Astrofísica y Física: ¿Qué es la Cosmología?

¿Qué es la Cosmología?

Los cosmólogos estudian el universo como un todo: su nacimiento, crecimiento, forma, tamaño y destino final. La vasta escala del universo se hizo evidente en la década de 1920 cuando Edwin Hubble demostró que las "nebulosas espirales" son en realidad otras galaxias como la nuestra, situadas de millones a miles de millones de años luz de distancia.Hubble encontró que la mayoría de las galaxias son de color rojizo: el espectro de su luz se mueve hacia las longitudes de onda más rojas. Esto se puede explicar como un desplazamiento Doppler si las galaxias se están alejando de nosotros. Las galaxias más distantes tienen un mayor corrimiento al rojo, lo que implica que están retrocediendo más rápido, en una relación establecida por la constante de Hubble.El descubrimiento de que todo el universo se está expandiendo condujo a la teoría del Big Bang. Esto indica que si todo se está expandiendo ahora,  presumiblemente, en el pasado todo estuvo mucho más cerca, en un estado denso y caliente. Una idea rival, la teoría del estado estacionario, sostiene que la nueva materia es constantemente creada para llenar los vacíos generados por la expansión. Pero el big bang triunfó en gran medida  en 1965, cuando Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron la radiación del fondo cósmico de microondas. Esta  radiación de calor es la reliquia emitida por la materia caliente en el universo primitivo, 380.000 años después del primer instante del Big Bang. 

La curvatura del espacio-tiempo.

El crecimiento del universo se puede modelar con la teoría  de la relatividad general de Albert Einstein, que describe cómo la materia y la energía curvan el espacio-tiempo. Creemos que la curvatura se debe a la fuerza de la gravedad.Suponiendo cierto el principio cosmológico, que postula que en las escalas más grandes el universo es uniforme, la relatividad general produce bastante ecuaciones simples llamadas modelos de Friedmann para describir la curvatura del espacio y su expansión.De acuerdo con estos modelos, la forma del universo podría ser como la superficie de una esfera, o curva, como la superficie de una silla de montar.Pero, de hecho, las observaciones sugieren que está  entre las dos,  es decir, el universo es casi plano. Una explicación para esta geometría la encontramos en la teoría de la inflación. Esta teoría indica que durante la primera fracción de segundo de existencia, el espacio se expandió a una velocidad aterradora, aplanando cualquier curvatura original. Esto explicaría también el problema del horizonte, es decir, por qué  un lado del universo posee casi la misma densidad y temperatura que los otros lados.

Sin embargo, el universo no es totalmente liso. En 1990 el satélite COBE detectó ondas en el fondo cósmico de microondas correspondientes a la firma de las fluctuaciones de densidad primordiales. Estas ondas leves en los inicios del universo pueden haber sido generada por fluctuaciones cuánticas aleatorias en el campo de la energía que impulsó la inflación. Los defectos topológicos en el espacio también podrían haber causado las fluctuaciones, pero no llegan a encajar bien con las observaciones.Estas fluctuaciones de densidad constituyen la semilla de las actuales galaxias y cúmulos de galaxias, que están dispersos por todo el universo constituyendo una estructura espumosa a gran escala. Todas estas estructuras se formaron porque la gravedad amplificó las fluctuaciones originales.

La materia oscura.

Sin embargo, en las simulaciones, la materia visible no proporciona la suficiente gravedad como para crear la estructura que vemos: tiene que ser ayudada por algún tipo de materia oscura. Más pruebas de la materia oscura provienen de que las galaxias  giran muy rápido para mantenerse unidas sin un pegamento gravitacional extra.La materia oscura no puede ser como la materia ordinaria, debe ser algo exótico, probablemente generado en los momentos tempranos calientes del Big Bang - tal vez partículas como WIMP (partículas masivas de interacción débil).

 La energía oscura.

Otro misterio oscuro surgió en la década de 1990, cuando los astrónomos encontraron que las supernovas distantes son sorprendentemente débiles, lo que sugiere que la expansión del universo no se está desacelerando, sino aceleración. El universo parece estar dominado por una fuerza repulsiva, o antigravedad, que se ha denominado energía oscura. Puede ser una constante cosmológica (o energía del vacío) o un campo de energía cambiante como quintaesencia. Podría derivarse de las extrañas propiedades de los neutrinos, o podría ser otra modificación de la gravedad.La nave espacial WMAP realizó unas mediciones precisas de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, encontrando que nuestro universo, con 13.7 mil millones años de edad, contiene un 4% de materia ordinaria, un 22% de materia oscura, y un 74% de energía oscura. Los datosde WMAP también encajan con la teoría inflacionaria. Sin embargo, una prueba más severa de la inflación se espera con la detección de las ondas gravitatorias cósmicas, creadas en la rápida inflación, y que tendrían que haber dejado huellas sutiles en el fondo de microondas.

La densidad de la energía oscura es mucho menor que la energía del vacío que predice la teoría cuántica. Si fuera mayor impediría la formación de las estrellas ya que desgarraría las nubes de gas evitando la formación de los astros.  Eso ha llevado a algunos cosmólogos a adoptar el principio antrópico que postula que las propiedades de nuestro universo tienden a ser adecuadas para la vida, de lo contrario no estaríamos aquí para observarlo.

 Preguntas sin respuesta.

Las cuestiones más importantes siguen sin respuesta. No sabemos el verdadero tamaño del universo, incluso si es infinito o no. Tampoco conocemos su topología - si el espacio se envuelve alrededor de sí mismo.No sabemos qué causó la inflación, o si se ha creado una gran cantidad de universos paralelos lejos del nuestro, ya que muchas teorías inflacionarias implica su existencia.Y no está claro por qué el universo favorece la materia sobre la antimateria. A principios del Big Bang, cuando las partículas se estaban creando, debe haber habido un fuerte sesgo hacia la materia, que el modelo estándar de física de partículas no pueden explicar. De lo contrario la materia y la antimateria se habrían aniquilado mutuamente y no habrían dejado casi nada.

El destino del universo depende de la naturaleza desconocida de la energía oscura y cómo se comportará en el futuro: las galaxias podrían quedar aisladas por la aceleración, o toda la materia podría ser destruida en un universo que  podría colapsar en un big crunch - o tal vezvolver a la expansión como un universo cíclico. El universo podría incluso ser tragado por un agujero de gusano gigante.Y el verdadero comienzo, si lo hubo, aún se desconoce, porque en la singularidad inicial, todas las teorías físicas conocidas se rompen. Para entender el origen del universo probablemente necesitaremos una teoría de la gravedad cuántica.

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