La Gran Explosión del Universo

Ideal - Almería. DR. ROBERT W. WILSON/PREMIO NOBEL DE FÍSICA. 07-06-05

VIVIMOS en una época de expansión vertiginosa en nuestros conocimientos del Universo. Gracias a las técnicas de la astrofísica moderna estamos extendiendo las fronteras del universo conocido, tanto en el espacio como en el tiempo, hasta llegar a observar sus orígenes e intentar entenderlos. Este año se celebra el centenario de cuatro contribuciones básicas de Albert Einstein a nuestro entendimiento del mundo a través de la física, entre ellas la teoría de la relatividad especial. Diez años más tarde, en 1915 Einstein formuló su teoría de la relatividad general, que pretende explicar como funciona la fuerza de la gravedad en todo el universo.

Einstein intentó aplicar su teoría a los sistemas de estrellas y galaxias pero no podía explicar a entera satisfacción como la fuerza de la gravedad no causa el colapso rápido del universo. Él y todos sus contemporáneos pensaban que el universo está estático, ni en expansión ni en colapso. Pero mas tarde, en los años 30, Edwin Hubble observó que el universo está en expansión continua y rápida. Todas las galaxias se alejan unas de otras, de tal forma que cuanto mas grande es la distancia entre dos grupos de galaxias, más rápidamente es su velocidad de separación. Este descubrimiento fue una de las dos claves para entender como funciona el universo como un todo.

El segundo descubrimiento clave fue el del fondo cósmico de microondas, en el cual tuve la buena fortuna de participar. Una vez establecida la expansión del Universo, surgieron dos teorías, dos modelos sobre como se pudo causar la expansión. Se llamaban el modelo del 'Estado constante' y el modelo de la 'Gran Explosión', y en los años 50 había una pugna entre ellos para ver cual de las dos era capaz de explicar mejor los hechos observados. El modelo del 'Estado Constante' se basó en la idea de que mientras las galaxias se separan, nuevos átomos de hidrógeno se crean en el espacio condensándose en nubes de gas y a su vez en nuevas galaxias de estrellas. Hay una presión permanente causada por esta creación continua de átomos que da lugar a la expansión observada del universo. La idea es atractiva, pero resultó errónea, como muchas teorías científicas, que tienen sentido pero que no explican lo que se ve y se mide.

Una predicción clave del modelo del Estado Constante fue que el universo debe tener la misma densidad de galaxias en todas las direcciones y en todas las escalas, desde las distancias relativamente cortas hasta las más largas observables. En los años 60 los radioastrónomos encontraron que hay muchas más galaxias débiles (de las cuales recibimos poca luz, y por lo tanto están muy distantes), que el número predicho por el modelo del Estado Constante. Eso implica que en épocas más tempranas el universo fue más denso, lo cual va en contra de la predicción del propio modelo. Fue la primera grieta en el modelo del 'Estado Constante'. La segunda, fue el descubrimiento de la radiación del fondo cósmico de microondas, que a continuación comentamos.

El modelo de la 'Gran Explosión' o en inglés el 'Big Bang', es una forma natural de explicar el hecho de la expansión observada del universo. Si al principio hubiera una explosión inmensa, capaz de echar hacia fuera todo el material del universo, el resultado sería un sistema expandiéndose con alta velocidad tal y como lo vemos ahora. El físico teórico George Gamow ideó un modelo basado en esta hipótesis, una consecuencia del cual era que en el momento inicial de la explosión el universo tendría que tener una densidad y una temperatura inmensamente alta. Se le llama a este estado del universo la 'bola de fuego primordial'. Al explotar y al expandirse, el universo se enfrió y su densidad bajó hasta llegar a condiciones más familiares para nosotros, condiciones propicias para la formación de las galaxias compuestas por estrellas. Un problema con este modelo fue que predecía un fenómeno que parecía no existir. Decía que el universo debe estar lleno de un fondo de radiación, producido en la bola de fuego primordial, pero ahora enfriado por la propia expansión del universo. Los astrónomos buscaban este fondo de radiación pero no lo encontraban. Al principio de los años 60 un grupo de investigadores en la Universidad de Princeton en los EE UU estaban construyendo un experimento más sensible siguiendo las predicciones de un teórico del grupo, Robert Dicke, sobre la posible temperatura actual de la radiación del fondo cósmico, que implicaba buscar en el rango de las microondas.

No quiero entrar en los detalles de como Arnold Penzias y yo, trabajando paralelamente a ellos, pero en los Laboratorios Bell, mientras perfeccionábamos un telescopio y un detector idóneos para observar objetos astronómicos en el rango de microondas, descubrimos exactamente este fondo cósmico que resultó ser la prueba clave de la bondad de la teoría de la gran explosión. Insisto en que no entraré en detalles, por ser una historia que se ha narrado un sinfín de veces. Solo comentaré que el descubrimiento ocurrió sin planificación por nuestra parte, y que gracias a un contacto científico que tuvimos con el grupo de Princeton llegamos a darnos cuenta de la gran importancia de ello.

La importancia inicial del descubrimiento del fondo cósmico de radiación fue el apoyar de forma decisiva el modelo de la Gran Explosión como la base de nuestro entendimiento de la cosmología moderna. Pero los científicos nunca están satisfechos con un descubrimiento básico, y en las décadas siguientes han ido perfeccionando las medidas de la radiación del fondo cósmico para descubrir con mucho más detalle cómo se formó el universo, su estructura, los elementos químicos que constituyen nuestro entorno y como funcionan las estrellas y las galaxias. El satélite COBE de la NASA al principio de los 90 midió la temperatura de la radiación con gran precisión, con un valor de 2.73 grados sobre el cero absoluto, es decir cerca de 270 grados centígrados bajo cero. COBE, y también el Experimento de Tenerife (entre las Universidades de Manchester y Cambridge en Inglaterra, y el Instituto de Astrofísica de Canarias en España) detectaron por primera vez las pequeñas variaciones en la temperatura del fondo en su distribución sobre el plano del cielo que corresponden a las pequeñas variaciones en la densidad del universo temprano que dieron lugar más tarde a las galaxias. Es decir se han des- cubierto las 'semillas de las galaxias' en el fondo cósmico de la radiación. Más recientemente una serie de experimentos con globos estratosféricos y con un satélite WMAP de la NASA han conseguido no solamente detectar las rugosidades en el fondo cósmico, sino hacer mapas detallados de ellas. Con estos mapas estamos entendiendo cada vez más sobre las condiciones en los primeros minutos, y aun segundos, e incluso microsegundos después del instante de la Gran Explosión, perfeccionando nuestro entendimiento del universo.

Nuestra mejor estimación es que la materia normal de nuestro entorno constituye menos del 5% de todo lo contenido en el universo, y el 95% restante, se comparte entre la misteriosa 'materia oscura' (un 25% aproximadamente) y la más misteriosa aún 'energía oscura' (el 70%). Estudios más precisos, como por ejemplo el del satélite PLANCK de la Agencia Espacial Europea, previsto para el año 2009 en el que participan entre otros la Universidad de Granada y el Instituto de Astrofísica de Canarias, adelantarán nuestras pesquisas en estos temas tan difíciles de abordar, pero tan apasionantes para nuestro concepto del lugar de la Tierra y del hombre dentro de nuestro universo intrigante y magnífico.