Si, como dice NASA, el universo es, sencillamente, todo, incluido todo el espacio y toda la materia y energía que contiene, y hasta el tiempo mismo, ¿tiene el todo una forma?

Si estás leyendo este artículo, debes ser de los que están dispuestos a contemplar lo inconcebible, visualizar lo inimaginable y espiar lo impenetrable.

En otras palabras, a comportarte como un cosmólogo, uno de esos teóricos que intentan llegar a ideas creíbles y sustentables sobre el espacio que han ocupado a los pensadores durante siglos.

Para ellos, la forma del universo es un asunto serio, pues implica el futuro del cosmos: dependiendo de cuál sea, sabremos si se expandirá para siempre o revertirá su expansión en un cataclísmico Big Crunch, o Gran Implosión o Colapso.

Además, saber la respuesta a la pregunta que nos atañe da pistas sobre si el universo es infinito o finito.

Entonces, ¿cómo empezar a resolver este enigma?

Con Albert Einstein.

La idea de que el espacio tuviera forma surgió con la teoría de la relatividad general de 1915.

Y entre todas las formas que podrían considerarse, ésta sólo permite que el universo adopte una de tres:

1. Una es que es curvado cerrado, como una esfera gigante en expansión.
2. Otra es que sea hiperbólico, curvado abierto, lo opuesto a una esfera, algo así como una silla de montar a caballo.
3. Luego está la hipótesis plana. El cosmos es como una hoja de papel, excepto que tiene más de dos dimensiones.

Uno de los factores que determinan qué forma adopta es su densidad, es decir, la cantidad de materia que hay en un volumen determinado de espacio.

Si es muy grande, la fuerza de gravedad superará la fuerza de expansión, y se curvará formando una esfera.

De ser así, el universo sería finito, aunque no tendría fin (así como la superficie de una pelota no es infinita pero no hay ningún punto en la esfera que pueda llamarse “fin”).

Además de finito, ese es el escenario en el que la expansión en algún momento se detendrá, las galaxias en vez de alejarse unas de las otras empezarán a acercarse, hasta que lo que comenzó con un Big Bang termine con un Gran Colapso.

En los otros dos casos, el hiperbólico y el plano, el universo es infinito y se expandirá para siempre.

Para establecer de qué forma es (¡y el futuro del cosmos!), se necesitaba evidencia observacional sólida… pero, ¿de qué?

Pues de algo maravilloso.

La luz más antigua

Lo que hicieron los cosmólogos fue medir la radiación del fondo cósmico de microondas, restos fríos del Big Bang o Gran Estallido de hace unos 13.800 millones de años.

Esos rastros de cuando se formó la materia, el espacio y el tiempo, según el modelo cosmológico estándar, son fáciles de encontrar, dice el físico y autor Marcus Chown, porque están literalmente en todas partes.

“Si tomas un centímetro cúbico de espacio vacío en cualquier lugar del universo, contiene 300 fotones, partículas de luz de esta radiación.

“De hecho, el 99% de toda la luz del universo no es la de las estrellas ni nada por el estilo, sino el resplandor del Big Bang“.

Fue algo que se descubrió en 1965, y es como una foto del cosmos recién nacido.

“Es la luz más antigua y cuando la captamos con nuestros telescopios, estamos viendo hacia atrás lo más lejos que podemos.

“Codificada en esta luz hay una imagen del universo tal como era un tercio de millón de años después del Big Bang, un punto crucial, pues fue cuando se formaron las primeras estructuras, las semillas de las galaxias”.

Esos restos de radiación a menudo se describen como la Piedra Rosetta cosmóloga para descifrar el pasado, lo que permite a los investigadores hacer deducciones detalladas a partir de la evidencia observacional más escasa.

¿Cómo se puede inferir tanto de esa radiación fósil del Big Bang?

Haciendo lo que algunos han descrito como la medida más difícil de la ciencia.

Esa luz del Big Bang que ahora puede verse en una esfera que rodea la Tierra está en forma de ondas muy cortas, microondas, y es una mezcla de luz y calor residual, extremadamente débil, aunque suficiente para insinuar ideas poderosas.

Es como “una capa uniforme con una temperatura casi constante de aproximadamente 3 grados por encima del cero absoluto (−273.15 °C)”, le explicó a la BBC el astrofísico teórico Dave Spergel.

Lo interesante está en el “casi”.

“Las pequeñas variaciones son a un nivel de 100 milésimas de grado de un lugar a otro”.

Eso es lo que midieron, pues “cuando miramos el fondo de microondas, aprendemos sobre la geometría del universo“, señaló quien es conocido por su trabajo con la sonda WMAP de la NASA, lanzada en 2001 con la misión de estudiar el cielo y medir esas diferencias de temperatura.

Fue uno de varios estudios que han ayudado a determinar la forma del universo.

Pero, ¿cómo pueden las observaciones de partículas de luz del Big Bang ayudar a astrofísicos como Carlos Frank de la Universidad de Durham a decidir qué forma tiene?

“Esa es la belleza de la ciencia. Podemos hacer inferencias muy, muy trascendentales basadas en datos muy detallados.

“Esas partículas de luz se han ido propagando a lo largo de miles de millones de años hasta llegar a nuestros telescopios, y siguiendo cualquier curvatura que pudiera estar presente”.

Dependiendo de cómo llegan, se sabe cómo fue su viaje.

¿Y?

Imagina esas microondas cósmicas como dos rayos de luz.

En un universo plano, siempre permanecerán paralelos.

En un universo esférico, viajarán a lo largo de la curvatura del espacio y finalmente se encontrarán.

En un universo hiperbólico, los rayos nunca se cruzaran y se iran separando cada vez más.

Y resulta que permanecen paralelos.

La primera vez que la forma y el destino del cosmos se inferieron con confianza a partir de las observaciones fue en el año 2000, cuando un equipo internacional de astrónomos de Italia, Reino Unido, EE.UU., Canadá y Francia conocidos como la colaboración Boomerang, publicaron los resultados de su estudio.

“Creo que este es el momento que vamos a recordar en los libros de texto en el que dijimos que nuestro universo es plano, que no vamos a terminar en un gran colapso, que no tenemos una cantidad limitada de tiempo, que se expandirá para siempre”, dijeron.

Esos resultados fueron luegos confirmados con datos recopilados por la sonda WMAP de NASA, por la nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea y mediciones realizadas con el Telescopio de Cosmología de Atacama.

La evidencia de la planitud del universo también aparece en estudios de lo que se conoce como densidad crítica, que indican que está justo por debajo de ella, lo que significa que es plano y se expandirá indefinidamente.

Y una forma más de encontrar pruebas es por la línea de lo isotrópico: si es plano, se ve igual desde todos los ángulos. La investigación encontró, con un margen de precisión del 0,2%, que sí.

Con todo y eso, no podemos descartar la posibilidad de que vivamos en un mundo esférico o hiperbólico.

Aunque se estén tomando todas las medidas, siempre queda la posibilidad de que que nos esté pasando lo que durante siglos con la Tierra: en las escalas que se podía observar, su curvatura era demasiado minúscula para detectarla, por lo que se creyó que era plana.

Cuanto más grande es una esfera o una silla de montar, más plana cada pequeña parte de ella.

Así que sigue siendo posible que, dado que el universo es extremadamente enorme, la parte que podemos observar pueda estar tan cerca de ser plana que su curvatura sólo puede detectarse mediante instrumentos súper precisos que aún no hemos inventado.

Sin embargo, por el momento, todo parece indicar que el cosmos es plano, está en expansión y es infinito.

Lo encantador en este mundo es que a menudo las respuestas generan más preguntas… ¿cómo puede expandirse si es infinito? y ¿cómo puede ser infinito si tuvo un principio?

Ahí lo dejamos, no sea que nos quedemos sin nada en qué pensar.

El fin del mundo es un tema que se ha debatido constantemente, no solo en determinar cómo se llevará a cabo el fin de la raza humana, sino en cuándo ocurrirá y si estamos más cerca o más lejos de ese momento.

Varios estudios científicos y cosmología ancestral de antiguas civilizaciones como los mayas han tratado de analizar el momento en que se llevará a cabo el fin del mundo, algunos han fallado como el caso en donde se vaticinó el fin de los tiempos en el año 2012 y 2000.

Sin embargo, un estudio reciente de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos y que fue publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences asegura que el fin del mundo está mucho más cerca de los que se imagina.

Dicho estudio hace hincapié a la expansión del universo debido a la teoría de la explosión del Big Bang y los expertos estiman que el fin de esta “expansión” supondría el fin del mundo.

De acuerdo con la Universidad de Princeton, la expansión terminaría en 65 millones de años y aunque puede parecer mucho tiempo, los expertos aseguran que es un lapso de tiempo “sorprendentemente corto” con relación a la duración del propio universo.

Paul Steinhardt, coautor de esa teoría y director del Centro de Ciencias Teóricas en la Universidad de Princeton afirmó que es una conclusión bastante lógica. “este nuevo escenario concuerda naturalmente con las teorías recientes de la cosmología cíclica y las conjeturas sobre la gravedad cuántica“, afirma.

Otro de los cuestionamientos es acerca del cómo se llevará a cabo el fin del mundo, y aunque se tenga la popular teoría de que se tratará de un evento visualmente espectacular, los expertos aseguran que se tratará más de una especie de “apagón progresivo y pausado”.

Por ejemplo, El físico Matt Caplan de la Universidad de Illinois afirmó que este “apagón” se llevará a cabo debido a los desechos estelares que producen las estrellas denominadas “enanas negras”.

Esto provocará que las estrellas poco a poco desaparecerán, las galaxias empezarán a oscurecerse e incluso los astros más peligrosos como los agujeros negros perderán fuerza y comenzarán a evaporarse.

“Si realmente sucede, este espectáculo no podrá tener espectadores de todos modos. Ya que el efecto de la expansión del universo, las galaxias y los remanentes de las estrellas estarán tan separados que estas explosiones ocurrirán en total soledad” afirma Caplan.

Edgar Allan Poe (EE.UU., 1809-1849) fue muchas cosas: padre de la novela detectivesca, maestro del relato corto y del terror, el primer estaodunidense que trató de vivir de ser escritor y que, sorprendentemente, lo logró, periodista, alcohólico, pensador.

Pero hay algo por lo que Poe sentía fascinación desde pequeño, la ciencia. Y, mente inquieta al fin, se dedicó a especular sobre el cosmos y el origen de las cosas.

Así, escribió una obra donde anticipó algunas de las teorías modernas de la cosmología, entre ellas, el Big Bang.

La obra se titula como la famosa expresión que se atribuye a Arquímedes, “Eureka”.

Un universo dinámico y en evolución

Publicado en 1848, justo un año antes de morir, es un “poema en prosa”, una suerte de ensayo cosmogónico. Está dedicado “con un profundo respeto” a Alexander von Humboldt (1769-1859), explorador, astrónomo y confundador de la geografía como ciencia empírica. Es precisamente su obra la que despierta la imaginación de Poe y lo elogia en sus intentos por describir el universo.

Cuando se publica el libro, el acuerdo común entre los físicos era que el universo era estático, infinito, mecánico y eterno. Contraponiendo estas convenciones, Poe presenta en su ensayo un universo dinámico, en constante evolución.

Pero, ¿qué fue lo que anticipó en Eureka que, incluso hoy, llama la atención de físicos y astrónomos?:

Ya en la introducción de “Eureka”, Poe previene de sus ambiciosos objetivos:

Me propongo hablar de lo Físico, Metafísico y Matemático —del Universo Material y Espiritual— de su Esencia, de su Origen, de su Creación, de su Actual Condición y de su Destino.

1. El Big Bang

Este modelo afirma que, en el origen, el universo era una materia muy concentrada y con una temperatura muy alta. Tras una explosión, se expandió y de ahí, debido a la gravedad, se formaron las estrellas y galaxias.

La teoría del Big Bang empieza a gestarse a comienzos del siglo XX de la mano del físico y clérigo belga Georges Lemaître y la desarrolla finalmente el físico ucraniano (aunque nacido bajo el imperio ruso y luego nacionalizado estadounidense) George Gamow en 1948.

Cuando Poe escribe “Eureka”, la visión del universo es uno estático, mecánico y finito. Él lo plantea como lo contrario: diverso, infinito y lleno de estrellas, hechas de átomos variados. ¿De dónde salía esta variedad? Así lo describe:

Mi proposición general, entonces, es esta: En la Unidad Original de la Primera Cosa reside la Causa Secundaria de Todas las Cosas, con el Germen de su Inevitable Aniquilación.

Es decir, una partícula inicial, densa, que se divide y se expande por el universo. Una descripción que anticipa, con 100 años de diferencia, el postulado que finalmente hizo Gamow.

2. La Gran Implosión (Big Crunch) y el modelo del universo oscilante

La cosa no queda ahí, pues luego sugiere que la fuerza de la gravedad hará que todo el universo se contraiga y colapse sobre sí mismo en una nueva partícula primordial.

Esto, la contracción del universo sobre sí mismo que generaría un estado similar al que se encontraba la materia antes del Big Bang, es el enunciado que, en ya en el siglo XXI, se ha hecho con la teoría del Big Crunch o la Gran Implosión.

Además, plantea que el cosmos podría estar en un ciclo constante de expansión (Big Bang) y contracción (Big Crunch) y anticipa lo que hoy se conoce como la teoría del universo oscilante.

3. La paradoja de Olbers o “Por qué el cielo es oscuro”

La paradoja de Olbers fue un problema que puso sobre la mesa el astrónomo alemán Heinrich Olbers en 1823. En ella se afirma que, si el universo es infinito y las estrellas también, al mirar al cielo de noche debería verse completamente brillante. Entonces, ¿por qué el cuelo está oscuro?

El físico Paul Halpern (Estados Unidos, 1961), profesor de Físicas en la Universidad de Filadelfia, ha escrito varios artículos en los que desgrana el texto de Poe, en la revista Aeaon y en Medium. El profesor donde destaca que “uno de los grandes triunfos de Eureka es la inteligente solución de Poe a este desconcertante enigma científico”.

Así dice Poe al respecto:

Si la sucesión de estrellas fuera interminable, entonces el fondo del cielo nos presentaría una luminosidad uniforme, como la que muestra la Galaxia, ya que no podría haber ningún sentido en todo ese fondo, en el que no existiría una estrella.

Por lo tanto, el único modo en que, bajo tal estado de cosas, podríamos comprender los vacíos que nuestros telescopios encuentran en innumerables direcciones, sería suponiendo que la distancia del fondo invisible es tan inmensa que ningún rayo proveniente de él ha sido capaz aún de de llegar a nosotros.

Poe fue el primero en sugerir que nos es imposible alcanzar a ver todo el universo, que no siempre ha estado ahí y que la luz de las estrellas puede tardar varios varios años (millones de años, en realidad) en llegar a nosotros.

En 1987, el astrónomo Edward Harrison reconoce este logro de Poe en su libro “Oscuridad en la noche: un enigma del universo”.

4. Teoría de la relatividad, multiunivesos y agujeros negros

En otras secciones del libro, Poe toca la idea de que “el espacio y la duración son uno”, que algunos ven como una predicción del “espacio-tiempo” relativista y reflexiona sobre la intercambiabilidad de la materia y la energía. Hablar de esto, en concreto nos lleva a pensar a Albert Einstein, quien formuló su teoría de la relatividad en 1915.

Hacia el final de “Eureka” sugiere que nuestro universo podría ser uno de los muchos que existen en un plano infinito, una de las primeras referencias a otros universos.

No es en Eureka, pero sí en un cuento anterior, “Un descenso a Maelstrom”, donde Poe describe un torbellino, un vórtice mortal donde los objetos son arrastrados sin dejar huella. Aunque Poe lo sitúa en el oceáno, sin duda, esta capacidad de aniquilación total es de las más características de los agujeros negros de las astrofísica.

Denostado, amado, censurado

Para Poe, “Eureka” era su obra culmen. Se dice que estaba tan entusiasmado con ella que pidió a su editor que se imprimieran miles de copias. No le hizo mucho caso y se lanzó una primera edición de apenas 500.

La crítica fue voraz con un Poe ya bastante enfermo y afectado por la muerte de su esposa. En Estados Unidos el libro pasó sin pena ni gloria hasta finales del siglo XX. Incluso, a día de hoy, buena parte de los biógrafos de Poe y académicos versados en su obra la ven como una obra menor.

En Europa tuvo un poquito más de suerte. Llegó con las traducciones del poeta francés Charles Baudelaire y allí sí resonaron algo más sus ideas, sobre todo entre filósofos, y se consideró una obra maestra, visionaria. Tan visionaria que en la Rusia zarista, en 1871, se prohibió.

La idea de que Poe, en los últimos años de vida, alcoholizado, angustiado por la muerte de su esposa apenas unos años antes, enfermo mental, escribió esta obra como fruto de sus delirios, se mantuvo en el tiempo.

Contribuyó en buena parte a esta idea el que Marie Bonaparte, sobrina-nieta de Napoléon I y discípula de Sigmund Freud, escribiera una biografía donde psicoanaliza al autor estadounidese basándose en “Eureka” y en el resto de sus obras. En el prólogo, escrito por Freud, trata a Poe como un caso patológico, algo que también dijo en su día Albert Einstein.

¿Es “Eureka” una obra hecha con rigor científico o es literatura de la mano de un loco?

El astrónomo Alberto Cappi (Italia, 1962), quien actualmente trabaja en el Observatorio Astronómico de Bolonia, ha hecho varias publicaciones donde habla de Poe, “Eureka” y su relación con la cosmología.

Según su visión sobre la obra: “No es una chifladura ni una teoría científica. Nos ofrece una fascinante visión del Universo por parte de una mente imaginativa, que utilizando la ciencia de su tiempo pudo concebir la cosmología más revolucionaria del siglo XIX.”

Sea como fuere, “Eureka” es el último aliento creativo de Edgar Allan Poe. Tanto que el esfuerzo le dejó agotado. Así lo contaba en una carta a María Clemm, su tía y, posteriormente, suegra:

Mi querida, querida Madre,

He estado tan enfermo. He tenido cólera y espasmos tan graves que ahora apenas puedo sostener la pluma. (…)

No tengo ganas de vivir desde que hice Eureka. No pude lograr nada más.

Nunca estuve realmente loco, excepto en ocasiones en las que mi corazón ha estado conmovido (…)

La carta la firmó el 7 de julio de 1849. Exactamente 3 meses después, Edgar Allan Poe fallecía por causas que aún no están claras.

Si te preguntan cuál fue el principio del universo, el Big Bang es la primera respuesta que seguro te viene a la mente.

Hay científicos, sin embargo, que cuestionan que ese haya sido el comienzo.

Ahora un joven investigador va más allá y afirma que quizás ni siquiera hubo un comienzo.

Se trata de Bruno Bento, investigador del Departamento de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Liverpool, en Reino Unido.

Bento es coautor de un artículo académico titulado “Si el tiempo no tuviera un comienzo”, que aún está bajo revisión por parte de otros expertos.

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Su teoría difiere del concepto tradicional que tenemos sobre el paso del tiempo, plantea un pasado infinito y ve al Big Bang como un evento más en un cosmos que siempre ha existido.

¿En qué consiste la propuesta de Bento y cómo desafía lo que sabemos sobre la evolución del universo?

Más allá de la singularidad

La física moderna tiene dos teorías que nos ayudan a explicar el universo.

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Por un lado está la mecánica cuántica, que describe las interacciones y partículas subatómicas.

Y por el otro lado está la relatividad general, que funciona muy bien para explicar la gravedad que rige lo que ocurre en el mundo macroscópico.

La teoría de la relatividad general nos lleva hasta 13.800 millones de años atrás, a los instantes inmediatamente posteriores al Big Bang, cuando todo existía a escalas diminutas.

Esa teoría de Einstein, sin embargo, se queda corta al momento de explicar qué pasó en el momento mismo del Big Bang, o qué pasó antes.

A eso es lo que los expertos llaman la “singularidad”, es decir, el punto en el que la teoría de la relatividad ya no sirve para explicar lo que está ocurriendo.

En esa singularidad, la materia está tan comprimida que la gravedad se vuelve tremendamente fuerte a escalas subatómicas.

Entonces, lo que se necesitaría para explicar lo que ocurrió durante y antes de esa singularidad es una teoría que unifique la mecánica cuántica y la relatividad general.

A esto es lo que los expertos llaman una teoría cuántica de la gravedad, en la que la gravedad se pueda explicar a nivel cuántico y ayude a describir lo que ocurre a esas escalas.

Y aquí es donde entra en juego la propuesta de Bento.

Átomos de espacio-tiempo

En su artículo, Bento recurre a la teoría de los conjuntos causales, un enfoque de la gravedad cuántica que sostiene que el espacio-tiempo está formado por unos bloques de construcción, “átomos de espacio-tiempo”, que van formando elementos.

De esa manera, la teoría de conjuntos causales resuelve el problema de la singularidad, porque según su visión no puede haber nada más pequeño que un átomo de espacio-tiempo.

“Según la teoría de conjuntos causales, lo que sentimos como el paso del tiempo corresponde al nacimiento de nuevos elementos del conjunto causal”, le dice Bento a BBC Mundo.

“Lo que llamamos ‘ahora’ es el nacimiento de un nuevo elemento”.

No tenemos un comienzo

El trabajo de Bento parte de esa idea para proponer que los conjuntos causales se han ido formando infinitamente, por lo cual el Big Bang no sería el comienzo del universo.

Para Bento siempre hay algo antes, es decir, los conjuntos causales serían infinitos en el pasado y el Big Bang sería solo un momento particular en la evolución del universo.

“Nuestro trabajo dice que si los conjuntos causales son la respuesta, nosotros no tenemos necesariamente un comienzo”, dice Bento.

El reto que Bento propone es desprenderse de la idea de “secuencia” en la que un elemento da lugar otro.

En vez de eso, sugiere pensar en un “devenir asincrónico” en que los elementos nacen de forma parcial y no total.

En su artículo, el investigador reconoce que esta idea del “devenir asincrónico” suena como un “acertijo fantasioso” y que es “necesario un nuevo tipo de matemáticas para entender el “devenir asincrónico” y sus consecuencias en la naturaleza del tiempo”.

El trabajo de Bento “ofrece los primeros pasos para establecer una comprensión matemática del Big Bang y su posible prehistoria”, según le dice a BBC Mundo el astrofísico Niayesh Afshordi, investigador en el Instituto Perímetro de Física Teórica en Canadá, quien no estuvo involucrado en este trabajo.

Bento espera que en futuros experimentos se puedan probar las consecuencias de modelos como los que él propone.

Por ejemplo, el universo parece expandirse un 10% más rápido de lo que debería, según las observaciones del calor remanente del Big Bang.

Es perfectamente posible que las contradicciones desaparezcan a medida que mejoren nuestras estimaciones de los parámetros cósmicos.

Pero también es posible que estas contradicciones no desaparezcan y que nuestra imagen fundamental del universo esté a punto de sufrir una revisión radical, quizás para incluir componentes invisibles y “oscuros”.

Materia oscura, energía oscura e inflación

La cosmología es la ciencia suprema.

Estudia aspectos como el nacimiento, la evolución y el destino del universo.

El modelo estándar de la cosmología es la teoría que describe la naturaleza, la estructura y evolución a gran escala del universo.

Este modelo tiene varios ingredientes: el Big Bang, la materia oscura, la energía oscura y la inflación.

Primero, hablemos del Big Bang.

Por un lado, los astrónomos pueden ver que las galaxias, que son los bloques básicos del universo, se están alejando unas de otras como consecuencia de una explosión titánica.

Además, también han observado que el universo está impregnado por un calor remanente, al que se conoce como la radiación cósmica de fondo.

Juntas, estas dos observaciones les dicen a los astrónomos que en el pasado el universo era más pequeño y más caliente.

De hecho, de acuerdo con el modelo estándar, el universo nació de una bola ardiente hace 13.820 millones de años, y se ha estado expandiendo desde entonces.

Según esa explicación, las galaxias comenzaron a solidificarse a partir de los escombros que se fueron enfriando.

Pero la imagen básica del Big Bang requiere algunos ingredientes adicionales, porque entra en conflicto con las observaciones.

La primera y, más seria contradicción, es que el Big Bang predice que no deberíamos existir.

De acuerdo con la teoría del Big Bang, cuando la materia emergió de la gran explosión, se fue esparciendo de manera extremadamente suave.

A partir de entonces, las regiones más densas atrajeron materia más rápidamente gracias a su gravedad más fuerte.

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El resultado fueron las galaxias que vemos hoy.

El problema es que con este proceso habría tomado más de 13.820 millones de años ensamblar galaxias tan masivas como nuestra Vía Láctea.

Para resolver este problema, los cosmólogos añaden el ingrediente de la invisible materia oscura, cuya gravedad adicional aceleró la formación de galaxias.

La segunda forma en que el Big Bang entra en conflicto con las observaciones es que predice que la expansión cósmica debería volverse la más lenta.

La gravedad actúa como una red elástica entre las galaxias, frenando la separación entre ellas.

En 1998, sin embargo, los astrónomos descubrieron que, contrario a lo que se esperaba, la expansión se está acelerando.

La solución a este problema es añadir el concepto de la energía oscura, algo que es invisible, llena todo el espacio y tiene una gravedad repulsiva.

Es la energía oscura la que está acelerando la expansión cósmica.

La tercera forma en que la imagen del Big Bang entra en conflicto con las observaciones es que el universo tiene la misma temperatura en todas partes: la temperatura de la radiación cósmica de fondo, que equivale a 2.726 ºK (el cero absoluto es 0 ºK).

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Al principio del Big Bang, las regiones que hoy se encuentran en lados opuestos del espacio estaban demasiado alejadas para igualar sus temperaturas.

Para resolver esta incongruencia, los cosmólogos sostienen que, al principio, el universo era mucho más pequeño de lo esperado. Por lo tanto, debe haberse expandido más rápido para alcanzar su tamaño actual en 13.820 millones de años.

De hecho, se cree que el universo, en su primera fracción de segundo, experimentó una expansión tan violenta que se le ha comparado con la explosión de una bomba de hidrógeno. A este fenómeno se le llama inflación.

Entonces, el modelo estándar de cosmología equivale a sumar el Big Bang + inflación + materia oscura + energía oscura.

Técnicamente, se conoce con el nombre de “Lambda-CDM”.

En este término el Big Bang y la inflación se asumen implícitamente. Lambda se refiere a la energía oscura y CDM corresponde a las siglas en inglés de “fría materia oscura”.

“Fría” significa que sus componentes se mueven lentamente para que la gravedad pueda concentrarlos en cúmulos.

Algo anda mal con la fría materia oscura

La primera forma en que Lambda-CDM entra en conflicto con las observaciones tiene que ver con los grupos de galaxias.

Según este modelo, la gravedad hará que la materia oscura se agrupe en halos.

Esos halos de materia oscura pueden tener subgrupos, conocidos como “subhalos”.

Estos “subhalos” pueden tener muchas estrellas, pero algunos subhalos pueden no tener estrellas, o tan pocas estrellas que son invisibles. Sin embargo, hay una forma de revelarlas.

Un equipo dirigido por el doctor Massimo Meneghetti, del Instituto Nacional de Astrofísica en Bolonia, Italia, observó 11 cúmulos de galaxias con el telescopio espacial Hubble y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile.

Examinaron la luz de galaxias distantes y cómo esta se distorsionada debido a que pasaba a través de los subhalos invisibles.

A este fenómeno se le conoce como “lente gravitacional”.

Para sorpresa del equipo, el efecto de lente creado por los subhalos fue mucho más fuerte de lo esperado, lo que indica que son muy compactos.

Esto entra en conflicto con el modelo de la fría materia oscura, que sostiene que los subhalos deberían estar mucho más dilatados.

“Necesitamos saber si esta anomalía puede ser causada por la forma en que analizamos nuestros datos o por la forma en que hacemos nuestras predicciones teóricas”, dice Meneghetti. “Si no logramos explicarlo, la única opción será revisar el modelo”.

Una posibilidad es que la materia oscura no esté hecha de lo que creemos que está hecha.

Los candidatos preferidos son partículas masivas que interactúan débilmente con la materia ordinaria solo a través de la gravedad.

Estas partículas masivas de interacción débil, o WIMP, no forman parte del modelo estándar de física de partículas, pero son predichas por una teoría especulativa llamada “supersimetría”.

“Quizás la materia oscura esté formada por partículas que interactúan de diferentes formas con los WIMPS”, dice Meneghetti.

“Las posibles alternativas incluyen un nuevo tipo de neutrino llamado ‘neutrino estéril’, otra clase de partículas llamadas ‘axiones’, o incluso agujeros negros primordiales, formados justo después del Big Bang”.

La suavidad de la materia

El segundo conflicto entre Lambda-CDM y las observaciones se refiere a la aglomeración de la materia a gran escala.

Un equipo dirigido por el profesor Koen Kuijken en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos, analizó la distribución de 31 millones de galaxias extremadamente débiles en la última publicación de datos de la Encuesta europea de kilogrados (KiDS).

La colaboración KiDS utilizó el telescopio de exploración del Very Large Telescope en Chile para observar dos grandes franjas del cielo.

Específicamente, el equipo de Kuijken observó cómo la luz de estas galaxias era reflejada gravitacionalmente por la materia entre ellas y la Tierra.

La observación notó que la materia se extendió un 8,3% de manera menos brusca de lo predicho por el modelo de fría materia oscura.

Una vez más, esta anomalía podría desaparecer con un mejor análisis de los datos, o una modificación del modelo de la materia oscura fría.

O podría estar diciéndonos que el modelo es básicamente incorrecto.

Midiendo la constante de Hubble

Al tercer conflicto entre Lambda-CDM y las observaciones se le conoce como la “tensión de Hubble”.

El término se refiere a la constante de Hubble, una medida de la tasa de expansión actual del universo. Hay dos formas de medirla y se contradicen entre sí.

Una forma es observar variaciones sutiles en la temperatura de la radiación cósmica de fondo. Estas variaciones quedaron impresas en la radiación por el “fluido” de la materia y la radiación al comienzo del tiempo.

Estas observaciones permiten conocer parámetros cosmológicos clave.

El satélite europeo Planck, por ejemplo, descubrió que el universo es un 4,9% de materia ordinaria (atómica), un 26,8% de materia oscura y un 68,3% de energía oscura.

Estas observaciones también revelan la constante de Hubble en el universo temprano y esto puede extrapolarse al tiempo presente. Y aquí radica el problema: el valor extrapolado es aproximadamente un 10% más pequeño que la constante de Hubble que se observa hoy.

Un punto a tener en cuenta es que la constante de Hubble deducida de la radiación cósmica de fondo es muy precisa, porque la física es simple y bien entendida.

En cambio, las mediciones de la constante de Hubble en el universo actual son más crudas y están plagadas de problemas.

Tales medidas implican encontrar objetos que se cree que siempre tienen la misma luminosidad intrínseca, como las variables cefeidas y las supernovas de tipo 1a.

Al igual que las bombillas estándar de 100 W colocadas en un campo a la medianoche, estas “velas estándar” revelan su distancia relativa con base en qué tan tenues sean.

El problema es que la física de tales estrellas no se comprende bien y puede que no sean tan estándar como esperamos.

Entonces, podría ser que estas mediciones de la distancia de las velas estándar sean erróneas, y eventualmente produzcan una constante de Hubble en línea con la de la radiación cósmica de fondo.

Algo completamente nuevo

Por otro lado, podría ser que la naturaleza nos esté diciendo algo nuevo sobre el universo.

“El ‘modelo estándar de cosmología’ es una admisión de la ignorancia”, dice el profesor Abraham Loeb, de la Universidad de Harvard.

“Llamamos ‘materia oscura’ y ‘energía oscura’ a componentes cuya naturaleza no conocemos. Como no sabemos cuáles son, es un modelo muy burdo que fácilmente podría ser una simplificación excesiva de la realidad”.

Loeb señala que la materia oscura podría no ser un fluido de un tipo de partícula de materia oscura.

“Puede que no haya una sola partícula de materia oscura, sino más bien una mezcla de partículas de diferentes masas e interacciones”, dice.

La materia oscura podría ser compleja, al igual que la materia ordinaria, que se compone de quarks y electrones que se ensamblan en 92 elementos naturales.

Además, las partículas de materia oscura pueden comportarse de formas complejas. Por ejemplo, podrían decaer con el tiempo, reduciendo su atracción gravitacional y, por lo tanto, quitando los frenos de la expansión cósmica.

Tal impulso a la tasa de expansión cósmica aliviaría la tensión del Hubble.

Una forma posible de confirmar o refutar la tensión del Hubble es con “sirenas estándar”, en lugar de velas estándar.

Las ondas gravitacionales son vibraciones del espacio-tiempo similares a las ondas sonoras y se cree que la fusión de estrellas de neutrones crea sirenas estándar, como las sirenas de los faros. Cuanto más bajo sea el sonido, más lejos estará la sirena.

“Las fuentes de ondas gravitacionales ofrecen el método más sólido para resolver las incertidumbres que tenemos actualmente”, dice Loeb.

La esperanza es que tales técnicas muestren si las contradicciones actuales entre las diferentes observaciones son reales.

El modelo estándar de cosmología es relativamente simple, a pesar de sus múltiples componentes invisibles. Pero su simplicidad puede cegarnos a la realidad, que puede ser más compleja.

“La naturaleza”, advierte Loeb, “no tiene la obligación de cumplir con la versión más simple”.

La enorme cantidad de energía pudo haber sido emanada por un agujero negro supermasivo ubicado a unos 390 millones de años luz de la Tierra.

Una de las conclusiones del informe, publicado esta semana en The Astrophysical Journal, es que la erupción creó una cavidad gigante en el cúmulo de galaxias —la estructura más grande del universo unida por la gravedad— de Ofiuco .

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“He tratado de describir la explosión en términos humanos y es muy, muy difícil”, le dijo a la BBC Melanie Johnston-Hollitt, una de las responsables del hallazgo.

“La mejor manera que se me ocurre es decir que sería como si se desencadenaran 20 billones de explosiones de un billón de megatoneladas de TNT cada milésima de segundo durante 240 millones de años. Eso es tan grande que es imposible de entender. Enorme“, añadió.

Enorme cantidad de energía

Durante años los científicos pensaron que había algo extraño en el cúmulo de galaxias de Ofiuco, que es una congregación gigante que contiene miles de galaxias entremezcladas con gas caliente y materia oscura.

Los telescopios de rayos X de EE.UU. y Europa le habían visto un curioso borde curvado.

Se especuló con que podía tratarse de la pared de una cavidad generada por las emisiones de un gigantesco agujero negro en una de las galaxias centrales.

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Los agujeros negros son famosos por ingerir materia —cualquier gas e incluso estrellas que se les acercan demasiado—, pero, a la vez, son capaces de expulsar cantidades prodigiosas de material y energía.

Al principio, los científicos dudaron de la explicación del agujero negro porque la cavidad que hallaron dentro de la galaxia era muy grande. Esto implicaba que la emisión de energía debió tener una dimensión casi impensable.

Sin embargo, los telescopios de baja frecuencia ubicados en los centros de investigación Murchison Widefield Array (MWA), en Australia, y el Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), de India, ayudaron a confirmar dicha teoría.

“Este objeto fue anteriormente observado por otro equipo con el telescopio de rayos X Chandra. Ellos vieron esta burbuja en el centro de ese cúmulo de galaxias y dijeron: ‘Bueno, esto no puede deberse a una de esas emisiones energéticas, porque debió haber sido enorme; la escala sería inconcebible’. Entonces, descartaron esa posibilidad”, señaló Johnston-Hollitt, quien dirige el MWA.

“Pero volvimos y lo observamos con radiotelescopios de baja frecuencia y descubrimos que esta cavidad está llena de radioplasma”, señaló.

La cantidad de energía que se necesitó para crear esta cavidad dentro del cúmulo de galaxias excede -por mucho- el récord anteriormente registrado, ocurrida en otro cúmulo de galaxias conocido como MS 0735+74.

“De alguna manera, es como cuando la erupción del Santa Helena (un volcán del estado de Washington, en Estados Unidos) dejó a la montaña sin cima”, explicó Simona Giacintucci, del Laboratorio de Investigación Naval en Washington, DC, y autora principal del estudio.

Comenzó con el Big Bang hace 13 mil 800 millones de años, cuando el Universo era pequeño, cálido y denso.

Luego, en una microfracción de segundo, ese universo se expandió mil millones de veces a través de un proceso llamado “inflación cósmica”.

Después vino “la salida elegante”, cuando la inflación se detuvo. El universo continuó expandiéndose y enfriándose, pero a una fracción del ritmo inicial. Durante los siguientes 380.000 años, el universo fue tan denso que ni siquiera la luz podía moverse a través de él: el cosmos era un plasma opaco y supercaliente de partículas dispersas.

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La radiación estalló en todas las direcciones y el universo estaba en camino de convertirse en lo que vemos hoy, con vastas franjas de espacio vacío salpicadas por grupos de partículas, polvo, estrellas, agujeros negros, galaxias, radiación y otras formas de materia y energía.

Con el tiempo, estos cúmulos de materia se separarán tanto que desaparecerán lentamente, según teorizan algunos modelos. El universo se convertirá en una sopa fría y uniforme de fotones aislados.

Pero, ¿y si el Big Bang no fuera realmente el comienzo de todo?

Quizás el Big Bang fue más bien un “gran rebote”, un punto de inflexión en un ciclo continuo de contracción y expansión. O podría ser quizás un punto de reflexión, con una imagen de nuestro universo expandiéndose hacia un “otro lado”, donde la antimateria reemplaza la materia y el tiempo fluye hacia atrás.

O bien, el Big Bang podría ser un punto de transición en un universo que siempre ha estado y siempre estará expandiéndose.

Todas estas teorías se encuentran fuera de la cosmología convencional, pero todas cuentan con el apoyo de influyentes científicos.

“Tengo que confesar que nunca me gustó la inflación”, dice Neil Turok , exdirector del Instituto Perimetral de Física Teórica en Waterloo, Canadá.

“El paradigma inflacionario ha fracasado“, agrega Paul Steinhardt, profesor de ciencias de Albert Einstein en la Universidad de Princeton, quien propone un modelo de “Gran Rebote”.

“Siempre consideré la inflación como una teoría muy artificial“, dice Roger Penrose, profesor emérito de matemáticas en la Universidad de Oxford.

El Fondo Cósmico de Microondas

Desde que se observó por primera vez en 1965, el Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés), una débil radiación remanente del Big Bang, ha sido un factor fundamental en todos los modelos del universo.

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El CMB es una fuente importante de información sobre cómo se veía el universo en sus primeras etapas. También es un misterio para los físicos.

Sin importar en qué dirección los científicos apunten sus radiotelescopios, el CMB se ve siempre igual, incluso en regiones que aparentemente nunca podrían haber interactuado entre sí en ningún momento de la historia del universo.

“La temperatura CMB es la misma en lados opuestos del cielo y esas partes del cielo nunca habrían estado en contacto”, dice Katie Mack, cosmóloga de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

“Algo tuvo que haber conectado esas dos regiones del universo en el pasado”.

Ante la ausencia de un mecanismo que iguale la temperatura a través del universo observable, los científicos esperarían ver variaciones mucho más grandes en diferentes regiones.

La inflación ofrece una manera de resolver este llamado “problema de homogeneidad”.

Esta teoría sostiene que el universo se expandió tan rápidamente que casi todo terminó mucho más allá de la región que podemos observar. Eso quiere decir que dentro de nuestro universo observable el CMB se mantiene uniforme, pero en otras regiones más lejanas podría verse muy diferente.

“Yo enseño la inflación en mis clases”, dice Mack. “Pero siempre digo que no sabemos con certeza si esto sucedió. En todo caso, parece ajustarse bastante bien a los datos, y es lo que la mayoría de la gente diría que es la teoría más probable“.

Pero siempre ha habido deficiencias con esta teoría. En particular, no existe un mecanismo definitivo para desencadenar la expansión inflacionaria.

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Una idea presentada por los defensores de la inflación es que las partículas teóricas formaron algo llamado “campo de inflación”, que impulsó la inflación y luego se descompuso en las partículas que vemos a nuestro alrededor hoy.

Pero incluso con ajustes como este, la inflación hace predicciones que, al menos hasta ahora, no han sido confirmadas.

La teoría dice que el espacio-tiempo debería ser deformado por ondas gravitacionales que rebotaron en todo el universo con el Big Bang. Pero aunque se han detectado ciertos tipos de ondas gravitacionales, aún no se ha encontrado que ninguna de estas ondas primarias apoye la teoría.

El Gran Rebote

El problema de la teoría del Big Bang puede estar relacionado con la idea de que hubo un comienzo para el espacio y el tiempo.

La teoría del “Gran Rebote” concuerda con la imagen del Big Bang de un universo caliente y denso hace 13.800 millones de años que comenzó a expandirse y enfriarse. Pero en lugar de ser el comienzo del espacio y el tiempo, el Gran Rebote sostiene que este fue un momento de transición desde una fase anterior durante la cual el espacio se contraía.

Con un rebote en lugar de una explosión, dice Steinhardt, las partes distantes del cosmos tendrían mucho tiempo para interactuar entre sí y para formar un único universo en el que las fuentes de radiación CMB hubieran tenido la oportunidad de igualarse.

De hecho, es posible que el tiempo haya existido por siempre.

Steinhardt sostiene que si ocurrió un Gran Rebote en el pasado, pudieron haber ocurrido varios de ellos y que ocurrirían más en el futuro.

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“Nuestro universo en expansión podría comenzar a contraerse, volver a ese estado denso y comenzar de nuevo el ciclo de rebote”, dice.

Universo Espejo

Neil Turok también ha estado explorando una alternativa más simple a la teoría inflacionaria, el “Universo Espejo”.

Esta teoría predice que otro universo dominado por la antimateria, pero gobernado por las mismas leyes físicas que el nuestro, se está expandiendo al otro lado del Big Bang. Es como una especie de “antiuniverso”.

“Rescato una cosa de las observaciones de los últimos 30 años y es que el universo es increíblemente simple”, dice Turok. “A grandes escalas, no es caótico. No es aleatorio. Es increíblemente ordenado y regular, y se requiere de muy pocos números para describir todo”.

“Cosmología cíclica conformada”

Quizás la alternativa más desafiante al Big Bang y la inflación es la teoría de la “Cosmología cíclica conformada” (CCC) de Roger Penrose.

Al igual que el Gran Rebote, involucra un universo que podría haber existido por siempre. La diferencia es que en la teoría de CCC el universo nunca pasa por un periodo de contracción, solo se expande.

“Mi opinión es que el Big Bang no fue el comienzo”, dice Penrose. “La imagen completa de lo que sabemos hoy en día, toda la historia del universo, es lo que yo llamo un ‘eón’ en una sucesión de eones”.

Un eón es un período equivalente a mil millones de años.

El modelo de Penrose predice que gran parte de la materia en el universo en algún momento será arrastrada hacia agujeros negros ultramasivos.

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A medida que el universo se expande y se enfría hasta casi el cero absoluto, esos agujeros negros se “evaporarán” a través de un fenómeno llamado Radiación de Hawking.

“Hay que pensar en términos de algo así como un año googol, lo que significa un número 1 con 100 ceros”, dice Penrose. “Esa es la cantidad de años -o más- para que los agujeros realmente grandes se evaporen”.

Penrose dice que en este momento el universo comienza a parecerse mucho a su inicio, preparando el escenario para el comienzo de otro eón.

Una de las predicciones de CCC es que podría haber un registro del eón anterior en la radiación de fondo cósmico de microondas que originalmente inspiró el modelo de inflación. Cuando los agujeros negros hipermasivos chocan, el impacto crea una enorme liberación de energía en forma de ondas gravitacionales.

Cuando los agujeros negros gigantes finalmente se evaporan, liberan una gran cantidad de energía en forma de fotones de baja frecuencia. Penrose dice que ambos fenómenos son tan poderosos que pueden “irrumpir al otro lado” de una transición de un eón al siguiente, cada uno dejando su propio tipo de “señal” incrustada en la radiación, como un eco del pasado.

Es poco probable que alguna vez podamos observar directamente lo que sucedió en los primeros momentos después del Big Bang y mucho menos los momentos anteriores.

Pero hay otros fenómenos potencialmente observables, como ondas gravitatorias primordiales, agujeros negros primordiales, neutrinos diestros, que podrían proporcionarnos algunas pistas sobre cuáles de las teorías sobre nuestro universo son correctas.

“A medida que desarrollemos nuevas teorías y nuevos modelos de cosmología, nos darán otras predicciones interesantes“, dice Mack.

Hasta entonces, la historia de nuestro universo, sus comienzos y posible tiene un final, seguirá en discusión.

Puedes leer la versión original de esta historia en inglés en BBC Future.