Breve historia del Universo: Del Big Bang al STAS

MARIO HERRERO VALEA.- Apagar las luces de la casa, abrir la ventana (cargarte de una pedrada la farola de enfrente si se da el caso) y… disfrutar. Es algo que todos aquellos que disfrutamos la astronomía hemos hecho alguna vez. Y es que una vez descubre uno las maravillas que nos cubren todas las noches, no puede dejar de admirarlas en cada momento y preguntarse ¿por qué? ¿qué más hay ahí arriba? ¿cómo surge este maravilloso Universo en el que vivimos? Y es la Ciencia (con mayúscula) la que, como dijo Newton, apoyada en hombros de gigantes, nos ha permitido durante el último siglo dar respuesta a algunas de estas preguntas.

Retrocedamos trece mil setecientos millones de años (una de esas cifras tan inmensas que nuestra mente no es capaz de abarcar). En ese momento, todo nuestro Universo estaba concentrado en un punto tan pequeño que hasta un átomo resulta inmenso, tan pequeño que su tamaño estaba por debajo de la conocida como longitud de Planck, una longitud de sólo 10^-35 m, es decir, 0,00000000000000000000000000000000001 metros. Como podéis imaginar, la densidad y temperatura de esta canica inicial debían ser inmensas, tan inmensas que terminó por explotar, expandiéndose para dar origen a un universo algo más grande.

En este momento de la historia del Universo la temperatura todavía era lo suficientemente alta como para que los átomos de los que estamos formados aún no existiesen, si no que toda la materia del Universo se componía de un plasma de quarks y gluones, interaccionando continuamente entre ellos, quizás acompañados de los esquivos gravitones y de algo que ha representado un quebradero de cabeza durante los últimos cincuenta años, unas hipotéticas partículas conocidas como inflatones. La existencia del inflatón viene a solucionar algunas de las cuestiones más quisquillosas que la astrofísica planteó durante el Siglo XX, como el hecho de que el Universo es demasiado plano (recordemos que la Teoría de la Relatividad General permite que la geometría del Universo sea curva), mucho más plano de lo que debería ser según nuestros modelos. Este, y otros problemas, se solucionan si se supone la existencia de esta partícula, que provocó en los primeros momentos de vida del Universo que este se inflase de manera sorprendentemente rápida, mucho más rápido que la luz multiplicando su tamaño por un factor de 10^78, un 1 seguido de setenta y ocho ceros. Eso sí, pese a esta tremenda expansión, cuando esta etapa de inflación termino, nuestro Universo medía apenas un metro.

En ese momento, el contenido del Universo estaba dominado por radiación, fotones moviéndose continuamente de un lado a otro interaccionando con electrones y otras partículas libres. No fue hasta que la temperatura se redujo lo suficiente como para que estas interacciones dejasen de producirse (unos 379.000 años tras el comienzo del Universo) que la radiación se libero del yugo de la materia ordinaria y se generó lo que hoy día conocemos como fondo cósmico de microondas, una foto de ese instante del Universo que aún hoy perdura (aunque el efecto Doppler la ha empujado hacia el microondas) y que ha sido una fuente de descubrimientos incansable desde que fue descubierta.

Una vez la radiación se desacopló, la expansión del Universo pasó a estar dominada por la materia que este contenía. Durante los 379000 años pasados desde su nacimiento, el contenido material cambió radicalmente conforme la temperatura se fue reduciendo, pasando del plasma de quarks y gluones a otros formados de protones y neutrones, núcleos atómicos y electrones y, finalmente, de átomos de hidrógeno, helio y otros elementos en pequeñas cantidades. Es en este momento cuando, debido a pequeñas diferencias de densidad producidas durante el proceso de inflación, se comenzaron a crear pequeñas agrupaciones de hidrógeno que, conforme crecían, atraían aún más átomos de su vecindad. Estos cúmulos, una vez suficientemente grandes, formaron las estrellas de primera generación y comenzaron a definir la estructura de las primeras galaxias.

Hasta este punto, han transcurrido doscientos millones de años y es el momento en que empieza la etapa “aburrida” del Universo. Los miles de millones de años posteriores al encendido de las primeras estrellas transcurrirán sin sucesos más importantes que el transcurso de la vida de unas cuantas de estas estrellas, naciendo nuevos astros de sus restos y aumentando la variedad de elementos químicos en el Universo. Este proceso, además, definirá aún más si cabe la estructura galáctica.

El primer suceso realmente relevante que romperá esta monotonía tuvo lugar hace 4568 miles de millones de años, cuando una pequeña parte de una nube de gas se condensó lo suficiente como para comenzar a producir reacciones de fusión nuclear, dando a luz a lo que desde siempre hemos conocido como el Sol y propiciando el arrastre de material en órbitas a su alrededor, de manera que, en un proceso similar al de la formación de las primeras estrellas, los planetas de nuestro Sistema solar pudiesen formarse en un proceso que se alargó durante varios millones de años.

Una vez nuestro pequeño punto azul apareció en el Universo, la vida pudo comenzar a crecer y desarrollarse en él, a la luz de nuestra estrella. Una vida que, en cierto momento, dio lugar a una especie que fue capaz de mirar hacia los cielos y comenzar a preguntarse ¿por qué? ¿qué más hay ahí arriba? ¿cómo surge este maravilloso Universo en el que vivimos?.

Una especie que gracias a la Ciencia fue capaz de dar respuesta a algunos de esos interrogantes y escribir la historia que aquí dejo escrita. Una especie que, en cierto momento, organizó un evento de divulgación que se convertiría en el más grande jamás realizado en ese pequeño país llamado España. Una especie que STA.

El Universo es como una sábana que se dobla

MARIO HERRERO VALEA.- “El universo es como una sábana que se dobla”. Esta frase, con cierta reminiscencia a Forrest Gump, es una de las mejores formas de describir la Teoría de la Relatividad General, la teoría que describe cómo se comporta la gravedad en nuestro Universo y cómo se mueven los astros en él. Así, un cuerpo masivo se comportará como un peso sobre una sabana, curvando esta y provocando que cualquier otro objeto rodando sobre ella caiga hacia el cuerpo masivo, esta caída es lo que llamamos gravedad.

Este sencillo juego consistente en arrugar el espacio y el tiempo para que los cuerpos no se muevan en línea recta es el culpable de que durante las noches despejadas veamos sobre nuestras cabezas el espectáculo que es el cielo estrellado. Desde nuestro pequeño planeta a los supercúmulos galácticos (agrupaciones de millones de galaxias), pasando por las nebulosas, las estrellas, los misteriosos agujeros negros y muchos astros más; todo aquello que habita el Universo obedece las leyes de la Relatividad General. Y precisamente este hecho es el que en el futuro nos permitirá desvelar los misterios más maravillosos que esconde nuestro Universo.

Hasta el día de hoy, todo nuestro conocimiento astronómico proviene de observaciones realizadas gracias al espectro electromagnético, ya sea en el rango visible, en microondas, rayos X, radio, etc… Cuando queremos observar un objeto en el cielo dependemos de la luz (por no arrastrar el término pedante de radiación electromagnética) que este emite, ya sea por el mero hecho de estar a una cierta temperatura, al igual que los metales se ponen al rojo al calentarlos, o por alguna de las reacciones nucleares u otros fenómenos físicos cuyo producto final son emisiones de fotones al espacio. Esto puede parecer poco, y realmente es una muy pequeña parte de todas las posibles emisiones de partículas que se producen en el espacio, pero ha sido suficiente para llevarnos, en poco más de 100 años, desde una posición privilegiada donde nuestro Sol era un importante astro del firmamento a no ser más que los habitantes de una pequeña roca en el extremo de una más entre billones de galaxias; desde asumir la mano de un todopoderoso que nos puso en la Tierra e iluminó el cielo a confirmar la Teoría del Big Bang por la observación del fondo cósmico de microondas. Y sin embargo, todo esto es insuficiente si queremos testar las más novedosas y a veces rocambolescas ideas de la comunidad científica o desvelar los más profundos secretos de la negrura que nos rodea. Y es en este punto donde la gravedad, y su influencia sobre todas las cosas, entra en juego.

Imaginemos que en algún momento ocurre un suceso violento en el que una gran cantidad de masa se desplaza sobre la sábana que es el Universo. Al igual que cuando lanzamos una piedra a un estanque de agua, este suceso es capaz de provocar ondas en la superficie de nuestra sábana que se propagan sobre ella. Estas ondas se conocen por el nombre de ondas gravitatorias y representan nuestra mejor apuesta en el futuro próximo de la astronomía si algún día conseguimos detectarlas… y es que pese a llevar casi cien años manejando la Teoría de Einstein, no hemos sido capaces aún de detectar ondas gravitatorias más que indirectamente, pues aquellas que se generan en los sucesos astronómicos son increíblemente tenues, tan tenues que durante el siglo XXI sólo esperamos ser capaces de detectar aquellas provocadas por los sucesos más terribles y catastróficos que podamos imaginar, desde un choque de galaxias al nacimiento de un agujero negro, y eso tras un esfuerzo tecnológico impresionante. 

A día de hoy los experimentos que han intentado cazar esta esquiva radiación han sido infructuosos, y eso que consisten en sistemas de varios kilómetros de tamaño. En ellos, dos brazos sólidos de varios miles de metros de largo se sitúan formando una cruz, enviándose sendos rayos de luz a su largo. Estos rayos, provienen previamente del mismo haz, que se ha separado mediante una lámina semiespejada. Cuando cada rayo llega al final del brazo, encuentra un espejo en el que se refleja y vuelve hasta encontrarse con su gemelo en el cruce, donde se vuelven a unir en un solo haz luminoso. La clave de este experimento es que, si en algún momento una onda gravitatoria cruza el sistema, uno de los dos brazos variará ligeramente su longitud, haciendo que el rayo que lo recorre viaje una distancia ligeramente mayor o menor que el otro, de manera que cuando se vuelvan a encontrar estarán desfasados e interferirán entre ellos. Si somos capaces de medir esa interferencia entre haces luminosos, habremos detectado una onda gravitatoria. El problema es que la variación de longitud del brazo, incluso para ondas generadas relativamente cerca de nuestro planeta (en nuestra vecindad galáctica) es de una milésima del tamaño de un átomo de hidrógeno… algo verdaderamente pequeño como para poder medirlo con eficiencia. Pese a ello, experimentos como LIGO, en los Estados Unidos; o VIRGO, en Pisa, Italia; confían en este sistema para intentar detectar ondas gravitacionales. Así mismo, existe un proyecto, denominado LISA, que, pese a que se ha ido reduciendo su ambición debido a los recortes en los presupuestos de la NASA, espera ser capaz de realizar un descubrimiento directo cuando esté funcionando. Para ello, se lanzarán tres satélites al espacio, que jugarán el papel de los extremos de los brazos del sistema óptico, pero con la ventaja de estar en el espacio y poder separarse cientos o miles de kilómetros.

Si fuésemos capaces de detectar ondas gravitacionales, el siguiente paso sería refinar nuestra tecnología de manera que seamos capaces ya no sólo de detectarlas si no de diferenciar su origen e intensidad, construyendo de este modo un verdadero telescopio de ondas gravitatorias que nos abriría la puerta al futuro de la astronomía, permitiéndonos ver cosas que hasta ahora nos estaban vedadas, como la dinámica de la materia oscura (que haciendo honor a su nombre no emite luz, pero sí radiación gravitatoria), lo que ocurre en el extremo de un agujero negro o el mismísimo origen del Universo, donde se supone que un proceso de expansión rápida conocido como inflación generó una importante cantidad de ondas gravitatorias que deberíamos poder medir.

Como veis, la ciencia nunca dejará de sorprendernos y cada día nos abre la puerta no sólo a nuevos descubrimientos si no también a nuevas formas de mirar al cielo y maravillarnos por lo que vemos.