8- Pruebas que avalan que el universo es expansivo

8-PRUEBAS QUE AVALAN QUE EL UNIVERSO ES EXPANSIVO-

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"Comprenderemos antes lo sencillo que es el universo

cuando hayamos comprendido lo complicado que es"

John Wheeler

                   El descubrimiento de Hubble acabó con la necesidad (por lo menos, de momento) del término cosmológico que compensase la acción de la gravedad. La experiencia demuestra que el universo no ha permanecido invariante, sino que ha evolucionado desde una situación en la cual las galaxias estaban mucho más apiñadas hace miles de millones de años que ahora. Al mismo tiempo la cantidad de materia en evolución ha permanecido fija. En efecto, el número de galaxias con pequeño desplazamiento (variante óptica del efecto Doppler) hacia el rojo nos da idea de la concentración de las mismas en el estado actual del universo. Las galaxias que tienen un gran desplazamiento al rojo son las que se alejan muy rápidamente, y están muy lejos de nosotros. Estas últimas nos muestran un universo tal como era hace mucho tiempo. Esta es una realidad contrastada en infinidad de observaciones astronómicas realizadas desde comienzos del siglo XX hasta la actualidad.

                   Por lo demás, digamos que existe una historia cósmica. Esta historia es capaz de explicar todo el proceso hasta llegar a una centésima de segundo posterior al primer instante, cuando el "jovencísimo" universo tenía aproximadamente el tamaño de la Luna. En principio, en el momento exacto de la creación (la singularidad), el universo era teóricamente una "punta de alfiler" de energía con temperatura y densidad quizás infinitas.

                   Según las leyes de la mecánica cuántica y de la relatividad, el intenso campo de energía era capaz de crear partículas elementales tales como electrones y quarks, que se emparejaban con sus correspondientes antipartículas.

                   Simultáneamente, estas parejas partículas-antipartículas colisionaban y se aniquilaban mutuamente incorporándose otra vez a la masa de radiación. Con esos humildes comienzos, nada haría presagiar un desarrollo estructural posterior tan formidable, pero así fueron las cosas.

                   Según lo expuesto, se deduce que el universo se expande, envejece, evoluciona. La materia se enrarece, se dispersa, no se crea nueva materia de forma espontánea y su densidad de- crece progresivamente. El universo puede ser pensado como un proceso del que tenemos una imagen en movimiento, que de manera análoga a la visualización de una película pasada hacia atrás, reconstruimos sus diversas fases en un sentido cronorretrogado. Así, sólo con la imaginación, es como descubrimos que el universo se vuelve cada vez más pequeño hasta que llega al lejano instante en que toda su masa se encontraba comprimida en un punto teórico de diámetro cero, quizá infinitamente denso.

                   La construcción y consolidación de esta imagen ha sido muy laboriosa, y a ello ha con- tribuido poderosamente la aplicación de la radioastronomía (con una mayor sensibilidad que la obtenida en las observaciones ópticas). El hecho de que los cielos estén plagados de interferencias de radio fue un descubrimiento casual que realizó en los años treinta del siglo pasado el físico Karl Jansky. A mediados de esa misma década, en 1936, Grote Reber, un ingeniero de telecomunicaciones construyó la primera antena radioastronómica y desde entonces, comenzó el conteo sistemático y riguroso de galaxias. En ese sentido, es destacable la labor de Martín Ryle que empezó a realizar una serie de catálogos de radiofuentes, y a finales de la década de 1950 tenía ya centenares de ellas localizadas. Pudo observarse que, estadísticamente, la mayoría de las radiofuentes se encontraban en lo más profundo del espacio explorado, es decir, mucho más allá de la Vía Láctea. El número de señales débiles superaba con mucho el número de señales procedentes de radiofuentes intensas, lo que parecía sugerir que cuanto más se intensificase la exploración del espacio lejano, aparecerían cada vez más radiofuentes. Estos datos constituyeron el primer fundamento empírico de la argumentación, que se utilizó para invalidar la teoría del estado estacionario de Hoyle. La intensidad variable de las radiofuentes, según su procedencia, indicaba que nos encontramos ante un universo que no es igual en todos los momentos y lugares.

                   Enseguida se reconoció la utilidad que las radiogalaxias, podrían tener para ampliar el diagrama que Hubble había diseñado para representar las magnitudes y desplazamientos al rojo, además de posibilitar el alcance de distancias nunca logradas antes. El horizonte se ampliaba tanto, que no había más que identificar las radiogalaxias elípticas con las antiguas galaxias usadas como luminarias patrón, para que se pudieran localizar muchas otras, fácilmente, a distancias enormes. Si el universo había surgido alguna vez de una colosal explosión, las galaxias no deberían haber existido desde siempre, y profundizando nuestra observación a suficiente distancia, estaríamos contemplando incluso un tiempo anterior a la existencia de las propias galaxias, o sea, previo a la condensación de los tenues fragmentos dispersados por la gran expansión cósmica, y de que poblaran con sus luminosas estrellas el espacio-tiempo que se expandía.

                   Las observaciones astronómicas por radio se revalorizaron con dos descubrimientos notables, efectuados en la década de los años sesenta del pasado siglo, que por otra parte, vinieron a dar más calor a la polémica ya suscitada entre los astrónomos y a complicar un poco más el panorama evolutivo de un universo en expansión.

                   Los cuásares, QSO, acrónimo de Quásar (quasistellar, en inglés), expresión ideada por Hong Yee Chiu en 1964, abarcan un número de objetos que, fotografiados, se parecen a las estrellas ordinarias. No obstante, difieren de los astros comunes en algunos aspectos importantes. Son radio- fuentes de gran compacidad que provocan enormes desvíos al rojo, mucho mayores que los provocados por las galaxias o, incluso, por los cúmulos de galaxias conocidos. Además emiten fuertes radiaciones tanto infrarrojas como ultravioletas.

                   Sandage, escudriñando en 1960 las zonas en que se encontraban estas radiofuentes, constató que en todos los casos parecían ser estrellas. Sin embargo, al analizar sus espectros se encontraron una serie de líneas extrañas, diferentes en cada uno de los cuásares estudiados, que no se sabía interpretar. La clave capaz de revelar el misterio de estos objetos estelares, que daría un giro espectacular a la cosmología empírica la tenía Maarten Schmidt, que había seguido los pasos de Minkowski como identificador de radiofuentes. Estudiando el espectro de 3C 273, objeto estelar de la clase que nos ocupa, en el observatorio de Monte Palomar pudo observarse de forma concluyente que de las seis líneas espectrales perceptibles, cuatro son las líneas de emisión usuales del hidrógeno, es decir, muestran un espaciamiento análogo al de ese elemento. Pero hay que hacer una salvedad: están muy desplazadas hacia el rojo. Esto significa la presencia de un correlativo deslizamiento en el efecto Doppler tan enorme, que se puede calcular una velocidad de recesión de más de cuarenta mil kilómetros por segundo, o sea, dos o tres veces más que la velocidad de las galaxias más distantes conocidas entonces. El objeto estelar estaba más lejos que todas las galaxias conocidas hasta ese momento, salvo unas pocas, y parecía ser el objeto más luminoso del universo.

                   De acuerdo con la ley de Hubble, los cuásares no podrían ser estrellas ordinarias, sino objetos extraordinarios, muy luminosos y distantes, alejados de nosotros miles de millones de años luz. Un desvío al rojo tan grande es difícil de aceptar por algunos astrónomos, por lo que han especulado sobre la posibilidad de que en realidad sus espectaculares características se deben a que son objetos muy masivos. Philip Morrison, del Instituto Tecnológico de Massachussets, sugirió que tal vez fueran gigantescas estrellas de apretujados neutrones.

                   Otros investigadores pensaron que podían ser nubes de gas disperso que emitirían una conjunción de radiaciones originadas por un tipo especial de estrellas, llamadas de neutrones, diseminadas en su seno. En ese caso, no tendrían por qué ser objetos muy lejanos, sino a lo sumo situados a unos pocos cientos de millones de años luz.

                   La altísima velocidad de recesión vendría dada, según algunos astrónomos, porque los cuásares fueron despedidos violentamente de los centros en explosión de galaxias cercanas a ellos. Esto es poco creíble, ya que una explosión de este calibre difundiría los cuásares en todas direcciones, y se debería poder observar algunos desplazamientos al azul en el efecto Doppler, cosa que no ocurre. Los cuásares siempre se alejan de nosotros. Lo extraño de estos objetos es que tengan tan alto brillo, estando tan alejados como nos indica su desplazamiento al rojo, por lo que deben ser en extremo luminosos y sumamente energéticos. Su luminosidad pulsante o variable nos hace pensar que pueden ser relativamente pequeños. Algunos realizan incluso un ciclo completo de variaciones en una semana. Dadas sus características, se pensó que podrían ser los instrumentos que se necesitaban para determinar por fin, la forma y el destino del universo. Tal vez, se habían descubierto casualmente unas nuevas luminarias patrón que fueran útiles para ampliar el diagrama universal de magnitudes y desplazamientos al rojo que se empleaba hasta entonces, y se consiguiera ampliar los límites del universo observable.

                   Pero el problema no está resuelto del todo, pues no se explica que puedan tener una luminosidad cien veces superior a la de una galaxia común, cuyo diámetro alcanza los cien mil años luz. Si esto fuera así, su vida debería ser muy efímera, calculándose que no podrían subsistir más de un millón de años irradiando energía como lo hacen (y siendo además de formación reciente a escala cósmica). Siguiendo esta línea de razonamiento, podemos decir que es muy posible que haya muchos otros objetos que fueron cuásares en tiempo pasado y que ya agotaron sus reservas energéticas. Efectivamente, así parece ser, pues en 1965 Sandage anunció haber descubierto objetos con la característica de poseer enormes deslizamientos al rojo, es decir, en un grado tan marcado como en los cuásares. Además, su distancia y luminosidad coincidían con las de los QSO.

                   Los nuevos objetos astronómicos fueron bautizados con el nombre de BSO, nuevo acrónimo en inglés de objetos estelares azules, ya que su aspecto recuerda el de las estrellas azules ordinarias. Su número es mucho mayor que el de los cuásares, pues su fase transitoria de evolución es de una duración aproximada cincuenta veces superior. Se han detectado con mucha abundancia en algunas regiones espaciales. Aunque los BSO se distinguen de los cuásares por su luz más azulada y su carencia de emisiones de microondas, es previsible pensar que poco a poco se irán apagando y que incluso su luz dejará de llegarnos hasta extinguirse por completo.

                   La presencia de QSO y BSO con sus enormes desvíos Doppler al rojo y sus inmensas lejanías (no se han podido detectar cuerpos similares cerca de nosotros) deben hacernos llegar a la conclusión de que estos objetos representan un estadio primitivo en la evolución del universo y que su aspecto tiempo atrás, debió diferir del que tienen ahora en puntos de capital importancia, no meramente accesorios como predice la teoría del estado estacionario. Una buena prueba de ello es que el recuento de cuásares y objetos BSO, nos permite comparar la densidad de la materia en el universo mucho tiempo atrás (de cuatro mil a siete mil millones de años) con la densidad actual. La compacidad del universo hace miles de millones de años, según los datos aportados, debió ser muy superior a la de ahora, por lo que es una base muy firme para apoyar la idea de un universo expansivo

                   Queda una duda por solucionar y es la de la increíble luminosidad de los cuásares. Ello podría significar que se trata de objetos situados, después de todo, a distancias moderadas. Podrían ser parecidos a un tercer tipo especial de objetos estelares, llamados galaxias Seyfert que poseen núcleos compactos, brillantes y muy energéticos. Sus características son tan parecidas a las de los cuásares, que las podrían hacer similares a éstos, e incluso identificables con ellos. Esta clase de galaxias suponen el uno por cien de las conocidas, y es posible que los cuásares muy distantes sean confundidos con ellas. Durante algún tiempo, se pensó que el fenómeno BSO no tendría la exclusiva de las grandes distancias, y no sería indicativo, por tanto, de un universo distinto al que tenemos en la actualidad. Posteriores observaciones realizadas en las décadas siguientes, permitieron comprobar que tanto los cuásares como los BSO y las galaxias Seyfert forman una secuencia continua en la progresión de violentas explosiones energéticas de los núcleos de las galaxias. Son, pues, objetos que no solo están ubicados en el mismo corazón de las estructuras galácticas, sino que por ese mismo motivo, pocos astrónomos se permiten dudar ahora de la correcta interpretación, que en un principio proporcionaron acerca del significado de sus desplazamientos al rojo en el contexto general de la ley de Hubble.

                   Ocurre que nuestra perspectiva del universo es retardada. Físicamente lo vemos como fue, no como es, debido a que la radiación observada, procedente de galaxias muy remotas, las abandonó mucho antes de que la Tierra hubiera tenido origen. De hecho, la radiación que llega ahora a la Tierra desde los objetos cósmicos más distantes fue generada en las más tempranas épocas del universo, cuando aún no había planetas ni estrellas, ni Vía Láctea ni muchas otras galaxias. Estudiando la radiación, se pueden descubrir las condiciones reinantes en los cuerpos más distantes en el tiempo y en el espacio cuando éstos emitieron su luz. Así, los astrofísicos se convierten en los historiadores del universo, reconstruyendo toda su evolución mediante las observaciones de sus diferentes fases y episodios desde nuestro planeta.

                   Los movimientos de alejamiento de las galaxias constituyen una prueba indiscutible de que el universo no es estático. Pero al mismo tiempo, en un universo que se expande, la gravedad debería frenar la expansión.

                   Cabe preguntarse si la gravedad adquirirá la intensidad suficiente para frenar la expansión o si, por el contrario, el cosmos se expandirá para siempre. Por eso los físicos relativistas más modernos tratan de elaborar modelos de universos más realistas y de acuerdo con la tasa de expansión observada. En los modelos de Alexander Friedmann la respuesta guarda cierta relación con la densidad media de materia. Un universo de densidad baja se expandirá por toda la eternidad, mientras que un universo de densidad elevada se contraerá indefinidamente hasta sufrir alguna forma de colapso. Quizá la línea divisoria se halle en un universo de densidad crítica, que se expanda sin fin, aunque a velocidad decreciente. Dado que en la teoría de Einstein la densidad media guarda relación con la curvatura media del universo la geometría y el destino del cosmos están perfectamente ligados. Un universo de densidad elevada se supone debe tener, hablando con coherencia topológica, curvatura positiva similar a la superficie de una pelota; el de baja densidad, curvatura negativa, lo que proporciona una imagen parecida a la de una silla de montar; por fin el de densidad crítica es espacialmente plano.

                   En ese sentido, el término cosmológico sigue conservando cierta validez, pues no hay nada especial o peculiar en el hecho de que casi todas las galaxias se alejen de nosotros; el mismo fenómeno se repite por doquier para todos los observadores. Ningún observador de ningún lugar del universo disfruta de una posición privilegiada. Cualquier observador de cualquier lugar del universo vería fundamentalmente la misma clase de alejamiento galáctico, porque no existe un verdadero centro del espacio localizable. Tal es la naturaleza del término cosmológico.

                   En su actual conformación, nuestro universo no aparenta derivar de la relatividad, que gobierna la naturaleza a las mayores escalas, sino de la mecánica cuántica, lo que también, parece indicar que el llamado espacio vacío pudiera contener una cierta densidad de energía. No existe ninguna posición ni se cree que pueda haberla algún día, identificable como el punto donde empezó la expansión cósmica. A lo sumo, es posible, pueda darse cuenta del centro de dilatación temporal; es decir, del origen del espacio-tiempo en cuatro dimensiones y correspondiente al diámetro cero de la esfera universal en crecimiento permanente.