Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (Última parte)

Dada la cantidad de información destinada a mostrarnos un modelo estable y completo de nuestro Universo, amén de la forma en que esta resulta coherente consigo misma, se podría pensar que en materia de cosmología está todo dicho y que por tanto ese modelo de nuestro cosmos resulta definitivo. Sin embargo, con el tiempo, los científicos han ido descubriendo incoherencias en sus teorías, viéndose  en la necesidad de especular con realidades físicas no consideradas hasta ahora para mantener su cuerpo teórico estable. Es el caso de las hipotéticas materia oscura y energía oscura.

Composición del cosmos

Tal y como se deduce de su nombre, la materia oscura, en caso de existir, resultaría invisible al ojo humano debido a la debilidad de su interacción con la radiación electromagnética. Su presencia se infiere de los efectos gravitacionales que, se cree, puedan estar provocando en el movimiento de traslación de estrellas y galaxias; de acuerdo con la física de Newton y sus estudios sobre la gravedad en los cuerpos celestes, la velocidad de rotación de un cuerpo depende de la cantidad de masa total del sistema dentro del cual el cuerpo gira. En sus observaciones del movimiento de las estrellas y galaxias respecto de sus propios sistemas, los científicos han descubierto que la cantidad de masa visible según la velocidad rotacional era mucho menor de la esperada; esto podía significar, o bien que era necesario una revisión del cuerpo teórico y científico sobre cosmología elaborado hasta el momento (algo bastante improbable dada la cantidad de evidencias observacionales que lo sostenían), o que había algún elemento físico dentro de los sistemas que no había sido tenido en cuenta completamente. Finalmente, la ciencia ha concluido que si la velocidad rotacional de los sistemas es mayor de lo que corresponde a su masa visible, entonces debe de existir una cantidad de masa invisible restante que permita este efecto. Se cree que esa cantidad de masa restante es la materia oscura. Esta materia podría ser también responsable de la anisotropía observada en el mapa elaborado por la sonda WMAP sobre la radiación de fondo de microondas (Ver: Los orígenes del Universo_ 2ª parte); las razones que dan a entender esto resultan un tanto complejas, sin embargo, pueden resumirse en el hecho de que dicha anisotropía se corresponde con un modelo cosmológico en el que la mayor parte de la materia interactúa con la radiación electromagnética de forma mucho más débil que la materia bariónica. También explica la formación de estructuras a pequeña escala y la estructura a gran escala del Universo. Además, se ha podido comprobar su efecto como lente gravitacional en la materia visible; estas y otras evidencias apuntan a que la teoría sobre la existencia de la materia oscura es probablemente cierta. De acuerdo con los datos aportados por la sonda WMAP en los últimos años, la materia oscura supone el 23% de la cantidad total de materia/energía del Universo; sin embargo, se desconoce de qué puede estar compuesta. Una pequeña parte pertenece al conjunto de la materia bariónica y es conocida como materia oscura bariónica, es decir, materia constituida por partículas de la misma naturaleza que la materia visible pero con una mayor dificultad de detección. Es el caso de los gases no luminosos o de los objetos compactos y masivos de los halos galácticos, conocidos como MACHOs. La densidad de materia bariónica ordinaria y de radiación en el Universo es de un átomo de hidrógeno por metro cúbico. Del 5% de materia bariónica estimada del Universo solo se ha encontrado la mitad, por lo que es probable que la otra mitad se trate de materia oscura no bariónica. La mayoría restante de la materia oscura podría estar formada por varios tipos de partículas minoritarias, la mayoría conocidas solo a nivel teórico, como los WIMPs, más masivos que el neutrino y cuya interacción se limita solo a la gravedad, la fuerza nuclear débil o a hipotéticas fuerzas no mayores que la fuerza nuclear débil, o los axiones, de masa pequeña y sin carga eléctrica. También podría estar constituida por neutrinos ordinarios o pesados.

Al igual que la materia oscura, la energía oscura no es observable a simple vista aunque puede detectarse a partir de los efectos que produce en la materia visible. En su caso, dichos efectos consisten en una aceleración del movimiento general de expansión del Universo. Según la ley de Hubble, postulada por Milton Humason y Edwin Hubble en 1929, las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad constante que resulta además proporcional a la distancia que mantienen respecto de su observador. Hoy, gracias a los estudios realizados sobre supernovas de tipo 1a por la Supernova Cosmology Project en 1998, sabemos que esa velocidad de expansión no es constante sino que se encuentra en continua aceleración. Para que esta aceleración continua sea posible a pesar del efecto de frenado que produce la atracción gravitatoria de la materia es necesario un elemento que ejerza presión negativa sobre su entorno; la ciencia del momento propone a la energía oscura como ese elemento desconocido. Además del estudio de las supernovas de tipo 1a existen otras evidencias sobre la aceleración de la expansión del Universo relacionadas con la radiación de fondo de microondas, las lentes gravitacionales o la estructura a gran escala del Universo. La energía oscura se presenta también como el componente necesario para que, junto con la materia oscura y la materia bariónica, se dé por resuelto el parámetro de la densidad crítica, es decir, la cantidad de masa/energía que supuestamente debería de contener el Universo si este posee una forma casi plana, tal y como se deduce de los datos aportados por la WMAP. De este total de energía/masa contenida en el Universo la energía oscura ocupa el 73%. En relación a la forma se cree que pueda tratarse de una constante cosmológica, es decir, una densidad de energía que ocupa y afecta a todo el espacio de forma homogénea, aunque también podría tratarse de campos escalares en el que los efectos dependerían de una distribución heterogénea de la energía en el tiempo y el espacio; muchos científicos relacionan esta forma de la energía oscura con otro tipo de energía hipotética denominada quintaesencia. Puede distinguirse una forma de otra por la variaciones de velocidad de expansión en el tiempo, aunque esto resulte difícil debido a la lentitud del fenómeno. Las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio se consideran constante cosmológica. Tanto la materia oscura como la energía oscura se encuentran fuertemente integradas en el modelo más elemental y estandarizado de la cosmología, el modelo Lambda-CDM.

materia oscura

Estos dos tipos de materia y energía vistos hasta ahora han resultado de gran utilidad a la hora de teorizar sobre las posibles formas en que, en un futuro lejano, pueda darse el destino final de nuestro Universo. Una vez que la teoría del Big Bang logró una aceptación mayoritaria en el ámbito científico, los expertos comenzaron a especular sobre cómo debería de acabar el Universo dada su dinámica actual. La teoría cosmológica del momento proponía un Universo en expansión a velocidad constante cuya energía, materia, espacio y tiempo habían surgido de un solo punto primario. Teniendo en cuenta este modelo, las distintas propuestas teóricas se centraron en suponer de qué manera evolucionaría nuestro Universo si continuaba en expansión. Dicha evolución dependería tanto de la densidad material de nuestro Universo (un parámetro que afecta directamente a la forma), como de la cantidad de energía oscura que alberga, dado que ambos factores intervienen directamente en el desarrollo de la expansión espacial. De esta manera, las distintas posiblidades sobre el destino final del Universo se encuentran directamente relacionadas con estos dos factores. Si la densidad de materia del Universo es mayor que cierto parámetro determinado para estos cálculos conocido como densidad crítica, significa que nos hayamos ante un Universo cuyo espacio es, al igual que el de la esfera, cerrado, y cuya geometría es a gran escala elíptica. Un Universo con esta forma y sin los efectos repulsivos de la energía oscura disminuirá gradualmente su expansión hasta detenerse debido a los efectos gravitatorios de la materia; una vez finalizada la expansión del espacio, comenzará un proceso de contracción progresiva en el que los objetos, que presentarán ahora un notable corrimiento hacia el violeta, aumentarán de temperatura mientras colisionan entre sí debido a la falta de espacio. Es posible que toda la materia, aunada ya en forma de plasma, termine colapsada en un único punto tal y como se hallaba en sus orígenes. A esta teoría sobre el final de los tiempos se la conoce como el Gran Colapso o Big Crunch. Una extensión del Big Crunch conocida como teoría del Universo oscilante propone el surgimiento de un nuevo Universo tras el colapso del actual de la misma manera en que este es el resultado de otro Universo anterior que colapsó; así, cada Big Bang es el inicio de un Universo cuyo Big Crunch generará otra Gran Explosión con su nuevo Universo en un ciclo que se presume infinito. Sin embargo, como ya hemos visto, la energía oscura actúa de tal manera que la expansión del espacio, lejos de detenerse, se encuentra en aceleración, convirtiendo a la teoría del Big Crunch en una de las menos probables. Si la densidad del Universo es menor que la densidad crítica, el Universo es entonces abierto y su geometría hiperbólica. Aún sin los efectos de la energía oscura, un Universo con estas condiciones se expandirá para siempre; bajos sus efectos se expandirá de manera acelerada tal y como se cree que ocurre actualmente. En el caso de que la densidad crítica coincida con las estimaciones sobre la densidad de la materia en el Universo, habrá que considerar al Universo como un espacio plano; en esta situación, y sin tener en cuenta los efectos de la energía oscura, el espacio se expandiría en continua desaceleración sin llegar a detenerse. Teniendo en cuenta la energía oscura, se expandirá de forma acelerada. Las estimaciones sobre densidad de materia y cantidad de energía oscura en el Universo presentan esta última opción como la más probable. Para todos estos modelos en los que el espacio se expande aceleradamente y sin límites se plantean dos posibles finales descritos por sendas teorías denominadas Big Rip y Big Freeze; dichas posibilidades dependen básicamente de la intensidad con que se esté produciendo la aceleración de la expansión. En el Big Rip, las galaxias continúan su proceso de distanciamiento mutuo (un hecho que, según entiendo, deberá de afectar también a las agrupaciones en cúmulos y supercúmulos de galaxias); las estrellas se verán así mismo desligadas unas de otras, quedando aisladas en un Universo que se presentará cada vez más oscuro… los sistemas planetarios perderán su cohesión gravitatoria y hasta los mismos astros quedaran desechos. Finalmente, los átomos se disolverán. Este pronóstico está previsto para un Universo cuya velocidad de expansión sea muy alta. En un Universo de expansión atenuada, el Big Freeze supondrá también el distanciamiento progresivo de sus estructuras, incluyendo a las galaxias y a las estrellas. Sin embargo, la intensidad de la aceleración no será lo suficientemente alta como para descomponer la materia en sus unidades más simples, por lo que los astros continuarán alejándose sin que su evolución se detenga. Con el tiempo, fenómenos pronosticados por la ciencia astrofísica se irán sucediendo; la Tierra será destruida durante la conversión del Sol en gigante roja, mientras que Andrómeda y la Vía Láctea terminarán colisionando para formar una única galaxia elíptica gigante. El Grupo Local acabará formando asimismo su propio “Universo isla”, un tipo de galaxia-gigante enormemente distanciada del resto por la expansión espacial. En un futuro muy lejano, las estrellas mismas dejarán prácticamente de formarse debido al agotamiento del gas interestelar, mientras que las que lo hagan serán frías y tenues en extremo, aunque muy longevas. Los remanentes estelares irán ocupando progresivamente el espacio y todo el cielo quedará en penumbra. Los últimos objetos en poblar el Universo serán agujeros negros, que finalmente también desaparecerán. De los modelos propuestos por la cosmología moderna sobre el fin del Universo el Big Freeze es el más probable.

Ver también:
Dailymotion_ Redes: Materia y energía oscura
Youtube: Energía y materia oscura (1)
Youtube: La muerte del Universo (1/5)
Astronomia.net – Ejemplo de superficie homogénea pero no isótropa y viceversa

Entradas relacionadas:

Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (1ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (2ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (3ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (4ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (5ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (6ª parte)
Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (7ª parte)

Otros apuntes en Diario de un explorador:
Apuntes de Física: Teorías y leyes (1ª parte)

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3 comentarios

  1. mira, eso del origen del universo y tal esta muy bien, pero puestos a eso, escribe sobre lo de fuera del universo, q hay ahi? la nada? otros universos? hasta donde hay lo que haya? el espacio fisico (distancia) no puede ser infinita, no se acaba donde acaba el universo, donde acaba? porque tiene q acabar EXPLICAMELOOOO!!!!!!!!!!!!!!!!

    • Hasta ahora no se sabe cuál es el verdadero tamaño del Universo. Sabemos el tamaño de lo que se conoce como Universo Observable, es decir, la porción del cosmos que desde nuestro planeta somos capaces de observar. Esa porción es de unos 93.000 millones de años-luz de diámetro. También existen sospechas de que su forma (la de la totalidad) sea plana.

      Eso explica cuál es la forma y el tamaño que tiene aquello que “conocemos”, pero ¿Qué se supone que hay más allá? ¿Cuándo se acaba? ¿Y cómo es posible que se acabe? La ciencia tiene algunas respuestas clásicas a ese tipo de preguntas. Antes que nada se suele recordar que, a la hora de preguntar por estas cosas, debe de tenerse en cuenta a nuestro Universo no como existente en un tiempo y un espacio, sino como un Universo que ES tiempo y espacio. Visto de esa manera, no tendría sentido preguntarse por ejemplo que había antes del Big Bang, precisamente porque antes del Big Bang no existía nada, ni siquiera el tiempo. El tiempo comenzó con el Big Bang. De la misma forma, más allá del espacio (que está en expansión) no hay tampoco nada, ni siquiera espacio… Algunas teorías científicas parecen salir mejor del paso diciendo que el Universo es un espacio limitado pero sin cotas, igual que una esfera, y que si a alguien se le ocurriera viajar hasta sus límites para ver que sucede, le pasaría lo mismo que a alguien que decidiera dar la vuelta al mundo; que acabaría apareciendo por el otro lado 😉

      A mí particularmente me gusta pensar que nuestro Universo es en realidad un fractal, un fractal inmenso, y que nuestra humilde escala es solo una parte insignificante de él. En esos términos no tiene sentido hablar de espacios grandes y pequeños; cualquier región del espacio, por diminuta que sea, resulta infinitamente compleja. Un grano de arena o el iris de tus ojos por ejemplo son tan grandes y complejos como el Universo, y el Universo, tan pequeño y simple como el iris de tus ojos o un grano de arena. Tienes un ejemplo de fractal aquí: http://www.youtube.com/watch?v=G_GBwuYuOOs

      Pero si ninguna de estas explicaciones te convence, no te preocupes porque ya somos dos. Ni siquiera la idea de que el Universo sea un fractal responde a lo que me preguntas; qué tipo de fractal es, ¿Infinito? ¡Imposible! ¿Finito? ¡Imposible también! Ninguna de esas posibilidades tiene sentido, debería de haber otra explicación… Mi opinión sobre todo esto es que se trata de un problema conceptual; el problema no está en el tiempo o el espacio del Universo, sino en el tiempo y espacio de nuestras cabezas, en la manera en que nos planteamos esas cuestiones. El espacio y el tiempo, tal y como lo conocemos presenta una serie de paradojas imposibles de resolver, ¿Significa eso que nuestro Universo es absurdo? No, más bien significa que nuestras ideas acerca de él lo son o, al menos, que son suceptibles de caer en incoherencias absurdas, y que es necesario un enfoque nuevo para entender mejor lo que nos rodea. Lo irónico es que cuando lo consigamos aparecerán otras paradojas que nos obligarán a empezar de nuevo. Así es la vida.

  2. ¡Muy interesante!

    “Mi opinión sobre todo esto es que se trata de un problema conceptual; el problema no está en el tiempo o el espacio del Universo, sino en el tiempo y espacio de nuestras cabezas, en la manera en que nos planteamos esas cuestiones.” (Tomado de diariodeunexplorador).

    En sí, pareciera que la cuestión y salida está en el hecho de que existe una capacidad de entender y de experimentar la necesidad de dilucidar y ver: que existe la necesidad de ver y alcanzar la verdad. Si no hubiese este “fractal” de conciencia consciente, posiblemente no existiría nada, aun y cuando todo estuviese allí.

    Quizás la respuesta está a la mano de una manera directa y sencilla. Quizás la respuesta está en la propia naturaleza de nuestro estado consciente, lo que en definitiva ha conocido y experimentado todo esto.

    ¿Por qué, (o ¿para qué?), todo este proceso que se inicia aparentemente en un Big Bang, seguido de la Época de Planck, la era de la Gran Unificación, la Inflacón Cósmica, la aparición de las partículas subatómicas y la materia que conocemos, hasta la formación de estrellas y galaxias, estrellas y planetas, y la vida que conocemos, la evolución de la vida en sus formas, el surgimiento de la vida inteligente y la conciencia consciente en lo humano?

    ¿Por qué, para qué?

    En relación a las grandes magnitudes por encima de nosotros, podremos parecer quizás infimos, posiblemente un leve movimiento de cuerda inperceptible que no obstante está repercutiendo con su vibrar en dimensiones y escalas mucho mayores, en las que la gravedad o su equivalente no de ha separado aún de las otras fuerzas.

    No obstante todas esas posibles especulaciones, en el corazón de la conciencia consciente, puede o debe existir una respuesta directa y sencilla al hecho de todo ESTO.

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