¿Cómo pretendemos ver el flujo del cambio cósmico cuando las escalas de tiempo universal son a nosotros lo que el tiempo geológico es a una mariposa? Tratamos de entender la evolución del cosmos, pero es como si hubiésemos entrado tarde al cine. Nos perdimos la mitad de la trama y en medio de la película descubrimos que el universo ha demostrado ser todavía más extravagante que las predicciones más desinhibidas.

Algunas preguntas están descifradas, pero hay varios interrogantes sin respuesta. Y muchos dogmas que damos por sentado podrían venirse abajo en cualquier momento. Esto, gracias al poder alucinante de la próxima generación de telescopios e instrumentos astronómicos y de la física de partículas que bien podría generar una revolución científica y social de proporciones similares a la que Galileo causó cuando apuntó su telescopio al cielo en 1609.







Por un lado está la teoría ampliamente aceptada del Big Bang, la Gran Explosión, según la cual el universo era originalmente algo extremadamente denso, pequeño y caliente, que en cuestión de décimas de segundo se expandió y se enfrió radicalmente, y aún continúa expandiéndose, a medida que se sigue enfriando.

Algo así como una torta de pasas en el horno, que crece, separando las pasas (o las galaxias) una de la otra. La teoría fue propuesta por Georges Lemaire en 1931. El universo visible, entonces, creció de un puntito más pequeño que un protón al tamaño de una toronja, en .000000000000000000000000000000000001 segundo (10-35).


Pero hay expertos que proponen un modelo nuevo, según el cual el origen no fue una única Gran Explosión, sino muchas, es decir, que nuestro universo es hijo del anterior y así sucesivamente. Una continua cadena de universos que se suceden y repiten unos a otros, pero sin ser réplicas exactas de los anteriores. En cuanto a la edad del universo, las observaciones actuales sugieren que tiene entre 13.5 y 14 mil millones de años.

El poder de los telescopios que sondean el cielo en varias longitudes del espectro, las mediciones de la radiación cosmológica de fondo (ver pregunta #8), y nuevas formas de medir la tasa de expansión del universo (ver pregunta #7) brindan información bastante exacta al respecto de la cantidad de tiempo que ha transcurrido desde la Gran Explosión.

Según la nueva teoría de los universos que se continúan (pregunta 1), el universo no morirá, sino que seguirá repitiéndose.

O bien, ¿será un universo frío y oscuro, a medida que las galaxias y estrellas se separan unas de otras y su luz y calor se pierden en las tinieblas, expandiéndose eternamente y enfriándose hasta llegar a un estado de frío absoluto, donde las moléculas no tienen energía para realizar el menor movimiento? ¿O será un universo que, luego de expandirse llegará a punto en el que se comenzará a colapsar sobre sí mismo y entonces el problema será a la inversa? Últimamente hay teorías que hablan de un Big Rip: una Gran Rasgadura.

Es decir, la tasa de expansión será tan tremenda, que los grupos de galaxias, las estrellas, la energía oscura y todo lo demás se convertirá en una especie de tela que es estirada hasta rasgarse.

Una teoría postula que podría existir un universo alternativo de materia oscura al mismo tiempo que éste, pero no lo podemos alcanzar. La mejor forma de imaginarlo es pensar en una ventana de vidrio doble con una mosca en medio.

La mosca no puede cruzar de un lado al otro, igual que nosotros no podemos cruzar de un universo al otro. Estos dos universos estarían atraídos uno al otro por la fuerza de la gravedad y eventualmente colisionarían. Y al hacerlo, crearían una Gran Explosión.

Esto significa, que ahora mismo están sucediendo cosas que ayudarán a crear otro universo en el futuro. Por otro lado, hay varias hipótesis de universos múltiples en la física cuántica y la cosmología, en las cuales las constantes físicas de cada uno son distintas, así como la naturaleza y la relación entre los universos.

El “universo burbuja’ por ejemplo, es una serie infinita de universos abiertos con diferentes constantes, y el nuestro es apenas uno de ellos.

Según Einstein, el universo es un continuo en el tiempo-espacio que podría asumir una de tres formas, según la cantidad de materia y energía que contenga.

A. Forma esférica (curvatura positiva). Viaje en una dirección y eventualmente regresará al punto de partida. Sin energía oscura, este universo detendrá su expansión y se colapsará sobre sí mismo. Con ella, la expansión continuará.

B. Plano (sin curvatura). El viajero nunca regresará a su punto de partida. Incluso sin energía oscura, este universo continuará expandiéndose eternamente, aunque cada vez más lentamente. Con la energía oscura, la expansión se acelerará cada vez más. Según las últimas observaciones, esta es la forma de nuestro universo.

C. Forma de silla de montar (curvatura negativa). El viajero nunca regresará. La expansión apenas si desacelerará, incluso sin la presencia de la energía oscura. Hasta hace una década la mayoría de la evidencia astronómica favorecía esta forma.

Las estrellas, los asteroides, los planetas, el polvo cósmico, los elusivos neutrinos, el helio, el hidrógeno, y todo lo que podemos ver a nuestro alrededor conforman una mínima parte de lo que es el universo.

El 95 por ciento restante está ocupado por la extraña materia oscura, y la noción aun más incomprensible de la energía oscura.

La aceleración cósmica es la observación de que el universo parece estar expandiéndose a una tasa acelerada. En 1988 las observaciones se las estrellas llamadas Supernovas tipo 1A sugirieron que esta expansión se acelera cada vez más.

La expansión del universo fue propuesta y demostrada por Edwin Hubble, al determinar la distancia a varias galaxias y comprobar que las más lejanas estaban corridas hacia el rojo, es decir, se estaban alejando de nosotros.

Las observaciones más precisas hasta el momento, con el WMAP y el Telescopio Espacial Hubble apuntan a una velocidad de expansión de entre 70 y 72 kilómetros por segundo.

Imagen: Astrónomos y el satélite Swift registran la explosión de rayos Gamma procedentes de una estrella cuando el universo tenía sólo 630 millones de años.

Es la radiación de microondas antiquísima que permea todo el universo, y que se considera como los rescoldos que quedaron después de la Gran Explosión. Fue descubierta por accidente por dos astrónomos de los Laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson. Sus medidas, combinadas con el descubrimiento de Hubble de que las galaxias se alejan de nosotros, son una fuerte evidencia para la teoría de la Gran Explosión.

Es una forma de materia hipotética que tiene más masa que la materia visible, pero que a diferencia de ésta última, no interactúa con la fuerza electromagnética. Los científicos infieren su presencia porque tiene efectos gravitacionales en la materia visible. Por ejemplo, las velocidades de rotación de las galaxias, las velocidades orbitales de las galaxias dentro de los cúmulos, y la distribución de las temperaturas de los gases de las galaxias, todas apuntan a que tiene que haber algo allí algo más.

Hay más materia en los cúmulos de galaxias de la que podríamos esperar de las galaxias y el gas caliente que podemos ver. Al parecer, el 30% del universo está compuesto de materia oscura. Descubrir su naturaleza es una de las metas más importantes de la astronomía moderna.

Esta es la Meca y quizás el mayor misterio de la cosmología actual. La energía oscura es una presencia misteriosa que ofrece la mejor explicación hasta el momento acerca de por qué el universo se expande a una tasa acelerada. En el modelo actual de la cosmología, la energía oscura conforma el 70% del total de la masa-energía del universo.

Hay dos modelos según los cuales la energía oscura, o bien permea el universo de forma heterogénea, o bien cambia de densidad y energía en ciertos momentos/lugares. Los científicos concuerdan en que tiene baja densidad (10-29 gramos por centímetros cúbico) y no interactúa con las fuerzas fundamentales, excepto con la gravedad.

Las galaxias contienen nubes de polvo y gas, en su mayoría hidrógeno, llamadas nebulosas. Si la nebulosa se agranda lo suficiente, entonces su propia gravedad comienza a ganarle a la presión del gas, y la nube puede comenzar a colapsar. Si esto sucede, entonces la gravedad, la temperatura y la presión aumentan, hasta que la nube se ha colapsado lo suficiente para subir la temperatura requerida para fundir, o quemar, el hidrógeno.

Y una vez comienza ese proceso de fusión, la energía liberada detiene la contracción, y pierde las capas externas del gas. Lo que queda es una bola incandescente mayormente de hidrógeno, encendida e iluminada por las reacciones de fusión en su núcleo: una estrella.

Imagen: Nacimiento de la Estrella, región S106 - IRS4

Cuando se le agota su combustible (el hidrógeno), la estrella comienza a declinar. El núcleo queda convertido en helio (el producto de la fusión del hidrógeno), y el hidrógeno sigue fusionándose, pero sólo en la capa superior del núcleo. Cuando esto sucede, el núcleo se comienza a colapsar, pero al mismo tiempo las regiones exteriores de la estrella son empujadas hacia afuera. La estrella se vuelve más fría y más brillante. Es cuando la estrella es un Gigante Rojo. Dentro de 5 mil millones de años, es lo que le pasará a nuestro sol, que crecerá hasta tratarse a Mercurio, Venus y la Tierra. Si la estrella es grande, comenzará el ciclo de nuevo quemando el helio dentro de su núcleo. Si es verdaderamente masiva, entrará en una tercera etapa, quemando el carbón. Y si es fenomenalmente enorme, quemará hierro (ver pregunta 14).

Una estrella de entre 5 y 10 veces la masa del sol que, después de quemar hidrógeno, helio y carbón para mantenerse viva, recurrirá al hierro. Pero la fusión de hierro no libera energía, sino que la absorbe. Entonces el núcleo se enfría, toda fusión cesa, y la pobre estrella implota. Y después, explota. Y esta explosión es el acto de violencia más grandioso del cosmos.

Una sola supernova puede ser más brillante que una galaxia entera durante unos días. Después de esta fase, el núcleo puede terminar convertido en una enana blanca, una estrella de neutrones, o un agujero negro. Las supernovas se usan para determinar la distancia a la que está otra galaxia y qué tan corrida al rojo está, es decir, su velocidad de expansión.

Imagen: Supernova 1987a.

Las observaciones del Observatorio de Rayos Cósmicos Pierre Auger en 2007, en Argentina, apuntan a que una de las fuentes es el núcleo activo de las galaxias, o sea los agujeros negros. El 90% de los rayos cósmicos son protones, el 9% son núcleos de helio, mientras que el 1% restante son electrones.

Gracias a la baja densidad de la materia del espacio, estas partículas logran viajar en una pieza, hasta que colisionan con otras partículas en nuestra atmósfera, causando chubascos cuya energía y composición es medida en algunos de los observatorios más interesantes de la astronomía.

Existen unos 100 mil millones (10011). Ahora bien, el proceso detallado de su formación es otra de las preguntas abiertas de la astronomía. Hay varias teorías según las cuales estructuras pequeñas como cúmulos globulares se fueron uniendo unos a otros bajo las fuerzas gravitacionales.

Imagen: Galaxia NGC 4603, se encuentra a 108 millones de años luz.

Es muy común que las galaxias choquen e interactúen con otras galaxias. De hecho, se cree que las colisiones y uniones entre galaxias son uno de los principales procesos en su evolución. La mayoría de las galaxias han interactuado con otras galaxias desde que se formaron. Y lo interesante es que en esas colisiones no hay choques entre estrellas.

La razón es que el tamaño de las estrellas es muy pequeño comparado con la distancia entre ellas. En cambio el gas y el polvo sí interactúan de tal manera, que es capaz hasta de cambiar la forma de la galaxia. La fricción entre el gas y las galaxias que chocan produce ondas de choque que pueden a su vez iniciar la formación de estrellas en una región dada de la galaxia.

Nuevas observaciones indican que sí. La mayoría de las galaxias fueron creadas temprano en la historia del universo, y los astrónomos pensaban que galaxias grandes, como la Vía Láctea, que tiene 12 mil millones de años, ya no estaban naciendo. Pero el telescopio espacial GALEX, lanzado en 2003, ha detectado varias galaxias que parecen tener apenas entre cien millones y mil millones de años, es decir, unos bebés.

Se espera que la era actual de formación de estrellas continuará durante otros cien mil millones de años, y después la “era estelar” comenzará a declinar durante cien trillones de años (1013–1014 años), a medida que las estrellas más pequeñas y de vida más larga (las diminutas enanas rojas), comiencen a apagarse. Al final de la era estelar las galaxias estarán compuestas de objetos compactos: enanas pardas, enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros.

La antimateria es algo real y comprobado. Todas las partículas elementales, como los protones y electrones, tienen una contraparte con la misma masa pero la carga opuesta. Por ejemplo, la contraparte de un electrón, que tiene carga negativa, es un positrón, que tiene carga positiva. Cuando una partícula choca contra su antipartícula, se destruyen a sí mismas, liberando un estallido de energía conocido como rayo gamma. La antimateria tiene usos médicos prácticos en la tomografía de emisión de positrones (PET scan). Y podría eventualmente usarse como combustible de naves espaciales.

Cuando el universo estaba en sus primeras etapas de formación existían pares de partículas-antipartículas de todas clases que eran continuamente creadas y destruidas en colisiones. Pero en un momento dado, una reacción llamada bariogénesis violó esta simetría, causando un pequeño exceso de quarks y leptones sobre los antiquarks y antileptones (1 parte de antimateria por 30 millones de partes de materia bariónica). Y desde entonces, nuestro universo está dominado por la materia “normal”. Hace poco se descubrió que una de las fuentes de positrones son los agujeros negros en el momento de devorarse una estrella.

Son objetos, o regiones del universo tan densos que nada escapa de su atracción gravitacional, y que no sólo son reales, sino que son muy prevalentes en el universo. Por lo general se formaron cuando una estrella se convierte en supernova: sus núcleos implotan y no existe una fuerza conocida que pueda detener la inmensa gravedad que se cierne sobre ese núcleo.

Se cree que casi todas las galaxias contienen agujeros negros en su centro, millones y miles de millones más masivos que nuestro sol. Algunos de ellos son los objetos más violentos y energéticos del universo: al absorber estrellas, polvo y gases, estos agujeros negros disparan jets de radio y emiten puntos de luz sumamente intensos llamados cuásares (que no son estrellas sino “fuentes de radio casi estelares”). Mientras que otros, con frecuencia los más viejos (como el que yace en el centro de la Vía Láctea) son tragones más calmados. No podemos observar directamente a los agujeros negros, pero sí vemos el efecto que produce el material que los rodea: estrellas y nubes de gas y polvo que lanzan el equivalente al último grito antes de ser chupados por este extraño fenómeno.

Imagen: Agujero Negro

Las investigaciones de expertos como Stephen Hawking parecen indicar que los agujeros negros no capturan la materia por siempre, sino que a veces hay “goteos” lentos, en forma de una energía llamada radiación de Hawking. Eso significa que es posible que no tengan una vida eterna. Los agujeros se van achicando y sucede que la tasa de radiación aumenta a medida que la masa de agujero disminuye, de tal manera que el objeto irradia más intensamente a medida que se va desvaneciendo.

Pero nadie está seguro de lo que sucede durante las últimas etapas de la evaporación de un agujero negro. Algunos astrónomos piensan que permanece un diminuto remanente. En general, el concepto de la evaporación de agujeros negros sigue siendo más bien especulativo.

Cuando dos galaxias se unen, sus agujeros negros supermasivos (miles de millones el tamaño del sol) eventualmente tienen que interactuar. Ya sea en un violento impacto directo, o acercándose hacia el centro hasta tocarse uno con otro. Y es allí donde las cosas se ponen interesantes. En vez de acercase de buena manera, las fuerzas de ambos monstruos son tan extremas, que uno de ellos es pateado fuera de la galaxia recién unida a velocidades tan tremendas, que no puede volver nunca.

Por su parte, el agujero que da la patada recibe una tremenda cantidad de energía, la cual se inyecta en el disco de gas y polvo que lo rodea. Y entonces este disco emite un suave resplandor de rayos X que dura miles de años. El choque de dos agujeros negros es un evento rarísimo.

Las ecuaciones de la relatividad general tienen una interesante propiedad matemática: sin simétricas en el tiempo. Eso significa que uno puede tomar cualquier solución a las ecuaciones e imaginar que el tiempo fluye a la inversa, en lugar de hacia a delante, y obtendrá otro grupo de soluciones a las ecuaciones, igualmente válidas.

Si uno aplica esta regla a la solución matemática que describe a los agujeros negros, termina obteniendo un agujero blanco. Puesto que un agujero negro es una región del espacio de la cual nada puede escapar, la versión en reversa es una región del espacio en la cual no puede caer nada. De hecho, así como un agujero negro sólo puede tragarse las cosas, un agujero blanco sólo las puede escupir. Los agujeros blancos son una solución matemática perfectamente válida a las ecuaciones de la relatividad general. Pero eso no significa que realmente exista uno en la naturaleza. Porque producir uno es tan imposible como destruir un agujero negro, (puesto que los dos procesos son reversiones en el tiempo el uno del otro).

Durante más de dos décadas los científicos han estado buscando una de las cosas más elusivas en el universo, el bosón de Higgs, aquella particular que le confiere la masa a todas las cosas del cosmos. Es una partícula teorizada, pero nunca vista. El bosón de Higgs es famoso por ser la única particular predicha por el Modelo Estándar de la Física que permanece no detectada.

En teoría, todas las demás partículas en este universo obtienen su masa al interactuar con el campo creado por los bosones de Higgs. Si el Higgs es descubierto, el modelo estándar puede anunciar que es la teoría que lo unifica todo, exceptuando a la gravedad.

Las Grandes Teorías Unificadas de la física de partículas predicen que el protón tiene una vida finita. La física de cómo un protón se desintegra espontáneamente está estrechamente relacionada con la física de la Gran Explosión, y con la diferencia entre la cantidad de materia y antimateria existente en el universo. El descubrimiento de esta desintegración espontánea del protón sería uno de los más fundamentales de la física y la cosmología. Su respuesta podría llegar con un gran detector internacional subterráneo que Europa intenta diseñar.

Una onda gravitacional es una pequeña fluctuación en la curvatura de la tela del espacio-tiempo, la cual se propaga en forma de ola, viajando hacia a fuera a partir de un objeto o un sistema de objetos en movimiento. Fue predicha por Einstein, y su estudio podría contestar el gran interrogante sobre cuál es la naturaleza de gravedad.

Aunque la radiación gravitacional no ha sido medida directamente, su existencia se ha demostrado indirectamente, y se piensa que podría estar ligada a violentos fenómenos cósmicos. Una sofisticada antena interferométrica espacial llamada LISA, que será puesta en órbita en la próxima década, se dedicará a detectar y analizar las ondas gravitacionales.

Los lentes gravitacionales son curvaturas en el espacio tiempo que rompen la luz de las estrellas en espejismos dobles, triples y cuádruples desde el comienzo del tiempo. Imagine un objeto brillante que esté muy lejos de la Tierra (digamos a 10 mil millones de años luz de distancia). Si no hay nada entre usted y ese objeto, usted verá (con un súper telescopio) sólo una imagen del objeto.

Pero si una galaxia masiva o un cúmulo de galaxias bloquea la vista directa de esa otra estrella, la luz del objeto lejano se doblará siguiendo el campo gravitacional alrededor de la galaxia. Es decir, la gravedad de la galaxia que está delante actúa como un lente para reorientar los rayos de luz. Pero, el lugar de crear una sola imagen del objeto distante, esta lente crea imágenes múltiples del mismo objeto. Los lentes gravitacionales se usan como telescopios naturales para detectar esos objetos sumamente viejos y lejanos, y para estudiar la geometría y expansión del universo.

Hasta el momento ninguna sonda espacial o telescopio han hallado rastros concretos de vida tal como la conocemos en la Tierra. El debate sobre la vida extraterrestre está dividido entre quienes piensan que la vida en la Tierra es sumamente compleja, por lo que es poco probable que exista algo semejante a nosotros en otro planeta. Y aquellos que señalan que los procesos y elementos químicos involucrados en las criaturas terrestres son muy comunes en todo el universo, y que lo único que hay que buscar son las condiciones adecuadas. Para ellos, es bastante probable que exista vida similar a la nuestra en otros mundos.

Para los astrobiólogos que estudian la posibilidad de vida en otros mundos, los viajes interplanetarios no tienen por qué ser el privilegio de cometas, polvo cósmico o sondas espaciales con o sin gente dentro. No es descabellado, dicen, pensar que existan o hayan existido otros cosmonautas allá afuera: Vaqueros que viajan a lomo de asteroides, polizones que se esconden entre los dobleces de un traje espacial, y hasta criaturas infelices desplazadas de sus mundos por colisiones brutales.

Todas estas formas de vida diminutas podrían haber rebotado entre un planeta y otro, llevadas de aquí para allá como hojas al viento por la brutal meteorología cósmica. Vista así, la vida en la Tierra podría perfectamente provenir de Marte… o viceversa. O quizás de la luna Europa, o por qué no, de Titán. O tal vez la espora con la chispa de la vida provino del otro lado de la nube de asteroides Oort. Ésta es la teoría de la Panspermia.

El agua y la vida que conocemos son inseparables. No se ha visto aun a ningún organismo existir sin agua. Las células necesitan agua para rodear sus membranas. Sin embargo, sí hay formas de vida (unos cuantos animales, plantas y un número desconocido de microbios) que se las arreglan para sobrevivir durante largos períodos de tiempo sin el líquido.

Pueden disecarse como un papel y permanecer así durante horas o décadas, para revivir inmediatamente al entrar en contacto con el agua. Las preguntas sin resolver acerca de estos seres tan especiales son dos: ¿Cómo toleran esta sequía interior de sus cuerpos? y, ¿por qué no son más comunes?

Cualquiera diría, observando nuestro Sistema Solar desde lejos, que Júpiter y el sol son los dos únicos objetos allí. El planeta es enorme. Pero con toda esa enormidad, aún es mil veces más pequeño que el sol. Para ser una estrella, Júpiter tendría que ser 80 veces más grande.

Porque ser masivo es la única manera de generar suficiente calor interno que permita las reacciones de fusión termonuclear "la energía que les da su luz a las estrellas". Y como eso nunca va a suceder, por eso se dice que Júpiter es una estrella fallida.


El Modelo Estándar de la Física siempre dijo que los neutrinos no tenían masa. Resulta que sí la tienen, según un descubrimiento de la pasada década. Es más: vienen en varios “sabores” y pueden oscilar, o cambiar de identidad, entre uno y otro. Eso significa que estas interesantes partículas son la primera prueba confiable de fenómenos que están por fuera de este modelo estándar.

Los detectores de neutrinos del futuro tienen la misión de contestar otros interrogantes sobre estas partículas: ¿Qué nos dicen estos cambios de identidad acerca de los procesos que generan calor en el interior de la Tierra? ¿Tienen claves sobre las explosiones de las supernovas? ¿Son los neutrinos sus propias antipartículas?