gravedad a distancias ginemos que todas las partículas del macroscópicas y altera otras partes 2. LAS LINEAS DE FUERZA GRAVITATORIAS modelo estándar (electrones, proto- de la física de altas energías. Una se extienden desde la Tierra en tres dimen- nes y demás) son bolas que se mue- pieza fácil de abatir. Mas, pese a que siones. Conforme se abre la distancia des- ven sobre la superficie de una mesa se aparta radicalmente de la visión de el planeta, la fuerza se diluye al disper- de billar. En lo que a ellas se refiere, usual del universo, no contradice nin- sarse por una superficie mayor (esferas). El el universo es bidimensional. No obs- gún resultado experimental conocido. área de cada esfera aumenta con el cua- tante, los habitantes de la mesa, Unos cuantos ejemplos del tipo de drado de su radio; por tanto, en tres dimen- hechos de “bolas de billar”, podrían pruebas que supera muestra cuán siones la gravedad cae como el inverso del detectar el mundo de más dimensio- sorprendente es tal conclusión. cuadrado de la distancia. nes: cuando dos bolas chocan con sufi- De entrada, podría preocupar que ciente fuerza producen ondas sono- la modificación de la gravedad afec- ras que viajan en las tres dimensiones tase a los objetos que esa fuerza man- la materia (equivale esto a que sea y roban algo de energía de la super- tiene unidos, las estrellas, las ga- más intensa la gravedad a distancias ficie de la mesa. Las ondas sonoras laxias. Pero no les afecta. La gravedad cortas); por tanto, en las colisiones serían los gravitones, que pueden via- cambia sólo a distancias menores de de partículas a altas energías debe- jar por todo el espacio de más dimen- un milímetro, mientras que en una rían producirse muchos más. Se pro- siones. En las colisiones de partícu- estrella, por ejemplo, actúa a través pagan, por añadidura, en todas las las de altas energías esperamos de miles de kilómetros para mante- dimensiones y sustraen energía de la observar una pérdida de energía ner juntas zonas remotas suyas. En pared, o membrana, es decir, del uni- debida al escape de los gravitones un marco más general, aun cuando las verso donde vivimos. hacia dimensiones superiores. dimensiones supernumerarias inten- Cuando una estrella se derrumba Puede parecernos extraño que algu- sificasen la gravedad mucho más y estalla constituida en supernova, nas partículas estén confinadas en deprisa de lo usual a cortas distan- las grandes temperaturas podrían una pared. La verdad es que se trata cias, alcanzaría a las otras fuerzas fácilmente hacer que los gravitones de un fenómeno harto común. Por sólo cerca de los 10–19 metros y segui- se evaporasen hacia las dimensiones botón de muestra, los electrones de ría siendo muy débil en comparación adicionales. Sin embargo, por las un hilo de cobre sólo pueden moverse con ellas a distancias mayores. observaciones de la famosa Supernova a lo largo del espacio unidimensional Una inquietud mucho más grave es 1987A sabemos que una explosión de del filamento; no viajan al espacio la que se refiere a los gravitones, las supernova emite la mayor parte de tridimensional circundante. De ma- partículas hipotéticas que transmi- su energía en forma de neutrinos, con nera semejante, las olas se propagan ten la gravedad en una teoría cuán- lo que queda poco margen para las principalmente en la superficie del tica. En la teoría con dimensiones pérdidas de energía debidas a los gra- océano y no a lo largo de su profun- adicionales los gravitones interac- vitones. Lo que conocemos de las didad. El orden de cosas que estamos cionan mucho más fuertemente con supernovas limita, pues, la fuerza describiendo, donde todas las partí- culas, menos la gravedad, se adhie- ren a una pared, se genera de forma natural en la teoría de cuerdas. En realidad, uno de los grandes hallaz- gos que han promovido los recientes avances de la teoría de cuerdas ha sido BRYAN CHRISTIE caer en la cuenta de que la teoría con- tiene “paredes” así, llamadas D-bra- nas, donde “brana” viene de “membra- na” y “D”, que indica una propiedad 3. UNA DIMENSION ADICIONAL PEQUEÑA enrollada en una circunferencia (la del tubo) mo- matemática de las branas, de “Di- difica la manera en que se dispersa la gravedad (líneas rojas) por el espacio. A distancias richlet”. Las D-branas gozan de las menores que el radio del círculo (mancha azul), las líneas de fuerza se separan deprisa en características requeridas: las par- todas las dimensiones. A distancias mayores (círculo amarillo), las líneas han llenado la di- tículas del estilo de los fotones o los mensión supernumeraria y ya no sienten su efecto. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 69 BRYAN CHRISTIE GRAVEDAD GRAVEDAD NUESTRO UNIVERSO 3-D 4. PUEDE QUE NUESTRO UNIVERSO exista en una pared, o membrana, de las di- mensiones adicionales. La línea a lo largo del cilindro (abajo a la derecha) y el plano representan nuestro universo tri- dimensional, al que se adhieren todas las partículas y fuerzas cono- cidas menos la gravedad. Esta (líneas rojas) se propaga por todas las dimensiones. Las dimensiones adicionales podrían llegar a medir un centímetro sin violar ninguna observación existente. DIMENSIONES ADICIONALES con que los gravitones pueden aco- den rigor a medida que se añaden más la gravedad cuántica. Si la teoría de plarse a la materia. Esta ligadura dimensiones a la teoría. Lo hemos cuerdas es la descripción correcta de podría fácilmente haber matado la visto desde el principio: el caso de una la gravedad cuántica, las partículas idea de las dimensiones supernume- sola dimensión adicional se descartó consistirían en pequeños fragmentos rarias grandes, pero el cálculo deta- de inmediato porque alteraría la gra- de cuerda que vibran como la de un llado muestra que la teoría sobre- vedad a distancias del orden de las violín. Las partículas fundamenta- vive. El límite más riguroso es para del sistema solar. Esto indica por qué les conocidas corresponden a una el caso de que haya sólo dos dimen- es más seguro tener dimensiones cuerda que no vibra, una cuerda de siones adicionales, porque entonces supernumerarias; la intensificación violín sin tañer. Cada “nota musical” los gravitones enfriarían las super- espectacular de la gravedad comienza diferente que la cuerda diese al vibrar novas demasiado si la escala de a distancias más cortas y tiene, por se manifestaría como una nueva par- Planck se redujese por debajo de los tanto, un impacto menor en los pro- tícula exótica. En la teoría de cuer- 50 TeV. Para tres o más dimensiones cesos de grandes distancias. das ordinaria las cuerdas miden sólo adicionales, esa escala puede ser de 10–35 metros; las nuevas partículas tan sólo unos TeV sin que se produzca La respuesta, tendrían masas del orden de la ener- el fiasco de la supernova. de aquí a diez años gía de Planck tradicional: la música Los teóricos han examinado otras restricciones, ligadas a cambios ina- ceptables que pudiesen sufrir siste- L a teoría resuelve el problema de la jerarquía haciendo de la grave- dad una fuerza intensa cerca de las de cuerdas así sería demasiado aguda para que la “oyésemos” en los coli- sionadores de partículas. Pero con mas muy diversos, del universo pri- energías del orden del TeV, precisa- dimensiones adicionales grandes las mitivo, según lo concibe la afortunada mente la escala de energía que los pró- cuerdas serían mucho más largas, hipótesis de la gran explosión, a las ximos aceleradores de partículas van tendrían cerca de 10–19 metros, y las colisiones de rayos cósmicos de ener- a investigar. Los experimentos del partículas nuevas aparecerían a ener- gías ultra-altas. La teoría supera todas Gran Colisionador de Hadrones gías del orden del TeV, un tono sufi- esas pruebas experimentales, que al (LHC), previstos para el 2005, debe- ciente para oírlas en el LHC. final son menos rigurosas que la liga- rían, pues, descubrir la naturaleza de De manera similar, las energías dura de las supernovas. Puede que sorprenda, pero las ligaduras pier- 1 MILIMETRO OS E AÑ LONES D MIL S DE BRYAN CHRISTIE MILE LUZ GRAVEDAD 5. QUIZAS HAYA UNIVERSOS PARALELOS invisibles junto al narias en láminas próximas: para llegar hasta nosotros, su gra- nuestro, a menos de un milímetro, en sus propias membranas. vedad (rojo) tomaría un atajo por entre las dimensiones super- Tales universos paralelos podrían ser láminas de nuestro pro- numerarias, pero no podríamos verlas porque la luz (amarillo) pio universo plegado sobre sí mismo. Quedaría revelado el mis- habría de viajar miles de millones de años-lluz yendo y viniendo terio de la materia oscura si hubiese estrellas y galaxias ordi- por los pliegues. 70 TEMAS 33 necesarias para crear microagujeros toria a distancias submilimétricas BRYAN CHRISTIE HUNDIMIENTO negros en las colisiones de partículas hay que usar objetos no mucho mayo- DE UNA SUPERNOVA se reducirían hasta estar a tiro de los res que un milímetro; de masa, por experimentos. Esos agujeros, de unos tanto, muy pequeña. Se han de eli- 10–19 metros de tamaño, serían dema- minar con cuidado numerosos efec- siado pequeños para causar proble- tos, como las fuerzas electrostáticas mas: emitirían una energía llamada residuales que enterrarían o simu- radiación de Hawking y se evapora- larían la insignificante atracción gra- rían en menos de 10 –27 segundos. vitatoria. Estos experimentos, difí- NEUTRINOS GRAVITONES Merced a la observación de tales fenó- ciles y sutiles, podrían descubrir una menos podríamos investigar directa- nueva física. Amén de la búsqueda NUESTRO UNIVERSO mente los misterios de la física de los de dimensiones supernumerarias, 6. ESTALLA UNA SUPERNOVA cuando una agujeros negros cuánticos. importa el que nos permitan ahondar estrella dotada de abundante masa se des- Incluso a energías demasiado en el conocimiento directo de la gra- ploma y genera una onda de choque explo- pequeñas para producir cuerdas vi- vedad a distancias cortas. Tres inves- siva. La mayor parte de la energía se emite brantes o agujeros negros, las coli- tigadores están llevando a cabo expe- en forma de neutrinos (azul). Si existiesen di- siones de partículas producirán gra- rimentos con ese objeto: John C. Price, mensiones adicionales, los gravitones ra- vitones en cantidad ingente, proceso de la Universidad de Colorado, Aharon diados (rojo) se llevarían más energía que en despreciable en las teorías ordina- Kapitulnik, de la de Stanford, y Eric el caso tridimensional. Las propiedades de rias. Aunque los experimentos no po- G. Adelberger, de la de Washington. las dimensiones adicionales están limitadas drían detectar directamente los gra- Esperan recabar los primeros resul- por una condición: los gravitones no deben vitones emitidos, conoceríamos la tados el año en curso. causar el desvanecimiento de la supernova. energía absorbida a través de la ener- La idea de dimensiones adiciona- gía que faltara en los residuos de la les prolonga la tradición copernicana colisión. La teoría predice propieda- del conocimiento de nuestro lugar en GRAVITONES des concretas de la energía perdida el mundo: ni la Tierra es el centro del MICROAGUJERO NEGRO —cómo variaría con la energía de coli- sistema solar, ni el Sol centro de nues- sión, etc.—, así que los indicios de la tra galaxia, siendo ésta una entre producción de gravitones se distin- miles de millones de un universo sin guirían de otros procesos que roban centro. Nuestro universo tridimen- energía por medio de partículas que sional sería ahora una membrana no se ven. Los datos actuales de los insignificante en el espacio cabal de aceleradores de mayor energía ya las dimensiones. Si pensamos en cor- imponen suaves restricciones a las tes a través de las dimensiones super- PARTICULAS dimensiones grandes. Los experi- numerarias, nuestro universo ocu- PROTON mentos del LHC deberían obtener paría un punto infinitesimal en cada NUESTRO UNIVERSO pruebas de la presencia de gravito- corte, rodeado por un vacío. 7. PODRIAN CREARSE MICROAGUJEROS nes o, con su ausencia, empezar a Quizá no acaben ahí las cosas. Igual NEGROS en el Gran Colisionador de Hadro- desechar la teoría. que la Vía Láctea no es la única gala- nes al chocar protones (amarillo) a altas Un tipo completamente diferente xia del universo, ¿cabría que nuestro energías. Los agujeros se evaporarían rápi- de experimento podría también res- universo no estuviese sólo en las damente emitiendo radiación de Hawking, paldar la teoría, quizá mucho antes dimensiones supernumerarias? Las compuesta de partículas del modelo están- que los colisionadores de partículas. membranas de otros universos tridi- dar (azules) y gravitones (rojo). Recuérdese que, para que dos dimen- mensionales podrían hallarse para- siones adicionales resuelvan el pro- lelas a la nuestra, a un milímetro de blema de la jerarquía, deben medir nosotros en las dimensiones adicio- nada menos que un milímetro. Las nales. De manera semejante, aunque durante mucho tiempo, tienen ma- mediciones de la gravedad detecta- todas las partículas del modelo están- sa, minúscula pero no nula [véase rían en ese caso la conversión de la dar deben adherirse a nuestro uni- “Detección de la masa de los neutri- ley de la inversa del cuadrado de verso membrana, otras partículas nos”, por Edward Kearns, Takaaki Newton en una ley de la inversa de más allá del modelo estándar podrían, Kajita y Yoji Totsuka, INVESTIGACIÓN la cuarta potencia a distancias cer- además del gravitón, propagarse a Y C IENCIA , octubre de 1999]. El neu- canas al milímetro. Las ampliacio- través de las dimensiones supernu- trino quizás adquiera esa masa me- nes del marco teórico básico condu- merarias. Lejos de estar vacías, las diante la interacción con un campo cen a una multitud de posibles dimensiones adicionales quizá ten- compañero existente en las dimen- desviaciones de la gravedad newto- drían una multitud de estructuras siones supernumerarias. Como pasa niana, la más interesante de las cua- interesantes. con la gravedad, la interacción se les es la aparición de fuerzas repul- Los efectos de las nuevas partícu- diluye mucho al estar disperso el com- sivas más de un millón de veces más las en las dimensiones adicionales pañero por las dimensiones adicio- intensas que la gravedad entre masas proporcionarían respuestas a muchos nales, y así el neutrino sólo adquiere separadas por menos de un milíme- misterios sobresalientes de la física una masa muy pequeña. tro. Están en marcha en las mesas de partículas y la cosmología. Podrían, de laboratorios experimentos que por ejemplo, explicar las masas de Universos paralelos emplean detectores construidos para comprobar la ley de Newton a dis- tancias que van del centímetro a las los neutrinos. Las nuevas e impre- sionantes pruebas obtenidas por el experimento Super Kamiokande en O tro ejemplo es el misterio cos- mológico de la constitución de la “materia oscura”, la sustancia gra- decenas de micras. Japón indican que los neutrinos, en vitante invisible que parece compo- Para investigar la fuerza gravita- contra de lo que se ha supuesto ner más del 90 por ciento de la masa PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 71 BRYAN CHRISTIE unificación a cerca de 10–19 metros APILAMIENTO (sin recurrir a dimensiones super- DE LATON numerarias grandes). Keith Dienes, PARA AISLAMIENTO de la Universidad de Arizona, y Emi- lian Dudas y Tony Gherghetta, del PLATAFORMA INCLINABLE CERN, observaron en 1998 que las dimensiones adicionales menores de 10 –19 permitirían la unificación de 1 CENTIMETRO las fuerzas a distancias mucho mayo- res de 10–32 metros. Desde nuestra propuesta de 1998 han ido apareciendo diversas varia- MASA DETECTORA ciones interesantes basadas en los mismos ingredientes: dimensiones supernumerarias y confinamiento de nuestro universo en una pared. En un modelo apasionante, Lisa Randall, MASA FUENTE de la Universidad de Princeton, y PLACA Raman Sundrum, de Stanford, pro- IMPULSOR REVESTIDA pusieron que la propia gravedad po- PIEZOELECTRICO DE ORO dría concentrarse en una membrana 8. ESTE OSCILADOR DE TORSION de la Universidad de Colorado busca cambios de grave- de un espacio-tiempo pentadimen- dad entre los 0,05 y 1,0 milímetros. Un dispositivo piezoeléctrico hace vibrar la masa fuente sional infinito en todas las direccio- de tungsteno (azul) como si fuera un trampolín. Cualquier fuerza que actúe entre la masa fuen- nes. La gravedad se manifestaría muy te y el detector de tungsteno (rojo) producirá torsiones oscilantes del detector (recuadro; las débilmente en nuestro universo de oscilaciones están exageradas), que se captarán electrónicamente. Una placa revestida de forma natural si estuviésemos en una oro (amarillo) suprime las fuerzas electrostáticas, y la suspensión de apilamiento de latón pa- membrana diferente. ra aislamiento impide que las vibraciones se propaguen de la fuente al detector. No se mues- Durante veinte años se ha venido tra el blindaje electrostático donde está encerrado el aparato. Se espera obtener este año abordando el problema de la jerarquía resultados a temperatura ambiente (300 Kelvin). Para conseguir una sensibilidad máxima se y, por tanto, explicando la levedad enfriará el aparato con helio líquido hasta los cuatro grados Kelvin. extrema de la gravedad, desde una escala de Planck cercana a los 10–35 metros, supuesta fundamental, y del universo. La materia oscura interesantes efectos observables, por desde la idea de que la física de par- podría residir en universos paralelos. ejemplo, ondas gravitatorias proceden- tículas debe cambiar cerca de los 10–19 Afectaría a muestro universo por tes de supernovas y otros procesos metros. La gravedad cuántica per- medio de la gravedad; es “oscura” por astrofísicos violentos. Si los detectores manecería en el terreno de la pura necesidad, ya que nuestra especie de de ondas gravitatorias cuya entrada especulación, a extramuros de cual- fotón está adherida a nuestra mem- en funcionamiento está prevista para quier ensayo experimental. Pero si brana y no puede, pues, viajar a tra- dentro de unos años registrasen fuen- hay dimensiones adicionales gran- vés del vacío desde la materia para- tes importantes de radiación gravita- des, en los próximos años podríamos lela hasta nuestros ojos. toria que no cupiera atribuir a mate- descubrir, por ejemplo, desviaciones Esos universos paralelos podrían ria visible de nuestro universo, se de la ley de Newton cerca de 6 ∞ 10–5 diferir en grado sumo del que habi- habría dado con una prueba de la exis- metros y detectar vibraciones de las tamos, con partículas y fuerzas pecu- tencia de los pliegues. cuerdas o agujeros negros en el LHC. liares; quizás estarían confinados en La teoría que hemos presentado La gravedad cuántica y la teoría de membranas de más o de menos dimen- aquí no fue la primera hipótesis avan- cuerdas se convertirían en ciencia siones. No obstante, una sugestiva zada sobre la existencia de dimen- contrastable. Pase lo que pase, los posibilidad es que tuviesen propie- siones adicionales de más de 10–35 experimentos marcarán el camino dades idénticas a las de nuestro metros. En 1990 Ignatios Antoniadis, para responder a una pregunta for- mundo. Imagínese que la pared donde de la Escuela Politécnica de París, mulada hace trescientos años. De vivimos está plegada una serie de sugirió que algunas de las dimen- aquí al 2010 se avanzará en el cono- veces en las dimensiones adicionales. siones de la teoría de cuerdas podrían cimiento del porqué de la levedad de Los objetos al otro lado de un pliegue ser de hasta 10–19 metros, pero man- la gravedad. Y quizá nos encontremos parecerán hallarse muy lejos aunque tuvo la escala de la gravedad cuán- con que vivimos en una extraña se encuentren a menos de un milí- tica cerca de los 10–35 metros. Petr Planilandia, un universo membrana metro de nosotros en las dimensio- HoŠrava, del Instituto de Tecnología donde la gravedad cuántica está a la nes adicionales: la luz que emiten de California, y Edward Witten, del vuelta de la esquina. debe viajar hasta el doblez y retro- Instituto de Estudios Avanzados de ceder hasta nosotros. Si el doblez está Princeton, señalaron que una sola a decenas de miles de millones de dimensión adicional de 10–30 metros BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA años-luz, no habría llegado desde el podría incorporar la gravedad en el otro lado hasta nosotros luz alguna seno de la unificación supersimétrica LA TEORÍA M. Michael Duff, en Investiga- desde el comienzo del universo. de las demás fuerzas, todo a 10 –32 ción y Ciencia, págs. 48-53; abril de 1998. THE ELEGANT UNIVERSE: SUPERSTRINGS, La materia oscura podría ser mate- metros. Siguiendo esta idea, Joseph HIDDEN DIMENSIONS, AND THE QUEST FOR ria ordinaria, quizás estrellas y ga- Lyken, del Laboratorio Nacional del THE ULTIMATE THEORY. Brian Greene. W. laxias corrientes que brillen en sus Acelerador Fermi, en Batavia, se W. Norton, 1999. pliegues. Esas estrellas producirían esforzó por disminuir la escala de la 72 TEMAS 33  PERSPECTIVAS WERNER BENGER, AEI/ZIB (visualización); NUMERICAL RELATIVITY GROUP AT AEI (simulación); LBNL/NERSC (centro de cálculo); MAX PLANCK SOCIETY, EU ASTROPHYSICS NETWORK PROJECT, DPTO. DE ENERGIA DE ESTADOS UNIDDOS (patrocinador) Un cartógrafo cósmico La Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de microondas proporciona a los cosmólogos un retrato más preciso del universo temprano Charles L. Bennett, Gary F. Hinshaw y Lyman Page E l 30 de junio de 2001 la NASA lanzó un cohete Delta 2 que transportaba una nave espa- cial de 830 kilogramos y 4 metros de alto. A lo largo del trimestre si- guiente, esa Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de microondas (WMAP) maniobró hasta instalarse en una órbita alrededor del Sol, a unos 1,5 millones de kilómetros de la órbita terrestre. Desde entonces observa en todo el cielo la radiación del fondo cósmico de microondas (FCM) con una finura exquisita. Se trata de una radiación emitida hace casi 15.000 millones de años, que no ha interactuado significativamente con nada desde entonces; por consi- guiente, el obtener una imagen clara del FCM equivale a dibujar un mapa de la infancia del universo. Con ese mapa en la mano conoceremos la com- posición, la geometría e historia del cosmos. La sonda mide la anisotropía del FCM, las variaciones minúsculas de la temperatura de la radiación pro- cedentes de distintas partes del cielo. Detecta diferencias de tan sólo 20 mi- llonésimas de kelvin con respecto a la temperatura promedio de 2,73 kel- vin de la radiación. Mide incluso man- chas calientes y frías que cubren menos de 0,23 grados de cielo. Suma en torno a un millón de medidas. Sig- nifica ello que el rastreo de la sonda 1. LOS TELESCOPIOS DE LA NAVE ESPACIAL WMAP, colo- sobre el FCM es mucho más deta- cados uno contra otro, concentran con los reflectores prima- llado que los mapas del firmamento rio y secundario la radiación de microondas (rayos de color producidos, a principios de los no- rojo). Los reflectores primarios miden 1,6 ∞ 1,4 metros; los re- venta, por el Explorador del fondo de flectores secundarios son de 1 metro de ancho. La protección microondas (COBE), que estaba limi- que hay en la parte trasera del panel solar (color naranja) blo- tado a una resolución angular de siete quea la radiación procedente del Sol, de la Tierra y de la Lu- grados. na, evitando así que otra radiación perdida penetre en los ins- Para alcanzar ese rendimiento trumentos. Las microondas procedentes de cada telescopio mayor, se sirve de dos telescopios de entran en 10 “conos de alimentación” (color beige) diseña- microondas, colocados uno contra dos para muestrear cinco frecuencias distintas. Los cuatro otro con el fin de concentrar la radia- conos estrechos del centro operan a 90 gigahertz, analizan- ción entrante. Las señales de los do las microondas de 3 milímetros de longitud de onda. Los telescopios alimentan 10 ensambla- conos más anchos de la periferia reciben las microondas de dores diferenciales que analizan 22, 30, 40 y 60 gigahertz. En la base de cada cono existe un cinco frecuencias del espectro de aparato que divide la radiación en dos polarizaciones ortogo- DON DIXON radiación del FCM. Más que medir nales; éstas alimentan a ensambladores diferenciales inde- la temperatura absoluta de la radia- pendientes (recuadro inferior). 74 TEMAS 33 ción, cada ensamblador detecta la altura relativa de un montículo con peratura de la radiación originado por diferencia de temperaturas entre las respecto a una meseta en vez de su el movimiento de traslación de la señales de los dos telescopios. Puesto altura respecto al nivel del mar. Tierra. La sonda elimina cualquier que la sonda completa un giro cada Este método cancela los errores señal espuria que pudiera contami- dos minutos y una precesión cada que pudieran resultar de los cam- nar las mediciones del FCM. En fe- hora, los ensambladores diferencia- bios registrados en la temperatura brero de 2003 se publicó el primer les comparan las temperaturas de de la propia nave. La calibración glo- mapa completo de los cielos confec- cada punto del cielo con otros mil bal de los datos se realiza por medio cionado por WMAP; desde ese mismo puntos, generando un conjunto entre- de la medición continua del momento momento es la referencia esencial lazado de datos. Es como medir la dipolar del FCM, el cambio en la tem- para los cosmólogos. 2. EL PUESTO DE OBSERVACION DE WMAP EJE está emplazado en el punto de Lagrange DE CONO DE GIRO L2, en la línea Sol-TTierra a unos 1,5 millo- DE PRECESION DEL EJE SOL LINEA DE VISION TIERRA nes de kilómetros de nuestro planeta. La WMAP DE GIRO DEL TELESCOPIO A sonda girará alrededor del Sol a la misma velocidad que la Tierra. Esta órbita garan- LUNA tiza que los telescopios de la nave tengan siempre una vista del espacio profundo sin impedimentos. LINEA DE VISION DEL TELESCOPIO B SEÑAL A SEÑAL A + B DETECTOR AMPLIFICADORES CAMBIO SOPORTE SOPORTE DE FASE MAGICO MAGICO DETECTOR SEÑAL A – B SEÑAL B 3. LOS ENSAMBLADORES DIFERENCIALES combinan la radia- ción procedente de los dos telescopios (A y B) en “el soporte mágico”, aparato que proporciona las salidas A + B y A – B. Las señales se amplifican luego y se cambian de fase. Otro sopor- te mágico transforma a éstas en las componentes originales A y B, y los detectores miden la diferencia de sus temperaturas. Puesto que cada amplificador actúa en ambas señales, el pro- ceso minimiza los errores que pudieran surgir de los cambios en los amplificadores. El cambio de fase entrelaza las señales para que puedan medirse con precisión. Ecos de la gran explosión Estamos muy cerca de vislumbrar los comienzos del universo. ¿Dónde? En la débil marejadilla de las ondas gravitatorias Robert R. Caldwell y Marc Kamionkowski L os cosmólogos siguen planteán- el cielo. En otras palabras, el FCM cielo. (Por mor de comparación, la dose las mismas preguntas que parecía ser isótropo y, por tanto, nota- Luna cubre alrededor de medio gra- los primeros que levantaron la ble la uniformidad del universo. Pero, do.) El tamaño de las estructuras pri- vista a las estrellas y escrutaron el a principios de los años noventa, el mordiales indica que el universo es firmamento. ¿De dónde vino el univer- satélite Explorador del fondo de micro- plano [véase “Antigravedad cosmoló- so? ¿Qué hubo antes, si es que hubo ondas (COBE) detectó variaciones gica”, de Laurence M. Krauss, en este algo? ¿Cómo llegó el universo a su es- minúsculas —sólo una parte en mismo número]. Las observaciones tado presente? ¿Qué futuro le aguar- 10.000— de la temperatura de la concuerdan, además, con la teoría de da? Mucho tiempo llevan los teóricos radiación. Esas variaciones eviden- la inflación, que se basa en la premisa construyendo conjeturas acerca del ciaban que en el plasma primordial según la cual, muy poco después de origen del cosmos, pero sólo en los últi- hubo pequeños grumos, inhomoge- la gran explosión, hubo un tiempo de mos años han dado con una forma de neidades de la distribución de masa expansión cósmica fabulosamente sondear los instantes iniciales, que que evolucionaron después hasta con- rápida. Con la Sonda Wilkinson de les ha de permitir someter a con- vertirse en las macroestructuras del la anisotropía del fondo de microon- trastación sus hipótesis. Se han per- cosmos: las galaxias y los cúmulos de das (WMAP) se han extendido las ob- catado de que pueden observar cómo galaxias que existen hoy. servaciones precisas del FCM a todo era el universo en las primerísimas Varios detectores, instalados en el cielo. La nave espacial Planck, cuyo fracciones de segundo tras la gran tierra o en globos, observaron a fina- lanzamiento está previsto para 2007, explosión. ¿Dónde? En las trazas deja- les de los años noventa el FCM con levantará un mapa aún más exacto. das por las ondas gravitatorias en la una resolución angular mucho más Se espera que estas observaciones radiación enfriada, el fondo cósmico fina que la del COBE y descubrieron desentierren un tesoro de informa- de microondas (FCM), que impregna estructuras del plasma primordial ciones acerca del universo primitivo. el cosmos desde hace casi 15.000 mi- que cubren menos de un grado del En particular, se confía en hallar llones de años. pruebas directas de la exis- La radiación del FCM se tencia de la época de infla- emitió unos 500.000 años ción. La más contundente después de la gran explo- sería la observación de sión inicial, cuando los elec- ondas gravitatorias infla- trones y protones del plas- cionarias. Albert Einstein ma primordial —la sopa predijo en 1918, como con- densa y caliente de partícu- secuencia de su teoría de la las subatómicas que llenaba relatividad general, la exis- el universo primitivo— se tencia de ondas gravita- combinaron y formaron áto- torias, perturbaciones en mos de hidrógeno. Esa ra- movimiento del campo gra- diación proporciona, pues, vitatorio análogas a las del una instantánea del uni- campo electromagnético, verso de entonces. Gracias las ondas electromagné- a ello se ha convertido en la ticas (rayos X, ondas de ra- piedra Rosetta de la cos- dio, luz visible). Lo mismo mología. Tras el descubri- que la luz y las ondas de miento de la radiación del radio, las ondas gravitato- fondo cósmico de microon- rias portan información y das en 1965, se vio que su energía de las fuentes que temperatura —una medi- las producen. Pueden, ade- da de la intensidad de la ra- más, propagarse sin impe- diación del cuerpo negro— dimentos de materia que estaba muy cerca de 2,7 kel- absorbería todas las formas vin, fuera cual fuera la di- 1. UNIVERSO LISO. En un universo sin variaciones de densidad ni on- de radiación electromag- rección en que se mirase en das gravitatorias, el fondo cósmico de microondas sería uniforme. nética. Así como, gracias a 76 TEMAS 33 SLIM FILMS a b c d e 2. EFECTOS DE LAS ONDAS GRAVITATORIAS EN UN CUER- mirá en la perpendicular a ésa (b). Luego, los efectos se invertirán PO ESFERICO. Nunca se han observado directamente ondas gra- (c); las distorsiones oscilarán a la frecuencia de la onda (d y e). Las vitatorias, pero la teoría predice que se las puede detectar porque distorsiones que se ven aquí están muy exageradas; las ondas gra- estiran y comprimen el espacio que atraviesan. Si una da en una vitatorias son, por norma, demasiado débiles para producir efectos masa esférica (a), primero la estirará en una dirección y la compri- mensurables. SLIM FILMS 3. EL UNIVERSO DISTORSIONADO. La expansión fantástica- (FCM). Esos movimientos, a su vez, causarían desplazamientos al mente rápida del universo justo después de la gran explosión hu- rojo y al azul de la temperatura de la radiación y polarizarían el bo de producir ondas gravitatorias que estiraron y comprimieron FCM. Esta figura muestra los efectos de una onda gravitatoria que el plasma primordial y crearon así movimientos en la superficie es- viaja de polo a polo con una longitud de onda de un cuarto del ra- férica que emitió la radiación del fondo cósmico de microondas dio de la esfera. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 77  los rayos X, los médicos ven a través ñal electromagnética anterior al FCM; truyen espontáneamente pares de de sustancias en las que no puede en cambio, las ondas gravitatorias sí partículas sin cesar. El principio de penetrar la luz visible, deberían las podían propagarse por el plasma. Más incertidumbre de Heisenberg dice que ondas gravitatorias permitir que los aún, la teoría de la inflación predice un par de partículas con energía ΔE investigadores se asomaran a fenó- que la expansión desbocada del uni- puede venir a la existencia de pronto menos astrofísicos que no pueden verso 10–38 segundos después de la durante un tiempo Δt antes de ani- observarse de ninguna otra forma gran explosión produjo ondas gra- quilarse mutuamente con tal de que más. Aunque no ha habido detección vitatorias. Si el modelo teórico anda ΔE Δt < !/2, donde ! es la constante directa de tales ondas, ciertas obser- en lo cierto, éstas y sus ecos fueron de Planck reducida (1,055 ∞ 10–34 joule vaciones astronómicas han confir- propagándose a través del universo segundo). La fórmula vale sólo para mado que las parejas de objetos den- primitivo, y 500.000 años después las partículas elementales y no se sísimos, estrellas de neutrones o dejaron, en el fondo cósmico de micro- aplica a disposiciones complejas de agujeros negros, las generan en la ondas, leves perturbaciones que hoy átomos. caída en espiral de un componente del podríamos observar. El gravitón es una partícula ele- dúo sobre el otro. mental, la partícula cuántica de las El plasma que llenaba el universo Las ondas ondas gravitatorias, como el fotón lo en su primer medio millón de años era de la inflación es de las electromagnéticas, y le afecta opaco con respecto a la radiación elec- tromagnética, porque cualquier fotón que se emitía se dispersaba in- P ara hacernos una idea del proceso en cuya virtud la inflación pro- duciría ondas gravitatorias, fijémonos ese proceso. Pares de gravitones vir- tuales nacen y desaparecen sin solu- ción de continuidad. Durante la infla- mediatamente en la sopa de partícu- en una consecuencia fascinante de la ción, sin embargo, los gravitones las subatómicas. Los astrónomos, mecánica cuántica: el espacio vacío no virtuales se habrían separado mucho pues, no podían observar ninguna se- lo está en realidad. Se crean y des- antes de que les diese tiempo a vol- ver al vacío: puede decirse que las partículas virtuales se habrían con- 15.000 MILLONES DE AÑOS vertido en reales. Más aún, la fan- tástica rapidez de la expansión del universo estiraría las longitudes de onda de los gravitones; las antes microscópicas serían ahora macros- cópicas. De esa forma, la inflación habría dirigido energía hacia la crea- ción de gravitones y generado un espectro de ondas gravitatorias que reflejaría las condiciones del universo TIEMPO TRAS LA GRAN EXPLOSION primitivo en esos primeros momen- tos tras la gran explosión. Si real- RADIACION DEL FONDO mente existiesen ondas gravitatorias COSMICO DE MICROONDAS inflacionarias, constituirían la reli- quia más antigua del universo por- que se habrían creado 500.000 años antes de que se emitiese la radiación del FCM. Mientras la radiación del FCM 500.000 tiene en su mayor parte longitudes AÑOS de ondas comprendidas entre uno y cinco milímetros (con un pico de inten- sidad a los dos), las de las ondas gra- vitatorias inflacionarias abarcarían un intervalo mucho mayor: de un cen- tímetro a 1023 kilómetros, el tamaño actual del universo visible. La teoría de la inflación establece que las ondas gravitatorias con mayores longitu- ONDAS GRAVITATORIAS des de onda tendrían que ser las más 10–36 SEGUNDOS INFLACIONARIAS intensas, intensidad que dependería ON del ritmo al que se expandiese el uni- CI LA verso durante la época inflacionaria. ALFRED T. KAMAJIAN F IN LA Y ese ritmo es proporcional a la esca- DE la de energías de la inflación, que A OC viene dada por la temperatura del 10–38 SEGUNDOS EP universo en el momento en que em- 4. LA LINEA DE TIEMPO COSMICA. Durante la época de la inflación —la enorme expan- pezara el proceso inflacionario. Co- sión del universo que se produjo en los primeros momentos tras la gran explosión—, los pro- mo el universo estaba tanto más cesos cuánticos generaron un espectro de ondas gravitatorias. Los ecos de las ondas sur- caliente cuanto menos tiempo hubiese caron el plasma primordial y distorsionaron la radiación del FCM que se emitiría medio millón transcurrido desde su principio, la de años más tarde. Mediante la observación meticulosa del FCM podrían detectarse los mo- intensidad de las ondas gravitato- vimientos del plasma inducidos por las ondas inflacionarias. rias depende en última instancia del 78 TEMAS 33 CORTESIA DE LEVEN WADLEY 5. RELIQUIAS EN LA RADIACION. Las ondas gravitatorias ha- rían las distorsiones de la figura 3. Las manchas rojas y azules brían dejado una huella característica en el fondo cósmico de representan regiones del FCM más frías y más calientes; los seg- microondas. Este diagrama representa las variaciones de tem- mentos, el ángulo de la orientación de la polarización en cada re- peratura y los patrones de polarización simulados que produci- gión del cielo. momento en que empezara la in- de radio. Las ondas de radio constan entre las masas de prueba determina flación. de campos eléctricos y magnéticos la banda de longitudes de onda que Por desgracia, los cosmólogos no oscilantes que hacen que los electro- los aparatos pueden observar. El pueden precisar ese instante porque nes de la antena vayan y vengan. Los mayor de los detectores terrestres, con no acaban de conocer la causa de la movimientos de estos electrones pro- una separación de cuatro kilómetros inflación. Según algunos, arrancó ducen una corriente eléctrica que el entre las masas, podrá medir las osci- cuando tres de las interacciones fun- receptor capta. laciones causadas por ondas gravi- damentales —la fuerte, la débil y la De manera parecida, una onda gra- tatorias cuyas longitudes de onda electromagnética— se disociaron a vitatoria genera en el espacio que estén entre 30 y 30.000 kilómetros. poco de crearse el universo. En el atraviesa dilataciones y contraccio- Hay en proyecto un observatorio espa- marco de esta teoría, las tres fuerzas nes oscilatorias que impartirán pe- cial capaz de detectar longitudes de eran una sola en el mismísimo co- queños movimientos a un grupo de onda mil veces mayores. Las ondas mienzo, pero 10–38 segundos tras la masas de prueba que floten libre- gravitatorias generadas cuando se gran explosión se diferenciaron, y eso mente en él. A finales de los años cin- funden estrellas de neutrones o terminaría por desencadenar la sú- cuenta, Hermann Bondi, del King’s cuando chocan agujeros negros ten- bita expansión del cosmos. Si la expli- College de Londres, intentó conven- drán longitudes de onda de esa mag- cación es correcta, la escala de ener- cer a los escépticos de la realidad nitud y podrán, pues, detectarlas los gías de la inflación debió de estar física de esas ondas describiendo un nuevos instrumentos. Pero las ondas entre los 1015 y los 1016 GeV. (Un GeV detector hipotético de ondas gravi- gravitatorias inflacionarias con tales es la energía que adquiriría un pro- tatorias. El aparato ideal consistía en longitudes son demasiado débiles tón si le acelerase una caída de po- un par de anillas que colgaban libre- para producir oscilaciones mensura- tencial de mil millones de volt. Los mente de una barra larga y rígida. bles en los detectores. mayores aceleradores de partículas Una onda gravitatoria de amplitud Las ondas gravitatorias inflaciona- actuales alcanzan energías de 10 3 h y frecuencia f que lo alcanzase haría rias más intensas son las de longitu- GeV.) Por otra parte, las ondas gra- que la distancia L entre las dos ani- des de onda más largas, comparables vitatorias serían más débiles si la llas se contrajese y expandiera en al diámetro del universo visible. Para causa de la inflación fuera otro fe- una cuantía h ∞ L con una frecuen- detectarlas habría que observar un nómeno físico acontecido más tarde. cia f. El calor de la fricción de las ani- grupo de masas de prueba separadas Una vez generadas durante la pri- llas contra la barra sería la prueba por distancias de esa magnitud que mera fracción de segundo subsecuente de que la onda gravitatoria trans- flotasen libremente. Da la feliz casua- a la gran explosión, las ondas gravi- portaba energía. lidad de que la naturaleza ofrece un tatorias inflacionarias se propaga- Ahora se están construyendo detec- conjunto así: el plasma primordial rían permanentemente; todavía ten- tores de ondas gravitatorias muy que emitió la radiación del FCM. drían que estar surcando el universo. depurados que registrarán con rayos Durante los 500.000 años que pasa- Pero, ¿cómo observarlas? Pensemos láser los minúsculos movimientos de ron entre la época de la inflación y la en cómo un receptor detecta una señal masas suspendidas. La distancia emisión del FCM recorrieron el uni- PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 79  Los cazadores de ondas ALEX DESSELLE as ondas gravitatorias generadas por los procesos L cuánticos que actuaron durante la época inflacio- naria no son las únicas que surcan el universo. Muchos sistemas astrofísicos, como las estrellas binarias, las fusio- Livingston nes de estrellas de neutrones y los choques de agujeros negros, emiten también ondas gravitatorias potentes. Según la teoría de la relatividad general, generan ondas todos los sistemas físicos con movimientos internos carentes de sime- tría esférica. Así, un par de estrellas que giren una alrede- dor de la otra las producirán, pero una estrella solitaria no. El problema de la detección de las ondas estriba en su intensidad, que va esfumándose a medida que se extien- den. Aunque las uniones de estrellas de neutrones y las colisiones de agujeros negros se cuentan entre los cata- clismos más violentos del universo, las ondas gravitatorias que producen son, tras viajar cientos de millones de años luz hacia la Tierra, debilísimas. Por ejemplo, las ondas de un choque de agujeros negros a mil millones de años luz harían que la distancia entre dos masas de prueba que flo- tasen aquí libremente se dilatase y contrajese alternativa- mente en una fracción de sólo 10–21, la milmillonésima de G. WHITE una billonésima. Hanford Intentará medir oscilaciones tan minúsculas el Observa- torio de ondas gravitatorias por medio de interferometría por láser (LIGO), que cuenta con dos instalaciones, una en Livingston y otra en Hanford (derecha). En cada uno de esos emplazamientos, dos tubos de cuatro kilómetros de largo se unen en ángulo recto formado una L gigantesca. Dentro de los tubos van y vienen haces de luz de láser entre espejos muy bien pulidos. Ajustando los haces de manera que interfieran entre sí, se podrán registrar cambios dimi- nutos de las distancias entre los espejos; se medirán osci- laciones de 10–17 centímetros (alrededor de la milmilloné- sima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno). Los resultados de las instalaciones de Livingston y Hanford se compararán para descartar fenómenos locales que imiten a las ondas gravitatorias (actividad sísmica, ruido acústico o inestabilidades del láser). Otros detectores menores que funcionarán asociados al LIGO y con los cuales se podrán triangular las fuentes de las ondas gravitatorias son TAMA (cerca de Tokio), Virgo (cerca de Pisa) y GEO (cerca de Hannover). Y para seguir las ondas gravitatorias con longitudes de onda kilómetros de longitud. Por desgracia, ninguno de estos mayores, la NASA y la Agencia Espacial Europea tienen observatorios propuestos será lo bastante sensible como previsto lanzar la Antena espacial de interferometría por para distinguir las ondas gravitatorias producidas por la láser en 2010. Constará este detector de tres naves espa- inflación. Sólo la radiación de fondo de microondas podría ciales idénticas que volarán en formación triangular y se revelar su presencia. dispararán entre sí haces de láser de cinco millones de —R.R.C y M.K. verso primitivo los ecos de las ondas longitudes de onda más cortas (y, por cionarias. El universo mismo se con- gravitatorias ultralargas, y alterna- tanto, a una temperatura mayor). Al vierte en un detector de ondas gra- tivamente dilataron o comprimieron revés, si la onda gravitatoria estaba vitatorias. el plasma. Hoy pueden observarse comprimiendo una región de plasma esos movimientos oscilatorios por y así la alejaba de nosotros cuando Las particularidades medio de los ligeros corrimientos se emitió la radiación del FMC, la de la polarización Doppler del FCM. Si, en el momento en que se emi- tió la radiación del FCM, una onda radiación parecerá más roja porque se habrá desplazado a longitudes de onda mayores (y a una temperatura P ero la cosa no es tan sencilla. Como señalamos al principio del artículo, las inhomogeneidades de gravitatoria estaba estirando una menor). Cabe pensar, pues, que la masa del universo primitivo produ- región de plasma hacia nosotros, es cartografía de las zonas azules y rojas jeron también variaciones de tem- decir, hacia la parte del universo que del FMC —que corresponden a tem- peratura en el FCM. (En particular, acabaría por convertirse en nuestra peraturas mayores y menores de la el campo gravitatorio de las regiones galaxia, la radiación de esa región radiación— hará visible el patrón de más densas de plasma desplazó al les parecerá a los observadores más los movimientos del plasma induci- rojo los fotones emitidos desde esas azul porque está desplazada hacia dos por las ondas gravitatorias infla- regiones y creó algunas de las dife- 80 TEMAS 33 rencias de temperatura observadas la polarización del FCM, pero estos CORTESIA DE ROBERT R. CALDWELL Y MARK KAMIONKOWSKI por el COBE.) Si se prestase aten- instrumentos no son, seguramente, ción sólo a la temperatura de la radia- lo bastante sensibles como para que ción, no se podría decir qué fracción lleguen a detectar el componente ri- (si alguna) de las variaciones habría zado producido por las ondas gravi- que atribuir a las ondas gravitato- tatorias inflacionarias. Puede, sin rias. Aun así, al menos se sabe que embargo, que experimentos poste- éstas sólo han podido producir una tenían una orientación dextrógira o riores conozcan mejor suerte. Si la parte en cien mil de las diferencias unificación de las fuerzas causó la de temperatura observadas antes por inflación, su señal en forma de ondas el COBE, ahora por WMAP y los de- gravitatorias podría ser lo bastante más detectores de radiación del FCM. fuerte como para que la detectase la Este límite impone una restricción nave Planck, aunque quizás hará interesante a los fenómenos físicos falta una nueva generación de ve- que dieron lugar a la inflación: la hículos espaciales aún más sensibles. escala de energía de ésta ha de ser Pero si los que desencadenaron la inferior a unos 1016 GeV y, por tanto, 6. PATRONES DE POLARIZACION. Pue- inflación fueron otros fenómenos físi- su época no pudo ser anterior a 10–38 de que la polarización del fondo cósmico de cos, que se produjeron más tarde y segundos después de la gran explo- microondas guarde importantes pistas acer- con energías inferiores, la señal de sión. ca de la historia del universo primitivo. Las las ondas gravitatorias será dema- Pero, ¿cómo puede irse más lejos? variaciones de la densidad del plasma pri- siado débil para que se la detecte en ¿Cómo se elude la incertidumbre mordial generarían patrones anulares y ra- un futuro previsible. acerca del origen de las fluctuaciones diales (arriba). Las ondas gravitatorias, por Como los cosmólogos no están segu- de temperatura? La respuesta se el contrario, producirían remolinos dextrógi- ros de cuál fue el origen de la infla- encierra en la polarización del FCM: ros y levógiros (abajo). ción, tampoco pueden predecir la cuando la luz se proyecta contra una intensidad de la señal de polariza- superficie de suerte que su dispersión ción producida por las ondas gravi- forme un ángulo casi recto con respecto tatorias inflacionarias. Pero si hay a la dirección del haz original, se pola- levógira. En cambio, las ondas gra- una pequeña posibilidad de detec- riza linealmente, es decir, sus ondas vitatorias sí poseen quiralidad: se tarla, merecerá la pena intentarlo. se orientan en una dirección particu- propagan con un movimiento como La detección no sólo ofrecería una lar. En este fenómeno se basan las de tornillo dextrógiro o levógiro. El prueba inapelable de que hubo infla- gafas de sol polarizadas: como la luz patrón de polarización producido por ción, sino que nos ofrecería también solar que dispersa el suelo está de las ondas gravitatorias parecerá una la extraordinaria oportunidad de vis- ordinario polarizada en una dirección superposición al azar de muchos lumbrar los primerísimos tiempos, horizontal, los filtros de las lentes remolinos rotatorios de varios tama- sólo 10–38 segundos tras la gran explo- reducen el brillo bloqueando las ondas ños. Se dice que esos patrones pre- sión. Podríamos entonces pensar en de luz orientadas así. También el FCM sentan rizos, de los que carecen los abordar una de las preguntas que se halla polarizado. Justo antes de patrones en forma de anillo o radia- más nos han importado siempre: ¿De que el universo se volviese transpa- les producidos por las inhomogenei- dónde vino el universo? rente a la radiación, los fotones del dades de masa. FCM se dispersaron en los electrones Ni siquiera el observador de vista del plasma por última vez. Algunos más aguda podrá mirar un diagrama de esos fotones dieron en las partículas de polarización, como el de la figura con ángulos grandes y la radiación se 5, y decir si tiene o no patrones riza- polarizó. dos. Pero una extensión del análisis La clave para detectar las ondas de Fourier —procedimiento matemá- gravitatorias inflacionarias se en- tico que descompone una imagen en cuentra en el patrón de los movimien- una serie de ondas— puede dividir un tos del plasma causados por las ondas, patrón de polarización en los patro- que sería diferente del engendrado por nes con y sin rizos que lo constituyen. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA las inhomogeneidades de masa. La Por tanto, si se pudiese determinar qué idea es harto sencilla. La polarización fracción de la polarización del FCM se F IRST S PACE -B ASED G RAVITATIONAL - lineal del FCM puede representarse debe a los patrones rizados, podríamos WAVE DETECTORS. Robert R. Caldwell, con pequeños segmentos que indican calcular la amplitud de las ondas gra- Marc Kamionkowski y Leven Wadley en Physical Review D, vol. 59, n.o 2, págs. el ángulo de orientación de la pola- vitatorias inflacionarias ultralargas. 27.101-27.300, 15 de enero de 1999. rización en cada región del cielo. Los Como la amplitud de las ondas quedó Las observaciones recientes del fondo cós- segmentos lineales dibujan pautas determinada por la energía de la infla- mico de microondas se describen en estos anulares o radiales. Pero también ción, se obtendría así una medición sitios Web: pupgg.princeton.edu/~cmb/; pueden desarrollar remolinos levógi- directa de esta escala de energía. Tal www.physics.ucsb.edu/~boomerang/; ros o dextrógiros. hallazgo valdría, a su vez, para saber cfpa.berkeley.edu/group/cmb/ En la quiralidad de estos segundos si la inflación fue desencadenada por Sobre los pormenores acerca de las misio- nes MAP y Planck visítese map.gsfc. patrones se halla la explicación de su la unificación de las fuerzas elemen- nasa.gov/; astro.estec.esa.nl/ astrogen/ origen. Las inhomogeneidades de tales. planck/mission_top.html masa del plasma primordial no pue- ¿Cuáles son las perspectivas de que Hay más información disponible acerca de den haber producido tales patrones se detecten esos patrones rizados? El los detectores de ondas gravitatorias en de polarización, porque las regiones interferómetro antártico DASI y la www.ligo.caltech.edu; lisa.jpl.nasa.gov densas y enrarecidas del plasma no nave WMAP de la NASA han medido PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 81  Un telescopio para la energía oscura Un nuevo nivel de precisión en el estudio de la energía que acelera la expansión del universo ayudará a discernir entre diferentes teorías propuestas para la unificación de las fuerzas fundamentales y podría revelar la presencia de nuevas partículas Pilar Ruiz-Lapuente E en 1999 se encontró que el ritmo supernovas” de C. Hogan, R. Kirshner ajuste. La evolución del brillo apa- de expansión del universo se y N. Suntzeff, en este mismo número]. rente de las supernovas a alto corri- acelera por la presencia de una De entonces acá hemos logrado des- miento hacia el rojo cósmico (z) no forma de energía desconocida. El pejar algunas incógnitas relativas al representa el comportamiento espe- método utilizado para esa determi- uso de este método en el trazado de rado de la existencia de polvo u otro nación se basa en unos indicadores la evolución del factor de escala del efecto evolutivo alternativo a la ace- cosmológicos enormemente brillantes universo y hemos podido comprobar leración de la expansión, sino que con y con propiedades similares a lo largo que, frente a otras alternativas, la pre- él se afianza la interpretación cos- y ancho del universo [véase “Explo- sencia de una componente de presión mológica frente a la interpretación ración del espacio-tiempo mediante negativa parece seguir dando el mejor debida a factores ambientales. Entre otras cuestiones que hacía falta abordar estaba el alzar el lis- tón de corrimiento hacia el rojo a valo- 0,5 res mayores que z = 1, es decir, ir más SUGRA lejos de lo que la luz recorre durante la mitad de la edad del universo. Λ 2EXP Había dificultades técnicas, porque la luz de las supernovas aparece pre- ± 0,00 dominantemente en el infrarrojo, lo 0 ±0,04 que obstaculiza las detecciones; el ± 0,05 cielo es muy luminoso en este rango espectral. Pero se superó esa barrera w1 = dw /dz con el descubrimiento de supernovas en torno a z = 1-1,3. Una vez más, se –0,5 ha comprobado su similitud con las de la muestra más cercana. Para ahondar en la determinación de la causa de la aceleración del uni- σΩM = ±0,15 verso estamos entrando en una nueva fase de nuestro proyecto. El recurso –1 AD HOC a supernovas a distintos z constituye, hoy por hoy, la única vía para cono- PILAR RUIZ-LAPUENTE, SNAP cer la naturaleza de la energía oscura. Las mediciones de las sondas WMAP y Planck resultarán muy útiles para –1,1 –1 –0,9 –0,8 –0,7 –0,6 –0,5 cribar la teoría de la inflación y para determinar la curvatura del universo. w0 = wactual Pero no informarán sobre la variación 1. DIAGRAMA DEL INDICE DE LA ECUACION DE ESTADO en el momento actual w 0 y del factor de escala del universo de su derivada respecto al corrimiento al rojo w 1. Las predicciones se señalan en rojo. En durante la historia de la expansión este gráfico de Weller y Albrecht se han incluido potenciales posibles dentro de teorías de del mismo. Sólo las supernovas dis- supergravedad (SUGRA en la figura), potenciales de energía oscura que evolucionan de for- tribuidas en un amplio rango de z ma exponencial y otros arbitrarios. Los contornos remiten al refinamiento de la determina- dan la medición, en cada momento, ción del potencial gracias a la información a priori sobre el contenido de materia del univer- de la historia de la evolución del cos- so con un margen de incertidumbre del 15 % (línea negra marcada con la etiqueta σ = 0,15) mos y revelan la influencia de su con- o inferiores. tenido de energía-materia en la varia- 82 TEMAS 33 ción de la expansión del cosmos. La muló la ley que explica su variación que median en interacciones a largas información proporcionada por WMAP con la distancia. A su ejemplo, noso- distancias. Huterer y Turner, de la y Planck complementa la extraída de tros, basándonos en la relatividad Universidad de Chicago y del La- las supernovas, para ofrecer una ima- general, la teoría gravitatoria que boratorio Fermi, sugirieron recons- gen global de nuestro universo. mejor describe el cosmos en su glo- truir el potencial ligado a esta com- balidad, y sirviéndonos de las super- ponente oscura del cosmos mediante Macrocosmos novas, podemos trazar el comporta- la observación de miles de superno- y microcosmos miento a distancia de la interacción vas, con incertidumbres observacio- A demás, las supernovas distantes pueden proporcionar lo que tan- tos experimentos de partículas no que está asociada a la quintaesencia o energía oscura. Se trata de una interacción repul- nales muy pequeñas. Este tipo de reconstrucción permite comprobar si se trata de energía de vacío o de un han conseguido. Para estudiar la inte- siva, aunque desconocemos su poten- campo escalar asociado a una partí- racción gravitatoria, Newton se aplicó cial, función que describe su compor- cula muy ligera. Weller y Andreas a las observaciones del movimiento tamiento y nos permite calcular el Albrecht, de la Universidad de Cali- de los planetas en torno al Sol. Gracias efecto dinámico ejercido sobre el resto fornia en Davis, proponen comparar a la descripción de estos movimien- de la materia. Esta componente tos, plasmada en las leyes de Kepler, oscura comporta densidades de ener- y a sus propios principios de la mecá- gía muy bajas; en teoría cuántica de PILAR RUIZ-LAPUENTE, SNAP nica, dedujo la acción a distancia que campos, ello corresponde al inter- rige la interacción gravitatoria y for- cambio de partículas de escasa masa 3. MAQUETA DEL TELESCOPIO ESPACIAL SNAP (http://snap.lbl.gov) ESPEJO PRIMARIO ESPECTROGRAFO GUIADO INFRARROJO POR ESTRELLAS GIROSCOPOS GUIADO POR ESTRELLAS DE LAS IMAGENES DE SNAP OBTURADOR CCD DE TOMA DE IMAGENES ESCUDO TERMICO ENSAMBLAJE DEL CCD ESPECTROGRAFO DE FILTROS OPTICO PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 83 PILAR RUIZ-LAPUENTE, SNAP 0,0 para que, a partir de condiciones arbi- trarias, evolucione hacia los valores muy bajos pero no nulos que medimos UNIVERSO PLANO w CONSTANTE RED DE CUERDAS COSMICAS hoy [véase “El universo y su quintae- –0,2 w = –1/3 sencia” de Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt, en este mismo número]. Esta línea de trabajo guarda similitud ECUACION DE ESTADO –0,4 con la que inspiró a los teóricos de la inflación a buscar mecanismos que W = px / ρx 99% engendraran, a partir de condiciones RANGO 95% iniciales arbitrarias, al universo uni- –0,6 DE MODELOS 90% DE "QUINTAESENCIA" forme que observamos. 68% Todas estas formulaciones pueden representarse en diagramas que des- –0,8 criben la evolución con z de la mag- CONSTANTE COSMOLOGICA nitud de las supernovas, o en dia- w = –1 gramas del valor del índice de la ecuación de estado y de sus deriva- –1,0 das con z. La comprobación de esas 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 descripciones de la energía oscura Ω M = 1– Ωx con las observaciones aportará, por SATELITE SNAP tanto, luz fundamental a lo que sabe- MARGEN DE INCERTIDUMBRE ESPERADO mos del cosmos a gran escala y a muy pequeña escala. Pero con los datos 2. EL INDICE DE LA ECUACION DE ESTADO obtenido por el Proyecto Supernovas y Cos- obtenidos hasta el momento no se mología mediante la comparación de la región de valores posibles para candidatos a ener- puede llegar a la precisión necesaria. gía oscura con lo recabado por las observaciones hasta 1998 y el grado de incertidumbre, si ¿Qué se debe modificar para lograr se suma un gran número de observaciones con precisión del 2 % en el brillo de las superno- este salto cualitativo? vas (http://snap.lbl.gov). Una nueva fase las predicciones para el índice de la ecuación de estado de la energía oscura formulación de las interacciones en la branas tetradimensionales. E n la nueva fase de nuestro trabajo nos espera la creación de una base de datos que contenga medidas y su variación en el tiempo con las Es posible explorar la energía oscura experimentales de supernovas muy alternativas que se barajan hoy en sin recurrir a formulaciones que nece- lejanas con un grado de error en el día en el terreno de las teorías de uni- siten un número de dimensiones supe- brillo del 2 %. El Proyecto Supernovas ficación de las cuatro fuerzas funda- rior a cuatro (tres espaciales y la tem- y Cosmología está preparando la mentales. poral). En concreto se trata de las que puesta en órbita del telescopio Sonda ¿Qué posibilidades hay? Si echamos conforman nuestra experiencia coti- de las supernovas y la aceleración una mirada a la cascada de suge- diana (experiencia limitada de con- (SNAP). La decisión de trasladarse rencias y artículos sobre el particu- firmarse el mundo de las branas, ya al espacio se justifica por la pobre lar, nos haremos una idea de las dis- que sería la del que vive en una mem- calidad de las observaciones reali- tintas direcciones de trabajo de brana tridimensional en un mundo zadas desde tierra debido a las emi- cosmólogos y físicos de partículas. poblado de un cifra mayor de dimen- siones y absorciones atmosféricas. El Dado que el mejor ajuste de las obser- siones). Se puede proyectar el com- firmamento, desde el espacio, es vaciones obtenidas hasta la fecha portamiento de estas teorías multi- mucho más oscuro y el diámetro del viene aportado por la constante cos- dimensionales en cuatro dimensiones telescopio necesario para obtener la mológica, se está intentando com- y ver qué efectos se esperan. En par- relación señal-ruido deseada es probar si, desde las últimas pro- ticular, una teoría que unifique la mucho menor. Además, el segui- puestas sobre la unificación de las gravitación con las otras interaccio- miento de la evolución del brillo de interacciones, las teorías M (teorías nes tendría un comportamiento como las supernovas requiere la observa- de las membranas o, simplemente, el de la relatividad de Brans-Dicke, ción continuada durante 6 meses, lo branas) que implican la formulación teoría que acomoda interacciones cual plantea problemas de visibili- de la física en 11 dimensiones (de las variables en el tiempo asociadas a dad desde tierra. El telescopio SNAP cuales, todas salvo las tres espacia- campos escalares que repercuten en llevará una cámara óptica de 1 grado les de nuestra vida diaria y el tiempo variaciones con el tiempo del com- cuadrado de campo de visión y una quedarían compactas en una fase muy portamiento gravitatorio. En parti- pequeña cámara en el infrarrojo cer- temprana) se puede entender la exis- cular, esta teoría predice la variación cano. Un espectrógrafo podrá des- tencia de un valor bajo de la energía de la “constante G” de la gravitación. componer la luz de las supernovas de vacío o constante cosmológica. Las En el dominio de variación lenta de desde su color ultravioleta cercano opiniones se dividen entre los que estos campos, la teoría recupera la hasta el infrarrojo cercano. Se espera apelan a mecanismos que no cance- gravitación de Einstein. En tal marco que el telescopio descubra miles de larían del todo la energía de vacío y situamos las predicciones de variación supernovas en un año a corrimientos los que creen que su valor natural de la ecuación de estado deducidas de hacia el rojo de hasta 1,7; tomará sería cero. Paul Steinhardt señala las teorías. espectros y curvas de luz de alta razón que la introducción de una constante Un acercamiento más cualitativo al señal-ruido. Incluso sumando todos cosmológica o de la energía de vacío estudio de esta energía se centra en los observatorios disponibles en tie- da lugar a problemas dentro de la encontrar propiedades de su potencial rra no se podría llegar a acumular una 84 TEMAS 33 base de datos de ese tamaño y cali- dad en decenas de años. Con la base de datos podrá abor- darse la naturaleza de la energía oscura y de los parámetros cosmoló- gicos con gran precisión. Se conocerá la densidad de materia del universo dentro del 2 % de error, la densidad de energía oscura hasta el 5 % y la curvatura del universo hasta un 6 %. Se podrá distinguir entre la energía de vacío o constante cosmológica y otros candidatos a energía oscura, con un buen nivel de confianza. La misión ayudará, sin duda, a esclarecer otros misterios. Las bús- quedas de supernovas a alto z, al com- parar porciones del cielo en fechas que distan de 2 a 6 semanas entre sí, son sensibles al descubrimiento de todo tipo de objetos variables en el cielo: cuásares que han aumentado su lumi- nosidad, estrellas binarias que entran en fase de erupción, contrapartidas ópticas de los estallidos de rayos gamma (GRB) o asteroides que apa- recen en el campo de visión del teles- copio. En las campañas de observa- ción realizadas desde el observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma hemos podido apreciar la variabilidad del cosmos, al tiempo que dejábamos registro de estos obje- tos. Frente a una campaña de obser- vación de varias noches para cubrir medio grado en el cielo, las que hemos efectuado, un telescopio como el men- cionado cubrirá con mucha mayor profundidad y amplitud el cielo cada noche y será sin duda único en la investigación de amplios campos de la física. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA THERMONUCLEAR SUPERNOVAE. Dirigido por Pilar Ruiz-Lapuente, Ramón Canal y Jordi Isern. Kluwer Academic Publisher 1997. SUPERNOVAS Y EXPANSIÓN ACELERADA DEL UNIVERSO. Pilar Ruiz-Lapuente, Alex G. Kim y Nicholas Walton en Investigación y Ciencia, n.o 270, marzo de 1999. EXPLORACIÓN DEL ESPACIO-TIEMPO ME- DIANTE SUPERNOVAS. Craig J. Hogan, Ro- bert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff en este mismo número. OPPORTUNITIES FOR FUTURE SUPERNOVA STUDIES OF COSMIC ACCELERATION, J. Weller y A. Albrecht, en Physical Review D, 1999. Prepublicación en xxx.lanl.gov/ abs/astro—ph/0008314. SUPERNOVAE AND COSMOLOGY. Pilar Ruiz- Lapuente, puesta a punto presentada en CAPP2000: Conference on Cosmology and Particle Physics (Verbier, Suiza), coord. Durrer et al. (American Institute of Physics) 2000. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 85 Una nueva teoría del universo Si el modelo inflacionario falla, ¿cuál es el plan alternativo de la cosmología? João Magueijo A pesar de que la teoría de la constantes se hallan mejor dispues- se ha incardinado en los útiles mate- inflación cósmica ha adqui- tas que otras a perder su estatuto. Por máticos accesibles al físico. La varia- rido un aura de invencibilidad, ejemplo, la constante de la gravita- ción de c no es ya una expresión mal- otros modelos alternativos atraen ción, G, y la carga del electrón, e, han sonante, sino una expresión ausente cierto interés entre los cosmólogos. sido objeto frecuente de esta ordalía del vocabulario de la física. La teoría del estado estacionario, que teórica causando poco escándalo. Sin embargo, podría ayudar a los hasta los años sesenta se reputaba Desde el trabajo pionero de Paul Dirac cosmólogos a mirar más lejos. En el la principal alternativa a la gran en los años treinta sobre la variación corazón de la inflación está el pro- explosión, se ha mantenido en un res- de las constantes hasta las últimas blema del horizonte de la cosmología tringido grupo de defensores. La teo- teorías de cuerdas ha estado muy de de la gran explosión, que surge de un ría pre-gran explosión, una refor- moda destronar la constancia de G. hecho simple: en cualquier tiempo, la mulación de la inflación que ha sido Por contra, la velocidad de la luz, c, luz —y, por tanto, cualquier inte- auspiciada por la teoría de cuerdas, ha resistido incólume. La razón es racción— ha recorrido sólo una dis- ronda por algunas cabezas. Pero la clara: en la constancia de c y su esta- tancia finita desde la gran explosión. alternativa más prometedora y pro- tuto como límite de velocidad uni- Cuando el universo tenía un año de vocativa quizá sea la teoría de la velo- versal se fundamenta la teoría de la edad, por ejemplo, la luz podía haber cidad variante de la luz (VSL, de var- relatividad. Y el atractivo de la rela- viajado sólo un año (aproximada- ying-speed-of light theory), que mis tividad es tal, que la constancia de c mente). El universo se halla frag- colegas y yo hemos desarrollado durante años. Cuando menos, estos modelos discrepantes añaden color y variedad a la cosmología. Expresan también una duda inquietante: ¿puede el entusiasmo generado por la teoría de la inflación y sus conse- cuencias ocultar un error monstruoso? Las teorías cosmológicas domi- nantes, incluida la de la inflación, parten de un supuesto crucial: la velo- cidad de la luz y otros parámetros físicos fundamentales han mante- nido siempre los mismos valores. (Por eso se les llama constantes.) Punto de arranque que ha forzado a los cos- mólogos a adoptar la inflación con todas sus implicaciones fantásticas. Cierto es que los experimentos mues- tran que las “constantes” no enveje- cen de una forma drástica. Pero tam- bién es verdad que los investigadores ALFRED T. KAMAJIAN han sometido a prueba sus valores sólo en lo que respecta a los últimos miles de millones de años. Postular su constancia sobre la edad entera del universo implica una extrapolación 1. INQUIETUD EN EL HORIZONTE. A la tierna edad de un año, el universo estaba subdi- descomunal. ¿Pueden cambiar las vidido en regiones aisladas, separadas por “horizontes’’ de un año-lluz en radio (esferas azu- constantes con el tiempo en un uni- les). Hoy el horizonte tiene un radio de alrededor de 15.000 millones de años-lluz (esfera ro- verso de gran explosión, como lo hacen ja), por lo que alberga multitudes de estas regiones. Lo raro es que, a pesar de su aislamiento la temperatura y la densidad? inicial, todas las regiones parecen casi iguales. Explicar esta misteriosa uniformidad consti- Los teóricos descubren que algunas tuye el gran éxito de la teoría de la inflación. 86 TEMAS 33  mentado en horizontes que delimi- pansión inflacionaria acabó, empe- sentada por la constante cosmológica tan regiones sin que una pueda ver zaron a perder contacto. depende estrechamente de c. Una a otra. No se necesita pensar mucho para caída adecuada en c reduce a niveles La miopía del universo se torna darse cuenta de que el mismo efecto inocuos el valor antaño dominante irritante para los cosmólogos. Impide podría darse si la luz hubiera viajado de la energía de vacío. En las teorías explicaciones físicas —es decir, basa- más deprisa en el universo temprano estándar, sin embargo, el valor de la das en interacciones físicas— de la que lo que hace hoy. Una luz rápida energía de vacío no puede diluirse. uniformidad del universo primitivo. podría haber cosido, en una suerte de Pero nuestra formulación es sólo Dentro del marco de la teoría están- centón, retazos de regiones desco- una posible. El deseo de reconciliar dar de la gran explosión, la unifor- nectados. Estas regiones se podrían VSL con la relatividad ha originado midad se explica a través del ajuste haber homogeneizado. Al decrecer la una intensa investigación. Las ela- fino de las condiciones iniciales, un velocidad de la luz, tales regiones boraciones más prudentes de la teo- recurso metafísico a la postre. abandonarían su contacto. ría VSL, promovidas por John Moffat La teoría de la inflación da un giro Esta fue la idea que nos llevó a y más tarde por Ian Drummond son astuto al problema. Su idea clave es Andreas Albrecht, a John Barrow y más fáciles de aceptar por los relati- la siguiente: para una onda de luz en a mí mismo a proponer la teoría de vistas teóricos. Después de todo, se un universo en expansión, la distan- la velocidad de la luz variable (VSL). advierte ahora que la constancia de cia que media desde el punto de par- No íbamos contra los partidarios de c no es tan imprescindible para la tida es mayor que la distancia via- la inflación. (Albrecht es uno de los relatividad; la teoría puede basarse jada, por la sencilla razón de que la padres de la teoría inflacionaria.) en otros postulados. Algunos han expansión sigue estirando el espacio Creímos que los éxitos y los defectos apuntado que si el universo es una ya recorrido. Imaginémonos, en efec- de la inflación se aclararían si exis- membrana tridimensional en un espa- to, un conductor que viaja a 60 kiló- tiera un modelo alternativo. cio de muchas dimensiones, según metros por hora durante una hora; Naturalmente, la teoría VSL re- sugiere la teoría de cuerdas, la velo- transcurrida ésta, ha cubierto 60 quiere repensar los fundamentos y el cidad aparente de la luz en nuestro kilómetros, pero si la carretera se lenguaje de la física. Lo que significa mundo podría variar, mientras per- hubiera alargado durante ese tiempo, que admite muchas formas posibles. sistiría constante la velocidad de la la distancia desde el punto de par- De entrada cuestionamos la relati- luz, realmente fundamental. tida sería mayor que 60 kilómetros. vidad, aunque con el atenuante de Sólo a través de la experimentación La teoría inflacionaria postula que el resolver muchos misterios, aparte del sabremos si la naturaleza decide universo temprano se expandió con de la planitud del universo. Así, nues- inflarse o jugar con la velocidad de tal celeridad, que el alcance de la luz tra teoría da cuenta del valor mi- la luz. La teoría VSL está en este fue enorme. Verosímilmente regio- núsculo aunque no nulo de la cons- momento mucho menos desarrollada nes separadas podrían haber estado tante cosmológica del universo en el que la de la inflación, así que tiene juntas y alcanzado una temperatura momento actual. La razón es que la que hacer predicciones firmes sobre y densidad comunes. Cuando la ex- densidad de energía de vacío repre- la radiación del fondo de microondas. Por otro lado, algunos experimentos han demostrado que la llamada cons- tante de estructura fina puede no ser constante. La variación de c podría explicar esos hallazgos. Queda por ver si estas observacio- nes podrán resistir un nuevo escru- tinio; mientras tanto la teoría VSL plantea un desafío teórico conside- rable. Se distingue de la teoría de la inflación porque afecta a los cimien- tos de la física. Por ahora, el modelo VSL se halla lejos de la ortodoxia aceptada. Es una incursión en terreno sin desbrozar. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA THE VARYING SPEED OF LIGHT AS A SOLU- TION TO COSMOLOGICAL PUZZLES. An- dreas Albrecht y João Magueijo en Phy- ALFRED T. KAMAJIAN sical Review D, vol. 59, n.o 043516; 15 de febrero, 1999. BIG BANG RIDDLES AND THEIR REVELA- TIONS. João Magueijo y Kim Baskerville en Philosophical Transactions of the 2. HORIZONTE ENSANCHADO. La inflación no es la única respuesta al problema del hori- Royal Society A, vol. 357. n.o 1763, págs. zonte. Antes bien, pudieron darse condiciones en el universo temprano que permitieran que la 3221-3236; 15 de diciembre, 1999. luz viajara a una velocidad mayor que la actual: miles de millones de veces más rápido. Una luz COVARIANT AND LOCALLY LORENTZ-INVA- RIANT VARYING SPEED OF LIGHT THEO- vigorosa se encaminó hacia regiones mayores (esfera azul). Al frenarse la luz hasta el valor de RIES. João Magueijo en Physical Review su velocidad actual, el horizonte se encogió (esfera roja). De ahí que ahora sólo podamos ver D, vol. 62, n.o 10; 15 de noviembre, 2000. una parte de las regiones iniciales y no resulte misterioso que el universo parezca tan uniforme. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 87 Ondas en el espacio-tiempo Se han invertido ocho años y 400 millones de euros en construir una clase revolucionaria de observatorio que debería detectar ondas gravitatorias. Pero, ¿funcionará? Hace poco se le puso a prueba W. Wayt Gibbs F rederick J. Raab observa con cias en menos de una parte en mil tri- H. Richard Gustafson va arre- unos prismáticos un tubo de llones. glando fallos con sus compañeros hormigón recto como una vara; A pesar de la técnica puntera con del LIGO de Livingston; se comu- el edificio donde acaba, cuatro kilóme- que se ha fabricado el LIGO, no está nican por medio de una videoconfe- tros al norte, es uno de los extremos claro que puedan alcanzarse sensi- rencia. A la conversación se une el del observatorio LIGO de Hanford bilidades tan increíbles. Achicados director de GEO 600, un instru- (estado de Washington). Gira sobre hasta quedarse en débiles murmu- mento, más pequeño pero similar, sus talones 90 grados en dirección llos, los más poderosos sucesos cós- instalado cerca de Hannover, en oeste y barre con la vista unos para- micos se ahogan en la más modesta Alemania. “Aquí en Hanford tuvimos jes desérticos cubiertos de artemisas de las perturbaciones. “Las mareas una noche horrible”, dice Gustafson hasta que divisa un tubo idéntico al deforman la corteza de la Tierra y los mientras cuenta los problemas que anterior, con otro edificio en su océanos”, comenta Raab; desplazan han padecido con las computadoras extremo, a cuatro kilómetros de dis- los edificios de aquí en un tercio de y la electrónica. tancia también. “Cuando hablamos milímetro, cien mil millones de veces El instrumento de Luisiana se ha de tener controlado el haz del láser” más que una onda de gravedad. Un venido comportando de manera más que brilla dentro de esos dos tubos, terremoto de una magnitud superior previsible. Durante la noche funcionó explica, “nos referimos a mantener a 6 en cualquier lugar de la Tierra, con normalidad, pero a las 6:30 de la estables las ondas de luz con una pre- un camión circulando por una carre- madrugada la línea de la pantalla de cisión mayor que el ancho de un tera cercana o el usar los ordenado- control se aplanó; había ya tráfico átomo, y a lo largo de toda esta dis- res del laboratorio contiguo sacuden mañanero en la interestatal 12, a tancia”. el suelo en más que el ancho de un pocos kilómetros del observatorio, y Raab dirigió la edificación de este átomo. “Incluso el ruido de los reac- empezaban los leñadores de la made- gigantesco cartabón. Con otro seme- tores que pasan sobre nuestras cabe- rera Weyerhaeuser a talar pinos no jante en Livingston, en los bosques zas ejerce un efecto.” muy lejos de allí. GEO, cuyos brazos de Luisiana, forma el par de detecto- En la sala de control observamos sólo miden 600 metros, con una pre- res más sensibles —si se cumplen las los esfuerzos del instrumento por cisión menos exigente, es un dechado expectativas de sus diseñadores—, compensar los golpes y las sacudi- de fiabilidad: funciona el 90 % del costosos y grandes que se han cons- das. La prueba había comenzado el tiempo. Pero se necesitan los tres ins- truido en los 40 años que se está a la 28 de diciembre de 2001. A los 14 días trumentos en forma y trabajando a caza de las ondas gravitatorias. En del ensayo, va ganando el ruido. Raab la vez. En dos semanas el mejor lapso parte metros, en parte relojes, estos mira con detenimiento las gráficas de operación simultánea fue de ape- dos instrumentos medirán el espa- proyectadas sobre la pared del fondo. nas hora y media. cio-tiempo a fin de captar cómo sacu- Una línea roja sube y baja. Es el Szabolcs Márka, investigador del den el continuo los cataclismos más estado del detector principal; se sale LIGO de Livingston, se muestra con- violentos del universo: estrellas que de control, se normaliza y vuelve a tento con el progreso de esta prueba, explotan, agujeros negros que cho- descontrolarse unos minutos después. la quinta realizada y última antes de can, quizá fenómenos todavía fuera Una línea azul representa el estado que los dos instrumentos comiencen de nuestra imaginación. A medida de un detector más pequeño; este con- sus observaciones rutinarias. [N. de que las ondas que generan esos fenó- trol de calidad persiste plano. la R.: la primera tanda de recogida de menos se expanden a la velocidad de la luz, van estirando y comprimiendo, estirando y comprimiendo el espacio, 1. EL LLANTO DEL NACIMIENTO y los estertores de la muerte de los titanes celestes —en y, por tanto, ensanchando y contra- esta simulación por superordenador, dos agujeros negros (esferas) que colisionan— vibran yendo la separación entre los objetos. a lo ancho del universo en forma de ondas de energía gravitatoria. Este año, unos instru- Para cuando alcanzan la Tierra, son mentos nuevos, de tamaño y sensibilidad impresionantes, intentarán sintonizar por primera tan débiles, que alteran las distan- vez dichas señales. 88 TEMAS 33 WERNER BENGER, AEI/ZIB (visualización); NUMERICAL RELATIVITY GROUP AT AEI (simulación); LBNL/NERSC (centro de cálculo); MAX PLANCK SOCIETY, EU ASTROPHYSICS NETWORK PROJECT, DPTO. DE ENERGIA DE ESTADOS UNIDDOS (patrocinador)  EL OBSERVATORIO MUNDIAL DE LA GRAVEDAD A finales de 2003, seis nuevos detectores de ondas gravitatorias deberían estar funcionando: dos en Hanford (estado de Washington) y uno en Livingston (Luisiana), en Hannover, en Pisa y en Tokio. Aunque son muy GEO 600 diferentes en tamaño, sensibilidad y detalles, funcionan de manera bastante parecida (abajo a la derecha; véase también el recuadro “El viaje de un fotón a través del LIGO” para más detalles). Puesto que estos aparatos ultrasensibles recogen muchos ruidos terrestres, se utilizan ordenadores para rastrear los datos en bruto (abajo) y distinguir los patrones que VIRGO producirán, según se predice, las ondas de gravedad. CONCRETAR LA FUENTE A medida que un impulso gravitatorio barre la Tierra, la misma onda golpeará cada uno de los detectores en un instante un poco diferente, permitiendo así a los astrónomos distinguir la fuente y eliminar cualquier otra causa de vibración. LA CAIDA FUSION LA SEÑAL EN ESPIRAL DE LOS DOS SE APAGA OBJETOS LIGO CELESTES PATROCINADOR: EE.UU. LONGITUD DEL BRAZO: 4 km en Livingston y 4 km y 2 km en Hanford PICO DE LA SENSIBILIDAD: tres partes en 1023 a 180 hertz. COINCIDENCIA ESPEJO FINAL ESTADO: las observaciones CON UN MODELO, DEL BRAZO SUR comenzaron en septiembre de POSIBLE FUSION 2002 COSTO: 580 millones de euros hasta 2007 TAMA 300 LIGO DE LIVINGSTON (NO MOSTRADO) PATROCINADOR: Japón LONGITUD DEL BRAZO: 300 m LIGO DE PICO DE LA SENSIBILIDAD: cinco partes en 1021 desde 700 HANFORD a 1000 hertz FUERA ESTADO: las observaciones DE FUNCIONAMIENTO preliminares comenzaron DEBIDO A UN en 2001 TERREMOTO COSTO: 11 millones de euros EN INDONESIA UNA VIBRACION DE UNA PARTE EN MIL TRILLONES GEO 600 Una onda gravitatoria expandirá el espacio entre los PATROCINADOR: Reino Unido espejos del brazo oeste deL LIGO de Livingston (5 y 6 ) y Alemania mientras acerca los del brazo sur. Cuanto más largos sean LONGITUD DEL BRAZO: 600 m los brazos, mayor será el cambio. Al hacer PICO DE LA SENSIBILIDAD: que la luz del láser recorra unas 100 ocho partes en 1023 a 600 hertz ESTADO: las observaciones COINCIDENCIA veces los brazos antes de regresar al comenzaron en 2002 CON UN MODELO, desdoblador de haces (4 ), el LIGO COSTO: 11 millones de euros POSIBLE FUSION actúa casi como si sus brazos tuvie- ran unos 400 kilómetros de largo. VIRGO PATROCINADOR: Italia y Francia LONGITUD DEL BRAZO: 3 km LASER LIMPIADOR PICO DE LA SENSIBILIDAD: una parte en 1022 a 500 hertz 2 DE MODOS Elimina las ESTADO: Se inauguró en COINCIDENCIA julio de 2003 inestabilidades CON UN MODELO, MODULADOR COSTO: 72 millones de euros POSIBLE FUSION * El pico de la sensibilidad se refiere a los objetivos del diseño 1 DE FRECUENCIA Genera un haz del láser que todavía no se han logrado de referencia 90 TEMAS 33  BRYAN CHRISTIE DESIGN PIEZA DE SUSPENSION REDUCCION DEL RUIDO A LA CIENMILLONESIMA PARTE CABLE FINO DE ACERO CON CARBONO Los interferómetros miden la distancia entre dos espejos con una precisión subatómica. Para evitar que el ruido sísmico arruine las medidas, los espejos cuelgan de péndulos (derecha), que están a su vez unidos a múlti- ples capas de aislamiento (abajo a la BOBINA derecha). Unas bobinas magnéticas controlan las posiciones de los espejos y fuerzan al haz ESPEJO del láser a anularse a sí mismo en el puerto oscuro (7 ). ACTUADORES 4 KM ELECTROMAGNETICOS LASER ESPEJO FINAL 6 DEL BRAZO OESTE PILAR DE APOYO ESPEJO INTERIOR DEL BRAZO SUR MASAS DE ESPEJO 5 INTERIOR DEL BRAZO RESONANCIA OESTE DESDOBLADOR MUELLES 4 DE HAZ RELLENOS DE ELASTOMERO ESPEJO DE 3 RECICLAJE Evita que la luz TAMAÑO EFECTIVO regrese hacia atrás DE LOS BRAZOS DEL LIGO El LIGO está pensado para detec- tar en los espejos movimientos de sólo 10–18 metros. Esa distancia FOTODIODO es a las dimensiones de un átomo de hidrógeno lo que la escala de 7 DEL PUERTO OSCURO Almacena el modelo de interferencia arriba a la diagonal del estado de formado por el rayo de referencia Luisiana (unos 560 kilómetros). y los dos rayos de prueba PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 91 MAX AGUILERA-HELLWEG 2. LA SALA DE CONTROL del observatorio LIGO de Livingston fue el hogar del físico Szabolcs Márka, del Caltech, durante los 18 días que duró la prueba del instrumento; él la dirigió. A pe- datos se llevó a cabo durante 17 días sar de todas las dificultades, el equipo logró tomar durante más de 70 horas datos científicos de septiembre de 2002. Los primeros simultáneos de los tres interferómetros estadounidenses. análisis de estos datos se han publi- cado en agosto de 2003. No han detec- tado ondas, pero así han establecido un límite superior a la fusión de sis- leo. Esta es una de las razones por tos de menor magnitud y riesgo. El temas binarios de estrellas de neu- las que “el proyecto encontró una tre- comité selecto que debía ordenar las trones.] menda oposición por parte de los prioridades de los astrónomos para el astrónomos”, según Harry M. Collins, decenio de 1990 excluyó el LIGO de Penalidades y estertores sociólogo de la Universidad de Cardiff su lista. “Fue una decisión unánime”, D esde que los fundadores del proyecto LIGO —Kip S. Thor- ne y Ronald Drever, del Instituto de que ha estudiado el avance de esta disciplina. “La FNC desestimó nuestras dos dice John Bahcall, del Instituto para Estudios Avanzados de Princeton, que presidió ese comité. El Congreso apro- Tecnología de California (Caltech), y primeras propuestas”, recuerda Thor- bó la propuesta del LIGO, pero no con- Rainer Weiss, del Instituto de Tec- ne. “Y la tercera, enviada en 1989, fue cedió fondos hasta 1994. nología de Massachusetts (MIT)— revisada a fondo durante cinco años.” Thorne y otros proponentes de propusieron en 1984 la construcción Algunos astrónomos de gran prestigio, LIGO argumentaban que las señales de un “observatorio de ondas gravi- como Jeremiah P. Ostriker, de la Uni- gravitatorias abrirían un campo com- tatorias por medio de la interfero- versidad de Princeton, pusieron obje- pletamente nuevo de la astronomía metría láser” (cuyo acrónimo en inglés ciones al alto coste, que para 1993 era porque llevan consigo una informa- es LIGO), nadie dudaba de que reque- de 275 millones de euros. Temían que ción acerca del universo que no se riría un trabajo de ingeniería hercú- no quedara dinero para otros proyec- puede recoger de otra forma. Albert Einstein predijo estas ondas etéreas en 1918; las consideraba una conse- cuencia inevitable de su teoría de la Los detectores de ondas gravitatorias relatividad general. Según la célebre premisa einsteiniana, la fuerza atrac- ■ Aunque los astrónomos nunca han detectado ondas de gravedad directa- tiva que llamamos gravedad existe mente, la teoría de la relatividad de Einstein predice que los cataclismos porque la masa de los cuerpos deforma violentos de la magnitud del choque de dos agujeros negros producen la el universo tetradimensional. Si un vibración del espacio. objeto denso se mueve violentamente, ■ Para cuando las ondas alcancen la Tierra, se habrán debilitado tanto, que el espacio tiembla. distinguirlas del ruido que las rodea será como dar con un grano de arena Cuando, por poner un ejemplo, una perdido en una playa oceánica. estrella gigante consume su com- ■ Se han construido seis interferómetros de alta precisión a lo largo bustible, el estallido despide la luz y ancho de todo el mundo con el objeto de detectar estas señales. de diez mil millones de soles: una Tres están en Estados Unidos, preparados para tomar datos científicos desde supernova. Se piensa que las capas el 29 de junio de 2002. Pero aún se está trabajando para alcanzar la sen- exteriores de la estrella son expul- sibilidad necesaria. sadas al espacio mientras el núcleo de hierro implosiona con fuerza sufi- 92 TEMAS 33 ciente como para que todos sus elec- los telescopios ordinarios apuntasen de neutrones pierden un poco de ener- trones y protones se combinen en hacia la explosión. De mayor impor- gía arrugando el espacio que las neutrones y partículas exóticas. En tancia serían, no obstante, los deta- envuelve. Las órbitas, por tanto, men- apenas unos minutos, una esfera lles que la señal gravitatoria apor- guan poco a poco hasta que los dos sólida de metal del tamaño de la taría acerca del nacimiento de la astros se disgregan y funden en uno; Tierra se contrae hasta convertirse estrella de neutrones, pese a la peque- a veces se crea entonces un agujero en una estrella de neutrones de menos ñez del objeto y el velo de gas ardiente negro. Hacia el final del frenético de 20 km de diámetro; su densidad que lo rodearía. tango, cada uno de esos dos pesados es tan grande que una cucharadita El LIGO se diseñó para detectar no cuerpos da una vuelta alrededor del de material de su superficie pesaría sólo el nacimiento de las estrellas de otro cientos de veces por segundo; el casi mil millones de toneladas. Se neutrones, sino también su muerte. La lienzo del espacio-tiempo se agita con supone que la energía gravitatoria mayoría de las estrellas giran alre- fuerza. Los impulsos de radio recibi- que emitiría una supernova no del dedor de una compañera; en ocasio- dos de este tipo de sistemas binarios todo simétrica alcanzaría la Tierra nes ambas explotan convertidas en son la prueba más convincente, si bien varios minutos antes que el fogonazo supernovas sin que se rompa su víncu- indirecta, de que las ondas gravitato- de luz, tiempo suficiente para que lo. A cada revolución, las dos estrellas rias existen de verdad. El viaje de un fotón a través del LIGO ara comprender el funcionamiento del interferómetro delante por el brazo oeste. La otra corriente se invierte, muta- P LIGO, imaginemos la aventura de un fotón que lo atra- viese. (Obviaremos algunos detalles para mayor claridad.) dos los valles en crestas, al reflejarse hacia el brazo sur. Los dos haces de prueba atraviesan los espejos interiores El fotón se crea en un láser del tamaño de una maleta y y se internan en los 4 kilómetros de tubo de acero. Pero la con la potencia de 20.000 punteros láser. Es uno entre un entrada les es denegada a los haces de referencia de fre- billón que llevan el mismo paso en el haz infrarrojo. cuencia un poco modificada, que desandan lo andado en dirección al desdoblador de haces; circulan a través de la Parte del haz se desvía a un aparato que convierte la luz 1 en dos haces de referencia, la frecuencia de uno lige- ramente mayor que la del haz principal, la del otro menor. óptica central hasta que regresen los fotones de los haces de prueba. Este modulador de frecuencias crea así un modelo con el Mientras tanto, nuestro fotón y su gemelo inverso reco- que se comparará el haz de prueba al final del viaje. Tras el desvío, los haces se recombinan y atraviesan una ven- 5 rren los largos brazos y rebotan en un espejo en ambos extremos. Aunque los átomos de los espejos vibran con el tana de cuarzo para entrar en una cámara de vacío. Durante calor, su movimiento es aleatorio y el haz golpea billones la construcción se tuvo especial cuidado en evitar que nues- de átomos a la vez. En promedio, las vibraciones térmicas tro fotón se alejara de su camino. Unas bombas de vacío se anulan. Los fotones gemelos rebotan entre los espejos mantienen la presión del aire por debajo de una billonésima interiores y finales de sus respectivos brazos. Realizan de atmósfera. Los espejos, del tamaño de un plato, con un alrededor de unos cien viajes de ida y vuelta antes de grosor de 10 centímetros, se pulieron con una precisión colarse a través del espejo interior y reencontrarse con el superior a los 16 átomos. Y el grosor de las películas reflec- desdoblador de haces, que los envía en dirección norte hacia toras que cubren la óptica no varía en más de dos átomos. un puerto oscuro. De ordinario, nuestro fotón y su otro yo tendrán oscilaciones opuestas. Las crestas se encontra- El fotón entra en un bucle construido con tres espejos 2 que forman un triángulo estrecho. Este “limpiador de modos” es un punto de control de calidad: el fotón puede rán con los valles y los dos fotones se anularán mutuamente. El puerto oscuro permanecerá oscuro. continuar su camino sólo si forma parte del haz que tiene Pero si durante el viaje de los fotones una onda de grave- la estructura y dirección correctas. La luz que no se ajuste a lo requerido sale por un tragaluz. 6 dad entra en el instrumento, el espacio se curvará; un brazo se alargará y el otro se acortará. Las crestas se encon- trarán con las crestas y se iluminará el puerto oscuro. Es El fotón apenas nota el espejo de dirección única que 3 atraviesa en la siguiente cámara. Este espejo bloquea los fotones que intenten regresar al láser; al atrapar a to- más, los fotones de prueba reunidos se combinarán también con los haces de referencia a los que se les ha modulado la frecuencia. Como si se tratara de notas musicales un poco dos los fotones dentro del dispositivo, multiplica por 16 la desafinadas, la luz pulsará; se hará más brillante y más débil potencia del haz de luz. al paso de la onda gravitatoria. Finalmente, el fotón golpea En el desdoblador de haces, el fotón se divide en dos un fotodiodo y se convierte en una señal electrónica perceptible, 4 idénticos. Una corriente de fotones continúa hacia el rastro de un temblor del espacio-tiempo. 1 2 3 45 BRAZO OESTE 6 BRAZO OESTE RAYO DE PRUEBA MODELO DE INTERFERENCIA LASER RAYO PULSACIONES DE INTENSIDAD BRAZO SUR BRAZO SUR DE REFERENCIA LIMPIADOR ESPEJO DESDOBLADOR PUERTO DESDOBLADOR PUERTO DE MODOS DE DE HACES OSCURO DE HACES OSCURO RAYO RECICLAJE DE REFERENCIA PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 93 MAX AGUILERA-HELLWEG 65 millones de años-luz, se calcula que sólo ocurre una fusión cada 10.000 años. “Por lo tanto, aunque cabe den- tro de lo posible que veamos esas ondas”, asegura Thorne, “no es muy probable”. Le parece más factible que el LIGO recoja la señal de la fusión de dos agujeros negros en uno, que centuplica la de dos estrellas de neu- trones. Pero los teóricos tienen una incertidumbre de un factor 1000 acerca de la frecuencia de estos suce- sos dentro del alcance del LIGO. Lo mismo podría haber 10 en un año que uno en un siglo. Llegar hasta 300 millones de años- luz mejoraría notablemente la esta- dística, pero entonces un suceso típi- co cambiaría la longitud relativa de los brazos de LIGO en sólo una parte entre 10 22 . Habrá que esperar la segunda versión del LIGO para po- der detectar desplazamientos tan mi- núsculos; vendría a ser como descu- brir que Saturno se había acercado al Sol la envergadura de un átomo de hidrógeno. La tierra inquieta 3. MARK COLES, director del LIGO de Luisiana, intenta solventar las dificultades que la tala P or si ya no fueran las cosas tan difíciles, los ingenieros del LIGO tienen que vérselas con la vibración de árboles, el tráfico y otras fuentes de ruido le plantean a la ingeniería. “Puede que duran- de los espejos por multitud de razo- te los primeros años no seamos capaces de alcanzar toda la sensibilidad que se tenía pen- nes sin relación alguna con las explo- sada”, afirma. “Pero sigue siendo un gran proyecto en el que trabajar.” siones de supernovas, las estrellas de neutrones o los agujeros negros. En virtud del calor, las moléculas de Pero aún está por ver si los gru- fusión de dos estrellas de neutrones los espejos y de los cables que los sos- pos del Caltech y del MIT que mane- apenas afectaría al punto central de tienen se mueven aleatoriamente. jan el LIGO en nombre de la FNC cada espejo más que en unos attóme- Este ruido térmico puede enmasca- lograrán la detección directa de esas tros (10–18 metros). Para semejante rar las ondas gravitatorias que ten- ondas. “Lo más curioso del LIGO”, sensibilidad está pensado el LIGO. gan una frecuencia entre 50 y 200 dice Collins, “es que, al menos en su Mientras un brazo del observato- hertz. A frecuencias superiores, el primera versión, no puede prometer rio se dilata, el otro se contrae; la interferómetro está sometido a un éxitos”. fase y la frecuencia de la luz del lá- efecto cuántico llamado ruido de gol- ser dentro de los brazos cambian en peo, que ocurre porque el número de Fenómenos espectrales sentidos opuestos. Cuando los haces fotones que golpean los sensores cam- E l problema no radica en la de- bilidad de las ondas gravita- torias. “Es increíble la energía que procedentes de los dos brazos se super- ponen al haz de referencia, las fluc- tuantes pulsaciones que generan son bia de un instante al siguiente. “Se podría dar más intensidad al láser para aumentar la señal sobre el contienen”, afirma Gabriela I. Gon- decodificadas por las computadoras ruido”, indica Norna Robertson, una zález, física del LIGO de Livingston. para desvelar los cambios en la cur- de las diseñadoras del instrumento Durante el último minuto en que las vatura del espacio-tiempo dentro de GEO. “Pero si ponemos mucha luz estrellas de neutrones, a 65 millones los brazos. En principio, la técnica, dentro, golpeará los espejos de forma de años-luz de la Tierra, caen en es- conocida como interferometría, es aleatoria.” piral hacia su muerte, la pulsación capaz de medir cambios en la dis- Por el momento, el mayor problema gravitatoria que se emite es tan tancia mucho menores que la longi- del LIGO son las bajas frecuencias; intensa, que “si llegara en la forma tud de onda de la luz infrarroja del en ellas, el suelo está en constante de luz visible, sobrepasaría el brillo láser; mucho más pequeñas, incluso, movimiento. “A 100 hertz, sube y baja de la luna llena”. que el núcleo de un átomo (véase el unos 10–11 metros”, dice Raab. “Que- A diferencia de la luz, que deposita recuadro “El viaje de un fotón a tra- remos ver movimientos de hasta 10–19 toda su energía cuando choca contra la vés del LIGO”). metros”, porque esa distancia es la materia, la gravedad atraviesa los obje- No impresiona mucho a los astró- 1022-ava parte de los 4 kilómetros de tos sólidos como un fantasma; la inte- nomos que el LIGO prometa seme- longitud de los brazos del LIGO. “Para racción es pequeñísima. Para una onda jante sensibilidad. Las parejas de eso tenemos que dejar el ruido sís- gravitatoria, la Tierra y todo lo que hay estrellas de neutrones son raras; su mico en su cienmillonésima parte.” sobre ella es perfectamente transpa- muerte es muy espectacular, pero Nos pusimos unas gafas protecto- rente. Incluso la poderosa señal de la rápida. Dentro de una distancia de ras y unos cubrezapatos para visitar 94 TEMAS 33 el recinto donde se encuentran el láser un terremoto de magnitud siete en gida por fuerzas de seguridad. Scho- y la mayoría de los sensores del detec- Sumatra; nos dejó fuera de servicio”, field activa el sismómetro durante tor. Cuando se abre la puerta de la comenta Raab. También unos vientos casi cinco minutos. Ni rastro del pico sala, Raab baja el tono de la voz. fuertes descontrolaron el interferó- a 2,3 hertz. Raab se dirige a una cámara de metro de Hanford. Afortunadamente, el ruido de unos vacío de acero, con las dimensiones No todos los movimientos sísmicos dos hertz no es un problema por ahora. de una furgoneta. Para llegar desde son naturales. Robert Schofield, de El LIGO, al igual que otros observa- el exterior al espejo interior, un movi- la Universidad de Oregón, se encarga torios gigantes para la detección de miento sísmico debe atravesar una de rastrear el origen de los ruidos del ondas gravitatorias casi terminados serie de elementos concebidos para LIGO. Le da vueltas a la gráfica de ya —GEO en Alemania, TAMA en debilitar su energía: una plancha de las últimas señales recibidas en el Tokio y VIRGO cerca de Pisa—, escu- 1 metro de hormigón reforzado, gatos detector. “Mira este pico”, me dice. chará ondas gravitatorias entre 40 y de tijera, cojinetes de aire, cuatro “Justo a 2,3 hertz. No lo había visto 3000 hertz, precisamente las fre- capas de gruesos muelles especial- antes porque es muy estrecho, pero cuencias que capta el oído humano. mente construidos para la tarea, cua- es el 20 por ciento del ruido que está En la sala de control, los operadores tro pesadas planchas de acero (cada afectando al interferómetro”. Anali- del LIGO tienen conectado un alta- una con una frecuencia de resonan- zando las lecturas de la batería de sis- voz a los sensores del interferómetro; cia distinta) y, finalmente, un pén- mómetros que rodean el observato- emite lo que el instrumento “oye”. dulo de cable fino de acero. “Reduci- rio, concluye que procede de cerca de Una supernova cercana sonaría como mos el ruido sísmico en un factor de la sección 200 Este de la Reserva un brote de estática. El lamento de cien con la suspensión pendular y en Nuclear de Hanford, un basurero las estrellas de neutrones agonizan- un factor de un millón con las pilas radiactivo de 1400 kilómetros cua- tes empezaría grave e iría subiendo de aislamiento”, explica Raab. Al- drados de extensión que rodea al en un gorjeo casi musical. gunos movimientos de la superficie, LIGO de Hanford. En el ruido no suele haber más que como las mareas lunares, tienen que Schofield toma un sismómetro y un silbidos y estallidos, pero en ocasio- amortiguarse con artilugios activos, osciloscopio y los introduce en una fur- nes se cuela algún sonido reconoci- entre ellos unos electroimanes con- goneta. Se interna unos kilómetros ble. “Hay un periscopio en la mesa trolados por ordenador que empujan en la reserva y monta el equipo. Ve- del láser que levanta el haz a la altura y tiran de unos pequeños imanes pega- mos las luces brillantes de alguna correcta”, cuenta Schofield. Ciertos dos a los espejos. operación nocturna en la sección 200 ruidos pueden mover el periscopio y Aun así, algunas veces no basta con Este. Pero no podemos acercarnos producir pequeños desplazamientos reducir el ruido externo hasta la cien- más porque el área guarda tanques Doppler en la frecuencia de la luz millonésima parte. “Hace poco hubo de basura con plutonio y está prote- que lo atraviesa. Próxima generación de detectores unque el LIGO alcanzara la sensibilidad para la que fue su interferómetro de 300 metros TAMA, pero el director del A concebido, sus posibilidades de detectar ondas gravi- tatorias serían escasas. “Pero nuestra estrategia desde un proyecto, Yoshihide Kozai, teme que pasarán unos años antes de que consigan fondos para su construcción. El principio ha sido proceder en dos pasos”, dice el físico del Gran Telescopio Criogénico de Ondas Gravitatorias tendrá Caltech Kip S. Thorne: primero se consigue que las máqui- brazos de tres kilómetros y se construirá en las profundi- nas funcionen y se va ganando confianza en ellas, luego dades de la mina de Kamioka. Unos espejos de zafiro muy se mejora la instalación con componentes avanzados que enfriados, de 51 kilogramos de peso cada uno, servirán para garantizarán la detección regular de señales. alcanzar la sensibilidad del LIGO II a frecuencias inferiores Aunque los responsables del proyecto aún no han hecho a los 40 hertz. una propuesta formal, saben más o menos lo que quieren. La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) están dise- “Las reformas costarán del orden de 100 millones de euros, ñando un observatorio de ondas de gravedad más ambi- se empezarán alrededor de 2006 y acabarlas llevará dos cioso, el LISA. En 2011 se lanzará un trío de satélites equi- años”, afirma el director del LIGO, Barry Barish. El láser pados con láseres que formará un interferómetro con brazos pasará de los 10 a los 180 watt. La óptica, en vez de col- de cinco millones de kilómetros —diez veces la distancia gar de lazadas simples de cable de acero, estará sujeta por Tierra-Luna—. El trío mantendrá las posiciones relativas cintas de sílice a un péndulo de tres fases que ahora se con una precisión de una micra en su órbita alrededor del está ensayando en el detector GEO 6000 de Alemania. Y Sol. Aunque el LISA no será mucho más sensible que el se sustituirán los espejos de vidrio de sílice de 11 kilos de LIGO II, podrá detectar ondas de gravedad a frecuencias peso por cristales de zafiro que pesarán 30. mucho más bajas que cualquier detector construido sobre Los cambios multiplicarán la sensibilidad por 20, según la superficie. estima Barish. Esto pondrá al instrumento, afirma Thorne, “Lo más probable es que el LISA vea el movimiento de “en un campo donde, por primera vez, los seres humanos pares de agujeros negros de gran masa —de un millón a observarán objetos de su mismo tamaño comportándose miles de millones de veces más pesados que el Sol— en según las leyes de la mecánica cuántica”. Se han desa- órbita uno alrededor del otro en el centro de galaxias muy rrollado técnicas cuánticas “no demoledoras”; con ellas lejanas”, dice Thorne. “Los astrónomos no caben en sí de se logran mediciones el doble de precisas de lo que per- gozo con el LISA”, cuenta Rainer Weiss, del MIT “Están mitiría el principio de indeterminación de Heisenberg. Si seguros de que verán algo.” Pero puesto que su precio no todo funciona, “se incrementará unas 8000 veces el volu- andará lejos probablemente de los 600 millones de euros, men del espacio que podremos explorar”, comenta Barish. predice que “costará mucho más que el Congreso apruebe Los japoneses también han pensado en un sucesor para el LISA que el LIGO”. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 95 MAX AGUILERA-HELLWEG “Sabemos que tenemos un problema con el ruido en Livingston”, reconoce Rainer Weiss, portavoz del LIGO. “Y empeorará. La sociedad se nos va acercando.” Barry Barish, que dirige el proyecto, asegura que se están pre- parando nuevos medios activos de aislamiento; se instalarán el año que viene. “Hubiera deseado no tener que hacerlo”, confiesa Weiss. “Era una de las mejoras de ingeniería que había- mos planteado para el LIGO II, en 2006.” Supondrá un coste adicional de al menos 825.000 euros sobre los 400 millones que la FNC ha gastado hasta la fecha y sobre los 180 millo- nes que acaban de adjudicarse para los próximos cinco años. Pero incluso cuando el sistema fun- ciona, dice Weiss, “estamos muy lejos —un factor 1000— del límite de sen- sibilidad que nos habíamos propuesto. Esperamos mejorar en un factor 10 para junio. Pero no sé si podremos ir más allá”. Esta incertidumbre preocupa a Ostriker, sempiterno crítico del LIGO: “Siempre he creído que detectar ondas gravitatorias nos facilitaría nuevos conocimientos que de otra forma no podríamos adquirir. Dicho esto, tam- bién creo que el proyecto LIGO cons- tituye un enorme derroche; ese dinero podría haberse dedicado a proyectos 4. MAS RECTO que la superficie de la Tierra, el túnel de hormigón que alberga al brazo oes- científicos más productivos”. te del LIGO de Livingston se levanta del suelo unos cuantos metros a lo largo de sus cuatro Thorne no comparte esa opinión. kilómetros de recorrido; mientras, el planeta se curva por debajo. Dentro del túnel se ha ten- “Los teóricos no se han lucido pre- dido una tubería de acero hermética; en ella se ha operado el vacío, a través del cual brilla diciendo qué se iba a ver cada vez un rayo de luz infrarroja con la potencia de 20 millones de punteros láser. que se ha abierto una ventana nueva al universo”, afirma. “Los primeros radiotelescopios detectaron unas señales mucho más intensas de lo El ruido de fuera Las señales espurias se eliminan que se había calculado. Y lo mismo L as instalaciones no sólo están plagadas de sismógrafos. Abun- dan los micrófonos, magnetómetros comparando los datos de dos o más observatorios, según explica Márka. “Si los dos sitios del LIGO observan pasó cuando se abrió la ventana de los rayos X en los años sesenta. Y cuando empezamos a observar los y sensores que vigilan la tempera- la misma señal en un intervalo de neutrinos que llegan del Sol, nos tura, la presión y el viento. Se gra- milisegundos, y también lo hace GEO, quedamos sorprendidos de que fue- ban a la vez los flujos de datos pro- que está en otra plataforma conti- sen tan pocos. Abrir la ventana de cedentes de unos 5000 sensores. Lo nental y conectado a una red eléc- las ondas gravitatorias nos dará una primero que los científicos harán si trica distinta, resulta entonces impro- visión del universo distinta, y dis- piensan que han visto una onda gra- bable, muy improbable que la señal tinta de una manera más radical de vitatoria será buscar señales falsas sea falsa y proceda de alguna fuente cuanto lo fueron las visiones que les y ruidos que hayan podido introdu- común de ruido.” debemos a esos otros avances.” cirse en el sistema. No obstante, aún se puede hacer En el último día de la prueba, mucho más por superar el ruido que González le entrega al director, Mark generan los seres humanos. Este pro- Coles, una gráfica con los resultados blema adquiere especial importan- BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA que el interferómetro ha obtenido cia en Livingston. “Podemos ver los EINSTEIN’S UNFINISHED SYMPHONY. Marcia esa mañana. Se ve una joroba que trenes que pasan tres veces al día”, Bartusiak. Joseph Henry Press, 2000. parece una señal real. Pero no lo es. detalla Coles, “a los leñadores que LASER INTERFEROMETRIC GRAVITATIONAL “Acabamos de inventar un velocí- talan árboles, el tráfico a la hora de WAVE DETECTORS. Norna A. Robertson en metro para la barrera del ganado de la comida”. Durante la prueba, el ins- Classical and Quantum Gravity, vol. 17, la carretera de entrada”, dice con trumento de Livingston estuvo ope- n.o 15, págs. R19-R40; 7 de agosto de 2000. una sonrisa. Cuando pasa cada eje rativo sólo el 62 % del tiempo, sin con- NEW PHYSICS AND ASTRONOMY WITH THE de un camión sobre las barras hori- tar pequeñas irregularidades. Los NEW GRAVITATIONAL-WAVE OBSERVA- TORIES. Soctt A. Hughes et al. en Proce- zontales aparece una vibración en el tres interferómetros LIGO sólo tra- edings of the 2001 Snowmass Meeting. canal de las ondas gravitatorias. bajaron a la vez el 18 % del tiempo. 96 TEMAS 33