11- Evolución posexplosiva del universo

11-EVOLUCIÓN POSEXPLOSIVA DEL UNIVERSO-

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                       "El Universo está formado sobre todo por hidrógeno y helio, y no muchas cosas más. Los elementos más pesados  que el helio son los productos del reactor termonuclear primigenio o de posteriores explosiones de supernovas. Las estrellas  son condensaciones accidentales de polvo espacial. Los sistemas solares, a escala cósmica, son muy raros. Los brotes de  vida -sobre todo de vida inteligente introspectiva- son anomalías curiosas. Nosotros mismos no somos más que puros vestigios, somos las migajas de la creación."

John Lenihan

                   El estudio de tantos aspectos diferentes que presenta el universo evolutivo, nos obliga a ir hacia adelante y hacia atrás en el tiempo, con el propósito de retomar el hilo de aquellas cuestiones que nos interesa resaltar convenientemente. Así, ahora retrocedemos de nuevo hasta instantes después de la Gran Explosión, cuando los electrones todavía estaban en estado libre. Los fotones que inundaban de radiación el medio tenían demasiada energía e impedían que los protones pudieran combinarse con los electrones y formar átomos de hidrógeno.

                  Las partículas efervescían agolpadas unas con otras en una región extraordinariamente pequeña, no podían abrirse paso en la maraña de radiación, y los protones y electrones estaban imposibilitados para su aglomeración. La expansión continuada del universo provocó un descenso de la temperatura hasta cien millones de veces la del núcleo solar primitivo. Los fotones disminuyeron su energía por debajo de los 13,6 electrón-voltio, que coincide con el umbral de formación del hidrógeno, y, en consecuencia la materia y la radiación se disociaron. Las fuerzas de la naturaleza adquirieron sus propiedades actuales y las partículas elementales que reciben el nombre de quarks vagaron libremente en un mar de energía. Los electrones dejaron de ser un obstáculo para el movimiento de los fotones. El universo llegó a tener un grado de compacidad considerablemente menor que en los primeros momentos, llegando a alcanzar una dimensión mil veces mayor que al principio del mismo. Toda la materia llenaba una región de aproximadamente un tamaño del sistema solar actual.

                   A partir de entonces, los quarks libres pasaron a estar confinados en neutrones y protones, los cuales, una vez el universo hubo crecido mil veces más, se combinaron y formaron núcleos atómicos. Tan pronto como los protones pudieron sobrevivir, se formó el primer hidrógeno conocido, pues los núcleos de hidrógeno están formados por un único protón. De esta forma, se generaron también la mayor parte del helio y del deuterio que existen hoy en día. Todo ese proceso ocurrió durante aproximadamente el primer minuto y medio de expansión y cuando la temperatura media había ya descendido a unos mil millones de grados Kelvin. Después de ese período fulgurante se produjo una actividad frenética de nucleosíntesis. El deuterio atrapaba los neutrones y protones libres que encontraba a su paso, formando litio y helio. En la fase final de la época, la fusión ya no podía continuar pues el universo estaba demasiado frío. Aún así, se había transformado de forma espectacular. Tres cuartas partes de la masa total se habían convertido en hidrógeno y una pequeña proporción de litio; el resto era helio que se había formado más tardíamente. El universo tenía una densidad igual a la décima parte del agua de mar y estaba formado por electrones libres y núcleos atómicos que se movían independientemente unos de otros. Pero las condiciones todavía eran demasiado calientes para que los núcleos estuvieran en condiciones de poder capturar electrones y asociarse atómicamente.

                   La situación no varió esencialmente durante unos centenares de miles de años y el universo vino a ser unas mil veces menor que ahora, es decir, hasta que los electrones, que anteriormente eran libres, empezaron a combinarse con los protones y provocasen consiguientemente la desaparición de la presión isotrópica sobre las fluctuaciones de densidad. Mientras tanto la temperatura había ido descendiendo hasta los cuatro mil grados Kelvin y los átomos neutros aparecieron en escena de forma abundante. Los electrones se fijaron en órbitas alrededor de los núcleos y aparecieron las primeras nubes de gas aptas para la formación de las primeras protoestrellas. La situación se volvió tan favorable por la captura de las nubes de electrones por los átomos, que el universo se hizo de súbito transparente a la radiación de fondo, que hasta entonces ocupaba las longitudes de onda de la luz visible. La materia, libre de la presión isótropa de radiación comenzó a ser influenciada por la gravedad, que a su vez, propició el surgimiento de las primeras aglomeraciones estructuradas en formas variadas. Las estructuras discoidales, aplanadas e incluso filamentosas se hicieron muy comunes. Irregularidades todas ellas, que acabaron por conformar objetos astronómicos de densidades muy importantes. En la época en que el universo se había expandido hasta constituir un quinto del universo actual, las estrellas habían formado grupos en los que podían reconocerse las galaxias jóvenes. La materia en acreción hizo que esas estructuras aplanadas o alargadas pudieran llegar a entrar en contacto, formando extensas redes cósmicas, con concentraciones de materia cada vez más grandes.

                    Al alcanzar el universo aproximadamente la mitad del tamaño actual, las estrellas habían producido la mayor parte de los elementos pesados que componen los planetas terrestres. Con el paso del tiempo, las reacciones nucleares consumieron los suministros de gas de las galaxias y ya no se generaron tantas (ahora, todavía menos) estrellas como en el pasado. Cuando el tamaño del universo era dos terceras partes del actual, se formó nuestro sistema solar. Hace de eso unos cinco mil millones de años. Dentro de otros quince mil millones de años, quién sabe, probablemente las estrellas del tipo solar sean bastante escasas, el universo muchísimo más grande y disperso y, por supuesto, menos acogedor para los seres humanos, que si siguen existiendo, tendrán que resguardarse en otro planeta, pues el nuestro quizá haya llegado antes a su  fin, calcinado y absorbido por el Sol. Por ahora, como dice James Trefil, "la única diferencia entre el universo y las brasas de la chimenea es que en esta última podemos permanecer delante de las brasas y sentir la radiación, mientras en el primero estamos dentro del cuerpo irradiante; en efecto, estamos en el interior del montón de brasas."

                    En cuanto a la distribución de esas "brasas" tan particulares, hay dos formas posibles de irregularidad según las cuales, la materia podría haberse reunido, permitiendo explicar teóricamente el modo de formación de cúmulos estelares o galaxias. Una de ellas serían las fluctuaciones adiabáticas, en las que no se absorbe ni se transmite calor. En ese supuesto, que era originariamente el de Zeldovich, la relación de densidad de fotones, por un lado, y protones y neutrones, por otro, mantendría el mismo valor en todos los puntos. Es decir, que la materia y la radiación variarían juntas. Ambas, comprimidas simultáneamente, al difundirse y expansionarse destruirían las posibles fluctuaciones más pequeñas que pudieran tener lugar. Las estructuras emergentes serían enormes supercúmulos de masas solares, en forma de discos aplanados, que luego acabarían rompiéndose y formando galaxias de mucho menor tamaño.

                    Otra explicación del fenómeno podría venir de las fluctuaciones isotermas, es decir, las que se producen a la misma temperatura; en ellas sólo la materia estaría comprimida. La radiación no experimentaría deshomogenización alguna, y eso posibilitaría que las estructuras más pequeñas fueran destruidas. Así se favorecería la formación de cúmulos globulares, del orden de 10¹⁴ (diez elevado a catorce masas solares). Las galaxias normales podrían formarse más tarde, en un proceso de reagrupamiento gravitatorio. Esta forma de estructuración galáctica era la preferida por Peebles, que como vemos, era justamente al revés de lo que propugnaba Zeldovich.

                    Pero las cosas no son tan sencillas como parece a primera vista. Hay que destacar que en el modelo adiabático, un examen cuidadoso revela predicciones de la teoría que no están de acuerdo con las observaciones. La masa de las unidades predichas es de diez a cien veces menor que las masas de los supercúmulos observados. Esto nos induce a pensar que las inhomogeneidades de materia y radiación iniciales (antes de la formación de los átomos de hidrógeno) tendrían que haber sido mucho mayores. Sin embargo, las irregularidades deberían traducirse en algún tipo de registro detectable, junto con la radiación cósmica de fondo a 2,7 grados Kelvin contemporánea de la época, cosa que no sucede. Probablemente, para ello deberían considerarse modelos de universo mucho más densos, lo cual implicaría el manejo de partículas formadas que no han sido descubiertas ni en el laboratorio ni en el propio universo. Simuladamente, por ejemplo, es factible considerar un universo en el que intervenga una clase de partículas, como el neutrino. En ese caso la formación de galaxias conllevaría la existencia de una estructura inicial con un umbral de consolidación de 10¹⁵ (diez elevado a quince) o 10¹⁶ (diez elevado a dieciséis) masas solares, que concordaría con las efectuadas en los supercúmulos. De todas formas, ese modelo predice un exceso de concentración de galaxias que no tiene su correspondencia en la realidad.

                    Por su parte, los modelos de fluctuaciones isotermas tampoco satisfacen enteramente a los cosmólogos, porque la mera existencia de dichas fluctuaciones es incompatible con las teorías de gran unificación, y además se hace difícilmente explicable la formación de las grandes estructuras propias de los supercúmulos a partir de pequeños cúmulos globulares.

                    Como vemos, ningún modelo es totalmente satisfactorio en su explicación de las estructuras del universo. No debemos olvidar que las dificultades son de difícil superación. Para ello sería preciso conocer la cantidad de materia implicada en su evolución, así como la naturaleza de la masa invisible puesta en juego, cosas ambas desconocidas hasta el momento. Además es preciso tener en cuenta que la astrofísica tiene que habérselas con sistemas no homogéneos, en los que por ejemplo, el espacio lejano puede estar ocupado por enormes supercúmulos galácticos o por grandes vacíos aparentes. Cuando se observa el universo a escalas cada vez más grandes, no se nos revela cada vez más simple, sino que aparecen nuevos elementos de complejidad, en principio, poco o nada previsibles.

                    Podemos resumir lo dicho hasta ahora en que tan pronto como se formaron los átomos, la radiación dejó de ser dispersada por la materia y quedó libre para expandirse sin interferencias, como lo prueba el fondo de microondas existente. Simultáneamente, la materia dejó de estar presionada por la radiación. Ambas circunstancias posibilitaron el aglutinamiento de la materia y la formación consiguiente de galaxias que constituyen el universo predominante. El movimiento ató- mico ordinario propicia que dos átomos que estén lo suficientemente próximos se acerquen todavía más. Esa circunstancia facilita a ambos, unidos, el ejercicio de una acción gravitatoria más intensa sobre los átomos contiguos que acabarán por formar parte del grupo.

                   El proceso descrito se intensifica de manera que toda la materia se agrupa en porciones discretas, que constituyen el entramado cósmico y que se identifica en las formaciones galácticas. Se hace difícil, no obstante, explicar como una bajísima atracción gravitatoria pudo tener unas consecuencias de una magnitud tan considerable. La idea de los remolinos, turbulencias, contra- corrientes, etc., en el seno de la masa plasmática es solo medianamente satisfactoria, pues a pesar de ello la atracción gravitacional necesaria para cohesionar la materia, tal como la conocemos en su forma presente, debió ser mucho mayor que la que se desprende de los modelos puramente teóricos elaborados.

                   Para algunas teorías modernas hubo un tiempo al comienzo del universo en el que los campos de las partículas elementales no habían alcanzado sus valores de equilibrio. Insisten en la idea de que el vacío pudo haber tenido una enorme densidad de energía, capaz a su vez de provocar una gran inflación o expansión ultrarrápida del universo. Consiguientemente, las casi inapreciables inhomogeneidades causantes de las fluctuaciones cuánticas antes del período inflacionario, experimentaron una dilatación durante la expansión, dando origen a las inhomogeneidades mucho mayores que, en un orden de millones de años más tarde, provocaron la formación de galaxias. Si se considera que la inflación con la que, prácticamente, se inició la expansión del universo visible no abarcó el cosmos entero, sino que se trató de un episodio local, dentro de una sucesión continuada e inextinguible de inflaciones locales que ocurren al azar en un universo colosalmente grande, desaparecería el problema de las condiciones iniciales, puesto que ni siquiera habría momento inicial.

                   Fue una consecuencia natural, por tanto, que el período preatómico determinase de algún modo que la materia no se distribuyese posteriormente con uniformidad. Hoy ya no se expresa con rotundidad que el universo se estructura de "arriba a abajo", de tal forma que los cúmulos se formaban primero y después se desgajaban en galaxias. Tampoco se defiende con ardor que lo haga de "abajo a arriba", o lo que es lo mismo, las galaxias se formaban en principio y luego se iban reuniendo lentamente hasta formar cúmulos. Vemos que ambas cosas pueden ocurrir. Pero eso significa que la expansión local, podría haber comenzado con determinadas características o inhomogeneidades especiales, discernibles solo desde un punto de vista estadístico. Investigando lo que precedió a la era de las partículas, es previsible que algunos descubrimientos nuevos aporten soluciones al problema. Pues, si bien es cierto que en el tiempo de la inflación adquirió tal intensidad la acción gravitatoria, que los efectos derivados gravitatorio-cuánticos resultaron irrelevantes, es preciso resaltar una vez más, que la lentitud subsiguiente del proceso hace necesario aceptar que las irregularidades de la densidad inicial eran ya muy pronunciadas. Mientras tanto, no podemos sino seguir pensando que en aquellas regiones donde la densidad del gas era mayor, la gravedad generada por la masa nubosa del mismo gas al acumularse paulatinamente, facilitó las capturas de materia del entorno, con la consiguiente amplificación de las perturbaciones de densidad. Las masas de gas cercanas a esta acumulación, experimentaron dos flujos opuestos: la dispersión debida a la expansión cosmológica y la atracción producida por la influencia gravitatoria local. Ese juego de equilibrios es el que, en definitiva, da una idea aproximada del desarrollo de todos los procesos cosmogónicos posteriores.