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Temas 33 Presente Y Futuro Del Cosmos

Descripción: TEMAS 33 Presente y Futuro Del Cosmos

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Presente y futuro del cosmos         3         3         0         0         0    3    0    0    2   e   r    t   s   e   m    i   r    t   r   e    3         8         6         6        5        5         3         1         1         4         8        7        7         9 6,50 EURO    o      i    r    a    m    u     S INTRODUCCION 4 El sentido de la cosmología moderna P. James E. Peebles EVOLUCION 8 El ciclo vital de las galaxias Guinevere Kauffmann y Frank van den Bosch 18 Estrellas primigenias  Richard B. Larson y Volker Bromm EXPANSION 26 Exploración del espacio-tiempo mediante supernovas Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner   y Nicholas B. Suntzeff  32 Antigravedad cosmológica  Lawrence M. Krauss 40 El sino de la vida en el universo  Lawrence M. Krauss y Glenn D. Starkman 48 El universo y su quintaesencia  Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt  ESTRUCTURA  58 ¿Es finito el espacio?  Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman  y Jeffrey R. Weeks 66 Nuevas dimensiones para otros universos  Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali PERSPECTIVAS 73 Un cartógrafo cósmico Charles L. Bennett, Gary F. Hinshaw y Lyman Page 76 Ecos de la gran explosión  Robert R. Caldwell y Marc Kamionkowski 82 Un telescopio para la energía oscura Pilar Ruiz-Lapuente 86 Una nueva teoría del universo  João Magueijo 88 Ondas en el espacio-tiempo W. Wayt Gibbs INTRODUCCION    A    S    A    N  ,    S    E    L    A    I    C    A    P    S    E    S    O    L    E    U    V    E    D    D    R    A    D    D    O    G    O    R    T    N    E    C    :    E    T    N    E    U    F  ,    N    A    I    J    A    M    A    K  .    T    D    E    R    F    L    A El sentido de la cosmología moderna Un enjambre de ideas y teorías, no siempre compatibles, es el fruto de la extraordinaria vivacidad de esta disciplina hoy en día P. James E. Peebles C orren tiempos excitantes para los cosmólogos. Asistimos a una oleada de descubrimientos, bullen las ideas y ha cobrado nuevo auge la investigación para someter a prueba las nuevas hipótesis. Pero atravesamos también tiempos de confusión. No pueden ser correctas todas las ideas que están sobre el tapete, seguro. Ni siquiera son coherentes entre sí. ¿Cómo juzgar el progreso? Razonaré mi punto de vista. Los cosmólogos hemos establecido firmemente los fundamentos del campo sobre la refutación de teorías ya periclitadas. En los últimos 70 años hemos reunido pruebas abundantes de que nuestro universo se expande y enfría. En primer lugar, la luz procedente de galaxias remotas está corrida hacia el rojo; así debe ocurrir si el espacio se expande y las galaxias se alejan entre sí. En segundo lugar, un mar de radiación térmica inunda el espacio, de acuerdo con lo que cabe esperar de un espacio que fue más denso y caliente. En tercer lugar, el universo contiene grandes cantidades de deuterio y helio, que es lo que procede si en el pasado las temperaturas fueron mucho más altas. En cuarto lugar, las galaxias parecían, miles de millones de años atrás, nítidamente más jóvenes, según debe suponerse de una era más    N    O    P    A    J    E    D  .    C    A    N    O    C    I    M    O    N    O    R    T    S    A    O    I    R    O    T    A    V    R    E    S    B    O  ,    U    R    A    B    U    S    O    I    P    O    C    S    E    L    E    T 4 cercana al tiempo en que no existían galaxias. Por último, la curvatura del espacio-tiempo parece estar relacionada con el contenido de materia del universo, tal y como debería acontecer si el universo se expande de acuerdo con las predicciones de la teoría de Einstein de la gravitación, la relatividad general. Que el universo está expandiéndose y enfriándose es la esencia de la teoría de la gran explosión —denominación gráfica, pero que puede inducir a error—, en el bien entendido de que describe la evolución del universo, pero no cómo empezó. Suelo comparar el proceso de asentar los resultados, sea en cosmología o en otra ciencia, con el ensamblaje de un marco. Buscamos reforzar cada pieza de prueba mediante el machihembrado de otros tipos de mediciones. Nuestro marco de la expansión del universo está ensamblado con rigidez suficiente como para considerarlo sólido. Nadie cuestiona con seriedad la teoría la gran explosión; todas las piezas encajan de maravilla. InIncluso la alternativa más radical radical —la última encarnación de la teoría del estado estacionario— no pone en duda que el universo se expande y enfría. Todavía se dejarán oír opiniones divergentes en cosmología, pero atañen a los añadidos a la parte consolidada. Por ejemplo, no sabemos qué hacía el universo antes de expandirse. Una teoría puntera, la de la inflación, es una adición atractiva en el marco mencionado, pero carece de refuerzos firmes. En eso es precisamente en lo que los cosmólogos se afanan ahora. Si las mediciones en marcha están de acuerdo con las huellas de la inflación, entonces las contaremos como un argumento convincente de esta teoría. Pero mientras eso no ocurra, me abstendría de apostar sobre la realidad de la inflación. [N. de la R.: los resultados del primer año de obser vacione  vac ioness del saté satélite lite WMAP WMAP,, publ publii- Nuestro marco de la teoría de la gran explosión está apuntalado sólidamente. TEMAS 33 Ficha de las principales teorías Concepto Nota Comentarios El universo evolucionó a partir de un estado más caliente y denso Sobresaliente alto Pruebas convincentes obtenidas desde muchos ángulos de la astronomía y la física El universo se expande tal como predice la teoría de la relatividad general Sobresaliente bajo Pasa los exámenes, pero muy pocos de tales exámenes han sido exigentes La materia oscura constituida por partículas exóticas domina las galaxias La mayor parte de masa del universo se distribuye de forma suave; actúa de acuerdo con la constante cosmológica de Einstein, causando la aceleración de la expansión El universo creció de la inflación cados en febrero de 2003, se han interpretado como una confirmación de algunas predicciones básicas de la hipótesis de la inflación y una reducción del número de modelos inflacionarios concretos viables.] No estoy criticando la teoría; simplemente quiero señalar que éste es un trabajo arriesgado y nuevo que debe esperar su comprobación. Más sólidos son los datos que abonan la idea de que la masa del uni verso consiste en materia oscura agrupada en torno a la periferia de las galaxias. También tenemos respaldo a favor de la denostada constante cosmológica de Einstein o de algo similar; sería el agente de la aceleración que el universo parece estar experimentando. A principios del decenio de 1990, los cosmólogos daban la bien venida  veni da a la mate materia ria oscura osc ura como com o una forma elegante de explicar los movimientos de las estrellas y el gas en las galaxias. Muchísimos investigadores, sin embargo, mostraban su desagrado ante la constante cosmológica. Hoy la mayoría la aceptan, o su concepto aliado, la quintaesencia. Los físicos de partículas han recogido el guante que la constante cosmológica lanza a la teoría cuántica. Este cambio de opinión no refleja debilidad, sino que muestra que el campo se encuentra en un estado de PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS Notable alto Notable bajo Incompleto Muchas líneas de pruebas indirectas, pero hay que encontrar todavía las partículas y descartar las teorías alternativas Prometedor ajuste de medidas recientes, pero tiene que hacerse mucho más para depurar las pruebas y resolver problemas teóricos Elegante, aunque carece de pruebas directas y requiere una extrapolación enorme de las leyes de la física caos saludable alrededor de un marco sólido que crece poco a poco. Estudiantes de la naturaleza, ajustamos nuestros conceptos al progreso de las lecciones. Las enseñanzas, en este caso, incluyen los signos de la aceleración de la expansión: el brillo de las superno vas cercana cerc anass y lej lejanas anas;; la eda edadd de las estrellas más viejas; la curvatura de la luz alrededor de masas remotas, y las fluctuaciones de la temperatura del fondo de radiación térmico del firmamento [ véase “Antigravedad cosmológica”, de Lawrence M. Krauss,  en est estee mis mismo mo núm número ero ]. Pese a las pruebas, impresionantes, me siento todavía incómodo respecto respec to a los detalles de la constante cosmológica, incluidas las posibles contradicciones con los resultados de las simulaciones de la evolución de las galaxias y su distribución espacial. La teoría del universo en aceleración es un edificio en construcción. Admiro la arquitectura, pero no quisiera mudarme allí todavía. Con el tiempo, la inflación, la quintaesencia y otros conceptos sometidos a debate o bien estarán sólidamente integrados en el marco central o bien se abandonarán sustituidos por algo mejor. En cierto modo, traba jamos  ja mos fue fuera ra de la obr a. Per Peroo el e l un i verso  ver so es un lugar complic com plic ado ado,, y ser sería ía    R    E    L    D    N    E    G    T    R    E    B    O    R necio pensar que agotaremos las líneas de investigación productivas en un tiempo cercano. La confusión es un signo de que estamos haciendo algo bien: es la conmoción fértil de una planta en construcción. EVOLUCIÓNDEL UNIVERSO. P. James E. Peebles, David N. Schramm, Edwin L. Turner y Richard G. Kron en Investigación y Ciencia, diciembre 1994. THE INFLATIONARY UNIVERSE: THE QUEST FOR FO R A NEW THE HEOR ORY Y OF COSMIC ORIGINS. Alan H. Guth. Perseus Press, 1997. BEF EFOR ORE E TH THE E BEGINNING: OUR UNIVERSE AND OTHERS. Martin Rees. Perseus Press, 1998. THE ACCELERATING UNIVERSE : INFINITE EXPANSION, THE COSMOLOGICAL CONSTANT, AN AND D TH THE E BEA EAUT UTY Y OF TH THE E COSMOS. Mario Livio y Allan Sandage. John Wiley & Sons, 2000. EMARKS S ON NEW COSMOLOCONCLUDING REMARK GICAL DAT A AND T HE HE VAL UE UES OF THE FUNDAMENTAL PARAMETERS. P. James E. Peebles en  IAU Sympo sium 201: New Cosmological Data and the Values of the Fundamental Parameters. Dirigido por A. N. Lasenby, A. W. Jones y A. Wilkinson; agosto 2000. Borrador disponible en xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/0011252 en la Web. 5 EVOLUCION    N    O    X    I    D    N    O    D El ciclo vital de las galaxias Se está a punto de correr el velo de misterio que envuelve un capítulo  fundamental de la astrofísica: astrofísica: la diversidad de las galaxias galaxias Guinevere Kauffmann y Frank van den Bosch 8 TEMAS 33 H ace un siglo, no se sabía que aglomeraciones gigantescas entre las piezas hay que estudiar diferentes existiese una multitud de ga- que median inmensos vacíos? ¿Por clases de galaxias, cada una obserlaxias. Se creía que la nues- qué las galaxias adoptan esa sor-  vada  vad a en una fase dist distinta inta de su s u hishis tra era el universo. En el espacio prendente variedad de formas, tama- toria. Estas mediciones empezaron a había quizá mil millones de estre- ños y masas? No nos es posible obser- ser cosa de todos los días hará menos llas, y entre ellas unas manchas borro-  var el nacim n acimient ientoo de una gala galaxia xia en e n de diez años, cuando la astronomía sas que parecían estrellas emergen- toda su extensión; procede con exas- entró en una nueva edad de oro. tes o tal vez moribundas. Hasta que perante lentitud. Para montar las Gracias a los avances de los telesllegó la época dorada de la astronomía, los primeros decenios del siglo  XX ; Edwin Hubble y otros demostraron entonces que muchas de esas manchas borrosas eran verdaderas galaxias. ¿Por qué las estrellas residen en    R    E    S    E    E    N    /    L    E    H    T    R    A    B    /    O    E    P    O    R    U    E    L    A    N    O    I    D    I    R    E    M    O    I    R    O    T    A    V    R    E    S    B    O PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 9  ,    a   )    o    i    t    n   r    a   e    m    m    á    e    l   i    d    A  ,   e    g   d    n   z    i    h   l    u    c    r      a   s    o    G    ñ  ,    k   a    c   e    n   d    a   s    l    e    P    x   n    o    l    a   l    i    M    m    a   0    c   0    i    s   9    í    f   e    o    r   d    t    s   n    A    ó    i    e   g    d   e    r    o    t   a    u   n    t    i    t   u    s    n    n    I   e    s    a    E    i    T    x    I   a    l    H    a    g    W  .   e    M  .   d    n    D  .   ó    i    S    c    a    Y    m    r    N    o    N    f    A    a    l    M    e    F    d    F    n    U    ó    A    i    c    K    a  .   l    u    G  ,   i    L   m    s    (    E    l    G    e    N    I   a    r    s    R    I    P  ,    a    S    e  .   r    V    b  ,   e    S    I   H    H    d    a    T    d    A    i    s    M  .   r    e    v    H    i    n    U    L    E    K    E    D  .    A    Y    R    A    D    L    E  .    A  ,    N    O    S    M    E    L  .    G    Y - dos de cosas antes dispersos. Con el descubrimiento de miles de millones de galaxias, la astronomía estelar perdió importancia para la cosmología, y viceversa: las estrellas eran demasiado pequeñas para que contasen a gran escala, los debates sobre el origen del universo demasiado abstractos para los astrónomos estelares. Pero ahora sabemos que un cuadro coherente del universo debe incluir lo grande y lo pequeño. copios y los detectores podemos contemplar la evolución de las galaxias Las especies galácticas a lo largo de escalas de tiempo cósara descubrir cómo se formaron micas. El telescopio espacial Hubble las galaxias se buscan pautas y ha tomado imágenes muy profundas tendencias en sus propiedades. Según del cielo, captando galaxias de una el sistema de clasificación desarrolladebilidad aparente sin precedentes. do por Hubble, las galaxias se diviLos instrumentos de tierra, como los den en tres grandes grupos: elípticas, elípticas, grandes telescopios Keck, han pro- espirales e irregulares ( véase el recuaporcionado datos estadísticos de gala- dro “Tipos de galaxias”). Las más pexias muy lejanas (y, por tanto, anti- sadas son las elípticas, sistemas reguas). Es como si los biólogos contaran gulares, sin rasgos especiales, casi con una máquina del tiempo que les esféricos, que apenas contienen gas permitiera viajar a la prehistoria y o polvo. En ellas las estrellas giran tomar fotografías de los animales y en torno al centro como las abejas revolas plantas que habitaron la Tierra lotean alrededor de la colmena. La en cada época. El desafío de los astró- inmensa mayoría de sus estrellas son nomos es el de los biólogos: determi- muy viejas. nar cómo evolucionaron las especies Las galaxias espirales, así nuesde los tiempos pasados hasta con- tra propia Vía Láctea, son estructu vertirs  ver tirsee en las form f ormas as actual ac tuales. es. ras organizadas muy planas —se las La tarea tiene realmente dimen- llama también galaxias de disco—, siones astronómicas. Abarca escalas donde las estrellas y el gas se muefísicas separadas por muchos órde-  ven en órb órbitas itas cir circul culare aress o casi cir cir-nes de magnitud, de la evolución cós- culares alrededor del centro. Los bramica del universo entero a la consti- zos espirales, que recuerdan a la tución de una simple estrella. Esta rueda de un molinete, son filamenamplitud complica mucho la elabo- tos compuestos de gas, polvo y estreración de modelos realistas del naci- llas jóvenes y calientes. En el centro miento de una galaxia, pero liga esta- presentan un bulbo, una acumula- P La evolución galáctica ■ ■ ■ 10 Uno de los campos más activos de la astrofísica contemporánea es el estudio de la adquisición de la forma de las galaxias. Los telescopios examinan las galaxias más primitivas y las simulaciones por computadora desarrollan los hechos con un detalle sin precedente. Quizá reciban pronto las galaxias lo que se consiguió para las estrellas a principios del siglo XX : una explicación unificada, basada en unos pocos procesos generales, que abarque una inmensa variedad de objetos astronómicos. Entre esos procesos se cuentan las inestabilidades gravitatorias, el enfriamiento radiativo, la relajación (que lleva a las galaxias a un equilibrio interno) y las interacciones intergalácticas. Sin embargo, aún quedan abiertos varios interrogantes. Pudiera despejarlos el profundo efecto que las estrellas, por insignificantes que parezcan comparadas con las grandes escalas galácticas, ejercen en la estructura de las galaxias. ción esferoidal de estrellas, como una galaxia elíptica en miniatura. Alrededor de un tercio de las galaxias espirales ofrecen, hacia su centro, una estructura rectangular. Se piensa que estas “barras” están creadas por inestabilidades del disco. Se denomina irregulares a las galaxias que no encajan en ninguna de las dos categorías precedentes. Parece que algunas fueron elípticas o espirales antes de que un encuentro reciente con una vecina las distorsionase. Otras son sistemas aislados, amorfos; no exhiben signos de perturbaciones recientes. Cada una de las tres clases abarca galaxias de una amplia gama de luminosidades. En promedio, sin embargo, las elípticas brillan más que las espirales, y es más probable que una galaxia débil sea irregular que lo sea una brillante. Con las galaxias más débiles, las enanas, se rompe el esquema de la clasificación. Heterogéneas por naturaleza, cualquier intento de asignarles categorías precisas ha suscitado controversia. A grandes rasgos, se agrupan en dos bloques: los sistemas ricos en gas, donde se generan estrellas, y los pobres en gas, donde no ocurre ese fenómeno. Una pista interesante acerca del origen de la morfología galáctica nos la aporta la curiosa relación que se advierte entre el tipo y la densidad local de galaxias. La mayoría de las galaxias están dispersas por el espacio, lejos de la vecina más cercana; de las que se encuentran en estas circunstancias, sólo del 10 al 20 por ciento son elípticas (las espirales dominan). El resto, sin embargo, se agrupa en cúmulos; para ellas, la situación se invierte. Las elípticas son mayoría, y las espirales que quedan apenas si cuentan con gas y estrellas jóvenes. Esta relación entre la densidad y la morfología intrigó durante largo tiempo a los astrónomos. Luz y oscuridad U n porcentaje pequeño de espirales y elípticas presentan la peculiaridad de poseer un centro muy pequeño y luminoso, un núcleo galáctico activo (NGA). Los ejemplos más extremos y raros son los cuásares, que brillan más que las galaxias a que pertenecen. Se piensa que los NGA  contienen agujeros negros cuya masa multiplica millones y hasta miles de millones de veces la del Sol. La teoría predice que el gas que cae hacia estos monstruos radia un 10 por ciento de su energía intrínseca, suficiente para crear un haz luminoso que se TEMAS 33 Tipos de galaxias S egún la clasificación “diapasónica” “diapasónica” que elaboró Edwin Edwin Hubble en los años veinte del siglo pasado, hay tres tipos básicos de galaxias: elípticas (a (a la derecha, el mango del diapasón ), ) , espirales (las ( las púas del dia-  ( abajo, a la izquierda ). ) . Las galaxias más pequeñas, pasón ) e irregulares (abajo, o enanas, cuentan con su propia, e incierta, taxonomía. Cada uno de estos grupos se divide en subclases, definidas por los detalles morfológicos de las galaxias. A medida que se baja por el diapasón, el disco galáctico adquiere prominencia creciente en las imágenes ópticas, a expensas del bulbo central. Los diferentes tipos de Hubble quizá representen distintas fases de desarrollo. Las galaxias empiezan siendo espirales sin bulbos, sufren una colisión durante la cual se tornan irregulares y terminan constituidas en elípticas o espirales con bulbo. ELIPTICAS M89 E0 M49 E4 IRREGULARES M82 Irregular M110 E5 TIPOS DE ENANAS M32 Elíptica M84 S0 ESPIRALES BARRADAS VII Zw 403 Compacta azul NGC 660 SBa NGC 7217 Sa Pequeña nube de Magallanes Irregular NGC 7479 SBb NGC 4622 Sb Leo I Esferoidal M58 SBc ESPIRALES NORMALES M51 Sc N. A. SHARP/NOAO/AURA/NSF (M82 ); ); B. KEEL/TELESCOPIO HALL/OBSERVATORIO LOWELL (M32 ); ); R. SCHULTE-LADBECK/U. HOPP/M. CRONE/ASTROPHYSICAL JOURNAL (enana compacta azu l); l); NOAO/AURA/NSF (Pequeña Nube de Magallanes ); ); DAVID MALIN, ©OBSERVATORIO ANGLO-AMERICANO (Leo I ); ); NOAO/AURA/NSF (M89, M49, M110, M84 ); ); R. BRANCH/R. MILNER/A. BLOCK/NOAO/  AURA/NSF (NGC 660 ); ); A. BLOCK/NOAO/AURA/NSF (NGC 7479 ); ); F. CIESLAK/A. BLOCK/NOAO/AURA/NSF (M58 ); ); B. KEEL/R. BUTA/G. PURCELL/ OBSERVATORIO INTER-AMERICANO DE CERRO TOLOLO, CHILE (NGC 7217 ); ); G. BYRD/R. BUTA/T. FREEMAN/NASA (NGC 4622 ); ); NASA/STScI/AURA (M51) PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 11    ;    )   )    6   0    7    6   2    9    1   p  ,   r    a   A    i    n   n    r    i    o   ó    f    i    i    l   s    a   l    o    c    C    e   n    d   e    a    í   s    a    g   i    x    o    l   a    l    o   a    n   g    c   (    e   l    T    m    e   t  .    d   h    o   s    e    t    u   m    t    i    a    t   r    s    f    /    n   p    I    (   r    A    P    /    5    R    l    A    e    v    N    e    l    /    O    u    T    L   d    e  .    A    h    H    c    e    E    t    l    D    a  ,   c  .    S    c    E    a    I    p    i    X  .    A    L   w    w    A    w    G    d    e    R    n    A    I    L    U    C    E    P    F    O    S    A    L    T    A    L    E    D detecte en el otro extremo del uni ver so.  verso.  A los NGA se los considerab consid erabaa ante antess anomalías, pero últimamente se ha  vistoo que son una par  vist parte te esen esencial cial en la formación de las galaxias. Alcanzaron su máxima actividad cuando el universo tenía alrededor de un cuarto de su edad actual —al mismo tiempo que se estaba creando la mayoría de las estrellas de las galaxias elípticas—. Es más, se cree que en el interior de toda galaxia elíptica y de toda galaxia espiral con bulbo residen agu jeros  jer os negros supermasi super masivos, vos, haya o no un NGA central. De ello se infiere que toda galaxia ha pasado por uno o más episodios de NGA. Mientras la materia cae hacia el agujero negro, el núcleo está activo. Si no hay materia que lo alimente, permanecerá dormido. La mayor parte de la información que poseemos acerca de estos fenómenos nos llega por mediación de los fotones: fotones ópticos de las estrellas, fotones de radio del gas de hidró geno neutro, fotones de rayos X del gas ionizado. Pero puede que la gran mayoría de la materia no emita fotones de ninguna longitud de onda. Nos referimos a la famosa materia oscura, cuya existencia se conoce a partir de sus efectos gravitatorios. Las partes  visibles de la galaxia se hallan envueltas en “halos” esféricos o elipsoidales de materia oscura. Se cree que, a escalas mayores, halos semejantes a ésos mantienen ligados los cúmulos de galaxias. Hasta ahora, por desgracia, no se ha detectado la materia oscura directamente. Su naturaleza es todavía uno de los mayores misterios de la ciencia. Hoy día, los más aceptan que se trata de materia oscura fría (MOF), partículas sin identificar que apenas 12 - interaccionan entre sí o con las partículas comunes. Se llevan veinte arduos años elaborando un modelo de la formación galáctica basado en la MOF. El marco básico es la teoría de la Gran Explosión y la expansión del universo. Los cosmólogos siguen debatiendo acerca del origen de la expansión y de lo sucedido en sus primeras fases, pero estas incertidumbres no afectan a la formación de las galaxias: su historia comienza unos cien mil años después de la Gran Explosión, cuando el universo se componía ya de bariones (esto es, materia ordinaria, sobre todo núcleos de hidrógeno y helio), electrones (ligados a los núcleos), neutrinos, fotones y MOF. Las observaciones indican que la materia y la radiación se distribuían homogéneamente: la densidad apenas variaba en una parte entre cien mil de un lugar a otro. El problema está en saber cómo pudieron ingredientes tan simples dar lugar a semejante variedad de galaxias. Si se comparan las condiciones de entonces con la actual distribución de la materia, destacan dos diferencias importantes. La primera, que el uni verso  ver so abar ca hoy una gama eno enorme rme de densidades. Las regiones centrales de las galaxias son más de cien mil millones de veces más densas que el universo en su promedio y la Tierr a un trillón de veces más densa que ellas. La segunda, que los bariones y la MOF estaban mezclados al principio, mientras que hoy los bariones constituyen densos nudos (las galaxias) dentro de halos gigantescos de materia oscura. Los bariones y la MOF se han desacoplado. La primera de estas diferencias halla explicación en la acción de la inestabilidad gravitatoria. gravitatoria. A poco que una región sea más densa que la media, su exceso de masa ejercerá una fuerza gravitatoria superior a la media también y atraerá materia hacia sí. Se irán creando de esa for ma campos gravitatorios mayores, que atraerán más y más materia. Este proceso amplifica las diferencias de densidad iniciales. Relajación y equilibrio M ientras tanto, la gravedad de una región debe competir con la expansión del universo, que va separando la materia. Al principio la expansión cósmica domina y la densidad de la región disminuye. Por una razón: decrece más despacio que la densidad de sus alrededores. En un cierto momento, el exceso de densidad de una región, comparada con las cercanías, llega a tal magnitud, que su atracción gravitatoria supera a la expansión cósmica. La región empieza a derrumbarse sobre sí misma. Hasta ese instante la región no constituye un objeto coherente; se trata de un mero incremento aleatorio de la densidad en la bruma que llena el universo. Pero una vez empieza su contracción, o “colapso”, adquiere una vida interna propia. El sistema —al que llamaremos protogalaxia desde ahora— busca un equilibrio. Se denomina a este proceso “relajación”. Los bariones se comportan como las partículas de cualquier gas. Calentados por las ondas de choque originadas en el colapso, intercambian energía en las colisiones que se producen entre ellos; se llega así a un equilibrio hidrostático, un equilibrio entre la presión y la gravedad. La atmósfera de la Tierra también está en equilibrio hidrostático (o casi), razón por la cual la presión disminuye exponencialmente con la altitud. En la materia oscura, sin embargo, la relajación procede de un modo peculiar. Las partículas de MOF son, por definición, muy poco interactivas; no se redistribuye la energía entre ellas mediante colisiones. Un sistema compuesto por estas partículas no alcanzará un equilibrio hidrostático, sino que pasará por una —en expresión más bien contradictoria— relajación  viol  vi olen enta. ta. Ca Cada da pa part rtíc ícula ula no in inte terrcambiará energía con otra partícula individual, sino con el conjunto de partículas por medio del campo gra vitator  vita torio. io. Los cuerpos que se mueven por un campo gravitatorio están siempre canjeando energía gravitatoria por cinética, o viceversa. Si se lanza una pelota al aire, subirá cada vez más alto, pero a la vez se irá frenando: ganará energía gravitatoria a expensas de la cinética; cuando caiga, ganará energía cinética a expensas de la gravitatoria. Las partículas de la MOF de una protogalaxia se comportan de una forma parecida. Mientras se mueven, se va modificando su velocidad conforme cambia el balance de su energía cinética y su energía gravitatoria. Pero al contrario que una pelota cerca de la superficie terrestre, las partículas de la MOF vagan en un campo gravitatoTEMAS 33 La gestación de una galaxia T res procesos básicos determinaron la conversión de los grumos de la sopa primordial en galaxias: la expansión global del universo tras la Gran Explosión, la fuerza de la gravedad y el movimiento de las partículas y de otros constituyentes mayores. Las transacciones cambiantes entre estos tres fenómenos explican que las galaxias sean cuerpos coherentes, independientes, en vez de masas uniformes de gas o un enjambre de agujeros negros. Conforme a esta teoría, se coagulan primero cuerpos pequeños, que luego se juntan y construyen otros mayores. Un ingrediente crucial es la materia oscura, que alcanza un estado de equilibrio distinto del que caracteriza a la materia común.    N    O    X    I    D    N    O    D 1 Muy al principio, un fluido primordial —mezcla de materia común (azul ) y oscura (rojo )— )— llena el universo. Su densidad varía muy poco de un lugar a otro. 2 En una primera fase la expansión cósmica domina la gravedad. El fluido se diluye. Pero las zonas de mayor densidad se diluyen más despacio que las demás. RADIACION 3 Con el tiempo, estas zonas se hacen tan densas, en comparación con su entorno, que la gravedad supera a la expansión; empiezan entonces a desplomarse sobre sí mismas. 4 A medida que el derrumbe progresa, la zona alcanza un equilibrio. La densidad, tanto de la materia común como de la oscura, tiene su máximo en el centro y decrece hacia el exterior. 5 6 7 8 Las protogalaxias interaccionan; se imparten unas a otras momentos angulares y se fusionan, creándose entes cada vez mayores. (Este paso es coetáneo con los pasos 4 y 5.) PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS Cuando se fusionan dos discos de tamaño parecido las órbitas de las estrellas se desordenan. Nace una galaxia elíptica. Es posible que con posterioridad se desarrolle un disco a su alrededor. La materia oscura, que no radia, mantiene su estructura. Pero la materia común sí emite energía; en su derrumbe toma la forma de un disco rotativo que va condensándose en estrellas. Las fusiones galácticas desencadenan la formación de nuevas estrellas y proporcionan material al agujero negro central; se crea así un núcleo galáctico activo, que arrojará chorros de plasma. 13 rio que no es constante. Al fin y al en una estructura mayor. Esta estruccabo, el campo gravitatorio está gene- tura también se fusionará con otras, rado por el conjunto de las partícu- y así sucesivamente. La construcción las que participan en el colapso.  jer arquiza  jerarq uizada da caracte cara cteriza riza a los modeLos cambios en el campo gravita- los de MOF. La razón es muy simple. torio llevan a algunas partículas a Puesto que las fluctuaciones a ganar energía y a otras a perderla. pequeña escala de la densidad se Tal y como ocurre con los bariones, superponen a las de escalas mayores, el sistema se relaja gracias a esta la densidad alcanza su máximo valor redistribución de la energía de las en las regiones menores. Cabe una partículas y se crea un halo de MOF analogía con la cima de una montaña. en un estado de equilibrio denominado La posición exacta del pico coincide  virial.  viri al. El proc proceso eso es comp complejo lejo y nunc nuncaa con una estructura diminuta: una se ha desarrollado teóricamente en china, digamos, en una piedra arriba detalle. A falta de una análisis rigu- de una cuesta en lo más alto del roso, se intenta reproducirlo con simu- monte. Si un banco de niebla se echa laciones, que muestran que todos los encima de la montaña, primero se halos de MOF en equilibrio virial tie- esfumará la china, luego la piedra, nen distribuciones de densidad simi- después el repecho y por último el lares. monte entero. El punto final del colapso y relaDe forma similar, las regiones más  jación  jac ión de una proto pr otogala galaxia xia es el halo hal o densas del universo temprano son las de materia oscura, en cuyo interior protogalaxias más pequeñas, las prise encuentra el gas bariónico en equi- meras regiones que se han desplolibrio hidrostático a una tempera- mado sobre sí mismas, seguidas por tura de unos millones de grados. Cada estructuras cada vez mayores. Lo que partícula de la MOF conservará su distingue a la MOF de otros tipos energía a partir de este momento; el posibles de materia oscura es que gas bariónico, en cambio, emitirá experimenta fluctuaciones de densiradiación, se enfriará, se contraerá dad a todas las escalas. Los neutriy se acumulará en el centro del halo nos, por ejemplo, carecen de flucde materia oscura. El enfriamiento tuaciones a escalas pequeñas. Un es la causa del desacoplo entre bario- universo dominado por los neutrinos nes y la MOF. sería como una montaña con una cima Hasta ahora hemos considerado la llanísima. formación de una galaxia aislada, No podemos describir con relacioignorando su entorno. Cerca se cons- nes matemáticas sencillas la formatituirán otras galaxias. La gravedad ción jerárquica de los halos de matelas aproximará hasta que se fusionen ria oscura. Hemos de recurrir a simulaciones numéricas. Para simular una parte del universo con una resolución que permita estudiar la formación de halos individuales se utilizan los superordenadores. Las propiedades estadísticas y la distribución espacial de los halos resultantes concuerdan muy bien con las de las galaxias observadas, lo que constituye un sólido respaldo del modelo de formación jerárquica y de la existencia de la MOF. El papel de la rotación L a construcción jerarquizada explica de forma natural la diversidad de las estructuras galácticas. En las galaxias espirales, las estrellas y el gas recorren órbitas circulares. Su estructura, pues, está gobernada por el momento angular. ¿De dónde procede ese momento? Según la hipótesis más común, cuando el universo se llenó de protogalaxias, ejercieron, unas sobre otras, fuerzas de marea que les impartieron un movimiento de rotación. Una vez se produjo el colapso de las protogalaxias, cada una quedó con una cantidad determinada de momento angular.  A medi m edida da que el gas de las pro prototogalaxias se enfriaba, fue contrayéndose y cayendo hacia el centro. Así como los patinadores sobre hielo giran más deprisa cuando cierran los brazos, el gas rota más y más deprisa a medida que se contrae. El gas se aplanaba, por la misma razón que la Tierra es una esfera algo achatada, y con el Las variaciones de la densidad galática L as variaciones de densidad en el universo pregaláctico siguieron una pauta que facilitó la ulterior formación de protogalaxias. Consistían en ondas de va rias longitudes de onda superpuestas a un “ruido rosa” (se originaron como ondas de sonido en el plasma primordia l): DENSIDAD MEDIA        D        A        D        I        S        N        E        D una onda pequeña se superponía a otra un poco mayor, y así sucesivamente. Las mayores densidades, pues, se daban en regiones muy pequeñas. Fueron las que primero se contrajeron y convirtieron en elementos componentes de estructuras mayores. REGIONES QUE SE CONTRAEN PRIMERO    N    E    H    C    A    R    A    S POSICION 14 TEMAS 33 tiempo giró tan rápido que la fuerza centrífuga (dirigida hacia afuera) igualó a la atracción gravitatoria (dirigida hacia dentro). Para cuando se alcanzó este equilibrio centrífugo, el gas, con su aplanamiento, había adquirido ya forma de disco, tan denso ción. Es más, el número de galaxias que empezó a coagularse y crear con brotes de formación de estrellas nubes, donde se formaron las estre- —en los que se crean estrellas a un llas. Nacía así una galaxia espiral. ritmo frenético— aumenta muchíPuesto que la mayoría de los halos simo cuando se observan épocas temterminan con algún momento angu- pranas. Quizás estemos asistiendo lar, es natural preguntarse por qué directamente, por primera vez, a la no todas las galaxias son espirales. formación de galaxias elípticas. ¿Cuándo aparecen las elípticas? Si las galaxias elípticas y los bulDesde hace mucho se enfrentan dos bos de las espirales están ligados a puntos de vista. Según uno de ellos, las fusiones galácticas, será también la mayoría de las estrellas de las gala- muy posible que durante su consxias elípticas y de los bulbos actua- trucción se creen agujeros negros les se formaron en las primeras épo- supermasivos. Se da una sorprencas con un colapso de una pieza. Según dente correlación de la masa de los el otro, las elípticas son productos agujeros negros con la masa de la posteriores, resultado de la fusión de elíptica que los alberga o del bulbo; galaxias espirales. pero no existe correlación con la masa Este segundo punto de vista goza del disco. Se han ampliado los modede una aceptación creciente. Las los de fusión para que incorporen agusimulaciones por computadora de la  jeros supermasivos y, por tanto, NGA. fusión de dos espirales muestra que El abundante gas que se inyecta en las enormes fluctuaciones del campo el centro durante la fusión galáctica gravitatorio terminan por destruir puede revivir un agujero negro dorambos discos. Las estrella s de las dos mido. En otras palabras: los cuásagalaxias están demasiado separadas res abundaban más en el pasado porcomo para chocar entre sí; el proceso que eran más frecuentes las fusiones de fusión recuerda a la relajación vio- galácticas. lenta de la materia oscura. Si las ¿Qué decir de las galaxias enanas? masas de las galaxias se parecen, se Figuran en el esquema jerárquico engendrará una acumulación regu- como residuos, pequeñas aglomeralar de estrellas con unas propiedades ciones que no han conocido todavía muy semejantes a las de una galaxia una fusión. Las observaciones más elíptica. Una cantidad considerable recientes descubren que la formación del gas de los discos de las dos gala- estelar procede en ellas de manera xias originales perderá su momento bastante errática, mediante brotes angular y se desplazará hacia el inte- cortos separados por largos períodos rior. Allí alcanzará densidades muy tranquilos [ véase “Galaxias enanas y altas; comenzará una intensa gene- brotes de formación estelar”, por Sara ración de estrellas. Puede que más C. Beck; I NVE NVESTI STIGAC GACIÓN IÓN Y  C IENCIA , tarde vuelva a caer gas, se enfríe y agosto de 2000]. En galaxias más construya un nuevo disco alrededor pesadas, como la Vía Láctea, la forde la elíptica. Habrá aparecido con mación de estrellas tiene lugar a un ello una galaxia espiral con un bulbo ritmo más o menos constante. Estos en el centro. resultados sorprenden porque se ha El gran rendimiento de la forma- supuesto a menudo que la masa de ción de estrellas durante las fusiones una galaxia determinaba su fertiligalácticas explica que las galaxias dad. Pero en una galaxia ligera las elípticas carezcan de gas: lo han con- explosiones de las supernovas agisumido. Las fusiones explican tam- tan, si no eliminan, el gas del sisbién la relación entre morfología y tema e impiden la formación estelar. densidad: una galaxia en un medio Hasta la perturbación más pequeña muy denso conocerá varias fusiones puede tener un efecto demoledor. y, por tanto, será más probable que Quizá sea esta sensibilidad a las conacabe elíptica. diciones iniciales y a los sucesos aleaLa observación confirma que estas torios la causa de la heterogeneidad fusiones e interacciones fueron comu- de las galaxias enanas. nes en el universo, sobre todo en sus  A pes pesar ar de los nota notables bles éxit éxitos os de principios. En las imágenes del teles- esta concepción establecida de la forcopio espacial Hubble, muchas gala- mación de galaxias, se está lejos de xias antiguas presentan morfologías comprender todos los procesos que perturbadas, huella de una interac- intervienen. Es más, aún quedan por PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS    )    9    7    0    3    C    G    N    n    e    a    j     u    b    r    u    b    r    e    p    u    s    (    A    S    A    N    y    l    l    i    H    l    e    p    a    h    C    n    e    e    t    r    o    N    l    e    d    a    n    i    l    o    r    a    C    e    d    d    a    d    i    s    r    e    v    i    n    U  .    l    a    t    e    L    I    C    E    C    D    L    A    R    E    G resolver algunas incongruencias preocupantes. La simple idea del gas que se enfría dentro de un halo de materia oscura se topa con una dificultad de consideración: la catástrofe del enfriamiento. De acuerdo con los cálculos del ritmo de enfriamien enfriamiento, to, el gas tendría que haberse enfriado deprisa y depositado en el centro de los halos. El espacio intergaláctico se habría vaciado así casi por completo; y, sin embargo, dista mucho de ser un vacío. Alguna fuente extra de energía debió de impedir que el gas se enfriara deprisa. Posibles respuestas ¿Q ué pasa con el momento angular? La cantidad de momento angular que los modelos imparten a las protogalaxias es parec ida a la que se les mide hoy a las espirales. Mientras el gas retenga su momento angular, podrá la hipótesis de la MOF reproducir los tamaños observados de las espirales. Ahora bien, en las simulaciones se pierde momento angular; durante las fusiones galácticas, una gran parte se transfiere a la materia oscura. La consecuencia es que el tamaño de los discos generados por las simulaciones se queda en un décimo del real. Parece que los modelos olvidan algún componente esencial. Hay una tercera incongruencia, que concierne al número de galaxias enanas. Las teorías jerárquicas predicen una abundancia de halos poco pesados de materia oscura y, por extensión, de galaxias enanas. Pero no se ve tal abundancia. El número de enanas de poca masa en los alrededores de la Vía Láctea es de diez a cien veces menor de lo que la teoría predice. O bien esos halos de mate15 ria oscura no existen, o bien escapan simulaciones actuales no incluyen a la detección porque no se forman este proceso, que ocurre a escalas estrellas en su interior. mucho menores que las galácticas. Se han sugerido varias soluciones Incorporar la formación estelar con para estos problemas. Las propues- todo detalle supera la capacidad de tas entran en dos categorías: las que los superordenadores actuales. se decantan por un cambio funda Y, sin emb ar argo, go, la for mac ión de mental de modelo, relativo quizás a estrellas afecta profundamente a la la naturaleza de la materia oscura, estructura de la galaxia [ véase “El y las que revisan la conversión del gas gas entre las estrellas”, por Ronald en estrellas. Pocos son partidarios de J. Reynolds; INVESTIG NVESTIGACIÓN ACIÓN Y CIENCIA , abandonar el modelo de la MOF; fun- marzo de 2002]. Algunos piensan que ciona muy bien para escalas mayo- el efecto de las estrellas podría solres que las galaxias. La mayoría cen-  ventar  vent ar los tres problema prob lemass a la vez. La tra sus esfuerzos, pues, en la energía que ceden calienta el gas; se formación estelar. No obstante, las eliminaría la catástrofe del enfria- miento. El calentamiento frena además el descenso del gas desde el exterior hacia el centro de la galaxia y, por tanto, reduce la transferencia de momento angular a la materia oscura, con lo que se aliviaría el problema del momento angular. Y las explosiones de las supernovas expulsarían masa de las galaxias al medio intergaláctico [véase “Explosiones galácticas”, por Sylvain Veilleux, Gerard Cecil y Jonathan Bland-Hawthorn; I NVESTIGACIÓN GAC IÓN Y CIENCIA , abril de 1996]. En el caso de los halos de masa menor, donde la velocidad de escape es pequeña, el proceso podría ser tan efi- La relajación galáctica U na galaxia es un objeto bien definido —y una parcela arbitraria del espacio— gracias a un estado interno de equilibrio que fija sus propiedades globales: morfología, distribución de su densidad. (Un equilibrio similar determina la temperatura y tamaño de las estrellas.) La materia común y la oscura alcanzan el equilibrio por vías diferentes. MATERIA COMUN 1 La materia común —constituida, sobre todo, por gas de hidrógeno— se mueve en un principio en cualquier dirección. La densidad varía aleatoriamente. 2 Las partículas de gas chocan unas con otras; la energía se redistribuye y se genera una presión que se opone a la gravedad. 3 2 3 Con el tiempo, el gas alcanza un equilibrio hidrostático; en él la densidad es mayor cerca del centro de gravedad. MATERIA OSCURA 1 Al principio, la materia oscura presenta la misma distribución que la materia común. La diferencia estriba en que las partículas no colisionan. 16 A medida que las partículas se mueven, el campo gravitatorio se modifica y las partículas ganan o pierden energía. Gradualmente, el sistema alcanza un equilibrio virial, en el que el campo gravitatorio no vuelve a fluctuar. TEMAS 33    N    O    X    I    D    N    O    D ciente, que apenas se engendrarían estrellas; se explicaría así por qué se observan menos galaxias enanas de las esperadas. Dado nuestro precario entendimiento de todos estos fenómenos, quedan bastantes lagunas en los modelos. Aún está por ver si los problemas se solventarán o si, por el contrario, demandarán un marco nuevo. Nuestra teoría de la formación de las galaxias evolucionará con el tiempo. Los rastreos que se están llevando a cabo, como el “Estudio Digital Sloan de los Cielos”, facilitarán datos mejores tanto de las galaxias cercanas como de las distantes. Los avances de la cosmología fijarán más las condiciones iniciales de la formación galáctica. Las observaciones precisas de la radiación del fondo cósmico de microondas han determinado ya con precisión los valores de los parámetros cosmológicos a gran escala, así que los constructores de modelos pueden centrarse ahora en las complejidades que se presentan a escalas menores. Quizás unifiquemos pronto lo grande, lo pequeño y lo mediano en una teoría indivisa de la evolución cósmica. COSMOLOGICAL PHYSICS. John A. Peacock. Cambridge University Press, 1999. THE FOR ORMAT MATION ION OF ELLIPTICALS, BLACK OLES S AND ACTIVE GALACTIC NUCLEI: A HOLE THEORETICAL PERSPECTIVE. Guinevere Kauffmann, Stéphane Charlot y Martin G. Haehnelt en Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series A, vol. 358, n.o 1772, págs. 21212132; 15 de julio de 2000. THE BIG BANG. Joseph Silk. W. H. Freeman and Company, 2001. THE MORPHOLOGICAL EVOLU VOLUTION TION OF GALAXIES. Roberto G. Abraham y Sidney van den Bergh en Science, vol. 293, n.o 5533, págs. 1273-1278; 17 de agosto de 2001. Disponible en astro-ph/0109358. THE ANGULAR MOMENTUM CON ONTE TENT NT OF DWARF GALAXIES: NEW CHALLENGES FOR THE TH EO EO RY RY O F GALAXY FORMATION. Frank C. van den Bosch, Andreas Burkert y Rob A. Swaters en Monthly Notices of  the Royal Astronomical Society, vol. 326, número 3, páginas 1205-1215; 21 de septiembre de 2001. Disponible en astroph/0105082. ERSPEC PECTIV TIVES ES IN A STROPHYSICAL NEW P ERS COSMOLOGY. Martin Rees. Segunda edición. Cambridge University Press, 2002. GALAXY FORMAT ORMATION ION AND EVOLUTION: RECENT PROGRESS. Richard S. Ellis. Seminario impartido en la undécima escuela de invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias “Galaxies at High Redshift”. Disponible en astro-ph/0102056. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 17 Estrellas primigenias Con una masa y un brillo excepcionales, las primeras estrellas que irrumpieron en el universo cambiaron el curso de la historia cósmica Richard B. Larson y Volker Bromm  V  ivimos en un universo repleto ción o desplome (“colapso”) de algu- años. A medida que el cosmos se exde cuerpos destellantes. En una nas estrellas primigenias podría pandía, la radiación de fondo se enronoche clara miles de estrellas haber sembrado el universo de aguje-  jecí  je cíaa hac ia ma mayo yore ress lo long ngitu itu de dess de recrean nuestra vista. Con todo, ape- ros negros supermasivos, que se for- onda; el universo crecía cada vez más nas ocupan una zona restringida y maron en el seno de las galaxias y se frío y oscuro. No hay observaciones próxima de la Vía Láctea. Si nos ser- convirtieron en fuentes espectacula- de esa época oscura.  vimoss del  vimo d el tele telesco scopio pio se nos ofr ofrece ecerá rá res de energía para los cuásares. En  Aproxim  Apr oximadam adamente ente mil millones millone s de un reino mucho más vasto, que bri- resumen, las estrellas primigenias años después de la gran explosión, las lla con la luz de miles de millones de hicieron posible el nacimiento de galaxias brillantes y cuásares ya galaxias. Pero el universo, nos dice nuestro universo. habían aparecido. Ello significa que la cosmología, careció de relieve y las primeras estrellas se formaron persistió oscuro durante un largo seg- La edad oscura algún tiempo antes. ¿Cuándo surunque el estudio del universo gieron estos objetos luminosos inimento de su historia pr imitiva. Las primeras estrellas no aparecieron temprano adolece de la falta de ciales? hasta unos 100 millones de años des- observaciones directas, se ha podido Martin Rees, Abraham Loeb y mupués de la gran explosión (big bang). examinar gran parte de la historia del chos astrofísicos más han participado Transcurrieron casi mil millones de universo al apuntar los telescopios en la solución de estos problemas. años antes de que abundaran las gala- hacia galaxias lejanas y cuásares que Los estudios más recientes comienxias en el cosmos. ¿Cómo ocurrió esa emitieron su luz hace miles de millo- zan con los modelos cosmológicos transición de la oscuridad a la luz? nes de años. Podemos inferir la edad estándar que describen la evolución Los investigadores dedicados a su de un objeto a partir del corrimiento del universo subsiguiente a la gran estudio han dando pasos importan- hacia el rojo de su luz, lo que repre- explosión. Aunque el universo temtes en el camino que nos lleva a la senta cuánto se ha expandido el uni- prano era sumamente homogéneo, la respuesta. Mediante técnicas refi-  verso  ver so desd d esdee que qu e se emit emitier ieraa esa es a luz. luz . radiación de fondo presenta indicios nadas de simulación por ordenador, Los cuásares y galaxias más viejos que de microfluctuaciones de densidad: han construido modelos sobre la posi- observamos ahora datan de unos mil grumos en la sopa primordial. De ble evolución de las fluctuaciones de millones de años después de la gran acuerdo con los modelos, esos grumos densidad resultantes de la gran explo- explosión (adoptando un valor actual evolucionaron gradualmente hacia sión hacia las primeras estrellas. para la edad del universo entre 12.000 estructuras ligadas por gravedad.  Además,  Ademá s, las obser observacione vacioness de los cuá- y 14.000 millones de años). Los inves- Primero se constituyeron sistemas sares lejanos han permitido retro- tigadores necesitarán mejores teles- pequeños, que, agrupados luego, oritraernos en el tiempo y analizar un copios para ver objetos más alejados ginaron aglomeraciones de imporbreve momento de los últimos días de y cuyas edades correspondan a épo- tancia. Las regiones más densas adopla “era cósmica oscura”. cas anteriores. taron una estructura reticular de De acuerdo con los nuevos modeBasándonos en la radiación del filamentos, en los nodos de cuya red los, las estrellas primigenias go- fondo de microondas, emitida unos surgieron los primeros sistemas de zarían, a buen seguro, de masa y lu- 400.000 años después de la gran explo- formación de estrellas, unas pequeminosidad notables. Su formación sión, nos es dado, sin embargo, extraer ñas protogalaxias. De modo similar, constituyó un acontecimiento crucial determinadas conclusiones sobre el que alteró el universo y su evolución universo temprano. La uniformidad consiguiente. Esas estrellas cambia- de la radiación de fondo prueba que ron la dinámica del cosmos al calen- la materia estaba homogéneamente tar y ionizar el gas circundante. Las distribuida en aquella época. Puesto más precoces crearon y dispersaron que no había objetos luminosos granlos primeros elementos pesados, asen- des que perturbaran la “sopa” primor-l tando así el camino que llevaría, con dial, la materia debió permanecer el tiempo, a la aparición de sistemas homogénea y carente de estructuras solares como el nuestro. La contrac- durante los siguientes millones de  A  18 TEMAS 33    N    O    X    I    D    N    O    D s e hizo hi zo la l a lu z las protogalaxias se unieron y nacie- designar estos elementos más pesa-  Y se ron las galaxias, que, a su vez, se con- dos. Las estrellas jóvenes y ricas en as simulaciones muestran que gregaron en cúmulos. El proceso con- metales de la Vía Láctea se llaman las nubes de gas primordial se tinúa en la actualidad: si bien la Población I estelar; las estrellas vie- originaron en los nodos de una red formación de galaxias está casi con-  jas y pobres pobr es en metales, meta les, Poblac Po blación ión II de filamentos de pequeña escala; descluida, las galaxias se están todavía estelar. Las estrellas con ningún me- pués, comenzaron a contraerse por su agrupando en cúmulos, que se distri- tal en absoluto —la generación pri- propia gravedad. La compresión debió buyen en una red filamentosa exten- mordial— configuran la Población III haber calentado el gas hasta tempedida por el universo entero. estelar. raturas por encima de los 1000 kelSegún los modelos cosmológicos, En ausencia de metales, la física  vin. Alguno Al gunoss átomos átomo s de hidrógen hidró genoo se los primeros sistemas pequeños capa- de los primeros sistemas de forma- combinaron en el gas caliente y denso, ces de formar estrellas aparecieron ción de estrellas es bastante más sim- creando trazas de hidrógeno molecutranscurridos de 100 millones a 250 ple que la de las nubes de gas mole- lar. Las moléculas de hidrógeno empemillones de años desde la gran explo- cular de hoy día. Los propios modelos zaron a enfriar las partes más densas sión. Estas protogalaxias alcanzaron cosmológicos pueden facilitar, en prin- del gas al emitir radiación infrarroja, infrarroja , una masa que multiplicaba de cien cipio, una descripción completa de tras colisionar con los átomos de himil a un millón de veces la solar; las condiciones iniciales que prece- drógeno. La temperatura de estas medirían entre 30 y 100 años-luz. Se dieron a la primera generación de es- regiones más densas cayó hasta los trata de unas propiedades similares trellas. Por el contrario, las estrellas 200 o 300 kelvin, relajando relajando la presión a las de las nubes de gas molecular engendradas en nubes de gas mo- del gas y permitiendo el desplome donde se forman actualmente las lecular nacen en medios complejos, gravitatorio del gas en grumos. estrellas en la Vía Láctea. Pero las alterados por la formación estelar Este enfriamiento desempeñó una protogalaxias primigenias presen- anterior. Cabría, pues, resultar más función esencial, pues posibilitó que taban peculiaridades específicas. Pri- sencillo modelar la formación de las la materia común del sistema primero, constarían sobre todo de ma- primeras estrellas que las del pre- mordial se separase de la materia teria oscura, supuestas partículas sente. En cualquier caso, el proble- oscura. El hidrógeno frío se asentaba elementales que componen, así se ma requiere un estudio teórico. Varios en una base plana y giratoria con cree, hasta el 90 por ciento d e la masa grupos de investigación han ideado forma grumosa y de filamentos, podel universo. En las galaxias actua- ya simulaciones por ordenador que siblemente con estructura de disco. les la materia oscura está separada ilustran la formación de las estrellas Puesto que las partículas de la made la materia ordinaria: con el tiem- primigenias. teria oscura no emiten radiación ni po, la materia común se concentra en  Al grup gr upoo integ int egra rado do por po r Tom Abe A bel, l, pierden energía, permanecerían dislas regiones internas de la galaxia, Greg Bryan y Michael L. Norman le persas en la nube primordial. En bremientras que la materia oscura per- debemos las simulaciones más rea-  ve, el siste sistema ma de form formaci ación ón estelar se manece dispersa en un gran halo exte- listas. Con la ayuda de Paolo Coppi pareció a una galaxia en miniatura, rior. En las protogalaxias la materia nosotros hemos elaborado unas si- con un disco de materia ordinaria y ordinaria coexistía mezclada con la mulaciones basadas en hipótesis un halo de materia oscura. Dentro materia oscura. más sencillas, si bien encaminadas del disco, los grumos más densos de  Además  Ade más,, en las pro protog togala alaxias xias no a explorar un amplio rango de posi- gas continuaron su contracción grahabría cantidades significativas de bilidades. Toru Tsuribe ha generado  vitato  vitatoria; ria; andando el tiempo tiempo,, algunos elementos distintos del hidrógeno y unos cálculos similares utilizando de ellos sufrieron una contracción el helio. La gran explosión produjo ordenadores más potentes. Una si- descontrolada convirtiéndose en eshidrógeno y helio; la mayor parte de mulación aún más idealista es la de trellas. los elementos más pesados se crean Fumitaka Nakamura y Masayuki Los primeros sistemas de formación sólo como producto de las reacciones Umemura, con unos resultados muy estelar eran mucho más calientes que de fusión termonuclear de las estre- instructivos. Aunque estos estudios las nubes de gas molecular donde llas, por lo que no debieron estar pre- difieren en varios detalles, todos nacen hoy la mayoría de las estrellas. sentes antes de que se formaran las han producido descripciones simi- Los granos de polvo y las moléculas primeras estrellas. Los astrónomos lares sobre la formación de las estre- que contienen elementos pesados han utilizan el término “metales” para llas primigenias. enfriado las nubes del presente hasta temperaturas de sólo unos 10 kelvin.  A la masa mas a mínima mínim a que un grumo gr umo gaga seoso o nebulosa debe tener para conLas estrellas primigenias traerse por su propia gravedad se la conoce por masa de Jeans; es direc■ Las simulaciones por ordenador muestran que las estrellas primigenias irrumtamente proporcional al cuadrado de pieron a los 100-250 millones de años de la gran explosión. Se formaron en la temperatura del gas e inversamenpequeñas protogalaxias que habían evolucionado a partir de fluctuaciones de te proporcional a la raíz cuadrada de densidad del universo. la presión gaseosa. Los sistemas pri■ Puesto que las protogalaxias no contenían más elementos químicos que el migenios de formación de estrellas hidrógeno y el helio, la física de la formación estelar favoreció el nacimiento debieron tener presiones similares a de cuerpos increíblemente más pesados y luminosos que el Sol. las nubes moleculares actuales. Ahora ■ La radiación de las estrellas primigenias ionizó el gas de hidrógeno circunbien, puesto que las temperaturas de dante. Algunas estrellas explotaron constituidas en supernovas, dispersando los primeros grumos de gas en conpor el universo los elementos pesados. Las estrellas más masivas se desplomaron en agujeros negros. A medida que las protogalaxias se mezclaban y tracción eran casi 30 veces superiounían para formar galaxias, los agujeros negros se concentraron en los cenres que las temperaturas de las nubes tros galácticos. moleculares, su masa de Jeans debió haber sido unas 1000 veces mayor. L 20 TEMAS 33 La línea cósmica del tiempo DE LA EPOCA OSCURA... Tras la emisión de la radiación del fondo cósmico de microondas (unos 400.000 años después de la gran explosión), el universo creció, haciéndose más frío y oscuro. Evolucionó gradualmente a partir de las fluctuaciones de densidad producidas en la singularidad inicial.  E A Ñ O S  O N E S D  L    L L  I  M  0  0  1 0    N    O    I    S    O    L    P    X    E    N    A    R    G  E A Ñ O S  L L O N D  1 M I L EMISION DE LA RADIACION DEL FONDO COSMICO DE MICROONDAS EPOCA OSCURA ESTRELLAS PRIMIGENIAS SUPERNOVAS Y AGUJEROS NEGROS INICIALES La aparición de las primeras estrellas y protogalaxias (a los 100 millones de años de la gran explosión) provocó una cadena de sucesos que transformaron el universo. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS    N    O    X    I    D    N    O    D  E A Ñ O S  O N E S D  L    L L  I  M  0  0  1 ...AL RENACIMIENTO En las nubes moleculares de las regiones más próximas de la Vía Láctea, la masa de Jeans es prácticamente igual a la masa del So l, valor que comparten las masas de los grumos preestelares observados en estas nubes. Si escalamos por un factor 1000, podemos estimar que las masas de los primeros sistemas de formación de estrellas debieron tener de 500 a 1000 masas solares. De acuerdo con esta predicción, todas las simulaciones por ordenador antes mencionadas mostraban la creación de grumos con masas del orden de varios cientos la masa solar o mayores.  A teno tenorr de nues nuestros tros cálc cálculo ulos, s, las masas predichas para los grumos primigenios no vendrían determinadas por las condiciones cosmológicas adoptadas (pensemos en la naturaleza exacta de las fluctuaciones iniciales de densidad). De hecho, tales masas dependen sobre todo de la física del hidrógeno molecular y, en menor medida, dependen del modelo cosmológico o de la técnica de simulación. Por  varias  var ias raz razone ones. s. En pri primer mer luga lugar, r, el hidrógeno molecular no puede enfriar el gas por debajo de los 200 kel vin, consti co nstituye tuyendo ndo a éste en el límite inferior de la temperatura de los primeros grumos de formación estelar. En segundo lugar, el enfriamiento  0 . 0 0 0  0 0 0 A 1 4  O S  D E 1 2. 0  D E A Ñ  L L O N E S  M I L del hidrógeno molecular resulta ineficiente en las densidades más altas encontradas cuando se inició la contracción de los grumos. En estas densidades, las moléculas de hidrógeno chocan contra otros átomos antes de que tengan tiempo suficiente para emitir un fotón infrarrojo; esto aumenta la temperatura del gas y frena la contracción hasta que los grumos han alcanzado por lo menos unos pocos cientos de masas solares. ¿Cuál fue la suerte de los primeros grumos que se desplomaron? ¿Formaron estrellas de masas de tamaños parejos o se fragmentaron más para crear estrellas de menor masa? Los diversos equipos de investigación han llevado sus cálculos hasta el punto en que los grumos evolucionan por sí mismos para dar lugar a las estrellas. Ninguna de las simulaciones ha revelado ninguna tendencia a la fragmentación. Semejante planteamiento planteami ento concuerda con la explicación de la formación estelar hoy; las observaciones y las simulaciones muestran que la fragmentación de los grumos de formación estelar se limita a la creación de sistemas binarios (dos estrellas que orbitan una alrededor de la otra). Por lo que parece, la fragmentación resultaría incluso menos probable en los grumos FUSION DE PROTOGALAXIAS GALAXIAS ACTUALES primordiales, dado que la ineficiencia del enfriamiento del hidrógeno molecular mantendría bastante alta la masa de Jeans. Las simulaciones, sin embargo, aún no han determinado con precisión el resultado final del desplome y, por ende, no puede descartarse descartar se la formación de sistemas binarios.  A prop p ropósit ósitoo de la masa m asa alc alcanza anzada da por las estrellas primigenias discrepan los grupos. Según Abel, Bryan y Norman esas estrellas no tendrían más de 300 masas solares. En cambio, creemos nosotros que podrían haber existido masas de 1000 veces la solar. Ambas predicciones son válidas bajo diferentes circunstancias: las genuinas estrellas primordiales podrían haber tenido masas no mayores que 300 masas solares, mientras que las estrellas que se formaron un poco después, a partir de la contracción de protogalaxias mayores, podrían haber alcanzado valores más altos. Debido a los efectos de retroalimentación tales predicciones cuantitativas resultan difíciles; cuando una estrella masiva nace, genera una radiación muy intensa y expulsa materia que puede arrasar parte del gas de un grumo en colapso. No obstante, estos efectos dependen de la presencia de elementos pesados en el 21 Nacimiento y muerte de las estrellas primigenias AGITACION ANCESTRAL El proceso que desembocó en la creación de las estrellas primordiales difirió mucho de la formación estelar del presente. Ello no obstante, las muertes violentas de algunas de estas estrellas prepararon el camino para el advenimiento del universo que vemos hoy.    N    O    X    I    D    N    O    D 1 Los primeros sistemas de formación de estrellas —pequeñas protogalaxias— constaban sobre todo de las partículas elementales conocidas como materia oscura (color rojo ). ). La materia común —gas de hidrógeno (azul )— estaba en un principio mezclada con materia oscura. RADIACION ULTRAVIOLETA 2 El enfriamiento del hidrógeno permitió la contracción de materia común, mientras que la materia oscura permaneció dispersa. El hidrógeno se asentó en un disco en el centro de la protogalaxia. Las regiones más densas del gas se contrajeron en grumos formadores de estrellas; la masa de cada una centuplicaba varias veces la solar. Algunos grumos de éstos se contrajeron para engendrar estrellas muy pesadas y luminosas. 3 4 6 7 La radiación ultravioleta procedente de las estrellas ionizó el gas de hidrógeno neutro circundante. A medida que aumentaba el número de estrellas, las burbujas de gas ionizado se mezclaron y fusionaron; el gas intergaláctico terminó por ionizarse del todo. SUPERNOVA AGUJERO NEGRO 5 Transcurridos unos millones de años, al final de su vida breve, algunas de las primeras estrellas explotaron constituidas en supernovas. Las portadoras de masa mayor se desplomaron en agujeros negros. 22 La atracción gravitatoria empujó a las protogalaxias una contra otra. Con bastante verosimilitud, las colisiones avivaron la formación estelar, a la manera en que se produce hoy la fusión galáctica. Los agujeros negros posiblemente se fusionaron para formar un agujero negro supermasivo en el centro de la protogalaxia. El gas que se arremolinó en torno a ese agujero podría haber generado una radiación parecida a la de los cuásares. TEMAS 33 gas; debe, pues, esperarse que sean menos importantes en las estrellas más tempranas. Por tanto, parece seguro concluir que las primeras estrellas del universo fueron increíblemente más masivas y luminosas que el Sol. El renacimiento cósmico ¿Q ué efecto ejercieron las estrellas primordiales en el resto del universo? Propio de las estrellas sin metales es poseer una temperatura superficial más alta que las estrellas de composiciones parecidas al Sol. La producción de energía nuclear en el centro de una estrella resulta menos eficiente si no hay metales; la estrella debería ser más caliente y compacta para contrarrestar la gravedad. En razón de la estructura más compacta, las capas superficiales de la estrella serían también más calientes. En colaboración con Rolf-Peter Kudritzki y  Abraha  Abr aham m Loe Loeb, b, uno de los aut autore oress (Bromm) ha diseñado modelos teóricos para estas estrellas con masas entre 100 y 1000 masas solares. De acuerdo con los mismos, se registrarían unas temperaturas de superficie de unos 100.000 kelvin, casi 17 veces más altas que la temperatura superficial del Sol. Por tanto, la primera luz estelar del universo correspondería a la radiación ultravioleta procedente de estrellas muy calientes; debería haber empezado a calentar y ionizar el gas de hidrógeno y helio neutros que circundaba a esas estrellas, en cuanto emergieron.  A este suceso suces o lo hemo s dado en llamar renacimiento cósmico. Aunque los astrónomos no pueden estimar la cantidad de gas que se condensó en las estrellas primigenias, habría bastado una fracción de sólo una parte en 100.000 para que ionizaran, en buena medida, el gas restante. Una  ve z qu e la lass es estr tr el ella lass pr im imig igen enia iass comenzaron a brillar, se formó alrededor de cada una de ellas una burbuja creciente de gas ionizado. En el transcurso de cientos de millones de años fueron apareciendo más y más estrellas, las burbujas de gas ionizado terminaron por mezclarse y fusionarse, hasta que el gas intergaláctico se ionizó por completo. Expertos del Instituto de Tecnología de California y del Servicio Sloan de Inspección Digital del Firmamento han hallado pruebas de las fases finales de este proceso de ionización. Observaron intensas absorciones en la luz ultravioleta de los espectros de cuásares que datan de unos 900 milloPRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS nes de años después de la gran explo- de las nubes moleculares de hoy (10 sión. En línea con tales resultados, kelvin). Hasta que la temperatura no las últimas trazas de gas de hidró- cayó a tal nivel —lo que ocurrió unos geno neutro se ionizarían por esa 2000 millones de años después de la época. El helio requiere más energía gran explosión—, el proceso de forpara ionizarse que el hidrógeno; ahora mación estelar pudo haber favorebien, si las estrellas primigenias goza- cido a las estrellas masivas. Como ron de la masa que se les atribuye, resultado, un gran número de éstas ionizarían hidrógeno y helio al mismo nacieron durante las primeras fases tiempo. de formación de la galaxia mediante Si las estrellas primigenias no fue- fusiones sucesivas de protogalaxias. ron tan masivas, el helio debería Un fenómeno similar ocurre ahora haberse ionizado más tarde por la en el universo al colisionar dos galaradiación energética de otras fuen- xias: desencadenan un brote de formates, por cuásares. Las observaciones ción estelar, es decir, un incremento  venider  ven ideras as de los objeto obj etoss lejanos lejan os ayu- repentino del ritmo de formación de darán a determinar cuándo se ionizó estrellas. Aunque tales sucesos son el helio cósmico. hoy escasos, parecen capaces de pro Ademá  Ad emá s, si las est estre rella llass pr primo imorr- ducir una cifra importante de estrediales gozaron de una masa pode- llas masivas. rosa, habrían vivido sólo unos pocos desconcertantes ntes millones de años. Algunas de las estre- Datos desconcerta llas habrían explotado constituidas sta hipótesis sobre la primera en supernovas al final de su vida, formación de estrellas podría expulsando los metales fabricados en ayudar a explicar algunas caractelas reacciones de fusión. Las estre- rísticas desconcertantes del universo llas que superan de 100 a 250 veces actual. Ignoramos por qué las galala masa solar revientan en explosio- xias contienen un número de estrenes muy enérgicas. Algunas de las pri- llas pobres en metales menor del que migenias alcanzarían masas de ese cabe esperar de un ritmo proporciorango. Puesto que los metales son nal de formación estelar. La discremás eficientes que el hidrógeno en el pancia podría resolverse si la forenfriamiento de las nubes molecula- mación primordial hubiera producido res, permiten que éstas se desplomen sólo estrellas muy masivas; al morir, para formar estrellas; en consecuen- estas estrellas habrían dispersado cia, la producción y dispersión de grandes cantidades de metales, luego incluso una pequeña cantidad metá- incorporados directamente en las lica podría haber ejercido un efecto estrellas menos masivas de hoy. Otro rasgo paradójico lo observaconsiderable en la formación estelar. En colaboración con Andrea Ferra- mos en la notable concentración de ra hemos encontrado que, cuando la metales en el gas intergaláctico emiabundancia de metales en una nube sor en rayos X que hay en los cúmude formación estelar crece por encima los de galaxias. Ese fenómeno admide la milésima parte de la metalici- tiría fácil justificación si hubiera dad del Sol, los metales enfrían presto habido un período temprano de rápida el gas hasta la temperatura de la formación de estrellas masivas y, en radiación cósmica de fondo. (Esta consecuencia, una tasa elevada de temperatura decae a medida que el supernovas que enriquecieran quíuniverso se expande; mil millones de micamente el gas intergaláctico. Un años después de la gran explosión era ritmo intenso de supernovas en una de 19 kelvin y, hoy, de 2,7 kelvin.) Un época temprana encaja también con proceso de enfriamiento tan eficiente recientes indicios de que la mayor permite la creación de estrellas con parte de la materia común y los metamasas menores, lo que podría haber les del universo residen en el medio constituido un acicate para acelerar difuso intergaláctico, no en las prola tasa de nacimiento estelar. Cabe pias galaxias. Para producir semela posibilidad de que, hasta la apa-  jante  jan te distribuc distr ibuc ión de materia mate ria,, la forrición de la primera generación de mación de galaxias debió haber sido metales, no se acelerara el ritmo de un proceso espectacular, donde conformación estelar. En este caso, la  ver  vergier gier an brot b rotes es inten i ntensos sos de for formamasegunda generación de estrellas ción de estrellas muy masivas y caspodría haber sido la verdadera res- cadas de supernovas que expulsaron ponsable de la iluminación del uni- gas y metales lejos de las galaxias.  verso  ver so y del d el rena r enacimi cimiento ento cósm cósmico ico.. Las estrellas cuya masa multipli Al comien co mienzo zo del de l período per íodo acti activo vo del de l ca 250 veces la solar no explotan al nacimiento de una estrella, la tem- final de sus vidas; antes bien, se conperatura del fondo cósmico podría traen en agujeros negros de similar haber sido superior a la temperatura masa. Varias de las simulaciones por E 23 Características Característ icas comparadas Con las simulaciones por ordenador se han obtenido las posibles masas, tamaños y otras propiedades de las estrellas primigenias. Las columnas inferiores comparan las mejores estimaciones de las primeras estrellas con las medidas del Sol.    N    O    X    I    D    N    O    D SOL ESTRELLAS PRIMIGENIAS l l ordenador mencionadas conceden una después de las primeras estrellas, masa semejante a algunas de las podrían haber supuesto una fuente estrellas primigenias. Puesto que las adicional de luz y de radiación ioniestrellas primordiales se formaron zante en los momentos iniciales. en las regiones más densas del uniEn resumen, disponemos de un cua verso,  ver so, cualquier cualq uier agujero aguj ero negro resulresu l- dro coherente de la historia precoz del tante del desplome de las mismas se universo, aunque ciertos detalles perincorporaría, mediante procesos de manezcan todavía en el terreno de la mezcla y fusión, en sistemas de un especulación. La formación de las pritamaño creciente. Es posible que algu- meras estrellas y protogalaxias desennos de estos agujeros negros se con- cadenó un proceso de evolución cóscentraran en pleno interior de las mica. Por lo que sabemos, el período galaxias grandes y sirvieran de semi- más intenso de formación de estrella de los agujeros negros superma- llas, galaxias y actividad de cuásasivos —millones de veces más pesa- res se desarrolló unos miles de millodos que el Sol— que se encuentran nes de años después de la gran hoy en los núcleos galácticos. explosión; todos estos fenómenos  A mayor mayo r abundam abun damient iento, o, los astró as tró-- habrían continuado hasta hoy con nomos piensan que la fuente de ener- ritmo decreciente a medida que envegía de los cuásares es el gas que se  jece  jec e el universo. univer so. La arqu arquitec itectura tura cósarremolina en los agujeros negros del mica se ha desplazado ahora hacia centro de las galaxias. Si se hubie- mayores escalas conforme las galaran formado agujeros negros meno- xias se van congregando en cúmulos. res en los centros de algunas de las Es de esperar seguir avanzando en protogalaxias primigenias, la acreción el conocimiento de las primeras etade materia en los agujeros podría pas de la historia, cuando las estruchabría generado “minicuásares”. De turas comenzaron a desarrollarse a presentarse, pues, esos objetos justo pequeña escala. Puesto que las estre24 llas primordiales fueron probablemente muy masivas y brillantes, los instrumentos a bordo del Telescopio Espacial de Próxima Generación —el sucesor del Telescopio Espacial Hubble— podrían detectar algunos de estos cuerpos ancestrales. Llegado ese momento, los astrónomos tendrán pruebas directas del mecanismo en cuya virtud un cosmos oscuro y sin estructuras generó el abanico brillante de objetos que hoy nos dan luz y vida. ORMA MATI TION ON OF TH THE E FIRST STARS. RiTHE FOR chard B. Larson en Star Formation from the Small to the Large Scale. Dirigido por F. Fava Favata, ta, A. A. Kaasy Kaasy A. A . Wilson. Wilson . ESA Publications, 2000. IN TH THE E BEGINNING: THE FIRST SOUR OURCE CES S OF EIONIZAT IZATION ION OF THE UNILIGHTAND THE REION VERSE. R. Barkana y A. Loeb en Physics  Reports, vol. 349, n.o 2, págs. 125-238;  julio de 2001. TEMAS 33 EXPANSION    L    L    I    R    B    D    I    V    A    D Exploración del espacio-tiempo mediante supernovas  Las explosiones de estrellas observadas observadas a inmensas distancias muestran que la expansión cósmica podría estar acelerándose, lo que nos lleva a pensar en la intervención de una nueva forma de energía, exótica Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff  H ace mucho tiempo (unos 5000 millones de años), en una galaxia muy lejana (a unos 2000 megaparsec) explotó una estrella y su destello brilló más que miles de millones de soles juntos. Su luz se propagó por el espacio, apagándose y aumentando en longitud de onda a través de un cosmos en expansión, antes de que una brizna de ella llegara a la Tierra. En un intervalo de 10 minutos de cierta noche oscura de 1997, unos centenares de fotones de la supernova, no más, aterrizaron en el espejo de un telescopio de Chile. En el observatorio, un ordenador creó una imagen digital donde se evidenciaba el puntito luminoso. Pese a su apariencia irrelevante, aquella débil mota fue para nosotros una ráfaga de luz, un faro que alumbraba nuestra exploración del espacio y el tiempo. En colaboración con otros compañeros repartidos por diversos países, hemos seguido la llegada de la luz emitida desde docenas de supernovas. Tales observaciones nos han facultado - - 26 para cartografiar la forma del uni ver so y esta  verso establec blec er un esbo esbozo zo cro crononológico de su expansión. La conclusión a la que nosotros y otro equipo de astrónomos hemos arribado pone en tela de juicio postulados aceptados desde hace decenios. Según parece, el universo es mayor y está más vacío de lo esperado. Además, su expansión no remite, como muchos cosmólogos habían pronosticado, sino que se acelera. Curvas estelares  A  lo largo de buena parte del siglo pasado se ha mantenido vivo el interés en torno al curso de la expansión cósmica. Por un doble motivo: da cuenta de la geometría del universo y refleja la naturaleza de sus constituyentes, es decir, de la materia, la luz y, posiblemente, otras formas de energía más sutiles. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein cercanas y brillantes, tal como preaúna estas propiedades fundamen- decía la relatividad general para un tales del universo y describe la ma- universo que se expande y distancia, nera en que condicionan el movimien- por ende, unas galaxias de otras. Los to de la materia y la propagación de astrónomos en cuestión midieron la la luz; merced a ello, puede predecir  velo cida cidadd de alej alejamie amiento nto de las gadeterminados fenómenos que los laxias a través del corrimiento de astrónomos someten a medición. líneas espectrales visibles hacia lon Antess de que Eins  Ante Einstein tein publicara public ara su gitudes de onda mayores (el corrimienteoría en 1916 y de las primeras ob- to al roj o). Aunque suele asociá asociársele rsele servaciones de la expansión cósmica, con el efecto Doppler —fenómeno resre sacontecidas durante la década si- ponsable del cambio de tono del silguiente, se creía que el universo man- bato de un tren que pasa pa sa o de una botenía inalterado su tamaño. El propio cina de coche—, coche—, el corrimiento al rojo Einstein desconfió de sus ecuaciones cosmológico debe entenderse, con macuando advirtió que implicaban un yor rigor, como el resultado de la exuniverso dinámico. La situación cam- pansión del universo; ésta alarga la bió, sin dejar lugar a la duda, con las longitud de onda de la luz que viaja nuevas mediciones de los movimien- entre las galaxias. Las emisiones protos de las galaxias realizadas por cedentes de objetos remotos, al haber Edwin P. Hubble y otros: las galaxias  viaj  viajado ado duran du rante te más tiempo, tie mpo, exper ex periilejanas y débiles se alejaban de la mentan un corrimiento al rojo mayor Tierra más deprisa que las galaxias que la radiación de fuentes próximas. El estado de la técnica en tiempos de Hubble limitó la comprobación de la expansión cósmica a galaxias que estaban bastante cerca. En el inter valo temp ora orall que q ue invi invirtió rtió la luz en llegar a la Tierra desde esas galaxias próximas, el universo sólo se había expandido una pequeña fracción de su tamaño global. Con estos cambios modestos, el corrimiento al rojo es directamente proporcional a la distancia; el cociente fijo de los dos se llama constante de Hubble y describe el ritmo actual de expansión cósmica. Desde hace años, los astrónomos esperaban comprobar que las galaxias más alejadas se apartan de esta relación simple entre corrimiento al rojo y distancia, ya sea porque el ritmo de expansión ha cambiado a lo largo del tiempo o porque el espacio que media esté curvado. Medir ese efecto constituye, pues, un objetivo crucial para los cosmólogos; es un reto difícil que exige medios para acotar las inmensas distancias a que se encuentran las galaxias. Hubble y otros calcularon las distancias a diversas galaxias partiendo del supuesto de que todas ellas tenían el mismo brillo intrínseco. De acuerdo con su razonamiento, las que lucían mucho se hallaban cerca y, lejos, las de brillo pálido. Pero ese planteamiento resulta válido sólo a grandes rasgos, pues las galaxias difieren en sus propiedades. Y falla por completo cuando hablamos de fuentes lejanas cuya luz tarda muchísimo en alcanzar la Tierra y nos muestra el estado de esas galaxias distantes hace miles de millones de años (de jóvenes); el brillo intrínseco de esas galaxias remotas pudo haber diferido notablemente del que emiten galaxias    S    I    L    L    A    H    C    R    E    T    E    P 27    S    I    L    L    A    H    C    R    E    T    E    P más viejas que observamos en nuestra vecindad. Es difícil desentrañar de los efectos de la expansión tales cambios evolutivos. Por eso, los astrónomos han venido buscando otras “candelas estándar” cuyo brillo intrínseco sea mejor conocido. Para verse hoy lo que lució hace miles de millones de años luz, los faros emisores deben ser muy potentes. Al comienzo de los setenta del siglo XX , algunos se fijaron en los cuásares, fuentes portadoras de inmensa energía (probablemente alimentadas por agujeros negros que atrapan a las estrellas y gas de su alrededor). Pero los cuásares estudiados divergían unos de otros incluso más que las galaxias; resultaron, pues, de escasa utilidad. Pero otros pensaron en las supernovas. Esas estrellas que explotan podían, quizá, servir de candelas estándar para la exploración cosmológica. Se trataba de un camino controvertido, pues las supernovas manifestaban también una amplia  vari  va riac ació ión n en su suss pr prop opie ieda dade des. s. Si Sin n embargo, la investigación realizada, a lo largo de los últimos diez años, por nuestro equipo ha permitido determinar, con exquisita precisión, el brillo intrínseco de las supernovas de tipo Ia. Muerte estelar ¿E n qué consiste una supernova de tipo Ia? A grandes trazos, es el estallido final producido cuando una estrella que ha muerto se transforma en una bomba termonuclear 28 natural. Pese a la espectacularidad Ia con los detectores modernos ha conde la transformación postrera, el  vertido  vertid o a tales destellos de stellos de d e luz en las comienzo de la vida del progenitor es candelas estándar mejor conocidas de el de una estrella ordinaria, una bola los astrónomos. estable de gas cuyas capas externas La frecuencia con que una luz de se mantienen por el calor de las ince- ésas aparece en una galaxia típica santes reacciones nucleares que se se cifra en torno a una vez cada 300 desarrollan en su interior y convier- años. En la Vía Láctea son sucesos ten hidrógeno en helio, carbono, oxí- poco habituales. Si escudriñamos geno, neón y otros elementos. Cuando algunos miles de galaxias descubriuna estrella muere, las cenizas nuclea- remos, casi cada mes, una supernova res se mezclan en ascuas incandes- de tipo Ia. Hay tantas galaxias en el centes, comprimidas por la gravedad universo que, cada pocos segundos, hasta alcanzar el tamaño de la Tierra estallan en el firmamento supernoy la densidad de un millón de veces  vas cuy cuyoo bri brillo llo nos las hac hacee acc accesi esi-la típica de la materia ordinaria. bles al estudio. Sólo queda descubrirEsas estrellas enanas blancas, en las e investigarlas. A esa tarea se ha su mayoría, se enfrían y apagan, ex- aplicado nuestro grupo, “High-Z Team” tinguiéndose. Ahora bien, si ocurre (donde Z designa el símbolo de corrique se halla en órbita cerca de otra miento al rojo); el equipo se organizó estrella, puede succionar materia de en 1995 bajo la dirección de B rian P. su compañera y adquirir una densi- Schmidt, de los observatorios de dad creciente, hasta que prende una Mount Stromlo y Siding Spring en ignición termonuclear descontrolada.  Aus  Austra tralia lia.. Compite Comp ite en este es te campo cam po el El cataclismo nuclear destroza por grupo formado en torno al programa entero la estrella enana, lanzando Supernova, “Supernova Cosmology material a unos 10.000 kilómetros Project”, que empezó en 1988 y está por segundo. Y el brillo de esta bola liderado por Saul Perlmutter, del Lade fuego en expansión tarda unas tres boratorio Nacional Lawrence en Bersemanas en alcanzar su máximo, para keley [véase “Supernovas y expansión declinar en meses. acelerada del universo”, de Pilar Ruiz Aunquee varía  Aunqu varían n liger ligerament amentee en el Lapuente, Alex G. Kim y Nicholas brillo, estas supernovas siguen un Walton en I NVES NVESTIGA TIGACIÓN CIÓN Y CIENCIA , patrón, en el que las explosiones mayo- marzo de 1999]. res y más brillantes duran más que Cada equipo desarrolla su propio las débiles. Por tanto, si investigamos programa. Ambos, sin embargo, sacan su duración, podremos corregir las partido de un mismo avance fundadiferencias y deducir su brillo in- mental, el despliegue de grandes trínseco con una precisión de hasta el detectores electrónicos electr ónicos de luz en teles12 %. En el curso de los últimos últimos diez copios gigantes. Esta combinación años, el estudio de supernovas de tipo produce imágenes digitales de objeTEMAS 33 tos débiles sobre una superficie con- de cosechar resultad resultados, os, preparamos siderable de cielo. Los dos grupos han con antelación el tiempo de observacompartido, por dar un ejemplo de ción que debía desarrollarse en una los nuevos medios técnicos, la Cámara batería de telescopios dispersos por de Gran Rendimiento, desarrollada todo el mundo, para que as í las medipor Gary M. Bernstein y J. Anthony ciones de seguimiento se acometieTyson. Cuando esta cámara se coloca ran antes de que se apagaran las en el foco del Telescopio Blanco, de supernovas. cuatro metros, del Observatorio InLa búsqueda de estrellas que exploteramericano de Cerro Tololo, con tan en los cielos desata un terremoto una sola exposición se cubre casi tanta de actividad frenética. Los astrónoextensión como la luna llena y obtiene mos han de tomar y comparar cienuna imagen de unas 5000 galaxias en tos de imágenes digitales a un ritmo 10 minutos.  vertig inoso. En todas las estanc  vertiginoso. estancias ias de Para encontrar supernovas dis- Cerro Tololo hay ordenadores que ejetantes, no hay más que tomar imá- cutan la orden impuesta de alinear genes de la misma fracción del fir- imágenes, corregir diferencias en mamento con unas pocas semanas de transparencia atmosférica y tamaño diferencia y buscar, en los cambios de la imagen y sustraer los dos regisoperados, explosiones de estrellas. tros. En condiciones de normalidad, Los detectores digitales cuentan el la mayoría de las galaxias desapanúmero de fotones en cada elemento recen, dejando sólo un “ruido” en la de imagen de forma precisa. Por tanto, diferencia entre dos imágenes. Las a nosotros sólo nos queda sustraer la señales mayores denuncian un objeto primera imagen de la segunda y com- nuevo o cambiante que puede ser una probar las diferencias significativas estrella variable, cuásares, asteroientre las dos. Puesto que se exami- des y, en contados casos, supernovas. nan miles de galaxias en cada par de Nuestros programas informáticos imágenes, podemos estar seguros de registran la posición de los nuevos que la búsqueda entre numerosas objetos y se aprestan a identificar parejas de imágenes terminará por supernovas. Pero los tests automahallar muchas supernovas, siempre tizados son imperfectos. Hemos de que el tiempo de observación acom- escrutar las imágenes de forma visual pañe. Para nuestra fortuna, la situa- para determinar si una supuesta ción del observatorio, al pie de los supernova lo es en verdad. Puesto  Andes en la cordil cordillera lera sur del desierto que de nuestros descubrimientos se chileno de Atacama (uno de los luga- ha de realizar un seguimiento inmeres más secos del mundo), asegura diato en otros telescopios, se pasa al cielos despejados. Con la esperanza análisis sin perder tiempo.  A contin co ntinuac uación, ión, nos c entr entramos amos en los mejores candidatos de supernova. Los observamos con los mayores instrumentos ópticos del mundo, los telescopios Keck recién construidos en Hawai. Tales observaciones habrán de resolver si los objetos descubiertos son o no supernovas de tipo Ia, calibrar con exactitud su brillo intrínseco y determinar su corrimiento al rojo. En el lado oscuro M ientras tanto, otros componentes del grupo, que trabajan con telescopios de Australia, Chile y los EE.UU., siguen la evolución de las supernovas para determinar el momento en que alcanzan el máximo de brillo y su lento desvanecimiento. Dura meses la campaña de observación de una supernova. A menudo, el análisis final tiene que esperar un año o más, intervalo en que ha desaparecido la luz de la estrella que ha estallado y podemos obtener una buena imagen de su galaxia huésped. Nos sirve esta vista final para sustraer, de las imágenes de la supernova, el brillo constante de la galaxia. Las mejores mediciones que hemos logrado proceden del Telescopio Espacial Hubble, capacitado para registrar detalles sutilísimos que nos permiten separar la estrella que ha explotado de su galaxia huésped. Los dos equipos han estudiado ya ejemplos de supernova en alto corrimiento al rojo, que estallaron hace    S    L    E    I    N    A    D    &    S    L    E    I    N    A    D PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 29 -    A    I    C    N    A    T    S    I    D       A        T        N        E        L       S       A        M        N    A       O        I     D     I       S     P        N    A       A     R        P     S        X    A        E     M     N    O     I     S     N    A     P     X     E VELOCIDAD EXPANSION ACELERADA    A    I    C    N    A    T    S    I    D     N     E    O     T     I     S     N     N    A    A     T     P     S     X     N     E    O    C PASADO EXPANSION DECELERADA ACTUAL CAMBIO DE TAMAÑO DEL UNIVERSO    )    s    a    c    i    f    á    r    g    (    R    E    D    I    E    N    H    C    S    D    I    V    A    D    ;    )    a    d    r    e    i    u    q    z    i    (    S    L    E    I    N    A    D    &    S    L    E    I    N    A    D -  -  - - entre 4000 y 7000 millones de años.  viación  viació n de los lo s rayos rayo s de luz lu z al atraveat raveEn primer lugar, el espacio puede Tenía entonces el universo entre la sar en su camino las regiones exter- tener una curvatura negativa. Para mitad y dos tercios de su edad actual. nas de galaxias. El fenómeno de la entender semejante deformación del En el curso de tales estudios, uno y lente gravitatoria acarrea un aumento espacio, sirvámonos de una analogía otro grupo recibieron recibiero n una misma sor- ocasional del brillo de fuentes remo- bidimensional. Los seres que viven presa, mayúscula: las supernovas tas; en la mayoría de los casos, sin en un mundo plano y de dos dimenson más débiles de lo esperado. La embargo, provoca una disminución siones (como los personajes de la discrepancia entre lo esperado y lo del brillo. De ese modo podría contri- novela de Edwin A. Abbott Plan ilan observado es leve; en promedio, las buir a la debilidad de las supernovas dia ) podrían averiguar que un círcusupernovas remotas aparecen un 25 distantes. Sin embargo, de los cálcu- lo de radio r tiene una circunferenpor ciento más débiles de lo espe- los realizados se desprende que este cia de exactamente 2 πr . Pero si su rado. Ahora bien, basta esa cifra efecto sólo adquiere significación mundo estuviera ligeramente curpara cuestionar las teorías cosmo- cuando se trata de fuentes situadas  vado en forma de silla de montar montar,, tenlógicas más arraigadas. todavía más lejos que las supernovas dría una curvatura levemente nega Ante  An tess de ext ra raer er ning ni nguna una conc c onc lu- estudiadas. Podemos, pues, descartar tiva [ véase “Inflación en un universo sión radical, los astrónomos de esa explicación. de baja densidad”, por Martin A. Buambos equipos han buscado expli¿No sería, pensamos, por último, cher y David N. Spergel, en INVES caciones más llanas que justifica- que las supernovas remotas difirie- TIG TIGACI ACIÓN ÓN Y CIENCIA , marzo de 1999]. ran la relativa debilidad de las ran de las cercanas, quizá porque se Los residentes bidimensionales del supernovas remotas. Se apela a la formaron de estrellas más jóvenes país curvado en silla de montar pooscuridad provocada por el polvo que albergaban menos elementos drían permanecer ignorando esa curcósmico, que apantallaría parte de pesados que las típicas de galaxias  vatu  vatura ra hasta has ta que midiera mid ieran n un círcucírc ula luz. Pero nosotros descartamos más viejas? No descartamos esta posi- lo grande de radio dado y descubrieran esa posibilidad por la sencilla razón bilidad, aunque en nuestro análisis que su circunferencia era mayor que de que los granos de polvo filtrarían procuramos ya tomar en considera- 2πr. la luz azul más que la roja, haciendo ción esas diferencias. Estos estudios La mayoría de los cosmólogos han parecer a las supernovas más rojas dan buenos resultados cuando se apli- dado por supuesto, apoyados en razode lo que en realidad son (de la mis- can a galaxias cercanas, cuya edad y nes teóricas, que nuestro espacio trima forma que el polvo atmosférico morfología varía bastante de una a dimensional, igual que  Plan  Planila ilandia ndia , colorea el sol poniente). No obser- otra, así como los tipos de supernova no está curvado. Pero si poseyera cur vamo  va moss ning una alte a lte ra raci ción ón de es e ti- observados en ellas.  vatura  vatu ra negativa, negat iva, la enorme enorm e esfera de po. Y, a menos que mostrara una Puesto que ninguno de estos efec- radiación arrojada por una superdispersión regular por todo el espa- tos triviales explica las observacio- nova muy antigua tendría un extencio, el polvo cósmico tendería a intro- nes, nos inclinamos, con otros mu- sión mayor que la que dispondría en ducir una gran variación en las me- chos, a pensar que la debilidad de un espacio geométricamente plano, diciones, cosa que tampoco vemos. brillo de las supernovas remotas se determinando que la fuente apareSe pretende justificar también tal debe a la estructura del cosmos. ciera extrañamente debilitada. palidez recurriendo al fenómeno de Podrían hallarse involucradas dos Una segunda explicación de la ineslente gravitatoria. Así se llama la des- propiedades del espacio y del tiempo. perada debilidad de las supernovas 30 TEMAS 33 sión puede acelerarse si una forma exótica de energía llena el espacio. Esta extraña “energía de vacío” queda 0,0001 incorporada en las ecuaciones de EXPANSION    Z Einstein dentro de la constante cosACELERADA    U    L mológica. A diferencia de las formas    A    E    V    D 0,001    I comunes de masa y energía, la ener   T    A    A    V gía de vacío añade una fuerza repul   I    L    T    E    A siva y puede expandir el universo a    R    L    A 0,01    E    I  velocidades  velocidad es creciente crecientes. s. Una vez admi   R EXPANSION    C    N    D timos esta extraordinaria posibiliDECELERADA    A    A    T    D    I dad, nuestras observaciones encajan    S    I    S 0,1    D    N perfectamente, incluso suponiendo    E    T la geometría plana preferida por los    N    I teóricos. 1 Las pruebas de la presencia de una    A    A    C forma extraña de energía, que ejerce    T    R    L    E una fuerza gravitatoria repulsiva,    A    C constituyen el resultado más des0,01 0,1 1 concertante de cuantos cabía esperar. CORRIMIENTO AL ROJO ( )  Y lo es e s en tal t al grado gr ado,, que lo tomamo to mamoss con reservada cautela. Para disipar dudas contamos con los avances técnicos, tales como los nuevos detectores infrarrojos y el Telescopio Espacial de Nueva Generación, que pronto nos permitirán examinar nuestras conclusiones con mayor precisión y fiabilidad. Estos maravillosos instrumentos nos habrán de facilitar la percepción de faros más débiles, que remotas lo atribuye a que éstas se  ve  verí ríamo amo s el pr prob oble lema. ma. Los nue vo voss emitieron su destello hace mucho más hallarían más alejadas que lo que sus resultados se hallan también en sin- tiempo en galaxias remotísimas. corrimientos al rojo sugieren. Con tonía con la investigaci investigación ón reciente de otras palabras, las supernovas situa- la cuantía total de materia alojada das a estas enormes distancias mos- en el universo, a través del estudio trarían menos corrimiento al rojo que de los cúmulos galácticos. lo que cabría atribuirles. Para justi¿Qué aclara la nueva determinaTHE LITTLE BOO OOK K OFTHE BIG BANG. Craig ficar ese menor corrimiento hacia el ción de la densidad de materia del J. Hogan. Springer-Verlag, 1998. rojo, los cosmólogos postulan que la universo a propósito de la curvatura ISCO IS COVE VERY RY OF A SUPERNOVA EXPLOSION D expansión del universo procedió con del mismo? De acuerdo con los prinAT HAL ALF F TH THE E AGE OF THE UNIVERSE. S. mayor lentitud en el pasado que lo cipios de la relatividad general, la curPerlmutter, G. Aldering, M. Della Valle, que se supone, con un consiguiente  vat  vatura ura del uni univer verso so y su dec decele eleraraS. Deustua, R. S. Ellis, S. Fabbro, A. menor desplegamiento global del uni- ción están vinculadas. Parafraseando Fruchter, G. Goldhaber, D. E. Groom, L. M. Hook, A. G. Kim, M. Y. Kim, R. A.  verso  ver so y de la luz que viaja viaj a en su seno. a John A. Wheeler, la materia le Knop, C. Lidman, R. G. McMahon, Peter indica al espacio-tiempo cómo curNugent, R. Pain, N. Panagia, C. R. PennyLa fuerza  varse  var se y ést éstee le dic dicee a aqu aquélla élla cóm cómoo packer, P. Ruiz-Lapuente, B. Schaefer y ué significa que la expansión moverse. Una baja densidad de mateN. Walton (The Supernova Cosmology cósmica se frene menos depri- ria implica una curvatura negativa Project) en Nature, vol. 391, págs. 51-54; sa de lo que se venía pensando? Si el y poco frenado. Si el universo está enero de 1998. universo consta de materia normal, prácticamente vacío, estos dos efecOBSERVATIONAL EVIDENCE FROM SUPERla gravedad ha de frenar sin cesar la tos de atenuación se hallarán cerca NOVA NO VAE E FO FOR R AN ACCELERATING UNIVERSE AND AN D A COSMOLOGICAL CONSTANT. Adam expansión. Un frenado escaso, según de su máximo teórico. G. Riess, Alexei V. Fifippenko, Peter sugieren las mediciones de las superEntendido eso, se explica mejor Challis, Alejandro Clocchiattia, Alan novas, nos indica lisa y llanamente nuestra sorpresa. Las supernovas Diercks, Peter M. Garnavich, Ron L. Gique la densidad global de materia que vemos son más débiles que lo prelliland, Craig J. Hogan, Saurabh Jha, Rodistribuida en el universo es baja. dicho incluso para un universo casi bert R Kirshner, B. Leibundgut, M. M. Por muchos supuestos teóricos que  vac  vacío ío (que adq adquier uieree máxi máxima ma cur curvavaPhillips, David Reiss, Brian P. Schmidt, socave tal conclusión, no está ayuna tura negativa). Tomadas por el valor Robert A. Schommer, R. Chris Smith, J. Spyromilio, Christopher Stubbs, Nichode pruebas. En este contexto, algu- que indican, nuestras observaciones las B. Suntzeff y John Tonry en Astrononos astrónomos afirman que ciertas demandan que la expansión se esté mical Journal, vol. 116, n.o 3, págs. 1009estrellas parecen más viejas que la acelerando con el tiempo. Ahora bien, 1038; septiembre de 1998. edad aceptada del universo, obvia un universo compuesto de manera Información adicional en la búsqueda de contradicción. Pero si el cosmos se exclusiva por materia ordinaria no supernovas está disponible en cfa-www. expandía antaño con mayor parsi- puede crecer así, porque no dejaría .harvard.edu/cfa/oir/Research/supernova/  monia, según nos revelan ahora las de ejercerse la fuerza de atracción HighZ.html y http://www-supernova.lbl. .gov/ en la telaraña mundial. supernovas, la edad del universo debe gravitatori gravitatoria. a. Sin embargo, de acuerdo revisarse al alza, con lo cual resol- con la teoría de Einstein, la expan-    F    F    E    Z    T    N    U    S  .    B    S    A    L    O    H    C    I    N    Y    R    E    N    H    S    R    I    K  .    P    T    R    E    B    O    R  ,    N    A    S    O    J    E    L 0,00001    A    J    A    B    G    O    H  .    J    G    I    A    R    C    :    E    T    N    E    U    F    /    R    E    D    I    E    N    H    C    S    D    I    V    A    D z  ¿Q PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 31  Antigravedad cosmológica  La constante cosmológica, cosmológica, una peculiar forma de energía inherente al espacio mismo, se ha convertido en una de las dos explicaciones plausibles de la expansión acelerada Lawrence M. Krauss D ecía en 1946 George Orwell, posibles, la “abierta” y la “cerrada”. la palabra de Aristóteles, que así alunovelista y crítico social, que En un cosmos donde la materia bata- día al éter, elemento invisible que “para ver lo que se tiene ante lla con el impulso expansivo de la bañaba el espacio [ véase “Materia las narices hay que luchar sin parar”. gran explosión (“big bang”), la geo- oscura en el universo”, de Lawrence Estas palabras vienen muy a c uento metría abierta es la victoria de la M. Krauss; INVESTIGA NVESTIGACIÓN CIÓN Y CIENCIA , para describir la cosmología moderna. expansión: ésta proseguiría sin límite febrero de 1987]. Pero ahora contamos con un mazo de El universo nos rodea —somos parte temporal. En el universo cerrado, de él— y, sin embargo, a veces hay ganaría la gravedad; el mundo aca- pruebas que van más allá. Ni siquiera la que mirar lo que pasa lejos para cono - baría por desplomarse sobre sí mismo materia ocultada basta para producir un cer los procesos que rigen nuestra de nuevo y terminaría en una ardiente universo plano. Quizás el mundo no sea  vida.. Y aunq  vida aunque ue creemos cree mos que los prin- gran implosión (“big crunch”). Los plano, sino abierto, en cuyo caso habrá cipios que gobiernan la naturaleza órdenes de cosas abierto, cerrado y que modificar, o desechar, la teoría inflason simples, el desentrañarlos ya es plano vienen a ser como lanzar un cionaria. O tal vez sí lo sea, en cuyo harina de otro costal. El firmamento cohete más deprisa, más despacio o caso no tendrá sus c onstituyentes prinda pistas sutiles. El dicho de Orwell exactamente a la velocidad de esca- cipales en la materia visible, la oscura es doblemente cierto para los cos- pe de la Tierra, la necesaria para su- o la radiación, sino en una forma aún mólogos que han de interpretar las perar la atracción gravitatoria del más etérea de energía que poblaría el espacio vacío. recientes observaciones de estrellas planeta. que estallaron a cientos de millones  Al dec decir ir de uno de los post postulad ulados os de años de luz de distancia. En con- clave de la teoría inflacionaria, vivia idea de esa forma de energía tra de lo esperado, la expansión del mos en un universo plano, donde tiene una historia larga y agitauniverso, en vez de frenar su veloci- existe un perfecto equilibrio de fuer- da. Empieza cuando Einstein comdad, la acelera. zas. Esa misma teoría, para r esolver pletó su teoría general de la relatiSe sabe desde 1929, por lo menos,  varias  var ias par parado adojas jas de la for formula mulació ción n  vidad,  vid ad, más de diez años añ os antes de que que el universo visible se expande. corriente de la gran explosión, dicta Hubble enseñase convincentemente Ese año Edwin P. Hubble mostró que que muy al principio del universo que el universo se expande. La relalas galaxias lejanas se van separando hubo un período de expansión rápida. tividad entrelazaba espacio, tiempo como si el cosmos entero estuviese  Aun  Aunque que el cconte ontenido nido visi visible ble del cos cos-- y materia. Prometía así lo que hasta hinchándose. Semejante alejamiento mos no basta para pensar en un uni- entonces había sido imposible: el conoactúa contra el efecto opuesto ejer-  verso plano, la dinámica celeste indica cimiento científico no sólo de la dinácido por la gravedad conjunta de que hay mucha más materia que la mica de los objetos del universo, sino cúmulos galácticos y de todos los pla- percibida. La mayor parte de la ence- también de la dinámica del mismo netas, estrellas, gases y polvo que rrada en las galaxias y agrupaciones cosmos. Sólo había un problema. Al contienen. Hasta la minúscula atrac- de galaxias tiene que ser invisible contrario que las demás fuerzas función gravitatoria de un clip retarda para los telescopios. Hace más de diez damentales a las que se halla sujeta un poco la expansión cósmica. Hace años denominé “quintaesencia ” a esa la materia, la gravedad es siempre diez años la concordancia de la teo- materia a la que llaman oscura; tomé atractiva: sólo tira de, nunca empuja. ría con la observación daba a entender que había suficientes clips, suficiente materia en el universo para detener casi —pero sólo casi— la expansión. Por decirlo en la forma geométrica que Einstein promovió, parecía que el universo era “plano”. La del universo plano es una geometría intermedia entre otras dos L 32 TEMAS 33    N    A    I    J    A    M    A    K  .    T    D    E    R    F    L    A o no, el espacio vacío no está, después de todo, vacío. Tipos de materia Tipos de materia Composición probable Indicio principal Contribución aproximada a Materia visible Materia ordinaria (compuesta sobre todo de protones y neutrones) que forma las estrellas, el polvo y el gas Las observaciones telescópicas 0,01 Materia oscura bariónica Materia ordinaria demasiado oscura para dejarse ver, quizás enanas marr ma rron ones es o neg negra ras s (obj (objet etos os compactos de gran masa del halo, los MACHO) Los cálculos de la nucleosíntesis en la gran explosión y la abundancia dell deut de deuter erio io obs obser erva vada da 0,05 Materia oscura no ba bariónica Partículas exóticas como los “axiones”, lo los neutrinos con ma masa o las pa partículas de gr gran an ma masa sa qu que e int inter erac ac-túan túa n débil débilmen mente te (los (los WIM WIMP) P) La gravedad de la masa visible no no basta para explicar las ve velocidades or orbitales de la las s est estre rellllas as de dent ntro ro de las las gala galaxia xias s y de las las galaxias en los cúmulos 0,3 “Materia oscura” cosmológica La constante cosmológica (la energía del espacio vacío) El fondo de microondas da a entender que el cosmos es plano, pero no hay suficiente materia bariónica o no bariónica para que lo sea 0,6 E n el universo se albergan miles y miles de millones de galaxias, cada una de las cuales contiene un número no menos abrumador de estrellas. Y, sin embargo, parece que en su mayor parte es “materia oscura”. La constante cosmológica, si se confirma su existencia, actuaría a escala cósmica como una forma aún más exótica de materia oscura. La magnitud omega, Ω, es el cociente de la densidad de materia o energía y de la densidad necesaria para que el universo sea plano. La inexorable atracción gravitatoria de la materia podría hacer que el uni verso  ver so acabase por desplomar despl omarse. se. Ante semejante conclusión, Einstein, que imaginaba un universo estático y estable, añadió un término a sus ecuaciones, un “término cosmológico”, que lo estabilizaba con una nueva fuerza de largo alcance en el espacio. Si su  valorr era posi  valo positivo tivo,, ser sería ía una fue fuerza rza repulsiva, una especie de antigravedad que impediría que el universo se derrumbase bajo su propio peso. Pero, ay, Einstein abandonaría cinco años después este apaño, del que dijo que había sido su “mayor pifia”. La estabilidad que ofrecía el término era ilusoria, y aún contaba más en su contra el respaldo observacional creciente a la tesis de la expansión. En 1923 Einstein le escribía a Hermann Weyl: “Si el mundo no es cuasiestático, ¡fuera el término cosmológico!”. Como el éter antes, parecía que el término acabaría en la papelera. En la teoría general de la relatividad la fuente de las fuerzas gravitatorias (atractivas o repulsivas) es la energía. La materia no es más que una forma de energía. Pero el término cosmológico cosmológic o es distinto. La energía asociada a él no 34 depende de la posición o del tiempo; de ahí que se lo llame “constante cosmológica”. La fuerza que causa actuaría aun cuando no hubiese materia ni radiación. Su fuente, pues, sería una curiosa forma de energía que residiera en el espacio vacío. La constante cosmológica, como el éter, le daba al vacío una especie de aura casi metafísica. Al prescindir de ella la naturaleza volvía a ser razonable. ¿O no? En los años treinta la constante cosmológica dio unas primeras señales de vida en un contexto diferente: el intento de combinar las leyes de la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad. Paul A. M. Dirac y, luego, Richard Feynman, Julian S. Schwinger y Shinichiro Tomonaga mostraron que el espacio vacío era más complicado de lo supuesto. Resultaba que las partículas elementales podían brotar espontáneamente de la nada y desaparecer de nuevo, siempre y cuando fuese en un tiempo cuya brevedad impidiera la medición. Estas partículas virtuales, así se las conoce, producen efectos mensurables; alteran los niveles de energía de los átomos y crean fuerzas entre las placas metálicas neutras. La teoría de las partículas virtuales concuerda con las observaciones hasta el noveno decimal. Guste S i las partículas virtuales pueden cambiar las propiedades de los átomos, ¿podrían también afectar a la expansión del universo? Yakov B. Zeldovich mostró en 1967 que la energía de las par tículas virtuales actuaría como la energía asociada a la constante cosmológica. Pero había un serio problema. La teoría cuántica predice todo un espectro de partículas virtuales, que abarcaría todas las longitudes de onda posibles. Al sumar todas las contribuciones sale una energía total infinita. Incluso cuando los teóricos ignoran los efectos cuánticos menores que cierta longitud de onda —más allá de la cual se supone que unos fenómenos gravitatorios cuánticos mal conocidos cambian las cosas—, la energía que le calculan al  vacío  vac ío es unos uno s 120 órdene ór deness de magnimag nitud mayor que la contenida en toda la materia del universo. ¿Qué consecuencias tendría una constante cosmológica tan inflada?  Aprove  Apr ovechan chando do la cita de Orw Orwell, ell, es fácil poner un límite observacional a su valor. Mire los dedos de su mano. Si la constante alcanzase el valor que le asigna la teoría cuántica, el espacio entre los ojos y la mano se expandiría tan deprisa que la luz de ésta nunca llegaría a aquéllos. Para ver lo que se tuviese ante la cara habría que luchar sin parar (por así decirlo), pero nunca valdría para nada. El mero hecho de que veamos algo quiere decir que la energía del espacio vacío no puede ser grande. Y que podamos  ver, no ya dónd dóndee term terminan inan los bra brazos, zos, sino hasta los remotos confines del universo, impone un límite aún más estricto a la constante cosmológica: ha de ser casi 120 órdenes de magnitud menor que el cálculo mencionado antes. Esta discrepancia entre la teoría y la observación es el problema cuantitativo más desconcertante de la física actual. La respuesta más a mano es que habría alguna ley física no descubierta que anularía la constante cosmológica. Mas por mucho que plazca a los teóricos que la constante desaparezca, ciertas observaciones astronómicas —de la edad del universo, de la densidad de la materia en su seno y de la naturaleza de las estructuras cósmicas— abogan por lo contrario. Entre las cuestiones persistentes de la cosmología se incluye la edad del universo. Midiendo la velocidad de las galaxias, podemos calcular cuánto han tardado en ocupar su posición presente, suponiendo que todas TEMAS 33 partieron del mismo punto. En una primera aproximación podemos prescindir de la deceleración causada por la gravedad: el universo se expande a velocidad constante y el intervalo de tiempo transcurrido es el cociente entre la distancia intergaláctica y la  velocid  velo cidad ad de sep separa aración ción med medida, ida, es decir, la inversa de la constante de Hubble. Cuanto mayor sea ésta, más rápida será la expansión y más joven el universo. La primera evaluación que Hubble hizo de la constante que lleva su nombre fue de casi 500 kilómetros por segundo por megaparsec; con ello indicaba que dos galaxias separadas por una distancia de un megaparsec (unos tres millones de años luz) se separarían, en promedio, a 500 kilómetros por segundo. Dado este valor, el cosmos tendría unos 2000 millones de años, en penosa contradicción con la edad comprobada de la Tierra, cifrada en más de 4000 millones de años. con que las estrellas queman su com- tres millones de estrellas cuyas proPero si se toma en consideración la bustible nuclear, oscilan entre los piedades cubrían las aporías exisatracción gravitatoria de la materia, 15.000 y los 20.000 millones de años. tentes. Comparamos luego nuestras el análisis predice que los objetos se Serían, pues, más viejas que el uni- estrellas modelo con las de los cúmumovieron más deprisa al principio y,  verso.  ver so. los globulares. Las más viejas, conpor tanto, que tardaron menos en llePara resolver si el conflicto de las cluimos, tendrían no más de 12,5 gar a su posición actual que si la velo- edades debíase a fallos de la teoría millones de años. Pero esa cifra seguía cidad hubiera sido constante. Esta cosmológica o a los modelos estela- sin concordar con la edad de un uniprecisión reduce la edad calculada res, mis colaboradores Brian C.  verso  vers o plano dominado domina do por la materia. en un tercio, con lo que la discre- Chaboyer, Pierre Demarque y Peter Hasta que, hace dos años, el satépancia resulta desastrosamente peor. J. Kernan y yo reevaluamos en 1995 lite Hip  Hiparco arcoss, lanzado por la Agencia  A lo larg largoo de los últi últimos mos sete setenta nta las edades de los cúmulos globula- Espacial Europea para determinar años se ha determinado mejor la velo- res. Simulamos los ciclos de vida de la ubicación de más de 100.000 estrecidad de la expansión del universo, aunque persistiera la tensión entre la edad que se le calcula y la de algunos de sus objetos. Pero desde hace un tiempo han empezado a converger las diversas mediciones de la constante de Hubble gracias al lanzamiento del Telescopio Espacial Hubble y al desarrollo de nuevas técnicas de observación. Wendy L. Freedman, de los Observatorios Carnegie, y sus colaboradores le conceden un valor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec (con un intervalo más probable, dependiendo del error experimental, de 65 a 81). Estos resultados ponen el límite superior de la edad de un universo plano en unos 10.000 millones de años. ¿E s suficiente esa edad? Depende de la que tengan los cuerpos más antiguos que daten los astrónomos. Las estrellas más viejas de nuestra galaxia se refugian en los cúmulos globulares, ubicados algunos de éstos en los aledaños de la Vía Láctea, razón por la cual se sospecha que nacieron antes que el resto de la  Vía Lác Láctea. tea. Las eval evaluaci uacione oness de su edad, basadas en el cálculo del ritmo PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS FLUCTUACIONES DEL VACIO PLACAS DE CASIMIR 35    H    C    I    R    U    Z    E    D    D    A    D    I    S    R    E    V    I    N    U  ,    N    I    E    T    S    N    I    E    E    D    S    O    V    I    H    C    R    A    G    N    I    S    E    D    N    A    M    D    I    E    N    H    C    S    D    E    R    A    J  ,    )    a    í    f    a    r    g    o    t    o    f    (    X    U    A    E    R    O    M    A    L  .    K    E    V    E    T    S llas cercanas, revisó las distancias a tenido. Contamos con datos convinque se encontraban e, indirectamente, centes de que la cuantía total de matelas distancias de los cúmulos globu- ria que encierra el universo no basta lares. Los nuevos valores alteraron para hacerlo plano. las estimaciones admitida s de su briEn ese censo cósmico se calcula prillo. Nos forzaron a rehacer nuestro mero la síntesis de elementos en la análisis, porque el brillo determina gran explosión originaria. Los elela velocidad a la que las estrellas con- mentos ligeros del universo —hidrósumen el combustible y, por tanto, su geno, helio y sus isótopos menos abunesperanza de vida. Parece ahora que dantes, como el deuterio— se crearon los cúmulos globulares podrían te- en los primeros tiempos del universo ner, en el límite de los márgenes de en unas cantidades relativas que error, sólo 10.000 millones de años, dependieron del número de protones lo que ya encaja con las edades y neutrones disponibles, los consticosmológicas. tuyentes de la materia normal.  Ahora  Aho ra bien, esa concordan concor dancia cia mar- Comparando, pues, la concentración ginal no deja de resultar incómoda. relativa de los distintos isótopos se Exige que ambos conjuntos de eda- infiere la cantidad total de materia des estimadas se hallen cerca del ordinaria que se produjo en la gran borde de los intervalos admisibles. explosión. (Ni que decir tiene que Lo único que puede abandonarse es pudo haber habido otra materia cuya la suposición de que vivimos en un composición no fuera de protones y universo plano dominado por la mate- neutrones.) ria. Una densidad menor de materia, Las observaciones pertinentes dieque correspondería a un universo ron un paso de gigante en 1996. El abierto con una deceleración menor, grupo dirigido por David R. Tytler y aliviaría un tanto la tensión. Aun así, Scott Burles midieron la abundanla única forma de elevar la edad por cia primordial del deuterio obserencima de los 12.500 millones de años  vando la absorción de la luz de los cuásería aceptar que el universo no está sares por las nubes de hidrógeno dominado por materia, sino por una intergalácticas. Al tratarse de nubes constante cosmológica. La fuerza que nunca alojaron estrellas, su deurepulsiva resultante haría que la terio debía proceder sólo de la gran expansión de Hubble se acelerara con explosión. De los descubrimientos de el tiempo. Las galaxias habrían estado Tytler y Burles se desprende que la distanciándose antaño menos depri- densidad media de la materia ordisa que hoy y habrían tardado más en naria está entre entre el 4 y el 7 % de la neceocupar su situación actual, por lo que saria para que el universo sea plano. el universo sería más viejo. Se ha sondeado también la denLos cálculos que se manejan sobre sidad de materia a través del estula edad del universo son sólo indica- dio de las principales macroestructivos. Otros pilares de la cosmología turas mantenidas por la gravedad, los observacional se han visto sacudidos cúmulos galácticos. Estas agrupatambién. Al escrutar zonas cada vez ciones de cientos de galaxias abarcan mayores del universo ha mejorado la casi toda la materia visible. La mayor capacidad de tomar nota de su con- parte de su contenido luminoso es un Sumario de los valores inferidos de la densidad cósmica de materia Observación Edad del universo materia <1 Densidad de protones y neutrones 0,3–0,6 Cúmulos de galaxias 0,3–0,5 Evolución galáctica 0,3–0,5 Radiación del fondo de microondas cósmico Supernova de tipo Ia L < ~1 0,2–0,5 as mediciones de la contribución a Ω de la materia concuerdan más o menos. Aunque cada una de estas mediciones tiene sus escépticos, la mayoría de los astrónomos acepta ahora que la materia sola no puede hacer que Ω sea igual a 1. Pero es posible que otras formas de energía, como la constante cosmológica, aporten lo que falta. 36 gas intergaláctico caliente que emite rayos X. Su temperatura, inferida del espectro de éstos, depende de la masa total del cúmulo: cuanto mayor sea, mayores son la gravedad y la presión que hace que el gas se aguante contra ella, y esto conduce a una temperatura más alta. El equipo de Simon D. White, tras recoger información acerca de varios cúmulos, llegó a la conclusión según la cual la materia luminosa abarcaba entre el 10 y el 20 % de su masa total. De estos estos resultados, cuando se los combina con las mediciones del deuterio, se desprende que la densidad total de materia incluida en cúmulos —contando protones, neutrones y partículas más exóticas, como ciertas candidatas a materia oscura— no pasa, como mucho, del 60 % de la requerida para que el universo sea plano. Un tercer conjunto de observaciones, que también tiene que ver con la distribución de la materia a las mayores escalas, respalda la tesis de un universo con masa insuficiente para ser plano. Ningún otro campo de la cosmología ha avanzado tanto en los últimos veinte años como el del conocimiento sobre el origen y la naturaleza de las estructuras cósmicas. Se da por sentado desde hace mucho que las galaxias se agregaron a partir de ligeras concentraciones de materia en el universo primitivo, pero nadie sabía el agente de tales ondulaciones. El desarrollo de la teoría inflacionaria en los años ochenta aportó el primer mecanismo verosímil: el reforzamiento de las fluctuaciones cuánticas hasta que adquirieron un tamaño macroscópico. Las simulaciones numéricas del crecimiento de las estructuras tras la inflación nos han mostrado que, si la materia oscura, en vez de protones y neutrones, consta de otro tipo de partículas (las llamadas WIMP), entonces ciertas perturbaciones sutiles de la radiación de fondo de microondas pudieron crecer hasta convertirse en las estructuras que vemos ahora. Además, las c oncentraciones de materia deberían seguir evolucionando y creando cúmulos de galaxias si hay una densidad global de materia muy alta. El crecimiento parsimonioso del número de cúmulos ricos a lo largo de la historia reciente del universo da a entender que la densidad de materia no llega al 50 por ciento de la necesaria para defender un universo plano. E ste rosario de pruebas de la insuficiencia de materia para pensar en un universo plano vence la arraigada resistencia contra esta posibilidad. Así las cosas, caben dos interpretaciones. Estamos ante un TEMAS 33 3    N    i  a    O   e  r    I    )     S    t    i    t  a    O   m  a   n    L    f   i    P    l  a   n    E   X  d  e   r   i   e    N   A   d   s    R   i  d  a   d  o    G   u    N   n  s   p    S   I   d  e   c  a    l  a   u  n    (    n 2 INTERVALO DE LOS DATOS DE LAS SUPERNOVAS EXPANSION A RITMO CONSTANTE 1 NUEVO MODELO PREFERIDO    A    C    I    G    O    L    O    M    S    O    C    E    T    N    A    T    S    N    O    C  D A  á s  R A  d e  m  E  L  e  E  A C  a p u (compatible con todos los datos)  e  e  a n t  t a  s  n  a c o  (  l a      Ω PLANO  c a  )  g i c    ó ó  l  o  o s m  c    e e  D A  a n t  R A  o n s t a  E  L  c  C E  e l a  a  D E  q   u  s  m á  d e  e  u  p   cc  ó g i  o l ó  m  c o s  a  e r i i a  a t e  m  a  (  l a VIEJO MODELO ESTANDAR  a )  i  )  e r i  a  a t e  m  a  l a  q  u e ASINTOTA DEL MODELO ESTATICO ORIGINAL DE EINSTEIN EXPANSION PERMANENTE (la materia no puede detener el impulso expansivo) 0 0 DERRUMBE INTERVALO DE LOS DATOS DEL FONDO DE MICROONDAS (el universo se expande y contrae al menos una vez)    D   A   n   )    D    E   o  v  e   s   a   A    j     L    j    i  e    R   á  s   v    P  O   í  a  m  á  s   r   m   O    D   s  e   a  s   A    l    l    T   s  o   e    R   r   r    t   A   e    i  v   e  s    S  C  n   s    E   u    D    l    l  a e   (    l    a    p  a  s  m   d    e   r  a   a    y  o  n  s  i    C   q   u  e   r  q   d    (    R    a  d   E    l    a   R    u   e   d    e   t   l   u   e   o  t   A  D    e  s  e  n  s   l   v   a  l    O   A  B   n  i    i    v   m   d    a  l    d    n   e   e  l    e   e   a  d    I   E    o  r   e  e   r   s   c   n   u  n   e   o   t  o   R    o   n   T    s  e  n  e  c   e  r   i    v  e  s  a  r   r  q  u  t  a  l    O   e   a   s   g  í    o   r  s   i    d     p  l    a  r  a   o    p  a  e  e  l    e  e   a  n   i    o   s  e   r  a   v   n   o   e  r   a   q   a  l     )    p  l    u  e   o  r    g  í    a   a  n   o    )   INTERVALO DE LOS DATOS DE LOS CUMULOS    )    o    j     u    b    i    d    (    Y    N    S    A    R    K    Y    R    T    I    M    D  ,    )    n    ó    i    c    a    r    t    s    u    l    i    (    N    O    X    I    D    N    O    D   e   e   (    u   q  –1 0 1 ΩMATERIA 2 3 - -  - -t PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 37    Y    N    S    A    R    K    Y    R    T    I    M    D    Y    R    E    S    S    U    M    E    G    R    O    E    G Densidad media del universo –20 10 - -    ) –21    O10    C    I    B –22    U10    C    O –23    R10    T    E    M10–24    I    T    N    E10–25    C MATERIA CONSTANTE COSMOLOGICA    R    O10–26    P    S    O10–27    M    A    R –28 10    G    (    D –    A10 29    D    I    S    N10–30    E    D –31 10 0 5 FORMACION DE LAS PRIMERAS GALAXIAS 10 FORMACION DEL SISTEMA SOLAR 15 20 AHORA MUERTE DEL SOL EDAD (MILES DE MILLONES DE AÑOS) universo abierto, la primera; la segunda, estamos ante un universo plano gracias a alguna forma adicional de energía que no está asociada a la materia ordinaria. Para optar por una u otra opción se ha pugnado por medir el fondo de microondas con una gran resolución. Las investigaciones provisionales respaldan en estos momentos un uni verso  ver so plano. plano . Mientras, Mientr as, los investig inve stigaadores que estudian las supernovas remotas han proporcionado la primera prueba directa, aunque apro- ximada, de la aceleración de la expansión del universo, un signo que apunta a una constante cosmológica con el mismo valor que se desprende de los demás datos. Las observaciones del fondo de microondas y las de las supernovas iluminan dos aspectos diferentes de la cosmología. El fondo de microondas revela la geometría del universo, que es sensible a la densidad total de energía, sea cual sea su forma, mientras que las supernovas sondean directamente la velocidad de expan- sión, que depende de la diferencia entre la densidad de materia (que frena la expansión) y la constante cosmológica (que puede acelerarla). La combinación de todos estos resultados nos da a entender que la constante aporta del 40 al 70 por ciento de la energía necesaria para que el universo sea plano. Los teóricos están ya dándole vueltas a algo que hace 20 años habría sido impensabl impensable: e: una constante cosmológica mayor que cero, pero mucho menor que la predicha por la actual teoría cuántica. El destino del universo L a constante cosmológica cambia la idea más común y sencilla acerca del futuro del universo. La cosmología ha venido prediciendo dos resultados posibles que dependían de la geometría del universo o, equivalentemente, de la densidad media de materia. Si la densidad de un universo lleno de materia sobrepasa cierto nivel crítico, es “cerrado”, en cuyo caso acabará por dejar de expandirse, empezará a contraerse y al final desaparecerá en un ardiente apocalipsi s. Si es menor que ese valor crítico, será “abierto” y se expandirá eternamente. Un universo “plano”, en el que la densidad es igual al valor crítico, se expandirá también para siempre, pero más despacio. Ahora bien, estos órdenes de cosas parten de que la constante cosmológica sea nula. Si no lo es, puede que sea ella y no la materia la que controle el destino final del universo. La razón estriba en la constante, que, por definición, representa una densidad fija de energía en el espacio. La materia no puede competir: al doblarse el radio su densidad se 38 divide por ocho. En un universo en expansión la densidad de energía asociada a la constante cosmológica lleva las de ganar. Si la constante es positiva, generará en el espacio una fuerza repulsiva de largo alcance y el universo seguirá expandiéndose, aunque la densidad total de la energía en la materia y el espacio supere el valor crítico. (Quedan descartados los valores negativos grandes de la constante porque la resultante fuerza atractiva ya habría puesto fin al universo.) Esta nueva predicción de la expansión eterna ni siquiera presupone que la constante lo sea en realidad, como reclama la relatividad general. Si la densidad de energía del espacio vacío varía con el tiempo, el destino del universo dependerá de cómo lo haga. Y podría haber un precedente para esos cambios: la expansión inflacionaria del universo primordial. Quizás el universo esté ahora entrando en una nueva era de inflación, que acabaría por llegar a un final. —L.M.K. TEMAS 33 Un prodigio de sintonía fina ha de eli- Caldwell y Paul J. Steinhardt han minar las energías de las partículas recuperado la denominación “quin virtuale  virt ualess hasta el luga lugarr decimal decima l 123, taesencia” para nombrar esa energía pero dejando intacto el 124, una pre-  variable.  varia ble. Da una idea del revue revuelo lo teócisión no vista en ninguna otra parte rico de hoy el que la materia oscura de la naturaleza. que en un principio fue llamada así Steven Weinberg y sus colabora- parezca ahora casi corriente y moliendores echan mano del último recurso te en comparación. Por mucho que me de los cosmólogos, el principio antró- guste el nombre, ninguna de las ideas pico. Si el universo observado es uno concebidas para esa quintaesencia entre una infinitud de universos sin parece convincente. Todas son ad  vinculac  vinc ulación ión mutua mutu a —cada uno de los hoc . El problema de la constante coscuales podría tener constantes de la mológica sigue retándonos. naturaleza ligeramente distintas, ¿Cómo sabrán los cosmólogos que según recientes encarnaciones de la se han reconciliado con este universo teoría inflacionaria combinada con que tanta perplejidad teórica causa? ideas emergentes de gravedad cuán- Nuevas mediciones del fondo de tica—, los físicos pueden confiar en microondas, el análisis continuo de calcular la magnitud de la constante las supernovas remotas y la medicosmológica inquiriendo en qué uni- ción de las lentes gravitatorias que  versos  ver sos podr ía darse vida vid a inteligente intelig ente.. actúan sobre la luz de los cuásares Weinberg y otros han llegado a un lejanos deberían permitir que se preresultado que es coherente con el cisase el valor de la constante cosmo valorr apa  valo aparent rentee de la con constan stante te cos cos-- lógica en unos años. Una cosa ya es mológica hoy. segura. La cosmología vigente en los Pero la mayoría de los teóricos no años ochenta, según la cual el uniestán por esa labor. En su opinión,  verso era plano y estaba dominado por no hay razón por la que la constante materia, ha muerto. El universo o es deba tomar un valor determinado; lo abierto o está lleno de una energía de toma, simplemente. Aunque este origen desconocido. Aunque creo que argumento pudiera ser cierto, no se las observaciones apuntan en favor han agotado otras posibilidades, que del segundo estado de cosas, ambos podrían restringir el valor de la cons- impondrían una visión de la física tante mediante una teoría fun- radicalmente nueva. damental y no por un accidente histórico. E n otra línea de investigación milita la tradición iniciada por Dirac. Argumentaba que se ha medido un número grande del universo, su edad (o, equivalentemente, su tamaño). Si ciertas magnitudes físicas cambiasen con el tiempo hoy podrían ser o muy grandes o muy pequeñas. La constante cosmológica podría ser uno de esos casos. Podría, en efecto, no ser constante. Al fin y al cabo, si la constante cosmológica es fija y no  vale cero, cer o, es que estamos estam os viviendo vivien do en el primer y único momento de la historia cósmica en el que la densidad de materia, que disminuye con la expansión del universo, es equiparable a la energía almacenada en el espacio vacío. ¿Por qué esa coincidencia? Ciertos grupos, en cambio, han imaginado que alguna forma de energía cósmica imita una constante cosmológica, aunque varía con el tiempo. Se adentraron por esa senda P. James Peebles y Bharat V. Ratra, hace diez años. Movidos por los nuevos hallazgos sobre las supernovas, otros grupos han resucitado la idea. Algunos se han inspirado en los conceptos de la teoría de cuerdas. Robert PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS DRE REAM AMS S OFA FINAL THEORY. Steven Weinberg, Pantheon Books, 1992. RINCIP CIPLES LES OF PHYSICAL COSMOLOGY. P. PRIN James E. Peebles. Princeton University Press, 1993. BEF EFOR ORE E TH THE E BEGINNING: OUR UNIVERSE AND O THERS . Martin Rees. AddisonWesley, 1997. LUSTERS RS IN LIGHT THE AGEOF GLOBULAR CLUSTE OF HIPPARCOS: RESOLV ESOLVING ING THE AGE PRODemarque, BLEM? Brian Chaboyer, Pierre Demarque, Peter J. Kernan y Lawrence M. Krauss en  Astroph ysical Journal, vol. 494, n.o 1, págs. 96-110, 10 de febrero de 1998. 19 98. Prepublicación disponible en xxx.lanl.gov/  abs/astro-ph/9706128, de la World Wide Web. AND D TH THE E THE END OF THE AGE PROBLEM, AN CASE FOR A COSMOLOGICAL CONSTANT REVISITED. Lawrence M. Krauss en  Astrophysical Journal, vol. 501, n.o 2, páginas 461-466, 10 de julio. Prepublicación disponible en xxx.lanl.gov/abs/astroph/9706227, de la World Wide Web. IVING ING WI WITH TH LAMBDA. J. D. Cohn. PreLIV publicación disponible en xxx.lanl.gov/  abs/astro-ph/9807128, de la World Wide Web. 39 El sino de la vida en el universo  Hace miles de millones de años, años, el universo, demasiado caliente entonces, no podía albergar la vida.  Llegará un momento en que que se habrá hecho tan frío y ralo, que la vida, por muy inteligente que sea, perecerá Lawrence M. Krauss y Glenn D. Starkman L a vida eterna es creencia central en muchas religiones. A  menudo se la asocia a un Valhalla espiritual, una existencia sin dolor, muerte, preocupaciones o males, un mundo distinto de la realidad física. Pero existe otra clase de vida eterna que anhelamos, una en el reino temporal. Escribía Charles Darwin en el epílogo de su libro  Sobr  Sobree el oriori  gen de las especies : “Puesto que todas las formas de vida presentes son descendientes por línea directa de las que vivieron antes del período Cámbrico, podemos estar seguros de que la sucesión ordinaria por generación no se ha cortado nunca… Por tanto, podemos contemplar con alguna confianza la seguridad de un dilatado futuro.” El Sol acabará por agotar su reserva de hidrógeno. La vida tal como la conocemos en nuestro planeta terminará. Pero la raza humana se amolda. Nuestra descendencia buscará nuevos hogares, propagándose por todos los rincones del universo de la misma suerte que los organismos han colonizado todos los nichos posibles en la Tierra. La muerte y el mal se cobrarán su tributo; quizá persistan dolor y angustia, aunque nuestra progenie sabrá sobrellevarlos. O tal vez no. Los científicos andan lejos de entender las bases físicas de la vida y el devenir del universo; pese a ello, pueden aventurar algunas hipótesis razonables sobre el destino de los seres vivos. Las observaciones cosmológicas actuales indican que el universo continuará expandiéndose por siempre, en vez de crecer hasta un tamaño máximo para luego contraerse, según se pensaba antes. Por tanto, no estamos condenados a perecer en una violenta “gran implosión” en la que se borrara cualquier 40  vestigio de nuestra civilización actual del universo en los años veinte aquietó o futura. A primera vista, la expan- esa ansiedad, porque la expansión sión perpetua es motivo de optimismo. impide que el universo alcance tal ¿Qué podría impedir que una civili- equilibrio, Pero pocos cosmólogos dezación avanzada explotara recursos rivaron otras consecuencias para la sin término para sobrevivir indefi-  vida  vi da en un uni ver so en ex expa pans nsión ión nidamente? indefinida, hasta que en 1979 apa Ahora bien, la vida medra con ener- reció el artículo hoy clásico del físico gía e información. Y, de acuerdo con Freeman Dyson, del Instituto de propuestas muy generales, sólo pue- Estudios Avanzados de Princeton, a den acumularse cantidades finitas su vez motivado por un trabajo antede energía y de información incluso rior de Jamal Islam, actualmente en durante un tiempo infinito. Para que la Universidad de Chittagong, en la vida persistiera, tendría que desen- Bangladesh. Desde el artículo de Dy volvers  volv ersee con men menguan guantes tes recu r ecursos rsos y son, los físicos y los astrónomos han un conocimiento limitado. Hemos lle-  vue  vuelto lto una y otra ot ra vvez ez sobr s obree el e l tema. te ma. gado a la conclusión de que ninguna Hace un año, espoleados por recienforma significativa de conciencia tes observaciones que apuntan un puede existir para siempre bajo estas futuro a largo plazo del universo radicondiciones. calmente diferente del que hasta ahora se había imaginado, decidimos Los desiertos considerar el asunto de nuevo. de la vasta eternidad Durante los últimos 12.000 millourante el siglo pasado, la escato- nes de años, más o menos, el universo logía científica —doctrina sobre ha atravesado varias etapas. En los el sino del mundo— ha oscilado entre tiempos más antiguos era increíbleel optimismo y el pesimismo. No mente caliente y denso. Gradualmenmucho después de la confiada predic- te, se expandió y se enfrió. Durante ción de Darwin, los científicos de la cientos de miles de años, la radiación época victoriana comenzaron a preo- imperaba; se cree que el célebre fondo cuparse por la “muerte térmica”, en cósmico de microondas es un vestila que el cosmos entero llegaría a una gio de esa era. Luego comenzó a domitemperatura constante por doquier, nar la materia. Se erigieron estruc volviénd  volv iéndose ose inca incapaz paz de cambi c ambiar. ar. turas astronómicas cada vez mayores. El descubrimiento de la expansión  Aho  Ahora, ra, si las recientes recie ntes observac obse rvac ione ioness D - - TEMAS 33    )    o    p    m    e    i    t    l    e    d    a    e    n    í    l    (    S    N    E    M    E    L    C    K    R    A    M    ;    N    A    M    K    R    A    T    S  .    D    N    N    E    L    G    Y    S    S    U    A    R    K  .    M    E    C    N    E    R    W    A    L  ,    N    I    L    H    G    U    A    L    Y    R    O    G    E    R    G  ,    S    M    A    D    A  .    C    D    E    R    F    :    E    T    N    E    U    F    /    S    M    L    I    F    M    I    L    S El espacio y el tiempo se separan 10 –44 segundos transcurridos desde la gran explosión Inflación cósmica 10 –28 segundos transcurridos desde la gran explosión    R    E    S    S    U    M    E    G    R    O    E    G    Y    N    O    X    I    D    N    O    D UNIVERSO OBSERVABLE CUMULO GALACTICO AGUJERO NEGRO ESFERA DE REFERENCIA DOMINIOS TIEMPO - - - cosmológicas son correctas, la expan- la materia ordinaria y exótica, la lenta sión del universo empieza a acele- evaporación de los agujeros negros. rarse, una señal de que un extraño Suponiendo que la vida inteligente tipo nuevo de energía, quizá prove- pueda adaptarse a las cambiantes niente del espacio mismo, está impo- circunstancias, ¿a qué límites fundaniéndose. mentales se enfrenta? En un universo La vida tal como la conocemos de- eterno, potencialmente de volumen pende de las estrellas. Pero las estre- infinito, cabría esperar que una civillas mueren sin remedio; su tasa de lización avanzada pudiera hacer aconacimiento ha disminuido aparato- pio de una cantidad infinita de matesamente tras un apogeo inicial hace ria, energía e información. unos 10.000 millones de años. Dentro Sorprendentemente, Sorprendenteme nte, eso no es cierde unos 100 billones de años, la última to. Incluso tras una eternidad de duro estrella formada según las pautas y bien planificado quehacer, los seres conocidas languidecerá, y comenza-  vivos  vivo s sólo lleg llegaría arían n a acu acumula mularr un rá una nueva era. Ciertos procesos, número finito de partículas, una candemasiado lentos hoy para reparar tidad finita de energía y un número en ellos, adquirirán protagonismo: la finito de bits de información. Para dispersión de los sistemas planeta- mayor frustración, el número de parrios por encuentros cercanos entre tículas, ergios y bits disponibles puede estrellas, el posible decaimiento de crecer sin límite. El problema no es necesariamente la falta de recursos, sino la dificultad de reunirlos. La culpa la tiene lo mismo que nos permite considerar la subsistencia eterna: la expansión del universo. A  medida que el universo crece en tamaño, mengua la densidad media de las fuentes ordinarias de energía. Si se duplica el radio del universo se divide por ocho la densidad de átomos. Para las ondas luminosas, la disminución es aún más aguda; en cada duplicación del radio su densidad de energía decrece por un factor 16 porque la expansión las estira y por ello agota su energía. Como resultado de esta dilución, el recolectar recursos consume cada vez más tiempo. Los seres inteligentes tienen dos estrategias bien claras: o dejar que el material les llegue o tra- Aparece el elect romagnet ism o 10 –11 segundos transcurri dos desde l a gran explos ión 42 Se crean los núcleos atóm icos 10 –5 años TEMAS 33 10 –18   s   e    t  –21   n   e   ) 10    l   a   o   v   c    i   u   i    b  –24   q   ú10   e   c   s   o   r   o   t  –27   m  e10   a   m   r    í   g   t    (   n    D  e   c 10 –30    A  r    D    I   o    S  p  –33    N 10    E    D 10 –36 105 TAMAÑO RELATIVO DEL UNIVERSO 0,001 0,01 0,1 1 10 100 MATERIA - RADIACION COSMICA DE FONDO AHORA - CONSTANTE COSMOLOGICA 106 107 108 109 EDAD (años) tar de recolectarlo ellos. En el primer caso, la mejor decisión a largo plazo es dejar que la gravedad actúe. De todas las fuerzas de la naturaleza, sólo la gravedad y el electromagnetismo pueden atraer las cosas desde distancias arbitrariamente grandes. Pero el electromagnetismo sufre apantallamiento: las partículas cargadas con signo opuesto se contrarrestan entre sí. Un objeto típico del universo es neutro y, por tanto, inmune a las fuerzas eléctricas eléctrica s y magnéticas de largo alcance. La gravedad, por contra, no puede apantallarse, porque las partículas de materia y la radiación sólo se atraen gravitatoriamente; no se repelen. Rendirse al vacío P ero hasta la gravedad debe rivalizar con la expansión del universo, que separa los objetos y debilita con ello su atracción mutua. En todas las circunstancias, salvo en una, la gra vedad acaba por resultar incapaz de acumular grandes cantidades de materia. De hecho, puede que nuestro universo haya alcanzado ya esta condición; quizá los cúmulos de galaxias sean los mayores objetos que la gra vedadd cons  veda consiga iga mant mantener ener junto juntos. s. La única excepción acaece si el universo se encuentra justo en equilibrio entre la expansión y la contracción, en cuyo caso la gravedad continúa indefinidamente acumulando cantidades de materia cada vez mayores. Pero se cree 1010 1011    R    E    S    S    U    M    E    G    R    O    E    G    Y    E    C    A    R    G    E    I    R    U    A    L - ahora que esta situación contradice Frautschi había pensado. El tamaño las observaciones. Y no está exenta de del agujero negro necesario para recodificultades: tras unos 10 33 años, la ger energía indefinidamente supera materia accesible se encontrará tan el tamaño del universo visible. concentrada, que la mayor parte se La dilución cósmica de la energía colapsará en agujeros negros, lleván- es un verdadero aprieto si el universo dose cualquier forma de vida. Encon- se expande con una celeridad cada vez trarse dentro de un agujero negro no mayor. Todos los objetos remotos que es una condición agradable. En la aún percibimos acabarán por alejarse Tierra, todos los caminos llevan a de nosotros más rápido que la veloRoma, pero dentro de un agujero negro cidad de la luz y, al oc urrir eso, desatodos los caminos llevan en un plazo parecerá parecerán n de nuestra vista. Los recurfinito de tiempo al centro del agujero, sos totales a nuestra disposición están donde la muerte y la desmembración por tanto limitados a lo que pod amos sobrevienen indefectiblem indefectiblemente. ente.  ver hoy hoy,, como co mo máximo má ximo.. Por desgracia, ninguna estrategia No todas las formas de energía están de búsqueda activa de recursos sale sujetas en igual medida a la dilución. mejor parada que la pasiva. La expan- El universo podría, por ejemplo, estar sión del universo se lleva energía repleto de una red de cuerdas cósmicinética, de manera que los recolec- cas (concentraciones de energía infitores tendrían que largar por la borda nitamente largas y delgadas que su botín para mantener su velocidad. podrían haber aparecido al tiempo Incluso en la situación más optimista que el universo primigenio se enfriaba (en la que la energía viaja camino del desigualmente). La energía por unirecolector a la velocidad de la luz y dad de longitud de una cuerda cósmica se recoge sin pérdidas) una civiliza- permanece constante a pesar de la ción podría hacer acopio de una can- expansión del universo. Los seres intetidad ilimitada de energía sólo den- ligentes podrían intentar cortar una tro o cerca de un agujero negro. Esta cuerda, congregarse en torno a los última posibilidad fue estudiada por extremos seccionados y comenzar a Steven Frautschi, del Instituto de consumir la energía. Si la red de cuerTecnología de California, en 1982. das fuera infinita, podrían albergar Concluyó que la energía disponible la esperanza de satisfacer su apetito de los agujeros disminuiría más veloz- para siempre. El problema de esta mente que lo que cuesta recogerla. estrategia es que lo que cualquier Hace poco volvimos a examinar esta forma de vida pueda hacer, lo pueden posibilidad y encontramos que los hacer también los procesos naturales. apuros serían aún mayores de lo que Si una civilización llegara a inge- 5∞10 9: Se acaba la inflación; comienza a decrecer la fracción observable del universo 1,5 ∞10 10: Se extingue el Sol El universo se enfría a la temperatura de Gibbons-Hawking Las galaxias allende el cúmulo local se vuelven invisibles Se forman las primeras estrellas Se forman átomos neutros 10 5 PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS Nace el Sol 10 6 Se detiene la formación de estrellas 3∞10 9 7∞10 11 5∞10 12 AHORA 10 14 Los planetas se disocian de las estrellas 10 15 43 niárselas para cortar cuerdas cósmicas, la red de cuerdas se desmembraría; podrían, por ejemplo, aparecer espontáneamente agujeros negros en las cuerdas que los devoraran. Por tanto, los seres sólo podrían usufructuar una cantidad finita de cuerda hasta encontrar otro extremo cortado. La entera red de cuerdas acabaría por desaparecer, dejando desamparada a la civilización. ¿Qué hay de la extracción del vacío cuántico? Después de todo, la aceleración cósmica puede estar accionada por la llamada constante cosmológica, una forma de energía que no se diluye a medida que el universo se expande. De ser así, el espacio vacío estaría lleno de un extraño tipo de radiación, llamada radiación de Gibbons-Hawking o de de Sitter. Lamentablemente, es imposible extraer energía de esta radiación para realizar trabajo útil. Si el vacío proporcionara energía, caería a un estado de energía más bajo, pero el vacío ya es el estado de energía más bajo que existe. Con independencia de lo inteligentes que seamos y de lo cooperativo que se muestre el universo, algún día nos tendremos que enfrentar a la limitación de los recursos disponibles. Incluso así, ¿hay alguna manera de resistir indefinidamente? La estrategia obvia consiste en no crearse necesidades, un ardid que Dyson examinó cuantitativamente. Para reducir el consumo de energía y mantenerlo restringido a pesar de los trajines, tendríamos que acabar por reducir la temperatura corporal. Se podría especular sobre humanos producto de la ingeniería genética que se mantuvieran a temperaturas algo por debajo de los 37 grados C. Pero la temperatura corporal del cuerpo humano no puede reducirse arbitrariamente; la temperatura de congelación de la sangre es un límite firmemente establecido. Cabría, en opción alternativa, despojarnos por entero de nuestros cuerpos. Por futurística que pueda parecer, la idea de desprendernos de nuestros cuerpos no presenta dificultades fundamentales. Sólo supone que la consciencia no está ligada a un conjunto particular de moléculas orgánicas, El peor de los universos posibles D e entre todas las situaciones de un universo en eterna expansión, la más desoladora es la que está dominada por l a llamada constante cosmológica. No sólo se haría irremediable que en ese universo la vida se acabe, sino que, además, la calidad de vida se deterioraría rápidamente. De corroborarse las recientes observaciones que indican que la expansión se está acelerando, el futuro que nos espera se presenta lúgubre. La expansión cósmica se lleva los objetos, apartándolos entre sí a no ser que queden sujetos por la gravedad u otra fuerza. En nuestro caso, la Vía Láctea forma parte de un cúmulo de galaxias mayor. Este cúmulo, cuya sección es de unos 10 millones de años-luz, permanece como una entidad cohesionada, mientras que las galaxias exteriores al mismo son barridas a medida que se expande el espacio intergaláctico. La velocidad relativa de estas galaxias remotas es proporcional a su distancia. Más allá de una cierta distancia llamada horizonte, la velocidad excede a la de la luz (lo cual no contradice la teoría de la relatividad, porque es la expansión del espacio mismo la que imparte esa velocidad). Más lejos no se puede ver nada. Si el universo tiene una constante cosmológica de valor positivo, como apuntan las observaciones, la expansión se está acelerando: las galaxias están empezando a separarse cada vez más rápido. Su velocidad sigue siendo proporcional a su distancia, pero la constante de proporcionalidad permanece permanece inalterada en vez de disminuir con el tiempo, como ocurre si el universo se decelera. Consecuentement e, las galaxias que ahora se encuentran más allá de nuestro horizonte quedarán para siempre fuera de nuestra vista. Incluso las galaxias que ahora vemos (excepto las de nuestro cúmulo local) acabarán por adquirir la velocidad de la luz y desaparecer de nuestra vista. La aceleración, que guarda un parecido con la inflación del universo en sus etapas más tempranas, comenzó cuando el cosmos tenía aproximadamente la mitad de la edad actual. La desaparición de las galaxias lejanas será gradual. Su luz se estirará hasta que se vuelva indetectable. Conforme pase el tiempo, disminuirá la cantidad de materia que podamos ver, y el número de mundos que nuestras naves espaciales puedan alcanzar irá menguando. Dentro de dos billones de años, mucho antes de que muera la última de las estrellas del universo, ya no serán observables ni accesibles ninguno de los objetos que no pertenezcan a nuestro propio cúmulo de galaxias. No habrá más mundos que conquistar, literalmente. Estaremos realmente solos en el universo. —L.M.K. y G.D.S. sino que puede tomar cuerpo en una multitud de formas diferentes, desde cyborgs hasta nubes interestelares conscientes. Muchos filósofos y gnoseólogos modernos consideran considera n que el pensamiento consciente es un proceso que un ordenador podría llevar a cabo. No es necesario que nos preocupemos aquí de los detalles (lo cual resulta apropiado, pues no estamos en disposición de hacerlo). Todavía disponemos de muchos miles de millones de años para diseñar nuevas encarnaciones físicas a las que transferir algún día nuestros entes conscientes. Estos nuevos “cuerpos” funcionarán a temperaturas más frías y a tasas metabólicas más bajas, esto es, a tasas más bajas de consumo energético. Dyson demostró que, si los organismos pudieran frenar su metabolismo a medida que el universo se enfría, podrían componérselas para consumir una cantidad total de energía finita durante toda la eternidad. Aunque las temperaturas más bajas también frenarían la consciencia (el número de pensamientos por segundo), la tasa Los agujeros negros consumen las galaxias Se acaba el combustible galáctico, a la actual tasa de consumo 10 30 44 10 37 años transcurridos desde la gran explosión TEMAS 33    R    E    S    S    U    M    E    G    R    O    E    G    Y    N    O    X    I    D    N    O    D UNIVERSO OBSERVABLE CUMULO GALACTICO TIEMPO ESFERA DE REFERENCIA TIEMPO - seguiría siendo suficientemente grande para que el número total de pensamientos fuera, en principio, ilimitado. En breve, los seres inteligentes podrían sobrevivir para siempre, no sólo en tiempo absoluto sino también en tiempo subjetivo. Siempre que se les garantizara a los organismos un número infinito de pensamientos, no les importaría llevar una vida con un ritmo lánguido. Cuando se dispone de miles de millones de años por delante, ¿a qué vienen las prisas?  A primera prime ra vista, vista , diríase diría se que eso se consigue de balde. Pero las matemá- - ticas del infinito retan tal intuición. damente 100 watt. A –118 grados C, Para que un organismo mantuviera un organismo de complejidad equiel mismo grado de complejidad, argüía  valente  vale nte pod podría ría pens pensar ar a la mitad m itad de Dyson, su velocidad de procesamien-  velo  velocid cidad, ad, per peroo gasta g astaría ría una cua cuarta rta to de información debe ser direc- parte de la potencia. La transacción tamente proporcional a la tempera- es aceptable porque los procesos físitura corporal, mientras que la tasa cos del ambiente aminoran su ritmo de consumo de energía es proporcio- en proporción equivalente. nal al cuadrado de la temperatura (el factor adicional de la temperatura Morir, dormir resulta de la termodinámica básica). amentablemente, hay truco. La Por tanto, los requerimientos de enermayor parte de la energía se digía se reducen más rápidamente que sipa en forma de calor, que debe esla agudeza cognitiva. A 37 grados C, capar (usualmente por radiación) el cuerpo humano gasta aproxima- para que el objeto no se caliente. La L El efecto túnel cuántico licua la materia 10 65 PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 45    R    E    S    S    U    M    E    G    R    O    E    G    Y    E    C    A    R    G    E    I    R    U    A    L CON HIBERNACION SIN HIBERNACION 1 TASA MAXIMA DE DISIPACION DE CALOR 10–3    )    O    I   o    N   d 10–6    I   n    C  u 10–9    O    I   g   e    C  s –12    A  r 10    R  o   p 10–15    E   s    D  o    t –18    D  n 10   e    A   i –21    D    I   m10    C  a   s –24    O  n 10    L   e    E   (   p 10–27    V VELOCIDAD DE RACIOCINIO 102 1 10–3 10–6 10–9 10–12 10–15 TASA METABOLICA 10–18 10–21 10–24 10–27 10–30 310 10 1 10–1 10–3 10–5 10–7 10–9 10–11 10–13 102 1 1 10–3    )    O    I   o    N   d 10–6    I   n    C  u –9    )    t    I    O  g 10    t   a    C  e   s   w    A  r 10–12    (    R  o    A    I    E   p 10–15    C    D  s   o    t    N 10–18    E    D  n   e    T    A   i    D  m10–21    O    I    P    C  a   s –24    O  n 10    L   e    E   (   p 10–27    V VELOCIDAD DE RACIO  CINIO 10–3 TASA MAXIMA DE DISIPACION DE CALOR 310 31 0 101   w    ( 10–12    A    I 10–15    C    N    E 10–18    T TASA METABOLICA    O 10–21    P 10–24 10–27 10–30 10–30 10–6    )    t    t 10–9   a 10–1 10–3 10–5 10–7 10–9 10–11 10–13 10–30 TEMPERATURA (kelvin) TEMPERATURA TEMPERA TURA (kelvin) - - piel humana, por ejemplo, brilla en tener un número infinito de pensa- ren relojes despertadores para desel infrarrojo. A temperaturas muy mientos. Dyson concluyó que efecti- pabilar a los organismos periódicabajas, el radiador más eficiente sería  vamente  vame nte la vida v ida eterna e terna era posibl p osible. e. mente. Estos relojes tendrían que un gas diluido de electrones. Pero inDesde aquel artículo original de operar con precisión durante lapsos cluso la eficiencia de este radiador 1979, se le han visto varias pegas a cada vez más largos con energías cada óptimo decrece con el cubo de la tem- este plan. Para empezar, Dyson con-  vez meno menores res.. La mec mecánic ánicaa cuá cuántic nticaa peratura, más velozmente que la cedió que la temperatura media del nos dicta que tal cosa es imposible. disminución de la tasa metabólica. espacio profundo (actualmente 2,7 kel- Considérese, por ejemplo, un desLlegaría un momento en que los or-  vin, como com o impone el fondo cósmico cósm ico de pertador que consista en dos pequeganismos no podrían reducir más radiación de microondas) disminui- ñas bolas que se separen lo suficiente, su temperatura. Se verían forzados ría sin cesar a medida que el universo se apunte luego la una hacia la otra irremediablemente irremediablem ente a reducir su com- se expande, de manera que los orga- y se suelten. Cuando chocan, suena plejidad, esto es, a volverse más ne- nismos podrían continuar reduciendo un timbre. Para alargar el tiempo cios. En poco tiempo, no podrían ser su temperatura indefinidamente. entre los timbrazos, los or ganismos siquiera considerados inteligentes. Pero si el universo posee una cons- soltarían las bolas a velocidades cada Para los tímidos, esto podría pare- tante cosmológica, la temperatura  ve  vezz me meno nore res. s. El re relo lojj ac acab abar aráá por po r cer el final. Mas para compensar la tiene un mínimo absoluto fijado por enfrentarse a las limitaciones del ineficiencia de los radiadores, Dyson la radiación de Gibbons-Hawking. principio de indeterminación de Heiconcibió una audaz estrategia de Para las estimaciones actuales del senberg, que impide que la velocidad hibernación. Los organismos sólo  valor de la const constante ante cosmológica cosmol ógica,, es- y la posición de las bolas se especifipasarían despiertos una pequeña frac- ta radiación presenta una tempera- que a la vez con una precisión arbición de su tiempo. Mientras durmie- tura efectiva de unos 10 –29 kelvin. Co- traria. Si la una o la otra son suficienran, sus ritmos metabólicos decaerían, mo señalaron los cosmólogos J. Richard temente imprecisas, el despertador pero —y esto es crucial— seguirían Gott II, John Barrow, Frank Tipler, no funcionará, y la hibernación se disipando calor. De esta manera, con- cada uno por su parte, y nosotros mis- convertirá en el descanso eterno. seguirían una temperatura corporal mos, una vez que los organismos se Podrían imaginarse otros despermedia todavía más baja. Entregados hubieran enfriado hasta este nivel, tadores que permanecieran para a la latencia una fracción cada vez no podrían continuar reduciendo su siempre por encima de los límites mayor de su tiempo, podrían consu- temperatura para consumir menos cuánticos y quedaran incluso intemir una cantidad finita de energía y, energía. grados en el mismo organismo. No sin embargo, existir para siempre y Una segunda dificultad: se requie- obstante, a nadie se le ha ocurrido Los electrones y los positrones se combinan formando una nueva clase de materia 10 85 años desde la gran explosión 46 Se evaporan los agujeros negros galácticos 10 98 TEMAS 33 todavía ningún mecanismo especíDyson no se rinde. En su corresponfico fiable que pueda despertar a un dencia con nosotros, ha sugerido que organismo consumiendo además una la vida puede soslayar los límites cantidad finita de energía. cuánticos de la energía y la inforLa tercera duda, y la más general, mación, por ejemplo creciendo en sobre la viabilidad de la vida inteli- tamaño o empleando diferentes tipos gente a largo plazo tiene que ver con de memoria. En sus propias palabras, las limitaciones fundamentales de la la cuestión reside en si la vida es computación. Los informáticos pen- “analógica” o “digital”, esto es, si es saban que era imposible calcular sin la física del continuo o la física cuángastar una cantidad mínima de ener- tica la que impone sus límites. gía por operación, una cantidad que Nosotros creemos que a largo plazo es directamente proporcional a la la vida es digital. temperatura del ordenador. Luego, a ¿Queda alguna otra esperanza para principios de los ochenta, los investi- la vida eterna? La mecánica cuángadores se dieron cuenta de que cier- tica, que, en nuestra opinión, impone tos procesos físicos, así los efectos un límite ineludible a la vida, puede cuánticos o el movimiento browniano acudir en su auxilio de otra guisa. de una partícula en un fluido, podrían Por ejemplo, si la mecánica cuántica servir de base para un ordenador sin de la gravedad permite la existencia pérdidas. Tales ordenadores fun- de agujeros de gusano estables, las cionarían con una cantidad de ener- formas de vida podrían soslayar las gía arbitrariamente pequeña. Para barreras levantadas por la velocidad emplear menos, irían más lentos (un de la luz, visitar partes del universo compromiso que los organismos eter- que de otra manera serían inaccesinos pueden llegar a satisfacer). Sólo bles y recoger cantidades infinitas infinitas de hay dos condiciones. La primera, los energía e información. O quizá pudiecomputadores deben permanecer en ran construir universos “bebé” y equilibrio térmico con su entorno. La enviarse a sí mismos, o al menos un segunda, nunca deben borrar infor- conjunto de instrucciones para reconsmación. Si lo hicieran, la computación tituirse a sí mismos, hasta el unise volvería irreversible. Según las le-  verso  ver so bebé b ebé.. De esta mane manera, ra, la vida v ida yes de la termodinámica un proceso podría perpetuarse. irreversible debe disipar energía. En cualquier caso, los límites deDesafortunadamente, Desafortunadament e, estas condi- finitivos de la vida sólo se volverán ciones son imposibles de cumplir en significativos a escalas de tiempo un universo en expansión. Conforme realmente cósmicas. Aun así, para la energía cósmica se diluye y se estira estir a algunos puede resultar perturbador la longitud de onda de la luz, los orga- que la vida, en su encarnación física, nismos se vuelven incapaces de emi- deba tener un final. Mas para nosotir o absorber la radiación que nece- tros resulta notable que, incluso con sitarían para establecer un equilibrio nuestro limitado conocimiento, podatérmico con sus alrededores. Y con una mos extraer conclusiones hasta de cantidad finita de materia a su dis- asuntos tan subidos. Quizás el conoposición, y por tanto una memoria cer nuestro fascinante universo y finita, finalmente tendrían que olvi- nuestro destino en él sea un don dar un pensamiento viejo para poder mayor que la capacidad de morar en concebir uno nuevo. él para siempre. ¿Qué clase de existencia perpetua podrían tener esos organismos, siquiera en principio? Podrían reunir sólo un número finito de partículas y una cantidad finita de información. THE LAST THREE MINUTES: CONJECTURES Esas partículas y bits sólo podrían ABOUT ABO UT THE ULTIMATE FAT ATE E OF TH THE E UNIVERSE. Paul C. W. Davies. HarperCollins, configurarse en un número finito de 1997. maneras. Como los pensamientos son HE T FIVE AGES OF THE UNIVERSE: INSIDE la reorganización de la información, THE PHYS HYSICS ICS OF ETERNITY. Fred Adams y una información finita implica un Greg Laughlin. Free Press, 1999. número finito de pensamientos. Todo QUINTESSENCE: THE MIS ISTE TERY RY OF TH THE E MISlo que acabarían haciendo los orgaSING MASS. Lawrence M. Krauss. Basic nismos sería rememorar el pasado, Books, 1999. NIVERS ERSE E AN AND D NOTHING : LIFE LIFE, THE UNIV meditando los mismos pensamientos AND DEA EATH TH IN AN EVER-EXPANDING UNIuna y otra vez. La eternidad se conVERSE. Lawrence M. Krauss y Glenn D.  vertirí  ver tiríaa en una pris prisión, ión, en e n vez de d e en Starkman en Astrophysical Journal, vol. un horizonte cada vez más amplio 531, págs. 22-30; 2000. También dispopara la creatividad y el descubrinible en Internet en xxx.lanl.gov/abs/  miento. Puede que fuera el nirvana; astro-pli/9902189. pero ¿sería realmente vida? PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 47 El universo  y su quintaesencia  El universo aparece gobernado gobernado  por un campo de energía invisible, invisible, agente de su expansión acelerada Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt ¿N o hay nada más que decir? la gravedad repulsiva. Poco a poco ¿Entendemos el cosmos,  va venciend venc iendoo a la fuerza fuerz a atractiva atrac tiva de salvo detalles nimios? Tal la materia común; en virtud de ello, parecía, escasos años atrás. Después provoca que el universo se acelere de un siglo de acalorados debates, la continuamente a ritmos de expanciencia había llegado a un cuerpo de sión cada vez mayores, conduciéndoctrina comúnmente admitido so- dolo quizás hacia una nueva fase bre las líneas esenciales de la his- inflacionaria y hacia un futuro totaltoria del universo. Todo comenzaría mente diferente del que los cosmólocon gas y radiación sometidos a tem- gos imaginaban diez años atrás. peraturass y densidade peratura densidadess altísimas. Se Hasta hace poco, la ciencia se había irían expandiendo y enfriando a lo centrado en confirmar la existencia largo de 15.000 millones de años. Las de la energía oscura. Su atención se galaxias y otras estructuras com- dirige ahora hacia un problema más plejas se desarrollarían a partir de profundo: ¿de dónde viene esa enerunas semillas microscópicas —las gía? Lo más plausible es que sea influctuaciones cuánticas—, estirán- herente a la construcción del espadose hasta un tamaño cósmico en un cio. Aun cuando cierto volumen del período breve de “inflación”. Sólo una espacio estuviera vacío del todo —sin pequeña fracción de la materia esta- ningú ningún n resid residuo uo de materia materia o radiaría formada por los elementos quí- ción— seguiría alojando la energía en micos de nuestra experiencia diaria. cuestión. Esta constituye una noción En su proporción mayor se hallaría respetable desde Albert Einstein y constituida por materia oscura, par- su intento, en 1917, de elaborar un tículas elementales exóticas que no modelo estático del universo. Igual interactúan con la luz. Pese a los mis- que Isaac Newton y otros científicos terios por resolver, tal sería, a gran- eximios, Einstein creía en un univerdes trazos, el cuadro. so inalterable, sin contracción ni exO eso era lo que pensábamos. Pero pansión. Para establecer su teoría de resulta que nos habíamos perdido la la relatividad general, tuvo que incluir mayor parte de la historia. En los una energía de vacío o, por emplear últimos cinco años las observaciones su terminología, una constante coshan convencido a los cosmólogos de mológica. Ajustó el valor de la consque los elementos químicos y la mate- tante de suerte tal, que la repulsión ria oscura, en conjunto, constituyen gravitatoria se viera exactamente menos de la mitad del contenido del compensada con la atracción graviuniverso. El grueso se lo lleva una tatoria de la materia. “energía oscura” omnipresente, doMás tarde, cuando los astrónomos tada de una curiosa propiedad: su establecieron la expansión del cosgravedad no ejerce una fuerza de mos, Einstein se arrepintió de su deliatracción. Repele. Por la gravedad, cado ajuste artificial. Lo consideró elementos químicos y materia oscura su mayor error. Pero quizá su duro se ven forzados a crear estrellas y  jui  juicio cio pec pecóó de apr apresur esur amie amiento. nto. Si la la galaxias; por su gravedad repulsiva constante cosmológica tuviera un la energía oscura forma una neblina  valor ligeramente ligera mente mayor del que Eincasi homogénea que baña el espacio. stein propuso, la repulsión superaEl universo es un campo de bata- ría a la atracción de la materia y se lla entre dos tendencias, donde triunfa aceleraría la expansión cósmica. 48 Muchos cosmólogos, no obstante, se inclinan ahora por otra idea distinta, conocida como “quintaesencia”. La traducción sería “el quinto elemento”, en alusión a la filosofía griega, que describía un universo formado por los “elementos” tierra, aire, fuego y agua, más una sustancia sutil que impediría que la Luna y los planetas se desplomaran sobre el centro de la esfera celeste. En 1998, Robert R. Caldwell, Rahul Dave y uno de los autores (Steinhardt), entonces en la Universidad de Pennsylvania, adoptamos el término con otro significado: un campo cuántico y dinámico, no distinto de los campos eléctricos o magnéticos, que repele gravitatoriamente. En la quintaesencia lo que los cosmólogos encuentran fascinante es su dinamismo. Toda teoría de la energía oscura halla su principal reto en la justificación de la cantidad necesaria de la misma; no excesiva, que impediría la formación de estrellas y galaxias, aunque sí la suficiente para que sus efectos se sientan todavía hoy. La energía de vacío es comple- - TEMAS 33    N    O    X    I    D    N    O    D    G    N    I    N    N    E    R    B 0,0    A    N    A    J     a       )       i     r     a    e      t      i   c      t     a     r      í     m    c      l    a     a     d     d 0,5     d   e    s      i     a     n     v      i      t     d   e     a      l     a    e      l     r     d     d   e     a     d      ó     n      i     s      i    c     n    e     a   c      D      f     r      (   1,0 0,5 H      i        p     e     r     b     ó      l      i      c     a     DATOS DE CUMULOS DE GALAXIAS DATOS DEL FONDO DE MICROONDAS (para la quintaesencia) DATOS DEL FONDO DE MICROONDAS (para la constante 1,5 cosmológica) 0 DATOS DE SUPERNOVAS 0,5 1, 0 Densidad relativa de la energía oscura (fracción de la densidad crítica) C      u     r     v     a     t      u     r     a     d      e     l      e     s       p     a     c     i      o     -   t      0,0 Plana i      e     m       p     o     E      s     f       é      r     i      c     a     –0,5 1,5 - tamente inerte, manteniéndose siempre a la misma densidad. Por consiguiente, para explicar la cantidad actual de energía oscura, el valor de la constante cosmológica tendría que estar finamente ajustado en la creación del universo para que poseyera el valor idóneo, razón por la cual esa constante presenta el aire de un factor harto confuso. En contraste con ello, la quintaesencia interactúa con la materia y evoluciona con el tiempo, por lo que podría naturalmente ajustarse para alcanzar el valor observado hoy. Dos tercios de realidad L a distinción entre ambas opciones reviste interés máximo. Los físicos de partículas recurrieron a los aceleradores de altas energías para descubrir nuevas formas de energía y materia. Ahora, el propio cosmos nos revela una clase de energía sin precedentes, sutilmente dispersa; de tan débil interacción, que escapa a la capacidad detectora de los aceleradores. Para desarrollar una teoría fundamental de la naturaleza resulta imperioso establecer si esta energía 50 es inerte o dinámica. Los físicos de partículas se han percatado de que deben estar pendientes de los avances en el cielo, no menos que de los progresos en los aceleradores. La investigación de la energía oscura se ha ido consolidando paso a paso a lo largo de los últimos diez años. El primero se dio con la elaboración del censo de toda la materia contenida en las galaxias y en los cúmulos galácticos; se emplearon técnicas ópticas, de rayos X y de radio. Se determinó que la masa total almacenada en los elementos químicos y en la materia oscura da cuenta sólo de un tercio aproximadamente de la cantidad global que la mayoría de los teóricos predicen, la llamada densidad crítica. Muchos cosmólogos se acogieron a ese resultado para poner en tela de  juicio  jui cio los pos postula tulados dos teó teórico ricos. s. Esta Esta-ríamos viviendo en un universo en permanente expansión, cuyo espacio sería curvo hiperbólico, como la salida de una trompeta [ véase “Inflación en un universo de baja densidad”, por Martin A. Bucher y David N. Spergel; INVE NVESTI STIGAC GACIÓ IÓN N Y  CIENCIA , marzo de 1999]. Pero semejante interpretación quedó descartada tras las mediciones de manchas calientes y frías de la radiación del fondo de microondas, cuya distribución demuestra que el espacio es plano y que la densidad total de energía es igual a la densidad crítica. Si engarzamos las dos observaciones y recurrimos a una aritmética simple, advertiremos la necesidad de una componente energética adicional que dé cuenta de los dos tercios de la densidad de energía perdida. Cualquiera que sea su naturaleza, la nueva componente habrá de ser oscura, ni absorberá ni emitirá luz, pues si lo hiciera se habría detectado ya. En eso se asemeja a la materia oscura. Pero la nueva componente —llamada energía oscura— difiere de la materia oscura en un aspecto crucial: debe ser gravitatoriamente repulsiva, pues de lo contrario la energía oscura habría sido arrastrada hacia las galaxias y los cúmulos, donde hubiera afectado al movimiento de la materia visible. No se ve rastro de tal influencia. No sólo eso. La repulsión gravitatoria resuelve la “crisis de edad” que padeció la cosmología en los años noventa. Si partimos de las medidas actuales de la velocidad de expansión y se supone que ésta se ha ido frenando, la edad del universo se cifra en menos de 12.000 millones de años. Pero existen pruebas que apuntan a que algunas estrellas de nuestra galaxia tienen 15.000 millones de años. Al provocar la aceleración del ritmo de expansión del universo, la repulsión determina que la edad estimada del cosmos coincida con la edad observada de los objetos celestes [ véase “Antigravedad cosmológica”, de Lawrence M. Krauss, en este mismo número ]. El punto flaco potencial de la argumentación residía en que la repulsión gravitatoria acelerase la expansión, fenómeno que aún no se había obser vado.  vad o. Pero en 1998 se dio un paso firme. Dos grupos independientes tomaron medidas de supernovas muy distantes y descubrieron un cambio en el ritmo de expansión. Ambos grupos concluyeron que el universo se aceleraba y que lo hacía con el ritmo predicho por la teoría [véase “Exploración del espacio-tiempo mediante supernovas”, de Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff,  en este e ste n úme úmero ro ]. Todas estas observaciones reducen lo esencial a tres números: la densidad promedio de la materia (la común y la oscura), la densidad promedio de TEMAS 33 la energía oscura y la curvatura del espacio. De acuerdo con las ecuaciones de Einstein, las tres cantidades se suman en la densidad crítica. Las posibles combinaciones de los tres números se representan mediante un sencillo diagrama triangular ( véase la figura 1 ). Los tres conjuntos de observaciones —el censo de la materia, el fondo cósmico de microondas y las supernovas— se corresponden con tiras del interior del triángulo. Las tres tiras se superponen en la misma posición, lo que es, sin duda, una prueba de la energía oscura. De la implosión a la explosión E n nuestra experiencia nos las vemos con la materia común, que cumple la ley de la atracción gravitatoria. Nos resulta harto difícil imaginar que la energía oscura pueda repelerse gravitatoriamente. gravitatoriamente. El quid de la cuestión se encierra en su presión, que es negativa. En la ley de Newton de la gravedad, la presión no desempeña ningún papel; la fuerza de la gravedad depende sólo de la masa. En la ley de Einstein de la gra vedad,  ved ad, sin emb embarg argo, o, la fuer fuerza za de la gravedad depende no sólo de la masa, sino también de otras formas de energía y de la presión. De ese modo, la presión ejerce un doble efecto: directo (originado por la acción de la presión sobre la materia circundante) e indirecto (causado por la gravitación que la presión genera). El signo de la fuerza gravitatoria se determina por la combinación c ombinación algebraica de la densidad total de energía más tres veces la presión. Si la presión es positiva, como en el caso de la radiación, la materia común y la materia oscura, entonces la combinación es positiva y la gravitación, atractiva. Si la presión es lo suficientemente negativa, la combinación final resulta también negativa y la gravitación, repulsiva. Para expresarlo de forma cuantitativa, los cosmólogos consideran la relación entre la presión y la densidad de energía, conocida como la ecuación de estado, o “w”. Para un gas ordinario, “w” es positivo y proporcional a la temperatura. Pero en algunos sistemas, “w” puede ser negativo. Si su  valorr es infe  valo inferior rior a –1/3, –1 /3, la grave g ravedad dad es repulsiva. La energía de vacío cumple esta condición (en el supuesto de que su densidad sea positiva). Se trata de una consecuencia de la ley de la conser vación  vac ión de la energía, energ ía, según segú n la cual la energía nunca puede destruirse. O dicho en términos matemáticos, el PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS ref orzada ada a sí misma. misma . El universo unive rso ritmo de cambio de la densidad de  ve reforz energía ener gía es es proporci proporciona onall a “w + 1”. se expande a un ritmo acelerado. La Para la energía de vacío —cuya den- energía de vacío crece a expensas del sidad, por definición, nunca cambia— campo gravitatorio. esta suma debe ser nula. En otras Estos conceptos pueden parecer palabras, “w” ha de ser precisamente extraños. También a Einstein le resuligual a –1. Por lo que la presión tiene taron difíciles de asimilar. El, que que ser negativa. consideraba un universo estático, ¿Qué significa tener una presión motivación última de la energía de negativa? La mayoría de los gases  vac ío, lo cr creyó eyó un error er ror des desafo afo rtu rtu-calientes presentan presiones posi- nado que no debía haber cometido. tivas; la energía cinética de los áto- Pero la constante cosmológica, una mos y la radiación los empuja hacia  vez intr introdu oducid cida, a, no se desvane des vanecer cería ía fuera del recipiente. Nótese que el con facilidad. Los teóricos cayeron en efecto directo de una presión posi- la cuenta de que los campos cuántitiva, empujar, se opone al efecto de cos poseían una cantidad finita de su gravitación, atraer. Pero cabe ima- energía de vacío, una manifestación ginar una interacción entre átomos de las fluctuaciones cuánticas que que sobrepase la energía cinética y producen pares de partículas “virorigine que el gas explote hacia den- tuales” desde el principio. Una estitro (implosione). El gas implosivo mación del total de energía de vacío tiene una presión negativa. Un globo producida por todos los campos conocon este gas reventaría hacia dentro, cidos predice una cantidad enorme: ya que la presión del exterior (cero o 120 órdenes de magnitud más que la positiva) excedería a la presión del densidad de energía de toda la mateinterior (negativa). Curiosamente, el ria. Esto quiere decir que, aunque efecto directo de una presión nega- cueste imaginarlo, las partículas virtiva, implosión, puede ser opuesto al tuales deberían contribuir con una de su gravitación, repulsión. densidad de energía constante y positiva, lo que a su vez implicaría una Una precisión improbable presión negativa. Ahora bien, si esta n un globo el efecto gravitatorio estimación es correcta, la aceleración es muy pequeño. Imaginemos, de grandes espacios separaría los átosin embargo, que el espacio entero se mos, las estrellas y las galaxias. Se llena del gas implosivo. No habría, trata, a todas luces, de una estimaen este caso, ningún borde superfi- ción incorrecta. Uno de los principacial ni presión exterior alguna. El gas les objetivos de las teorías unificadas aún tiene presión negativa, pero no de la gravitación ha sido configurar hay nada que lo empuje, por lo que el motivo. no ejercería efectos directos. Sólo  A tenor de cierta propuesta, propue sta, alguna poseería el efecto gravitatorio, es simetría no descubierta en la física decir, la repulsi repulsión. ón. La La repulsió repulsión n fundamental cancelaría los efectos ensancha el espacio, aumentando su mayores, anulando la energía de  volumen y, como consecuencia, la can-  vac  vacío. ío. Por ejemp e jemplo, lo, las fluctu fl uctuacio aciones nes tidad de energía de vacío. Por tanto, cuánticas de los pares de partículas la tendencia del ensanchamiento se  vi  virt rtua uale less co cont ntri ribu buye yen n co con n en ener ergí gíaa E - MATERIA COMUN NO LUMINOSA 3,5% ENERGIA OSCURA 70% MATERIA OSCURA EXOTICA 26% A causa del redondeo los porcentajes no suman 100  MATERIA ORDINARIA VISIBLE 0,5% RADIACION 0,005%    G    N    I    N    N    E    R    B    A    N    A    J 51 REPULSIVO    T    D    R    A    H    N    I    E    T    S  .    J    L    U    A    P    Y    L    L    E    W    D    L    A    C  .    R  .    R    : ATRACTIVO        E        T        N        E        U        F    /    Y    E    L    O    F    N    O    D R ADI A CI ON M A T ERI A COMUN QUINTAESENCIA (PRESION MODERADAMENTE NEGATIVA) QUINTAESENCIA (PRESION MUY NEGATIVA) - positiva a las partículas con espín tículas es extremadamente bajo. La el tiempo, un reino de po sibilidades semientero (el de quarks y electrones), fuerza más débil conocida en la natu- que se resume en la palabra quintapero con una energía negativa a las raleza comporta densidades de ener- esencia. Para la quintaesencia, “w” partículas con espín entero (los foto- gía que son 10 50  vece  vecess superi sup eriore ores. s. no ha de tener valores fijos, aunque nes). En las teorías estándar, la canSi extrapolamos hacia atrás en el ha de ser inferior a –1/3 a fin de que celación es inexacta, y deja de lado tiempo, la energía de vacío se nos la gravedad sea repulsiva. una densidad de energía inacepta- ofrece incluso más paradójica. Hoy día La quintaesencia puede adoptar blemente grande. Pero los físicos han la materia y la energía oscura tienen muchas formas. Los modelos más senexplorado los modelos con la llamada densidades promedio similares. Pero cillos proponen un campo cuántico supersimetría, una relación entre los hace miles de millones de años, cuya energía varía con tal parsimodos tipos de partículas que puede con- cuando comenzaron a existir, nues- nia que, a primera vista, recuerda ducir a una cancelación exacta. Ado- tro universo era del tamaño de un una energía de vacío constante. La lece, sin embargo, de un grave incon- pomelo, por lo que la materia era 100 idea está tomada de la cosmología  ve ni nien ente te:: la su supe pe rs im imet et rí ríaa se serí rí a órdenes de magnitud más densa. La inflacionaria; allí, un campo cósmico  válida  váli da sólo sól o para muy m uy altas alta s energías ener gías.. constante cosmológica, sin embargo, conocido como “inflatón” conduce la Los teóricos siguen buscando una habría tenido el mismo valor que expansión en el universo temprano forma de preservar los efectos de can- ahora. En otras palabras, por cada utilizando un mismo mecanismo celación incluso a bajas energías. 10 100 partes de materia, los procesos [véase “El universo inflacionario”, por En otro cuadro teórico, la energía físicos habrían generado una parte  Alan  Ala n H. Guth y Paul Pa ul K. K . Stein St einhard hardt; t; de vacío no se anularía con exactitud. de energía de vacío; grado éste de I NVE NVESTI STIGACI GACIÓN ÓN Y  C IENCIA , julio de Habría, quizás, algún mecanismo de exactitud que parece matemática- 1984]. Difieren sobre todo en un punto cancelación imperfecto. En vez de mente razonable, pero que resulta importante: la quintaesencia es basotorgar a la constante cosmológica el absurdo en el mundo real. Esta nece- tante más débil que el “inflatón”. Hace  valorr de  valo d e exacta ex actamen mente te cero c ero,, el mec mecaa- sidad de un ajuste casi titánico cons- ya diez años Christof Wetterich, nismo sólo cancelaría hasta el 120 tituye el motivo principal de buscar Bharat Ratra y P. James E. Peebles decimal. Entonces, la energía de va- otras alternativas a la constante cos- abordaron la hipótesis. cío constituiría los dos tercios perdi- mológica. En el marco de la teoría cuántica, dos del universo. Con todo, esto relos procesos físicos admiten una dessulta muy confuso. ¿Qué mecanismo Trabajo de campo cripción sea en términos de campos podría operar con tal precisión? Aunfortunadamente, la energía de o sea en términos de partículas. que la energía oscura represente una  vacío  vac ío no es el e l único únic o proces pro cesoo por Puesto que la quintaesencia tiene cantidad enorme de masa, se extiende el que se producen presiones negati- densidades de energía muy pequede forma tan sutil que su energía es  vas. Otr Otroo mec mecanis anismo mo es una fuen fuente te ñas y varía de forma gradual, una inferior a 4 electronvolt por milíme- de energía que, en oposición a la ener- partícula de quintaesencia sería tro cúbico, lo que para un físico de par- gía de vacío, varía en el espacio y en inconcebiblemente ligera y grande,  A  52 TEMAS 33 nada menos que del tamaño de un sibilidad. La quintaesencia con w cer- estar camufladas. En algunas forsupercúmulo galáctico. Parece, pues, cano a –1 podría ser la aproximación mulaciones, éstas se doblan, como más razonable optar por una des- razonable más cercana. en una pelota cuyo radio, demasiado cripción mediante campos. La idea de pequeño, resultara indetectable (al campo nos traslada a una distribu- La quintaesencia menos para la instrumentación acción continua de energía que asigna en las branas tual). Para otra hipótesis alternaa cada punto del espacio un valor l afirmar que la quintaesencia es tiva, la razón se encuentra en una numérico, la intensidad del campo. un campo hemos dado el primer extensión de la teoría de cuerdas, la La energía del campo tiene una com- paso para explicarla. ¿De dónde puede teoría M (teoría de membranas o simponente cinética, que depende de la  venir un campo tan extraño como ése? plemente branas), que añade una  variaci  var iación ón temp t empora orall de la inten i ntensida sidadd Los físicos de partículas encuentran undécima dimensión: la materia de dicho campo, y una componente explicaciones para fenómenos muy común está confinada en dos superpotencial, que depende sólo del valor dispares, desde la estructura de los ficies tridimensionales llamadas de la intensidad. Conforme el campo átomos hasta el origen de la materia, “branas”, separadas por un intervacambie, se desplazará el equilibrio pero la quintaesencia permanece lo microscópico a lo largo de la unentre la energía potencial y la ciné- ayuna de razones. Aunque las teo- décima dimensión [ véase “Nuevas tica. rías modernas de las partículas ele- dimensiones para otros universos”, En el caso de la energía de vacío, mentales incluyen muchas clases de de Nima Arkani-Hamed, Savas Direcuérdese que la presión negativa era campos que cumplen con el compor- mopoulos y Georgi Dvali, en este misel resultado directo de la conserva- tamiento requerido, no se sabe toda- mo número]. ción de la energía; impone ésta que  vía que sus ene energí rgías as pot potenc encial iales es y No estamos capacitados para obcualquier variación de la densidad cinéticas produzcan presiones nega- servar tales dimensiones supernude energía es proporcional a la suma tivas. merarias; ahora bien, si existen, tende la densidad de energía (un número De acuerdo con cierta hipótesis dríamos que poder percibirlas por positivo) y la presión. Para la ener- exótica, la quintaesencia necesita de  vía indire ind irecta cta.. De hecho, hecho , la pre presen sencia cia gía de vacío, el cambio es nulo, por lo una física de más dimensiones. En de dimensiones enrolladas o de braque la presión tiene que ser negativa. los últimos decenios, se ha venido nas cercanas actuaría como un camPara la quintaesencia, el cambio es investigando la teoría de cuerdas, po. El valor numérico que el campo lo suficientemente gradual como para que podría conjugar la relatividad asigna a cada punto del espacio poque la presión siga siendo negativa, general con la mecánica cuántica en dría corresponderse con el radio o aunque menos negativa. A esta con- una teoría unificada de las fuerzas con la distancia del intervalo. Si esdición le corresponde tener más ener- fundamentales. Los modelos de cuer- te radio o el intervalo cambiaran gía potencial que cinética. das predicen la existencia de 10 di- lentamente con la expansión del uni Al ser meno menoss ne gati gativa va la pres p resión, ión, mensiones, cuatro de las cuales son  verso,  ver so, se comport comp ortarí arían an exactam exac tament entee la quintaesencia no acelera el uni- las tres dimensiones espaciales más igual que el hipotético campo de la  verso  ver so con la fuerza fuer za con que lo hace hac e la el tiempo. Las seis restantes deben quintaesencia. energía de vacío. En última instancia, serán los observadores los que decidirán entre las dos. Aunque la quintaesencia se muestra más acorde con los datos disponibles, la distinción no resulta todavía significativa desde el punto de vista estadístico.  Además,  Ade más, a dife diferenc rencia ia de la energía de 5  vacío,  vac ío, el cam campo po de la quin quintae taesenc sencia ia puede estar sometido a todo tipo de evoluciones complejas. El valor de w EXPANSION ETERNA podría ser positivo, luego negativo y, 4 de nuevo, positivo. Podría adoptar  valores  valo res distin di stintos tos en lugare lu garess diferen dife ren--    o CONSTANTE COSMOLOGICA    r tes. Pese a que la falta de uniformi-    s    e    v QUINTAESENCIA dad se presume pequeña, podría ser    i    n    u detectable estudiando la radiación    l 3 MATERIA PURA    e    d del fondo cósmico de microondas.    v Una diferencia ulterior radica en    o    i    t    a la perturbación de la quintaesencia.    l    e Las ondas se propagan por ella como    r    o2 las ondas sonoras a través del aire.    ñ    a En el argot científico, la quintaesen-    m    a    T COLAPSO FINAL cia es “blanda”. La constante cosmológica de Einstein, por contra, es 1 HOY rígida; no puede modificarse. Lo que da pie a una cuestión interesante. Cualquier forma de energía conocida es blanda hasta cierto punto. Quizá 0 0 20 40 60 80 la rigidez sea una idea sin existenHOY Edad del universo cia real, en cuyo caso la constante (la edad actual cosmológica constituiría una impodepende de los modelos) (en miles de millones de años)  A     G    N    I    N    N    E    R    B    A    N    A    J                 { PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 53 abundar, pero se expandirían dema- acaba por seguir el mismo camino, en ualquiera que sea el origen de la siado rápido para la formación de que la densidad de energía permanece quintaesencia, su dinamismo estrellas, planetas y vida. Nuestro con un factor casi constante de la denparece haber solucionado el espinoso universo tendría el valor óptimo. Sólo sidad de radiación y materia. En este problema del ajustado fino. Para abor- en éste, “el mejor mundo de todos”, sentido, la quintaesencia imita a la dar tal cuestión podemos preguntar- podría haber seres inteligentes capa- materia y a la radiación, aun cuando nos por qué la aceleración cósmica ces de contemplar la naturaleza del su composición difiera por completo. comenzó en ese momento particular universo. Pero los físicos discrepan Se da ese parecido porque la denside la historia. Creada cuando el uni- sobre la validez explicativa del argu- dad de radiación y materia determina  verso  ver so sólo ten tenía ía 10 –35 segundos, la mento antrópico [véase “Exploración el ritmo de expansión cósmica, lo que, energía oscura debe haber permane- del universo”, por Martin Rees; I N- a su vez, controla la velocidad a la que cido en la sombra durante casi 10.000  VESTIGACIÓN Y CIENCIA , enero de 2000]. se modifica la densidad de la quinmillones de años, un factor que supera Una respuesta más satisfactoria que taesencia. Considerado más de cerca, en 1050 a la edad. Sólo entonces, tal incluye una forma de la quintaesen- se descubre que esta fracción crece y como sugieren los datos, superó a cia conocida como campo encaminado, de un modo paulatino. En alcanzar la materia y determinó que el universo ha sido propuesta por Ratra y Peebles, su valor final tarda la quintaesencia comenzara a acelerarse. ¿No es una de Princeton, y por Steinhardt, Ivaylo muchos millones de años, si no miles coincidencia que, justo cuando los Zlatev y Limin Wang, de la Universidad de millones de años. seres pensantes evolucionaron, el uni- de Pennsylvania. Las ecuaciones que ¿Por qué la quintaesencia alcanzó  verso  ver so se ace aceler lerara ara?? La suer te de la describen los campos encaminados su valor cuando lo hizo? La aceleramateria parece haber ido asociada a tienen un comportamiento clásico de ción cósmica podría haber comenzado la de la energía oscura. Pero, ¿cómo? atractor, lo mismo que los que halla- en el pasado con idéntica facilidad con Si la energía oscura es energía de mos en ciertos sistemas caóticos. En que podría hacerlo en un futuro remoto;  vacío,  vací o, resulta punto menos que impo- tales sistemas, el movimiento converge todo depende de la elección de las conssible explicar dicha coincidencia. hacia el mismo resultado para un tantes en la teoría del campo de traMartin Rees, de la Universidad de amplio rango de condiciones iniciales; zas. Lo que nos lleva de nuevo a las Cambridge, y Steven Weinberg, de la una canica puesta en una bañera vacía coincidencias. Pero quizá se dio algún de Texas en Austin, han propuesto siempre cae hacia el desagüe no suceso en el pasado reciente que deuna explicación antrópica. Quizá nues- importa dónde se coloque. sencadenó la aceleración. Steinhardt, tro universo sea uno más entre una De forma similar, la densidad ini-  junto con Christian Armendáriz Picón multitud de universos, en cada uno cial de energía del campo encami- y Viatcheslav Mukhanov, de la Unide los cuales la energía de vacío adopta nado no tiene por qué quedar prefi-  versid  versidad ad Ludwig Ludw ig Maximilian Maximili an en Múun valor diferente. Los universos con  jada en un valor determinado, determin ado, porque nich, sostienen que tal episodio pudo energías de vacío superiore s a 4 elec- el campo se ajusta por sí mismo rápi- ser la transición del dominio de la ratronvolt por milímetro cúbico podrían damente a ese valor. Su evolución diación al dominio de la materia. Según la teoría de la gran explosión, la energía del universo se concentraba principalmente en forma de radiación. A medida que el universo se -  enfriaba, la radiación perdía energía más deprisa que materia. Cuando el universo contaba con unas pocas decenas de miles de años —un tiempo muy Curiosa coincidencia C Tamaño relativo del universo 10 –30 10 120    )    l    a    u    o   t    c    s    r   a    e   a    v    i    i    r    n   e10 80    u   t    l    a    e   m    d   e    a    í    d    g    r   d    e   a 40    n   d    i    e   s10    e   n    d   e    d    d   a    a   l    d    i    a    s   a    n   v    e   i    t 1    D   a    l    e    r    ( 10 –20 Tamaño relativo del universo 10 –10 10 –30 1 10 R  A   D  I   A  C   I  O   M  A  N   T  E   R  I  A  CONSTANTE COSMOLOGICA 10 –43    G    N    I    N    N    E    R    B    A    N    A    J Edad del universo (años) Termina la inflación 54 5 x 109    )    l    a    u    o   t    c    s    r   a    e   a    v    i    i    r    n   e10 80    u   t    l    a    e   m    d   e    a    í    d    g    r   d    e   a    n   d    i    e   s 10 40    e   n    d   e    d    d   a    a   l    d    i    a    s   a    n   v    e   i    t 1    D   a    l    e    r    ( Comienza la aceleración 10 –6 Se forman los núcleos de los átomos Hoy 120 5 x 10 10 –20 1 CAMPO ENCAMINADO R  A   M  A  D  I   T  E   A  C   R  I  A  I  O   N   ENERGIA INICIAL DE LA QUINTAESENCIA 10 –43 Edad del universo (años) 5 Se libera la radiación del fondo de microondas 10 –10 Termina la inflación 5 x 10 9 10 –6 Se forman los núcleos de los átomos 104 Comienza la aceleración La densidad de materia supera a la densidad de radiación TEMAS 33 corto en términos logarítmicos— el balance de la energía se desplazó a favor de la materia. Este cambio señaló el comienzo de la época dominada por la materia, de la cual nosotros somos beneficiarios. Sólo entonces la gra vedadd pudo  veda pu do congr c ongregar egar la materia ma teria en galaxias y macroestructuras. Al mismo tiempo, cambió la velocidad de expansión del universo. En cierta variante de los modelos encaminados, tal transformación desencadenó una serie de sucesos que condujeron a la aceleración cósmica actual. A lo largo de la mayor parte de la historia del universo, la quintaesencia persistió relacionada con la energía de radiación; constituía una componente insignificante del cosmos. Pero cuando el universo se con virtió  virt ió en un dom dominio inio de la mate materia ria,, el cambio en el ritmo expansivo sacó a la quintaesencia de su comportamiento imitador. En vez de seguir a la radiación o incluso a la materia, la presión de la quintaesencia adoptó un valor negativo. Su densidad permaneció casi fija y terminó por sobrepasar la menguante densidad de materia. En una situación así, que los seres pensantes y la aceleración cósmica comenzaran a existir casi al mismo tiempo no constituye una mera coincidencia. Ambos procesos, la formación de las estrellas y los planetas necesarios para par a la vida y la transformación de la quintaesencia en una componente de presión negativa, se desencadenaron con la instauración del dominio de la materia. Con la mirada en el futuro M uy pronto, la atención de los cosmólogos se centrará en la detección de la quintaesencia. Presenta, cierto, efectos observables. Puesto que su valor de w difiere del de la energía de vacío, provoca un ritmo de ac eleración cósmica distinto. Con las mediciones precisas de las supernovas, a lo largo de un amplio rango de distancias, podría discriminarse entre ambos. Los astrónomos han propuesto dos nuevos observatorios con el fin de resolver la cuestión: la  Sonda de las la s supernovas y la aceleración y el Telescopio terrestre de gran apertura para búsquedas. Los distintos ritmos de aceleración engendran también diferencias pequeñas en el tamaño angular de las manchas calientes y fr ías de la radiación del fondo cósmico de microondas; deberían detectarlo la  Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de microondas y el satélite  Planck . Otras pruebas consistirían en medir la variación del número de galaxias con corrimiento hacia el rojo, PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS    G    N    I    N    N    E    R    B    A    N    A    J    l    i    b    é    d    s    á    M Tamaño relativo del universo en el momento de la explosión 0,8 0,67 1 0,5 DATOS ACTUALES DE SUPERNOVAS 0,4 0,33 VALORES PREDICHOS CONSTANTE COSMOLOGICA  = –1 w  = 0,6    )    s    e    d    u    t    i    n 0,4    g    a    m    (    o    v    i    t    a    l    e    r    o 0,2    e    l    l    t    i    n    r    a    B    l    l    i    r    b    s    á    M 0,0 QUINTAESENCIA  = –2/3 w  = QUINTAESENCIA  = –1/3 w  = SOLO MATERIA (sin energía oscura) –0,2 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Corrimiento hacia el rojo - - para averiguar el cambio operado por el ritmo de expansión del universo a lo largo del tiempo. La  Sond a para la evolución del espacio extragaláctico profundo, controlada desde tierra, se encargará de ese aspecto.  A más largo plazo, la ciencia deberá asimilar las implicaciones de los descubrimientos, que sin duda nos conducirán a una nueva interpretación del lugar que ocupamos en la historia cósmica. Al principio (entendiendo por tal el inicio del que disponemos alguna pista) existió la inflación, un período de expansión acelerada subsiguiente a la gran explosión. El espacio carecía casi de materia entonces; un campo cuántico parecido a la quintaesencia con su presión negativa comenzó a influir en la historia. En ese período, el universo se expandió un factor mayor de lo que lo ha hecho durante los 15.000 millones de años desde que la inflación terminara. Al final de la inflación, el campo degeneró en gas caliente de quarks, gluones, electrones, luz y energía oscura. Durante miles de años, el espacio se encontraba empapado de radiación; los átomos no podían siquiera formarse. Hasta que la materia tomó el control. El paso siguiente —nuestra época— es uno de continuo enfriamiento, condensación y de evolución de estructuras complicadas de mayor tamaño. Pero este período se acerca a su fin. La aceleración cósmica remite. El universo que conocemos hoy, con estrellas, galaxias y cúmulos brillantes, parece haber constituido un breve interludio. A medida que la aceleración domine en los próximos 10.000 millones de años, la materia y la energía del universo se diluirán y el espacio se ensanchará tan rápidamente, que se impedirá la formación de nuevas estructuras. Los objetos vivientes encontrarán al cosmos bastante hostil [ véase “El sino de la  vidaa en el universo  vid unive rso”, ”, de Lawrence Lawren ce M. Krauss y Glenn Starkman,  en este mismo número]. Si la aceleración está causada por la energía de vacío, entonces la historia cósmica ha culminado: los planetas, las estrellas y las galaxias que vemos constituyen el pináculo de la evolución cósmica. Pero si la aceleración se debe a la quintaesencia, el final está todavía por escribir. El universo podría pro55 seguir en sempiterna aceleración, o la quintaesencia podría degenerar en nuevas formas de materia y radiación repoblando así el universo. Al ser tan exigua la densidad de energía oscura, la materia proveniente de ella llevaría una energía insuficiente para engendrar algo de interés. Bajo determinadas condiciones, sin embargo, la quintaesencia podría degenerar a tra vés de la nuclea nucleación ción de burbuj burbujas. as. El interior de la burbuja estaría vacío, pero sus paredes podrían ser lugares de vigorosa actividad. Conforme la pared de la burbuja se desplazara hacia fuera, barrería toda la energía obtenida de la degeneración de la quintaesencia. En algún caso, dos burbu jas choca chocarían rían con libera liberación ción de fantásticas exhibiciones pirotécnicas; se formarían quizá partículas partícula s muy masi vas como los neutrones y proto protones, nes, tal  vez estrellas estr ellas y planetas. pl anetas.  A los habitante habit antess del futuro, futur o, el uni verso les parec parecerá erá muy inhomo inhomogéneo géneo,, donde la vida quedaría confinada en islas remotas separadas por inmensos vacíos. ¿Se imaginarán ellos que su origen fue el de un universo homogéneo e isotrópico como el que nosotros contemplamos ahora? ¿Llegarán a saber que el universo estuvo vivo una vez y que murió con el fin de disfrutar de una segunda oportunidad? Los experimentos podrían ofrecernos pronto alguna idea sobre nuestro futuro. ¿Será el fin mortal de la energía de vacío o el potencial indomeñado de la quintaesencia? Al final, la respuesta dependerá de si la quintaesencia tiene un lugar en la naturaleza, el reino, quizá, de la teoría de cuerdas. Nuestro puesto en la historia cósmica es función de la relación entre la ciencia de lo muy grande y de lo muy pequeño. COLABORADORES DE ESTE NUMERO Asesoramiento y traducción: Pilar Ruiz-Lapuente: El sentido de la cosmología cosmología moderna moderna, Exploración del del espacio-tiem po mediante supernovas supernovas y Una nueva teoría del universo; Mª Rosa Zapatero: El ciclo vital de las galaxias, Estrellas primigenias primigenias, El universo y su quintaesencia quintaesencia, Un cartógrafo cósmico y Ondas en el espacio-tiempo; Juan Pedro Campos:  Antigravedad cosmológica, ¿Es  finito el espacio?, Nuevas dimensiones dimensiones para otros universos universos y Ecos de la Gran Explosión; Angel Garcimartín: El sino de la vida en el universo Portada: Prensa Científica, S.A. INVESTIGACION Y CIENCIA DIIRECTOR GENERAL José M.ª Valderas Gallardo DIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal Garfella EDICIONES Juan Pedro Campos Gómez PRODUCCIÓN M. a Cruz Iglesias Capón Bernat Peso Infante SECRETARÍA Purificación Mayoral Martínez ADMINISTRACIÓN Victoria Andrés Laiglesia SUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado Olga Blanco Romero Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1. a 08021 Barcelona (España) Teléfono 934 143 344 Telefax 934 145 413 www.investigacionyciencia.es EDITA SCIENTIFIC AMERICAN EDITOR IN CHIEF John Rennie EXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristina MANAGING EDITOR Ricki L. Rusting SENIOR EDITOR Michelle Press NEWS EDITOR Philip M. Yam SPECIAL PROJECTS EDITOR Gary Stix SENIOR WRITER W. Wayt Gibbs EDITORS Mark Alpert, Steven Ashley, Graham P. Collins, Carol Ezzell, Steve Mirsky y George Musser PRODUCTION EDITOR Richard Hunt VICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNACIONAL Dean Sanderson PRESIDENT AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER Gretchen G. Teichgraeber Rolf Grisebach CHAIRMAN DISTRIBUCION PUBLICIDAD para España: GM Publicidad Edificio Eurobuilding Juan Ramón Jiménez, 8, 1.a planta 28036 Madrid Tel. 912 776 400 - Fax 914 097 046 LOGISTA, S. A. Aragoneses, 18 (Pol. Ind. Alcobendas) 28108 Alcobendas (Madrid) Tel. 914 843 900 COSMIC CONC ONCORD ORDANC ANCE E AND QUINTESSENCE. Limin Wang, R. R. Caldwell, J. P. Ostriker y Paul J. Steinhardt en  Astrophysical Journal, vol. 530, n.o 1, parte 1, págs. 17-35; 10 de febrero, febrero, 2000; astro-ph/  astro-ph/  9901388. DYNAMICAL SOLU OLUTIO TION N TO THE PROB ROBLEM LEM OF A SMALL COSMOLOGICAL CONST ONSTANT ANT AND LATE-TIME COSMIC ACCELERATION. C. Armendáriz Arme ndáriz Picón, V. Mukhanov y Paul J. Steinhardt en Physical Review Letters, volumen 85, n.o 21, páginas 4438-4441; 20 de noviembre, 2000; astro-ph/0004314. WHY COSMOLOGISTS BELIEVETHE UNIVERSE IS ACCELERATING. Michael S. Turner en Type Ia Supernovae: Theory and Cosmology. Dirigido por Jens C. Niemeyer y James W. Truran. Cambridge University Press, 2000; astro-ph/ 9904049. 56 Cataluña: QUERALTO COMUNICACION para los restantes países: Prensa Científica, S. A. Julián Queraltó Sant Antoni M.ª Claret, 281 4.º 3.a 08041 Barcelona Tel. y fax 933 524 532 Móvil 629 555 703 Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona Teléfono 934 143 344 Copyright © 2003 Scientific American Inc., 415 Madison Av., New York N. Y. 10017. Copyright © 2003 Prensa Científica S.A. Muntaner, 339 pral. 1.a 08021 Barcelona (España) Reservados todos los derechos. Prohibida la reproducción en todo o en parte por ningún medio mecánico, fotográfico o electrónico, así como cualquier clase de copia, reproducción, registro o transmisión para uso público o privado, sin la previa autorización escrita del editor de la revista. El nombre y la marca comercial SCIENTIFIC AMERICAN, así como el logotipo correspondiente, son propiedad exclusiva de Scientific American, Inc., con cuya licencia se utilizan aquí. ISSN IS SN:: 11 1135 35-5 -56662 Dep ep.. le leggal al:: B. 32 32.3 .3550 – 19 1995 95 Imprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perpètua de Mogoda (Barcelona) Printed in Spain - Impreso en España TEMAS 33 ESTRUCTURA     E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B ¿Es finito el espacio? Suele darse por sentada la infinitud del cosmos. Podría ésta ser mera ilusión. Próximas mediciones resolverán, a buen seguro, un problema muy viejo en la historia del pensamiento y la ciencia Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman y Jeffrey R. Weeks E n una noche clara, mirando el cielo, nos parece que no tiene fin lo que podríamos ver, estrellas y galaxias sin cuento. Se nos aparecería radiante de luz la oscuridad que hay entre ellas, si la contemplásemos con un telescopio sensible. Cierto es que la edad del universo y la velocidad de la luz limitan el volumen observable. Pero con tiempo suficiente, ¿no podríamos ir viendo cada  vezz má  ve máss le lejo jos, s, pe perc rcib ibie iend ndoo nu nuev evos os fenómenos, nuevas galaxias? Quizá no. Igual que en una sala de espejos, a lo mejor es un engaño la aparente infinitud del universo. El cosmos podría ser finito. La ilusión de infinidad se debería a que la luz rodease el espacio entero, más de una  vez quizás, y crear crearaa así múltiples imágenes de cada galaxia. La  Vía Láctea no sería una excepción; por raro que parezca, en los cielos habría copias de la Tierra tal y como era en épocas anteriores. Con el transcurso del tiempo los astrónomos irían observando la evolución de las galaxias y buscando nuevos espejismos. Pero al final no entraría nuevo espacio en su campo visual. Lo habrían visto ya todo. - 58 Una de las disputas más antiguas en filosofía gira en torno a la finitud o infinitud del universo. Es un error frecuente creer que se ha zanjado ya en favor de la infinitud. El razonamiento que se esgrime y repite en los manuales saca una conclusión indebida de la teoría general de la relatividad. Según ésta, el espacio es un medio dinámico que se curva de una forma, entre tres posibles a tenor de la distribución de materia y energía en su seno. Puesto que estamos inmersos en el espacio, no podemos ver la flexión directamente, sólo percibirla a través de la atracción gravitatoria y la distorsión geométrica de las imágenes. Para determinar cuál es, de esas tres, la geometría del universo, se recurre a la densidad de la materia y energía del cosmos. Parece que es demasiado baja para que arquee el espacio y lo cierre sobre sí mismo (para que su geometría sea “esférica”). Por tanto, el espacio ha de tener, bien la geometría euclídea que nos es familiar, la de un plano, bien una “hiperbólica”, la de una silla de montar. La primera impresión es que un universo así se extiende sin fin.  Antee est  Ant estaa con conclus clusión ión pod podría ría sostenerse que el universo fuera esférico pero tan grande, que la parte observable pareciese euclídea, a la manera en que una parte pequeña de la superficie terrestre se nos antoja plana. De mayor alcance    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B ESFERICO EUCLIDEO HIPERBOLICO - es el problema de que la relatividad sea una teoría local. Predice la cur vatura  vatu ra de d e cada cad a peque pe queño ño volume vo lumen n de espacio —su geometría— a partir de la materia y de la energía que contenga. Ni la relatividad ni las obser vaci  va ci on ones es co sm smol ológ ógic icas as co rr ie ient ntes es dicen nada acerca de cómo se unen esos volúmenes y le dan al universo su configuración global, es decir, su topología. Las tres geometrías cósmicas verosímiles son compatibles con muchas topologías distintas. Así, la relatividad describiría un toro (una forma de rosquilla) rosquilla ) y un plano con las mismas ecuaciones, pese a que el toro sea finito y el plano infinito. La deter minación de la topología requiere tener en cuenta físicamente algo más que la relatividad. Suele aceptarse que el universo es, al igual que un plano, “simplemente conexo”, lo que quiere decir que la luz dispone de un solo camino directo para ir de una fuente a un obser vador.  vad or. Un univ univers erso, o, euclídeo euclíd eo o hipe hiperrbólico, simplemente conexo sería infinito. Cabe, sin embargo, que el uni ver so sea “mú “múlti ltiple ple men te co conex nex o”, 60 como un toro; habría entonces muchos caminos diferentes. Un observador  verí  ve ríaa im imág ágen enes es mú múlt ltip iple less de ca cada da galaxia y sería muy fácil que las interpretase equivocadamente como galaxias distintas en un espacio sin fin, tal y como el visitante de una sala de espejos sufre la ilusión de que está  viendo  vien do una u na gran gr an multit mu ltitud. ud. Un espacio múltiplemente conexo no es mero capricho matemático.  Alguna  Alg unass teoría teo ríass de la unif u nifica icació ción n de las fuerzas fundamentales de la naturaleza hasta lo prefieren. Por ahora no lo contradice ninguna observación. En los últimos años han florecido las investigaciones sobre la topología cósmica. Las nuevas obser vaci  va cion ones es qu quiz izás ás of ofre rezc zcan an un unaa re resspuesta definitiva. M uchos esperan que el universo sea finito. En parte por comodidad. A la mente le cuesta menos abarcar lo finito que lo infinito. Dos líneas de argumentación apoyan la finitud; la primera guarda relación con un experimento mental concebido por Isaac Newton y retomado por George Berkeley y Ernst Mach.  Abo rdando  Aborda ndo las caus causas as de la iner inercia cia,, Newton imaginó dos cubos medio llenos de agua. El primero está quieto, lisa la superficie del agua. El segundo gira deprisa, la superficie es cóncava. ¿Por qué? La respuesta ingenua atribuye el fenómeno a la fuerza centrífuga. Pero, ¿cómo sabe el segundo cubo que está girando? En concreto, ¿qué define el sistema de referencia inercial, respecto al cual el segundo cubo gira y el primero no? La respuesta de Berkeley y de Mach es que toda la materia del universo proporciona en su conjunto el marco de referencia. El primer cubo está en reposo con respecto a las galaxias lejanas; por eso, su superficie permanece plana. El segundo gira con respecto a esas galaxias, así que su superficie es cóncava. Si no hubiese galaxias remotas, no habría razón para preferir un marco de referencia a otro. La superficie de ambos cubos debería permanecer lisa y, por tanto, no haría falta una fuerza centrípeta que mantu viera  vie ra la rotación rotac ión.. En poc as palabras palab ras:: no habría inercia. Mach infirió que la magnitud de la inercia que experimenta un cuerpo es proporcional a la cantidad total de materia del uni verso.  ver so. Un univer uni verso so infinito infi nito ca usar ía una inercia infinita. Nada podría moverse.  Ade más del arg argume umento nto de Mac Mach, h, hay unos trabajos preliminares de cosmología cuántica que pretenden describir la formación espontánea del universo a partir de la nada.  Algu  Al gunas nas de est as te teor oría íass pr pred edic icen en que un universo de volumen reducido es más probable que otro de volumen grande. La probabilidad de que llegase a existir un universo infinito sería nula. Hablando sin demasiada precisión: su energía sería infinita, y ninguna fluctuación cuántica podría reunir tanta. Históricamente, la idea de un uni verso  ver so fini finito to c hoc hocaa con c on un u n obstá o bstá cul culo. o. Parece que ha de tener un borde.  Aristó  Ar istó tel teles es arg arguyó uyó que el uni univer verso so es finito porque para fijar un marco de referencia absoluto, que era importante en su concepción del mundo, hacía falta una frontera. Quienes le criticaban se preguntaban qué pasaba en el borde. No hay borde sin que haya otro lado. Así que ¿por qué no redefinir “el universo” de manera que incluyese el otro lado? Georg F. B. Riemann resolvió este quebradero de cabeza a mediados del siglo  XIX . Propuso como modelo del cosmos la hiperesfera: la superficie tridimensional de una bola tetradimensional, TEMAS 33 lo mismo que una esfera corriente es la superficie bidimensional de una bola tridimensional. Fue el primer ejemplo de un espacio que, siendo finito, carece de la problemática frontera. Cabría aún preguntarse qué hay fuera del universo. Pero esta pregunta presupone que la realidad física definitiva ha de ser un espacio euclídeo de cierto número de dimensiones. dimensiones. Es decir, presupone que, si el espacio es una hiperesfera, habrá de alo ja rs rsee en un hi hipe pere re sp spac acio io eu eucl clíd ídeo eo tetradimensional desde cuyos extramuros podríamos mirarlo. Ahora bien, la naturaleza no tiene por qué amoldarse a esa hipótesis. Sería perfectamente aceptable que el universo fuese una hiperesfera y no estuviese inmerso en un espacio de más dimensiones. Puede que sea difícil visualizar semejante objeto porque estamos acostumbrados a ver las formas desde fuera. Nada obliga a que haya un “exterior”. Para finales del siglo  XIX  los matemáticos habían descubierto diversos espacios finitos sin fronteras. En 1900 Karl Schwarzschild llamó la atención sobre su interés. En un anexo a un artículo que publicó en Vierteljahr- schrift der Astronomischen Gesellschaft retó a sus lectores: Imaginen que a consecuencia de una experiencia astronómica enormemente ampliada se viese que el universo entero consiste en un número incontable de copias de nuestra Vía Láctea, que el espacio infinito podía dividirse en cubos, cada uno de los cuales contenía una copia exacta de la Vía Láctea. ¿Nos aferraríamos al supuesto de que se trataría de una infinidad de repeticiones idénticas del mismo mundo?... Seríamos mucho más felices concibiendo que esas repeticiones eran ilusorias, que el espacio tenía unas propiedades conectivas peculiares, de manera que si saliésemos de un cubo cualquiera por un lado vol veríamo  ver íamoss de inmediato inmedi ato a entr ar en él por el opuesto. El ejemplo de Schwarzschild ilustra la construcción mental de un toro a partir del espacio euclídeo. En dos dimensiones se empieza con un cuadrado y se identifican los lados opuestos como uno solo. (Ocurre eso en muchos videojuegos, el venerable  Ast eroide  Astero idess por eje ejemplo mplo,, don donde de una nave espacial sale por el lado derecho de la pantalla y reaparece en el izquierdo.) Aparte de las interconexiones entre los lados, el espacio es igual que antes. Los ángulos de los triángulos suman 180 grados, los haces paralelos de rayos láser no se cortan nunca, etcétera; se cumplen las reglas de la geometría euclídea.  A pri primer mer a vis vista, ta, el esp espac acio io par ec ecee infinito a quienes viven en él, porque no hay límites observables. Si no rodea el universo y vuelve a encontrar los mismos objetos, la nave no podría decir si está en un toro. En tres dimensiones se empieza con un bloque cúbico de espacio y se pegan sus caras opuestas para formar un toro tridimensional. El toro bidimensional euclídeo es topológicamente equivalente a la superficie de una rosquilla. Pero no puede residir en nuestro espacio euclídeo tridimensional. Las rosquillas sí, porque se las dobla de manera que por fuera tengan una geometría esférica y alrededor del agujero, una hiperbólica. Sin esa curvatura no podríamos percibir desde fuera la rosquilla. 1 -2 - - -3 2  3     E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS Cuando Albert Einstein publicó su se abordan en topología cósmica. Por pero cuesta más representarlas primer modelo relativista del uni- simplicidad, imagínese un universo  visualme  visu almente. nte. Una consi c onsiste ste en e n recorrec or verso  ver so en 1917, 191 7, lo asoció aso ció a la hipere hip eress- bidimensional. Repitamos el procedi- tar un poliedro sólido de un espacio fera de Riemann. En aquellos años miento de construcción de un toro-2, hiperbólico tridimensional y pegar la topología del espacio constituía un pero empecemos con una superficie pares de caras, de manera que cualtema de confrontación. Aleksander hiperbólica. Recórtesele un octógono quier objeto que salga por una retorne Friedmann generalizó enseguida el regular e identifíquense pares de por el punto correspondiente de la modelo de Einstein para que inclu- lados opuestos, de forma que lo que opuesta. yera universos en expansión y espa- salga del octógono por un lado vuelva Hay que fijarse bien en los ángucios hiperbólicos. De sus ecuaciones por el opuesto. Sirve también una los del octógono. En una superficie siguen viviendo los cosmólogos. Se- pantalla de Asteroides octogonal. Este plana, los ángulos de un polígono no ñaló que las ecuaciones de su modelo es un universo múltiplemente conexo, depen dependen den de su tamaño. tamaño. Grande Grande o hiperbólico valían lo mismo para uni- cuya topología equivale a la de una pequeño, todo octógono regular tiene  versos finitos que para el infinito ordi- rosquilla con dos agujeros. Un obser- ángulos interiores de 135 grados. En nario, observación desconcertante,  vador  vad or situ situado ado en el cen centro tro del oct octóó- una superficie curvada, en cambio, pues no se conocían en aquel enton- gono vería las imágenes más próxi- los ángulos varían con el tamaño. En ces ejemplos de espacios hiperbólicos mas de sí mismo en ocho direcciones una esfera crecen con el polígono, finitos. diferentes. Se produce la ilusión de mientras que en una superficie hiperun espacio hiperbólico infinito, aun- bólica decrecen. La anterior consómo puede ser finito un espacio que la verdad es que se trata de un trucción requiere un octógono del hiperbólico constituye, sin duda, universo finito. En tres dimensiones tamaño justo para que los ángulos la cuestión más correosa de cuantas son posibles construcciones similares, tengan 45 grados y al identificar los lados opuestos los ocho vértices se encuentren en un solo punto y el ángulo total sea de 360 grados. Esta sutileza explica por qué la construcción no vale para un octógono plano; en la geometría euclídea ocho vértices de 135 grados no pueden encontrarse en un solo punto. El universo bidimensional obtenido al identificar los lados opuestos de un octógono ha de ser hiperbólico. La topología determina la geometría. El tamaño del polígono o poliedro se mide en relación a la única escala de longitud geométricamente significativa en el espacio: el radio de cur va tu tura ra . Un Unaa es fe fera ra , po r ej em pl plo, o, puede adquirir cualquier tamaño físico (en metros, digamos), pero su superficie valdrá siempre 4 π vec  veces es el cuadrado de su radio, es decir, 4 π radianes al cuadrado. El mismo principio se aplica al tamaño de una topo TE  TESELA 1 logía hiperbólica; para ella también 2  TE  TESELA se define el radio de curvatura. La topología hiperbólica más compacta, descubierta por uno de nosotros (Weeks) en 1985, puede construirse identificando pares de caras de un poliedro de 18 caras. Su volumen es de aproximadamente 0,94 radianes cúbicos. A partir de poliedros mayores se generan otras topologías. El universo puede, a su vez, medirse en radianes. Diversas observaciones astronómicas coinciden en que la densidad de materia del cosmos es sólo un tercio de la necesaria para que el espacio sea euclídeo. Ahora bien, o una constante cosmológica aporta la diferencia o el universo presenta una geometría hiperbólica cuyo radio de cur vatura  vatu ra es de 18.000 millone mil loness de años luz. En el último caso el universo observable tiene un volumen de 180 radianes cúbicos, que es sitio bas- C    S    K    E    E    W  .    R    Y    E    R    F    F    E    J    :    E    T    N    E    U    F    /    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B 62 TEMAS 33 tante para 200 de los poliedros de Weeks. En otras palabras, si el uni vers  ve rsoo tie ne la to topo polo logía gía de We Week eks, s, su volumen será sólo un 0,5 por ciento de lo que parece. A medida que el espacio se expande uniformemente, sus proporciones no cambian y, por tanto, la topología permanece constante. Casi todas las topologías requieren geometrías hiperbólicas. En dos dimensiones un espacio euclídeo finito ha de tener la topología de un toro-2 o la de una botella de Klein; en tres dimensiones sólo hay 10 posibilidades euclídeas, euclídeas, el toro-3 y nueve  var iac ion iones es simpl si mples es de él é l (por (po r eje mplo, pegar las caras opuestas con un cuarto de giro o con una reflexión, en vez de hacerlo de manera directa). Hay, por contra, innumerables topologías posibles para un universo hiperbólico tridimensional. P ese a la plétora de posibilidades, los cosmólogos de los años veinte se sintieron incapacitados para medir directamente la topología del uni verso.  ver so. Aca Acabar baron on des desinte interes resado adoss por p or la cuestión. Entre 1930 y 1990 el problema quedó postergado bajo un manto de obscuridad. La mayoría de los manuales de astronomía repetían que el universo había de ser una hiperesfera, un espacio euclídeo infinito o un espacio hiperbólico infinito. Las demás topologías se dejaban de lado. Pero los años noventa han asistido a la recuperación de la cuestión. Se han escrito tantos artículos sobre topología cósmica en los tres últimos años como en los ochenta precedentes. Y lo más apasionante, se busca determinar la topología a través de la observación. La prueba más sencilla para establecer la topología es la observación de la disposición de las galaxias. Si se alojaran en una red rectangular, repitiéndose la imagen de una misma galaxia en puntos equivalentes de la red, el universo sería un toro-3. Otros patrones revelarían topologías más complicadas. No sería fácil buscar esos patrones, pues las distintas imágenes de una galaxia mostrarían momentos diferentes de su historia. Los astrónomos tendrían que reconocer la misma galaxia pese a los cambios de aspecto o posición con respecto a las galaxias cercanas. A lo largo de los últimos 25 años, Dmitri Sokoloff, Viktor Shvartsman, J. Richard Gott III y Helio V. Fagundes han buscado sin éxito imágenes repetidas entre las galaxias situadas a menos de mil millones de años luz de la Tierra. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 5    T    E    N    I    M    U    L 2,5    E    R    R    E    I    P      N    A    E    J    :    )    S 4    E    L    I    M    (    E    T    N    E    U    F    S    E 3    R    A    P    E    D 2    O    R    E    M    U    N 1 0 0    /    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B 5 0 0 2,5 5 SEPARACION DE LOS PARES (MILES DE MILLONES DE AÑOS LUZ) - Boudewijn F. Roukema y otros han rastreado la existencia de patrones entre los cuásares. Aunque estos objetos reciben su energía de agujeros negros instalados en el centro de las galaxias, brillan; cualquier patrón que formen se percibirá desde muy lejos. Los observadores identificaron todas las agrupaciones de cuatro o más cuásares. Examinando las relaciones espaciales en el seno de cada grupo, comprobaron que algún par de grupos no era uno, visto desde dos direcciones diferentes. Roukema halló dos casos posibles; quizá no alcanzan significación estadística. Roland Lehoucq, Marc LachièzeRey y uno de los firmantes (Luminet) (Luminet) se han esforzado por hallar otros caminos. Con el método de la cristalografía cósmica que hemos elaborado, podemos detectar la presencia de patrones en un universo euclídeo, sin tener que reconocer que unas galaxias sean imágenes de otras. Si las imágenes de las galaxias se repitiesen periódicamente, el histograma de todas las distancias entre ellas exhibiría máximos a ciertas distancias, que representarían el tamaño real del universo. No hemos encontrado todavía ningún patrón; quizá sea por la escasez de datos sobre las galaxias que están a más de 2000 millones de años luz. El Estudio Digital Sloan de los Cielos, un proyecto estadounidense-nipón para levantar un mapa tridimensional de buena parte del universo, está produciendo un conjunto de datos mayor. Por último, otros grupos de investigadores se proponen abordar la topo- logía del universo por medio de la radiación del fondo cósmico de microondas, el débil resplandor remanente de cuando el plasma primordial de la gran explosión (“big bang”) se condensó en hidrógeno y helio gaseosos. La radiación se distingue por su notable homogeneidad. Su temperatura e intensidad son iguales en todas las regiones del cielo casi en una parte en 100.000. Pero hay ligeras ondulaciones, descubiertas en 1991 por el satélite Expl orad or del Fond o de Microondas (COBE). Hablando sin mucha precisión, el fondo de microondas lleva en sí las variaciones de densidad del universo primitivo que serían las semillas de estrellas y galaxias. Estas fluctuaciones son la clave de la solución de una gavilla de problemas cosmológicos, topología incluida. Los fotones de las microondas que llegan aquí empezaron su viaje hace aproximadamente aproximadamen te el mismo tiempo y a una misma distancia de la Tierra; sus puntos de partida forman, pues, una esfera, denominada “última superficie de dispersión”, cuyo centro es la Tierra. Así como un disco de papel lo bastante grande se montará sobre sí mismo si con él envolvemos la estilográfica, la superficie final de dispersión se cortará a sí misma si, en razón de su tamaño, rodea por completo el universo. La intersección de una esfera consigo misma es una circunferencia de puntos. Observada desde la Tierra, veríamos dos circunferencias en el cielo con el mismo patrón de variaciones de la temperatura. Esas dos circunferencias son, en realidad, una sólo en el espacio, per63 cibida desde dos perspectivas. Serían como las imágenes múltiples de una vela en una habitación con espejos, cada uno de los cuales la muestra desde un ángulo distinto. S tarkman y Weeks, firmantes del artículo, trabajan con David N. Spergel y Neil J. Cornish en la esperada detección de esos pares de circunferencias. Al método no le afectan las incertidumbres incertidumbr es de la cosmología contemporánea. Se basa en la observación de curvatura constante del espacio, pero no presupone nada acerca de la densidad de la materia, la geometría del espacio o la presencia de una constante cosmológica. El problema principal estriba en identificar las circunferencias, pese a las fuerzas que tienden a distorsionar do de microondas, lanzada por la NASA  sus imágenes. Por ejemplo, a medida a finales del año 2000, y el satélite que las galaxias se aglutinan aglutinan ejercen  Planck  Pla nck , programado por la Agencia una atracción gravitatoria variable Espacial Europea para el 2007, harán en la radiación durante su viaje hacia las observaciones cruciales. la Tierra y modifican su energía. Las posiciones relativas de las cirEl COBE no estaba capacitado capacitado para cunferencias coincidentes, si es que resolver estructuras de una escala existen, revelarán la topología espeangular menor de 10 grados. Tampoco cífica del universo. Si la superficie identificaba lugares calientes o fríos; final de dispersión apenas alcanza a todo lo que podía decirse con seguri- rodear el universo, sólo intersecará dad era que estadísticamente estadísticamente algunas sus imágenes ilusorias más cercanas. de las fluctuaciones eran reales, no Si es mayor, llegará más lejos e interartefactos espurios de origen instru- secará las imágenes más cercanas mental. Los aparatos han ido ganan- siguientes. Si la superficie final de do en resolución y nitidez. Algunos dispersión es bastante grande, cabrá hacen ya observaciones en labora- esperar cientos, si no miles, de pares torios terrestres o aerostáticos, pero de circunferencias. Se apreciará una no abarcan el cielo entero. La  Sond  Sonda a notable redundancia en los datos. Las Wilkinson de la anisotropía del fon- circunferencias mayores determinarán la topología del espacio y la posición y orientación de los menores. La coherencia interna de los patrones, pues, no sólo verificará la corrección de los hallazgos topológicos, sino también la de los datos del fondo de microondas. TIERRA TIERRA    S    K    E    E    W  .    R    Y    E    R    F    F    E    J    :    E    T    N    E    U    F    /    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B 64 TEMAS 33    S    K    E    E    W  .    R    Y    E    R    F    F    E    J -3 -  - - Otros equipos acarician planes dife- teorías del todo, como la de cuerdas, Igor Y. Sokolov y otros se han valido rentes para los datos. John D. Barrow se hallan en pañales. Pero las teorías de los los datos de COBE COBE para descartar descartar y Janna J. Levfin, de la Universidad acabarán por predecir la topología dicha explicación si el espacio es un de Sussex, Emory F. Bunn, del Colegio del universo a gran escala. toro-3. Pero sigue siendo viable si el Bates, y Evan Scannapieco y Joseph Los intentos empeñados en la bús- espacio es hiperbólico. I. Silk, de la Universidad de California queda de la unificación de la física Desde la noche de los tiempos las en Berkeley, no descartan un examen han engendrado la subespecialidad culturas se han preguntado cómo directo del patrón de los lugares de la cosmología cuántica. Hay tres empezó el universo y si es finito o calientes y fríos. Ya han construido hipótesis básicas para el nacimiento infinito. Mediante una combinación mapas de muestra que simulan el del universo, defendidas, respecti- de agudeza matemática y de obserfondo de microondas para topologías  vamente  vame nte,, por Andr A ndrei ei Linde, Lin de, Alexa A lexann-  vaci  va ción ón cu cuid idad ados osaa la ci cien encia cia de dell siconcretas. Han multiplicado la tem- der Vilenkin y Stephen W. Hawking. glo  XX  ha respondido en parte la priperatura en cada dirección por la tem- Una diferencia sobresaliente entre mera pregunta. El siglo  XXI podría peratura en todas las demás, y han ellas es el volumen que esperan tenga dar pronto una respuesta de la segenerado así un inmenso mapa tetra- un universo recién nacido: muy gran- gunda. dimensional de la función de correla- de en las de Linde y Vilenkin, muy ción de dos puntos. Los mapas pro- pequeño en la de Hawking. Quizá los porcionan una manera cuantitativa datos topológicos distingan entre de comparar topologías. J. Richard estos modelos. Bond, Dmitry Pogosyan y Tarun SouSi las observaciones descubriesen radeep están aplicando nuevas téc- que el universo es finito, podría tal IRCL CLES ES IN TH THE E SKY: FINDING TOPOLOGY CIR nicas, relacionadas con la anterior,  vez ava avanza nzarse rse en la res resolu olució ción n del WITH WIT H THE MICROWAVE BACKGROUND RAa los datos del COBE, que podrían ser problema de la homogeneidad geneDIATION. Neil J. Cornish, David N. Sperbastante precisos como para identificar ral del universo. La necesidad de gel y Glenn D. Starkman en Classical and  los espacios hiperbólicos menores. explicar semejante uniformidad conQuantum Gravity, vol. 15, n.o 9, págs. 2657-2670; septiembre de 1998. Prepudujo a la teoría de la inflación, pero blicación en xxx.lanl.gov/abs/astroás allá de la satisfacción inte- ésta se ha visto después en apuros porph/9801212 en la World Wide Web. lectual, el descubrimiento de la que, en su formulación común, exige RECONS ECONSTRUCT TRUCTING ING THE GLOBAL TOPOLOGY topología del espacio acarrearía pro- que la geometría cósmica sea euclíOFTHE UNIVER NIVERSITYFROM SITYFROM THE COSMIC MIfundas consecuencias para la física. dea, en manifiesta contradicción con CROWAVE B ACKGROUND . Jeffrey R.  Aunque  Aun que la relativ rel atividad idad no entra e ntra en la la densidad observada de la materia. Weeks en Classical and Quantum Gratopología del universo, otras teorías  Ant  Antee esa apo aporía ría,, se han pr propu opuest estoo vity, vol. 15, n.o 9, págs. 2599-2604, septiembre de 1998. Prepublicación en que se están desarrollando predirán formas ocultas de energía y modifixxx.lanl.gov/ abs/astro-ph/9802012 en la la topología o al menos asignarán pro- caciones de la inflación. Otra posibiWorld Wide Web. babilidades a las distintas posibili- lidad es que el universo sea menor de En las direcciones de la World Wide Web dades. Hablamos de teorías necesa- lo que parece. Si fuese así, la inflawww.geom.umn.edu/softwar www.geom.um n.edu/software/download e/download rias para explicar la gravedad en los ción podría haberse detenido prey www.northnet.org/weeks pueden enprimeros momentos de la gran explo- maturamente —antes de engendrar contrarse programas de ordenador gratuisión, cuando los efectos mecano- una geometría euclídea— y aun así tos para el estudio de la topología. cuánticos encerraban interés. Las habría homogeneizado el universo. M PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 65 Nuevas dimensiones para otros universos  El universo visible podría extenderse extenderse en una membrana flotante flotante  por un espacio con dimensiones dimensiones supernumerarias. Estas unificarían unificarían las fuerzas de la naturaleza y podrían contener universos paralelos Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos y Georgi Dvali E dwin A. Abbott contaba en  Plan ilan dia: Una hist historia oria en muchas dimensiones , de 1884, las aventuras de “A. Cuadrado”, que  vi víaa en un mu  viví mund ndoo bi bidi dime mens nsio iona nall poblado de triángulos, cuadrados, pentágonos y demás figuras geométricas animadas. Hacia el final del relato, el primer día del año 2000, una criatura esférica de la tridimensional “Espaciolandia” atraviesa Planilandia y saca a Cuadrado de su dominio planar y le enseña la verdadera naturaleza tridimensional de un mundo mayor. Cuando consigue entender lo que la esfera le está mostrando, Cuadrado conjetura que quizás Espaciolandia sea a su vez un pequeño subespacio de un universo tetradimensional aún mayor. Los físicos llevan ya unos años examinando en serio una idea muy parecida: que todo lo que vemos en nuestro universo está encerrado en una “membrana” tridimensional tendida en un dominio dotado de más dimensiones. Pero al revés que Cuadrado, que comprendió gracias a una intervención divina procedente de Espaciolandia, es posible que los físicos estén pronto en condiciones de detectar y verificar la existencia de dimensiones supernumerarias de la realidad que podrían medir hasta un milímetro. Ya se están preparando experimentos que buscan los efectos de tales dimensiones adicionales en la fuerza de la gravedad. Si la teoría es correcta, los experimentos con partículas de altas energías que pronto se realizarán en Europa verán procesos insólitos relacionados con la gravedad cuántica; por ejemplo, la creación de microagujeros negros transitorios. La teoría no es una historia fantástica; se basa en avances recientes de la teoría de cuerdas y resolvería ciertos problemas que 66 aquejan a la física de part ículas y a intensa como el electromagnetismo la cosmología desde hace mucho. y las otras fuerzas a la escala de Ideas tan fuera de lo común como Planck, se ha dado tradicionalmente la teoría de cuerdas y la multidi- por sentado que la teoría que unifimensionalidad nacen del afán por que la gravedad con las demás inteconocer la fuerza de la gravedad. Más racciones se manifestará sólo a esas de tres siglos después de que Isaac energías. En tal caso la naturaleza Newton propusiera su ley de la gra- de la teoría unificada final estaría en  vitación  vita ción,, la físi física ca sigu siguee sin s in expl explicar icar el futuro previsible, y más allá de por qué es la gravedad muchísimo toda esperanza, fuera del alcance de más débil que las otras fuerzas; de la investigación experimental directa. una levedad, efectivamen efectivamente, te, enorme. Los aceleradores más potentes en Basta un pequeño imán para levan- funcionamiento sondean las energías tar del suelo un clavo y vencer así la entre 100 y 1000 GeV (un teraelectronatracción gravitatoria de la masa  volt, o TeV). Se ha visto que la fuerza entera de la Tierra. La atracción gra- electromagnét electromagnética ica y la interacción dé vitatori  vita toriaa ent entre re dos electrone electr oness es 1043 bil (fuerza ejercida entre partículas  veces  vec es más débil déb il que su mutua mutu a repulrepu l- elementales, a la que se deben ciersión eléctrica. La gravedad nos parece tos tipos de desintegración radiacimportante —nos asienta los pies en tiva) se unifican en ese intervalo. el suelo y pone a la Tierra a dar vuel- Entenderíamos por qué es la gravetas alrededor del Sol— sólo porque dad tan débil si desentrañásemos el esas grandes agregaciones de mate- factor de 1016 que separa la escala ria son eléctricamente neutras; las electrodébil de la escala de Planck. fuerzas eléctricas son tan pequeñas, Para nuestro infortunio, la teoría que pueden despreciarse y la grave- de la física de las partículas elemendad queda, con ser tan débil, como la tales, el modelo estándar, que tan única fuerza perceptible. extraordinarios éxitos ha tenido, no puede explicar el tamaño de ese salto La levedad inexplicable inmenso, porque está ajustada metide la gravedad culosamente para concordar con la a masa de los electrones tendría escala electrodébil observada. La que ser 10 22  vec  veces es may mayor or par a buena noticia es que ese ajuste (con que las fuerzas eléctricas y gravita- otros 16) vale de una vez por todas torias entre dos de ellos fuesen igua- para cubrir miríadas de observacioles. La producción de una partícula nes. La mala es que hemos de sintotan pesada requeriría 10 19 gigaelec- nizar finamente la teoría básica con tronvolt (GeV) de energía, la llamada una precisión de alrededor de una energía de Planck. Una magnitud parte en 10 32 ; si no, los efectos cuánasociada a ésta es la longitud de ticos —inestabilidades— arrastraPlanck, 10–35 metros. Por mor de com- rían la escala electrodébil sin parar paración, el núcleo de un átomo de hasta la escala de Planck. Que en la hidrógeno, un protón, es unas 10 19 teoría haya un equilibrio tan deli veces  vec es mayor ma yor y tiene t iene una masa ma sa de ala l- cado es como entrar en una habitarededor de 1 GeV. Ni siquiera el Gran ción y encontrar un lápiz que se manColisionador de Hadrones del CERN, tiene vertical sobre su punta en una conseguirá escudriñar distancias de mesa. No es imposible, pero sí muy menos de alrededor de 10 –19 metros. inestable, y nos preguntaríamos cómo  Ya que la grav graveda edadd lleg llegaa a ser tan lo ha logrado. L TEMAS 33    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B - Los teóricos atacan este problema, físico germano, se basa lo llaman el problema de la jerarquía, en un supuesto sobre la desde hace veinte años alterando la acción de la gravedad a cortas naturaleza de la física de partículas distancias que no está comprobado. cerca de los 10–19 metros (o 1 TeV), La ley gravitatoria newtoniana de suerte que se estabilice la escala del inverso del cuadrado de la diselectrodébil. La modificación más tancia —que dice que la fuerza entre popular del modelo estándar que con- dos masas decae con el cuadrado de sigue tal objetivo se basa en una nueva la distancia que los separa— fun- dimensiones y la simetría, la supersimetría, que, vol- ciona extraordinariamente bien a dis- fuerza de la gravedad  viendo a la metáfora del lápiz, es como tancias macroscópicas y explica la caerá con el inverso del cubo un hilo invisible que lo sujetase e impi- órbita de la Tierra alrededor del Sol, de la distancia. Pero una vez que diese que cayera. Los aceleradores no la de la Luna alrededor de la Tierra, las líneas se hayan extendido por la han ofrecido todavía ninguna prueba etcétera. Pero como la gravedad es tan circunferencia entera, sólo les quedirecta de la supersimetría, pero cier- débil, la ley se ha comprobado expe- darán tres dimensiones por donde tos indicios indirectos respaldan la rimentalmente sólo hasta distancias seguir dispersándose; en consecuenampliación supersimétrica del modelo de alrededor de un milímetro, y hemos cia, para distancias mucho mayores estándar. Por ejemplo, cuando las de extrapolar a través de 32 órdenes que R la fuerza variará con el inverso intensidades medidas de las interac- de magnitud para concluir que la gra- del cuadrado de la distancia. ciones fuerte, débil y gravitatoria se  vedad  ved ad se torna torn a intensa inten sa a la escala de El mismo efecto se produce cuando –35 extrapolan teóricamente a distancias Planck de 10 metros. hay muchas dimensiones adicionamás cortas, se cortan con mucha exacLa ley del inverso del cuadrado es les, todas dobladas hasta convertirse titud en un valor común, siempre y natural en un espacio tridimensio- en circunferencias de radio  R. Para cuando la extrapolación se atenga a nal. Imaginemos unas líneas de fuerza n dimensiones espaciales supernureglas supersimétricas. De lo que se gravitatoria que emanan uniforme- merarias, a distancias menores que desprende que se produce una unifi- mente de la Tierra. A una mayor dis-  R la fuerza de la gravedad seguirá una cación supersimétrica de esas tres tancia de ésta se dispersarán sobre ley de la inversa inversa de 2 + n. Como no fuerzas a unos 10 –32 metros; aunque una capa esférica de mayor área. El hemos medido la gravedad a distanes alrededor de mil veces mayor que área crece con el cuadrado d e la dis- cias menores de un milímetro, quila longitud de Planck, sigue estando tancia y la fuerza, pues, se diluirá en zás estemos pasando por alto los cammuy alejada del alcance de los coli- ese mismo grado. Supongamos que bios que le causen a la gravedad sionadores de partículas. hubiese una dimensión más, que el dimensiones adicionales con un taespacio fuese tetradimensional. Las maño  R de menos de un milímetro. La gravedad líneas de campo que emanasen de un  Ade  Además, más, la ley del inve inverso rso de 2 + n  y la s dimen di mensio siones nes punto se dispersarían entonces por haría que la gravedad alcanzase la espaciales grandes una corteza tetradimensional, cuya “intensidad de la escala de Planck” urante veinte años, no hubo otra superficie aumentaría con el cubo de muy por encima de los 10 –35 metros. manera viable de abordar el pro- la distancia; la gravedad seguiría una Es decir, la longitud de Planck (disblema de la jerarquía que la de cam- ley del inverso del cubo. tancia a la que la gravedad se vuelve biar la física de partículas cerca de La ley del inverso del cubo no des- fuerte) no sería tan pequeña y se redulos 10 –19 metros mediante la intro- cribe nuestro universo, pero imagí- ciría el problema de la jerarquía. ducción de procesos nuevos, como la nese ahora que la dimensión adicioPuede resolverse el problema de la supersimetría. Pero últimamente se nal se dobla y dibuja una pequeña  jer  jerarq arquía uía por compl c ompleto eto si admitim adm itimos os ha propuesto un enfoque radical- circunferencia de radio  R y que es- la existencia de dimensiones ultemente diferente, que modifica el espa- tamos mirando las líneas de campo riores en número suficiente para acercio-tiempo, la gravedad y la propia que salen de una diminuta masa pun- car la escala de Planck a la electroescala de Planck. La idea clave reside tual. Cuando las líneas de campo débil. La unificación final de la en el extraordinario tamaño de la están mucho más cerca de la masa gravedad con las demás fuerzas tenescala de Planck; aceptado durante que la distancia  R, podrán disper- dría lugar entonces cerca de los 10 –19 un siglo desde que lo propusiese el sarse uniformemente por las cuatro metros y no, como se ha venido supo- D PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 67 niendo, a los 10 –35 metros. Cuántas  Admitir  Admi tir la existencia existe ncia de dimensio dim ensio-dimensiones harían falta dependería nes supernumerarias puede parecer de su magnitud. Recíprocamente, extravagante y un recurso ad hoc. dado un número de dimensiones adi- Para los físicos constituye, sin emcionales, podemos calcular qué tama- bargo, una idea muy conocida; se ño deberían tener para que la grave- remonta a los años veinte, cuando dad se tornara intensa alrededor de Theodor Kaluza y Oskar Klein crealos 10 –19 metros. Si hubiese sólo una ron una notable teoría unificada de dimensión más, su radio R ven  vendría dría a la gravedad y el electromagnetismo ser del orden de la distancia entre la que requería una dimensión adicioTierra y el Sol. La observación, pues, nal. Las modernas teorías de cuerdas, ya excluye esta posibilidad. Dos di- que necesitan para tener coherencia mensiones supernumerarias, en cam- matemática interna 10 dimensiones bio, resolverían el problema de la je- espaciales, le insuflaron nueva vida. rarquía si midiesen alrededor de un En el pasado se dio por sentado que milímetro, precisamente donde acaba las dimensiones supernumerarias se nuestro conocimiento directo de la doblaban y dibujaban circunferencias gravedad. Si hubiese más dimensio- minúsculas de un tamaño parecido a nes serían aún menores; si fuesen la tradicional longitud de Planck de siete, necesitaríamos que midiesen 10 –35 metros, lo que las hacía indeunos 10 –14 metros, el tamaño, apro- tectables y dejaba, además, sin resolximadamente, de un núcleo de ura-  ver el prob problema lema de la jerar j erarquía. quía. Por nio. Para los patrones de medidas contra, en la nueva teoría de que estaactuales se trata de un tamaño muy mos hablando las dimensiones superpequeño, pero enorme según la vara numerarias se enrollan formando cirde medir de la física de partículas. cunferencias de al menos 10–14 metros de radio, y quizás tan inmensas como un milímetro. Nuestro universo en una pared S i esas dimensiones son tan grandes, ¿por qué no las hemos percibido todavía? A simple vista distinguiríamos unas dimensiones supernumerarias de un milímetro, no digamos con un microscopio. Y aunque no hemos medido la gravedad por debajo del milímetro, disponemos de abundantes resultados experimentales de las otras fuerzas a distancias mucho menores, cerca de los 10–19 metros, compatibles todos ellos sólo con un espacio de tres dimensiones. ¿Cómo podría haber dimensiones supernumerarias grandes? La respuesta es a la vez simple y peculiar: toda la materia y todas las fuerzas que conocemos —excluida la gravedad— están adheridas a una “pared” del espacio de las dimensiones adicionales. En éstas no pueden Vocabulario básico Dimensiones. Distinguimos en nuestro universo cuatro dimensiones: tres espaciales (arriba y abajo, izquierda y derecha, adelante y atrás) y una temporal. Aunque nos cuesta imaginar dimensiones ulteriores, matemáticos y físicos llevan años analizando las propiedades de espacios teóricos dotados de cualquier número de dimensiones. Tamaño de las dimensiones. Las cuatro dimensiones espacio-temporal es conocidas se caracterizan por su inmensidad. La temporal arranca, al menos, desde hace 13.000 millones de años y podría prolongarse en un futuro sin fin. Las tres dimensiones espaciales pueden ser infinitas (nuestros telescopios han detectado objetos que están a más de 12.000 millones de años-luz) o finitas (las dos de la superficie terres-    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B - - tre se extienden sólo unos 40.000 kilómetros, la longitud de un meridiano). Dimensiones adicionales pequeñas. Algunas teorías físicas introducen dimensiones reales supernumera supernumerarias rias enrolladas en circunferencias tan pequeñas (quizá 10 –35 metros de radio) que no las detectamos detectamos.. Piénsese en una hebra de algodón, que, en buena aproximación, es unidimensional. Basta un solo número para especificar dónde está una hormiga en la hebra. Pero con un microscopio veremos ácaros moviéndose por la superficie bidimensional de la misma: a lo largo de la extensa dimensión de la longitud y alrededor de la corta dimensión de la circunferen circunferencia. cia. Dimensiones adicionales grandes. Podría haber dimensiones “grandes”, “grandes”, hasta de un milímetro, sin que dejasen de sernos invisibles. Ningún dato experimental conocido contradice esa hipótesis, capaz de explicar varios misterios de la física de partículas y de la cosmología. Todo lo que contiene el universo tridimensional que habitamos, con la excepción de la gravedad, estaría adherido a una “membra na”, como bolas de billar que se mueven en el tapete verde y bidimensional de una mesa. Dimensiones y gravedad. El comportamiento de la gravedad —en particular su intensidad— guarda íntima relación con el número de dimensiones en que actúe. El estudio de la acción de la gravedad en distancias de menos de un milímetro podría descubrirnos dimensiones supernumerarias grandes. Están en marcha experimentos de esa índole. Dichas dimensiones aumentarían aumentarían además la producción de peculiares objetos propios de la gravedad cuántica, como los microagujeros negros, la partícula gravitón y las supercuerdas; todos ellos podrían detectarse en los aceleradores de partículas de altas energías antes de que transcurran diez años. —Graham P. Collins, de la redacción. 68 TEMAS 33 moverse los electrones, protones, fotones y demás partículas del modelo estándar; las líneas de campo eléctricas y magnéticas no pueden extenderse hasta un espacio de ulteriores dimensiones. La pared tiene sólo tres dimensiones, y por lo que se refiere a dichas partículas, el uni versoo bien podr  vers podría ía ser trid tridimens imensional ional.. Sólo las líneas de campo gravitatorias pueden extenderse hasta un espacio de dimensiones superiores y sólo la partícula que transmite la gra vedad,  ved ad, el grav g ravitón itón,, viaja vi aja libr libremen emente te a ellas. La presencia de las dimensiones adicionales puede percibirse exclusivamente por medio de la gra vedad.  ved ad. Recurramos a una metáfora. Imaginemos que todas las partículas del modelo estándar (electrones, protones y demás) son bolas que se mue ven sobr sobree la supe superfi rficie cie de una u na mesa m esa de billar. En lo que a ellas se refiere, el universo es bidimensional. No obstante, los habitantes de la mesa, hechos de “bolas de billar”, podrían detectar el mundo de más dimensiones: cuando dos bolas chocan con suficiente fuerza producen ondas sonoras que viajan en las tres dimensiones y roban algo de energía de la superficie de la mesa. Las ondas sonoras serían los gravitones, que pueden via jar por todo tod o el esp espaci acioo de más dimendime nsiones. En las colisiones de partículas de altas energías esperamos observar una pérdida de energía debida al escape de los gravitones hacia dimensiones superiores. Puede parecernos extraño que algunas partículas estén confinadas en una pared. La verdad es que se trata de un fenómeno harto común. Por botón de muestra, los electrones de un hilo de cobre sólo pueden moverse a lo largo del espacio unidimensional del filamento; no viajan al espacio tridimensional circundante. De manera semejante, las olas se propagan principalmente en la superficie del océano y no a lo largo de su profundidad. El orden de cosas que estamos describiendo, donde todas las partículas, menos la gravedad, se adhieren a una pared, se genera de forma natural en la teoría de cuerdas. En realidad, uno de los grandes hallazgos que han promovido los recientes avances de la teoría de cuerdas ha sido caer en la cuenta de que la teoría contiene “paredes” así, llamadas D-branas, donde “brana” viene de “membrana” y “D”, que indica una propiedad matemática de las branas, de “Dirichlet”. Las D-branas gozan de las características requeridas: las partículas del estilo de los fotones o los PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS electrones están representadas por diminutas longitudes de cuerda con dos cabos que han de estar adheridos a una D-brana. Los gravitones, por contra, constituyen bucles minúsculos de cuerda que pueden vagar en todas las dimensiones porque carecen de extremos que los anclen en una D-brana.    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B ¿Vive? L os teóricos de raza acostumbran, cuando aparece una teoría nueva, rodearla y darle caza. O lo que e s lo mismo, descubrirle alguna contradicción con los resultados experimentales conocidos. La teoría de las LINEAS DE FUERZA dimensiones adicionales grandes cambia la gravedad a distancias macroscópicas y altera otras partes de la física de altas energías. Una pieza fácil de abatir. Mas, pese a que se aparta radicalmente de la visión usual del universo, no contradice ningún resultado experimental conocido. Unos cuantos ejemplos del tipo de pruebas que supera muestra cuán sorprendente es tal conclusión. De entrada, podría preocupar que la modificación de la gravedad afectase a los objetos que esa fuerza man- la materia (equivale esto a que sea tiene unidos, las estrellas, las ga- más intensa la gravedad a distancias laxias. Pero no les afecta. La gravedad cortas); por tanto, en las colisiones cambia sólo a distancias menores de de partículas a altas energías debeun milímetro, mientras que en una rían producirse muchos más. Se proestrella, por ejemplo, actúa a través pagan, por añadidura, en todas las de miles de kilómetros para mante- dimensiones y sustraen energía de la ner juntas zonas remotas suyas. En pared, o membrana, es decir, del uniun marco más general, aun cuando las  verso  ver so dond d ondee vivimos viv imos.. dimensiones supernumerarias intenCuando una estrella se derrumba sificasen la gravedad mucho más y estalla constituida en supernova, deprisa de lo usual a cortas distan- las grandes temperaturas podrían cias, alcanzaría a las otras fuerzas fácilmente hacer que los gravitones sólo cerca de los 10 –19 metros y segui- se evaporasen hacia las dimensiones ría siendo muy débil en comparación adicionales. Sin embargo, por las con ellas a distancias mayores. observaciones de la famosa Supernova Una inquietud mucho más grave es 1987A sabemos que una explosión de la que se refiere a los gravitones, las supernova emite la mayor parte de partículas hipotéticas que transmi- su energía en forma de neutrinos, con ten la gravedad en una teoría cuán- lo que queda poco margen para las tica. En la teoría con dimensiones pérdidas de energía debidas a los graadicionales los gravitones interac-  vi  vito to ne nes. s. Lo qu quee co no noce ce mo s de las la s cionan mucho más fuertemente con supernovas limita, pues, la fuerza    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B - - 69 GRAVEDAD    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B GRAVEDAD NUESTRO UNIVERSO 3-D - DIMENSIONES ADICIONALES con que los gravitones pueden aco- den rigor a medida que se añaden más la gravedad cuántica. Si la teoría de plarse a la materia. Esta ligadura dimensiones a la teoría. Lo hemos cuerdas es la descripción correcta de podría fácilmente haber matado la  visto desde el princ principio: ipio: el caso de una la gravedad cuántica, las partículas idea de las dimensiones supernume- sola dimensión adicional se descartó consistirían en pequeños fragmentos rarias grandes, pero el cálculo deta- de inmediato porque alteraría la gra- de cuerda que vibran como la de un llado muestra que la teoría sobre-  veda  vedadd a dista distancias ncias del orde orden n de las  violín.  vio lín. Las par partícu tículas las fund fundame amentanta vive.. El lími  vive límite te más m ás rigur r iguroso oso es para p ara del sistema solar. Esto indica por qué les conocidas corresponden a una el caso de que haya sólo dos dimen- es más seguro tener dimensiones cuerda que no vibra, una cuerda de siones adicionales, porque entonces supernumerarias; la intensificación  violí  violín n sin tañe tañer. r. Cada “nota musical” musi cal” los gravitones enfriarían las super- espectacular de la gravedad comienza diferente que la cuerda diese al vibrar novas demasiado si la escala de a distancias más cortas y tiene, por se manifestaría como una nueva parPlanck se redujese por debajo de los tanto, un impacto menor en los pro- tícula exótica. En la teoría de cuer50 TeV. Para tres o más dimensiones cesos de grandes distancias. das ordinaria ord inaria las cuerdas miden sólo adicionales, esa escala puede ser de 10 –35 metros; las nuevas partículas tan sólo unos TeV sin que se produzca La respuesta, tendrían masas del orden de la enerde aquí a diez años el fiasco de la supernova. gía de Planck tradicional: la música Los teóricos han examinado otras a teoría resuelve el problema de de cuerdas así sería demasiado aguda restricciones, ligadas a cambios inala jerarquía haciendo de la grave- para que la “oyésemos” en los coliceptables que pudiesen sufrir siste- dad una fuerza intensa cerca de las sionadores de partículas. Pero con mas muy diversos, del universo pri- energías del orden del TeV, precisa- dimensiones adicionales grandes las mitivo, según lo concibe la afortunada mente la escala de energía que los pró- cuerdas serían mucho más largas, hipótesis de la gran explosión, a las ximos aceleradores de partículas van tendrían cerca de 10–19 metros, y las colisiones de rayos cósmicos de ener- a investigar. Los experimentos del partículas nuevas aparecerían a energías ultra-altas. La teoría supera todas Gran Colisionador de Hadrones gías del orden del TeV, un tono sufiesas pruebas experimentales, que al (LHC), previstos para el 2005, debe- ciente para oírlas en el LHC. final son menos rigurosas que la liga- rían, pues, descubrir la naturaleza de De manera similar, las energías dura de las supernovas. Puede que sorprenda, pero las ligaduras pier- L    O    R    T    E    M    I    L    I    M    1    E    I    T    S    I    R    H    C LUZ GRAVEDAD    N    A    Y    R    B  L E S  M I L  Ñ O S  D E A  S  E  N  L L O  I L  D E M - 70 -l TEMAS 33 necesarias para crear microagujer microagujeros os toria a distancias submilimétricas HUNDIMIENTO negros en las colisiones de partículas hay que usar objetos no mucho mayo- DE UNA SUPERNOVA se reducirían hasta estar a tiro de los res que un milímetro; de masa, por experimentos. Esos agujeros, de unos tanto, muy pequeña. Se han de eli10–19 metros de tamaño, serían dema- minar con cuidado numerosos efecsiado pequeños para causar proble- tos, como las fuerzas electrostáticas mas: emitirían una energía llamada residuales que enterrarían o simuradiación de Hawking y se evapora- larían la insignificante atracción grarían en menos de 10 –2 7 segundos.  vitatori  vita toria. a. Est Estos os exp experim erimento entos, s, difí difí-- NEUTRINOS GRAVITONES Merced a la observación de tales fenó- ciles y sutiles, podrían descubrir una NUESTRO UNIVERSO menos podríamos investigar directa- nueva física. Amén de la búsqueda mente los misterios de la física de los de dimensiones supernumerarias, agujeros negros cuánticos. importa el que nos permitan ahondar Incluso a energías demasiado en el conocimiento directo de la grapequeñas para producir cuerdas vi-  vedad a distan distancias cias cortas. Tres invesbrantes o agujeros negros, las coli- tigadores están llevando a cabo expesiones de partículas producirán gra- rimentos con ese objeto: John C. Price,  vitones  vito nes en cantidad cant idad ingente ing ente,, proceso proc eso de la Universidad de Colorado, Aharon despreciable en las teorías ordina- Kapitulnik, de la de Stanford, y Eric rias. Aunque los experimentos no po- G. Adelberger, de la de Washington. drían detectar directamente los gra- Esperan recabar los primeros resul vito  vi tone ness em emit itid idos os,, co cono noce cerí ríam amos os la tados el año en curso. energía absorbida a través de la enerLa idea de dimensiones adicionagía que faltara en los residuos de la les prolonga la tradición copernicana GRAVITONES colisión. La teoría predice propieda- del conocimiento de nuestro lugar en MICROAGUJERO des concretas de la energía perdida el mundo: ni la Tierra es el centro del NEGRO —cómo variaría con la energía de coli- sistema solar, ni el Sol centro de nuessión, etc.—, así que los indicios de la tra galaxia, siendo ésta una entre producción de gravitones se distin- miles de millones de un universo sin guirían de otros procesos que roban centro. Nuestro universo tridimenenergía por medio de partículas que sional sería ahora una membrana no se ven. Los datos actuales de los insignificante en el espacio cabal de aceleradores de mayor energía ya las dimensiones. Si pensamos en corimponen suaves restricciones a las tes a través de las dimensiones superPARTICULAS dimensiones grandes. Los experi- numerarias, nuestro universo ocuNUESTRO UNIVERSO mentos del LHC deberían obtener paría un punto infinitesimal en cada PROTON pruebas de la presencia de gravito- corte, rodeado por un vacío. nes o, con su ausencia, empezar a Quizá no acaben ahí las cosas. Igual desechar la teoría. que la Vía Láctea no es la única galaUn tipo completamente diferente xia del universo, ¿cabría que nuestro de experimento podría también res- universo no estuviese sólo en las paldar la teoría, quizá mucho antes dimensiones supernumerarias? Las que los colisionadores de partículas. membranas de otros universos tridiRecuérdese que, para que dos dimen- mensionales podrían hallarse parasiones adicionales resuelvan el pro- lelas a la nuestra, a un milímetro de blema de la jerarquía, deben medir nosotros en las dimensiones adicionada menos que un milímetro. Las nales. De manera semejante, aunque durante mucho tiempo, tienen mamediciones de la gravedad detecta- todas las partículas del modelo están- sa, minúscula pero no nula [ véase rían en ese caso la conversión de la dar deben adherirse a nuestro uni- “Detección de la masa de los neutriley de la inversa del cuadrado de  ve  vers rsoo me memb mbra rana na,, ot otra rass pa part rtíc ícul ulas as nos”, por Edward Kearns, Takaaki Newton en una ley de la inversa de más allá del modelo estándar podrían, Kajita y Yoji Totsuka, I NVESTIGACIÓN la cuarta potencia a distancias cer- además del gravitón, propagarse a  Y  C IENCIA , octubre de 1999]. El neucanas al milímetro. Las ampliacio- través de las dimensiones supernu- trino quizás adquiera esa masa menes del marco teórico básico condu- merarias. Lejos de estar vacías, las diante la interacción con un campo cen a una multitud de posibles dimensiones adicionales quizá ten- compañero existente en las dimendesviaciones de la gravedad newto- drían una multitud de estructuras siones supernumerarias. Como pasa niana, la más interesante de las cua- interesantes. con la gravedad, la interacción se les es la aparición de fuerzas repulLos efectos de las nuevas partícu- diluye mucho al estar disperso el comsivas más de un millón de veces más las en las dimensiones adicionales pañero por las dimensiones adiciointensas que la gravedad entre masas proporcionarían respuestas a muchos nales, y así el neutrino sólo adquiere separadas por menos de un milíme- misterios sobresalientes de la física una masa muy pequeña. tro. Están en marcha en las mesas de partículas y la cosmología. Podrían, de laboratorios experimentos que por ejemplo, explicar las masas de Universos paralelos emplean detectores construidos para los neutrinos. Las nuevas e impretro ejemplo es el misterio coscomprobar la ley de Newton a dis- sionantes pruebas obtenidas por el mológico de la constitución de la tancias que van del centímetro a las experimento Super Kamiokande en “materia oscura”, la sustancia gradecenas de micras. Japón indican que los neutrinos, en  vitante  vita nte invi invisibl siblee que q ue par parece ece com compopoPara investigar la fuerza gravita- contra de lo que se ha supuesto ner más del 90 por ciento de la masa    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B O PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 71    E    I    T    S    I    R    H    C    N    A    Y    R    B APILAMIENTO DE LATON PARA AISLAMIENTO PLATAFORMA INCLINABLE 1 CENTIMETRO MASA DETECTORA IMPULSOR PIEZOELECTRICO PLACA REVESTIDA DE ORO MASA FUENTE - - del universo. La materia oscura interesantes efectos observables, por podría residir en universos paralelos. ejemplo, ondas gravitatori gravitatorias as proceden Af ec ta tarí rí a a mu mues estr tr o un univ iver er so po r tes de supernovas y otros procesos medio de la gravedad; es “oscura” por astrofísicos violentos. Si los detectores necesidad, ya que nuestra especie de de ondas gravitatorias cuya entrada fotón está adherida a nuestra mem- en funcionamiento está prevista para brana y no puede, pues, viajar a tra- dentro de unos años registrasen fuen vés del d el vacío va cío desd desdee la mater m ater ia parapa ra- tes importantes de radiación gravitalela hasta nuestros ojos. toria que no cupiera atribuir a mateEsos universos paralelos podrían ria visible de nuestro universo, se diferir en grado sumo del que habi- habría dado con una prueba de la existamos, con partículas y fuerzas pecu- tencia de los pliegues. liares; quizás estarían confinados en La teoría que hemos presentado membranas de más o de menos dimen- aquí no fue la primera hipótesis avansiones. No obstante, una sugestiva zada sobre la existencia de dimenposibilidad es que tuviesen propie- siones adicionales de más de 10 –35 dades idénticas a las de nuestro metros. En 1990 Ignatios Antoniadis, mundo. Imagínese que la pared donde de la Escuela Politécnica de París,  vivimo  viv imo s es está tá ple gad a una ser ie de sugirió que algunas de las dimen veces en las dimensiones dimensione s adicio adicionales. nales. siones de la teoría de cuerdas podrían Los objetos al otro lado de un pliegue ser de hasta 10 –19 metros, pero manparecerán parecer án hallarse muy lejos aunque tuvo la escala de la gravedad cuánse encuentren a menos de un milí- tica cerca de los 10 –35 metros. Petr metro de nosotros en las dimensio- HoŠrava, del d el Instituto Insti tuto de Tecnolo Tecnología gía nes adicionales: la luz que emiten de California, y Edward Witten, del debe viajar hasta el doblez y retro- Instituto de Estudios Avanzados de ceder hasta nosotros. Si el doblez está Princeton, señalaron que una sola a decenas de miles de millones de dimensión adicional de 10 –30 metros años-luz, no habría llegado desde el podría incorporar la gravedad en el otro lado hasta nosotros luz alguna seno de la unificación supersimétrica desde el comienzo del universo. de las demás fuerzas, todo a 10 –32 La materia oscura podría ser mate- metros. Siguiendo esta idea, Joseph ria ordinaria, quizás estrellas y ga- Lyken, del Laboratorio Nacional del laxias corrientes que brillen en sus  Ac el eler er ad or Fe Ferm rm i, en Ba ta tavi via, a, se pliegues. Esas estrellas producirían esforzó por disminuir la escala de la 72 unificación a cerca de 10 –19 metros (sin recurrir a dimensiones supernumerarias grandes). Keith Dienes, de la Universidad de Arizona, y Emilian Dudas y Tony Gherghetta, del CERN, observaron en 1998 que las dimensiones adicionales menores de 10 –19 permitirían la unificación de las fuerzas a distancias mucho mayores de 10–32 metros. Desde nuestra propuesta de 1998 han ido apareciendo diversas variaciones interesantes basadas en los mismos ingredientes: dimensiones supernumerarias supernumerar ias y confinamiento de nuestro universo en una pared. En un modelo apasionante apasionante,, Lisa Randall, de la Universidad de Princeton, y Raman Sundrum, de Stanford, propusieron que la propia gravedad podría concentrarse en una membrana de un espacio-tie espacio-tiempo mpo pentadimensional infinito en todas las direcciones. La gravedad se manifestaría muy débilmente en nuestro universo de forma natural si estuviésemos en una membrana diferente. Durante veinte años se ha venido abordando el problema de la jerarquía y, por tanto, explicando la levedad extrema de la gravedad, desde una escala de Planck cercana a los 10 –35 metros, supuesta fundamental, y desde la idea de que la física de partículas debe cambiar cerca de los 10 –19 metros. La gravedad cuántica permanecería en el terreno de la pura especulación, a extramuros de cualquier ensayo experimental. Pero si hay dimensiones adicionales grandes, en los próximos años podríamos descubrir, por ejemplo, desviaciones de la ley de Newton cerca de 6  ∞ 10 –5 metros y detectar vibraciones de las cuerdas o agujeros negros en el LHC. La gravedad cuántica y la teoría de cuerdas se convertirían en ciencia contrastable. Pase lo que pase, los experimentos marcarán el camino para responder a una pregunta formulada hace trescientos años. De aquí al 2010 se avanzará en el conocimiento del porqué de la levedad de la gravedad. Y quizá nos encontremos con que vivimos en una extraña Planilandia, un universo membrana donde la gravedad cuántica está a la  vuelta  vue lta de d e la esqui e squina. na. LA TEORÍA M. Michael Duff, en Investigación y Ciencia, págs. 48-53; abril de 1998. THE ELEGANT UNIVERSE: SUPERSTRINGS, HIDDEN DIMENSIONS, ANDTHE QUESTFOR THE ULTIMATE THEORY. Brian Greene. W. W. Norton, 1999. TEMAS 33 PERSPECTIVAS    )    r    o    d    a    n    i    c    o    r    t    a    p    (    S    O    D    D    I    N    U    S    O    D    A    T    S    E    E    D    A    I    G    R    E    N    E    E    D  .    O    T    P    D  ,    T    C    E    J    O    R    P    K    R    O    W    T    E    N    S    C    I    S    Y    H    P    O    R    T    S    A    U    E  ,    Y    T    E    I    C    O    S    K    C    N    A    L    P    X    A    M    ;    )    o    l    u    c    l    á    c    e    d    o    r    t    n    e    c    (    C    S    R    E    N    /    L    N    B    L    ;    )    n    ó    i    c    a    l    u    m    i    s    (    I    E    A    T    A    P    U    O    R    G    Y    T    I    V    I    T    A    L    E    R    L    A    C    I    R    E    M    U    N    ;    )    n    ó    i    c    a    z    i    l    a    u    s    i    v    (    B    I    Z    /    I    E    A  ,    R    E    G    N    E    B    R    E    N    R    E    W Un cartógrafo cósmico  La Sonda Wilkinson de la anisotropía del fondo de de microondas  proporciona  proporc iona a los los cosmólogos cosmólogos un un retrato retrato más preciso preciso del del universo universo temprano temprano Charles L. Bennett, Gary F. Hinshaw y Lyman Page E l 30 de junio de 2001 la NASA  lanzó un cohete Delta 2 que transportaba una nave espacial de 830 kilogramos y 4 metros de alto. A lo largo del trimestre siguiente, esa  Son da Wil Wilkin kinson son de la anisotropía del fondo de microondas (WMAP) maniobró hasta instalarse en una órbita alrededor del Sol, a unos 1,5 millones de kilómetros de la órbita terrestre. Desde entonces observa en todo el cielo la radiación del fondo cósmico de microondas (FCM) con una finura exquisita. Se trata de una radiación emitida hace casi 15.000 millones de años, que no ha interactuado significativamente con nada desde entonces; por consiguiente, el obtener una imagen clara del FCM equivale a dibujar un mapa de la infancia del universo. Con ese mapa en la mano conoceremos la composición, la geometría e historia del cosmos. La sonda mide la anisotropía del FCM, las variaciones minúsculas de la temperatura de la radiación procedentes de distintas partes del cielo. Detecta diferencias de tan sólo 20 millonésimas de kelvin con respecto a la temperatura promedio de 2,73 kel vin de la radiación. Mide incluso manchas calientes y frías que cubren menos de 0,23 grados de cielo. Suma en torno a un millón de medidas. Significa ello que el rastreo de la sonda sobre el FCM es mucho más detallado que los mapas del firmamento producidos, a principios de los no venta,  ven ta, por el Expl orad or del fond o de microondas (COBE), que estaba limitado a una resolución angular de siete grados. Para alcanzar ese rendimiento mayor, se sirve de dos telescopio s de microondas, colocados uno contra otro con el fin de concentrar la radiación entrante. Las señales de los telescopios alimentan 10 ensambladores diferenciales que analizan cinco frecuencias del espectro de radiación del FCM. Más que medir la temperatura absoluta de la radia- 74 -    N    O    X    I    D    N    O    D - TEMAS 33 ción, cada ensamblador detecta la diferencia de temperaturas entre las señales de los dos telescopios. Puesto que la sonda completa un giro cada dos minutos y una precesión cada hora, los ensambladores diferenciales comparan las temperaturas de cada punto del cielo con otros mil puntos, generando un conjunto entrelazado de datos. Es como medir la -T - altura relativa de un montículo con respecto a una meseta en vez de su altura respecto al nivel del mar. Este método cancela los errores que pudieran resultar de los cambios registrados en la temperatura de la propia nave. La calibración global de los datos se realiza por medio de la medición continua del momento dipolar del FCM, el cambio en la tem- EJE DE GIRO DE WMAP CONO DE PRECESION DEL EJE DE GIRO peratura de la radiación originado por el movimiento de traslación de la Tierra. La sonda elimina cualquier señal espuria que pudiera contaminar las mediciones del FCM. En febrero de 2003 se publicó el primer mapa completo de los cielos confeccionado por WMAP; desde ese mismo momento es la referencia esencial para los cosmólogos. LINEA DE VISION DEL TELESCOPIO A SOL TIERRA LUNA - LINEA DE VISION DEL TELESCOPIO B SEÑAL A SEÑAL A + B SOPORTE MAGICO AMPLIFICADORES SEÑAL A – B DETECTOR CAMBIO DE FASE SOPORTE MAGICO DETECTOR SEÑAL B - - - Ecos de la gran explosión  Estamos muy cerca de vislumbrar vislumbrar los comienzos del universo. ¿Dónde? En la débil marejadilla de las ondas gravitatorias Robert R. Caldwell y Marc Kamionkowski L os cosmólogos siguen planteán- el cielo. En otras palabras, el FCM dose las mismas preguntas que parecía ser isótropo y, por tanto, notalos primeros que levantaron la ble la uniformidad del universo. Pero,  vistaa a las estr  vist estrella ellass y esc escruta rutaron ron el a principios de los años noventa, el firmamento. ¿De dónde vino el univer- satélite Explorador del fondo de microso? ¿Qué hubo antes, si es que hubo ondas (COBE) detectó variaciones algo? ¿Cómo llegó el universo a su es- minúsculas —sólo una parte en tado presente? ¿Qué futuro le aguar- 10.000— de la temperatura de la da? Mucho tiempo llevan los teóricos radiación. Esas variaciones evidenconstruyendo conjeturas acerca del ciaban que en el plasma primordial origen del cosmos, pero sólo en los últi- hubo pequeños grumos, inhomogemos años han dado con una forma de neidades de la distribución de masa sondear los instantes iniciales, que que evolucionaron después hasta conles ha de permitir someter a con-  vertirse  vert irse en e n las macroe ma croestruc structura turass del trastación sus hipótesis. Se han per- cosmos: las galaxias y los cúmulos de catado de que pueden observar cómo galaxias que existen hoy. era el universo en las primerísimas  Vari  Va rios os de detec tec to tore res, s, ins insta talad lad os en fracciones de segundo tras la gran tierra o en globos, observaron a finaexplosión. ¿Dónde? En las trazas deja- les de los años noventa el FCM con das por las ondas gravitatorias en la una resolución angular mucho más radiación enfriada, el fondo cósmico fina que la del COBE y descubrieron de microondas (FCM), que impregna estructuras del plasma primordial el cosmos desde hace casi 15.000 mi- que cubren menos de un grado del llones de años. La radiación del FCM se emitió unos 500.000 años después de la gran explosión inicial, cuando los electrones y protones del plasma primordial —la sopa densa y caliente de partículas subatómicas que llenaba el universo primitivo— se combinaron y formaron átomos de hidrógeno. Esa radiación proporciona, pues, una instantánea del uni versoo de entonces  vers ento nces.. Gracias Grac ias a ello se ha convertido en la piedra Rosetta de la cosmología. Tras el descubrimiento de la radiación del fondo cósmico de microondas en 1965, se vio que su temperatura —una medida de la intensidad de la radiación del cuerpo negro— estaba muy cerca de 2,7 kel vin, fuer fueraa cual cu al fuera fue ra la dirección en que se mirase en 76 cielo. (Por mor de comparación, la Luna cubre alrededor de medio grado.) El tamaño de las estructuras primordiales indica que el universo es plano [véase “Antigravedad cosmológica”, de Laurence M. Krauss, en este mismo número ]. Las observaciones concuerdan, además, con la teoría de la inflación, que se basa en la premisa según la cual, muy poco después de la gran explosión, hubo un tiempo de expansión cósmica fabulosamente rápida. Con la  Sond a Wilk Wilkinso inso n de la anisotropía del fondo de microondas (WMAP) se han extendido las ob- servaciones precisas del FCM a todo el cielo. La nave espacial Planck , cuyo lanzamiento está previsto para 2007, levantará un mapa aún más exacto. Se espera que estas observaciones desentierren un tesoro de informaciones acerca del universo primitivo. En particular, se confía en hallar pruebas directas de la existencia de la época de inflación. La más contundente sería la observación de ondas gravitatorias inflacionarias. Albert Einstein predijo en 1918, como consecuencia de su teoría de la relatividad general, la existencia de ondas gravitatorias, perturbaciones en movimiento del campo gra vitatorio  vitat orio análogas análo gas a las del campo electromagn electromagnético, ético, las ondas electromagnéticas (rayos X, ondas de radio, luz visible). Lo mismo que la luz y las ondas de radio, las ondas gravitatorias portan información y energía de las fuentes que las producen. Pueden, además, propagarse sin impedimentos de materia que absorbería todas las formas de radiación electromagnética. Así como, gracias a TEMAS 33    S    M    L    I    F    M    I    L    S a  b  c  d  e  -    S    M    L    I    F    M    I    L    S - PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS - 77 los rayos X, los médicos médicos ven a través través ñal electromagnética anterior al FCM; truyen espontáneamente pares de de sustancias en las que no puede en cambio, las ondas gravitatorias sí partículas sin cesar. El principio de penetrar la luz visible, deberían las podían propagarse por el plasma. Más incertidumbr incertidumbree de Heisenberg dice que ondas gravitatorias permitir que los aún, la teoría de la inflación predice un par de partículas con energía ∆E investigadores se asomaran a fenó- que la expansión desbocada del uni- puede venir a la existencia de pronto menos astrofísicos que no pueden  verso  vers o 10 –38 segundos después de la durante un tiempo ∆t antes de aniobservarse de ninguna otra forma gran explosión produjo ondas gra- quilarse mutuamente con tal de que más. Aunque no ha habido detección  vita  vitator torias. ias. Si S i el mod modelo elo teór t eórico ico anda a nda ∆ E ∆t <   /2, dond dondee  es la constante directa de tales ondas, ciertas obser- en lo cierto, éstas y sus ecos fueron de Planck reducida (1,055 ∞ 10–34 joule  vacio  va cio ne ness as astro tro nó nómic mic as ha han n co confi nfi r- propagándose a través del universo segundo). La fórmula vale sólo para mado que las parejas de objetos den- primitivo, y 500.000 años después las partículas elementales y no se sísimos, estrellas de neutrones o dejaron, en el fondo cósmico de micro- aplica a disposiciones complejas de agujeros negros, las generan en la ondas, leves perturbaciones que hoy átomos. caída en espiral de un componente del podríamos observar. El gravitón es una partícula eledúo sobre el otro. mental, la partícula cuántica de las El plasma que llenaba el universo Las ondas ondas gravitatorias, como el fotón lo en su primer medio millón de años era de la inflación es de las electromagnéticas, y le afecta opaco con respecto a la radiación elecara hacernos una idea del proceso ese proceso. Pares de gravitones virtromagnética, porque cualquier fotón en cuya virtud la inflación pro- tuales nacen y desaparecen sin soluque se emitía se dispersaba in- duciría ondas gravitatorias, fijémonos ción de continuidad. Durante la inflamediatamente en la sopa de partícu- en una consecuencia fascinante de la ción, sin embargo, los gravitones las subatómicas. Los astrónomos, mecánica cuántica: el espacio vacío no  virtuales  virt uales se habr habrían ían separado separad o much muchoo pues, no podían observar ninguna se- lo está en realidad. Se crean y des- antes de que les diese tiempo a vol ver al vac vacío: ío: pue puede de dec decirs irsee que las partículas virtuales se habrían con vertido  ver tido en rea reales. les. Más aún, la fan15.000 MILLONES DE AÑOS tástica rapidez de la expansión del universo estiraría las longitudes de onda de los gravitones; las antes microscópicas serían ahora macroscópicas. De esa forma, la inflación habría dirigido energía hacia la creación de gravitones y generado un espectro de ondas gravitatorias que reflejaría las condiciones del universo    N primitivo en esos primeros momen   O    I tos tras la gran explosión. Si real   S mente existiesen ondas gravitatorias    O RADIACION DEL FONDO    L inflacionarias, constituirían la reliCOSMICO DE MICROONDAS    P quia más antigua del universo por   X    E que se habrían creado 500.000 años    N antes de que se emitiese la radiación    A del FCM.    R Mientras la radiación del FCM    G tiene en su mayor parte longitudes    A 500.000    L AÑOS de ondas comprendidas entre uno y    S cinco milímetros (con un pico de inten   A sidad a los dos), las de las ondas gra   R    T  vitator  vita torias ias inflac in flaciona ionaria riass abarca aba rcaría rían n    O un intervalo mucho mayor: de un cen   P tímetro a 10 23 kilómetros, el tamaño    M actual del universo visible. La teoría    E    I de la inflación establece que las ondas    T gravitatorias con mayores longituONDAS GRAVITATORIAS des de onda tendrían que ser las más INFLACIONARIAS 10–36 SEGUNDOS intensas, intensidad que dependería   N    O O del ritmo al que se expandiese el uni  I  C   L A  verso  ver so durante duran te la épo época ca inflaciona inflac ionaria ria..   F   I  N  Y ese ritmo es propor cional cion al a la esca  L A   E   D la de energías de la inflación, que  A  C  O –38  viene  vie ne dad dadaa por la temp era eratur turaa del 10 SEGUNDOS   E  P universo en el momento en que empezara el proceso inflacionario. Como el universo estaba tanto más caliente cuanto menos tiempo hubiese transcurrido desde su principio, la intensidad de las ondas gravitatorias depende en última instancia del P    N    A    I    J    A    M    A    K  .    T    D    E    R    F    L    A 78 TEMAS 33    Y    E    L    D    A    W    N    E    V    E    L    E    D    A    I    S    E    T    R    O    C - momento en que empezara la inflación. Por desgracia, los cosmólogos no pueden precisar ese instante porque no acaban de conocer la causa de la inflación. Según algunos, arrancó cuando tres de las interacciones fundamentales —la fuerte, la débil y la electromagnética— se disociaron a poco de crearse el universo. En el marco de esta teoría, las tres fuerzas eran una sola en el mismísimo comienzo, pero 10–38 segundos tras la gran explosión se diferenciaron, y eso terminaría por desencadenar la súbita expansión del cosmos. Si la explicación es correcta, la escala de energías de la inflación debió de estar entre los 10 15 y los 1016 GeV. (Un GeV  es la energía que adquiriría un protón si le acelerase una caída de potencial de mil millones de volt. Los mayores aceleradores de partículas actuales alcanzan energías de 10 3 GeV.) Por otra parte, las ondas gra vitato  vit atoria riass ser ían más dé débil biles es si la causa de la inflación fuera otro fenómeno físico acontecido más tarde. Una vez generadas durante la primera fracción de segundo subsecuente a la gran explosión, las ondas gravitatorias inflacionarias se propagarían permanentemente; todavía tendrían que estar surcando el universo. Pero, ¿cómo observarlas? Pensemos en cómo un receptor detecta una señal PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS de radio. Las ondas de radio constan de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que hacen que los electrones de la antena vayan y vengan. Los movimientos de estos electrones producen una corriente eléctrica que el receptor capta. De manera parecida, una onda gra vitato  vit ato ria gen gener eraa en el esp ac acio io que atraviesa dilataciones y contracciones oscilatorias que impartirán pequeños movimientos a un grupo de masas de prueba que floten libremente en él. A finales de los años cincuenta, Hermann Bondi, del King’s College de Londres, intentó convencer a los escépticos de la realidad física de esas ondas describiendo un detector hipotético de ondas gravitatorias. El aparato ideal consistía en un par de anillas que colgaban libremente de una barra larga y rígida. Una onda gravitatoria de amplitud h y frecuencia f que lo alcanzase haría que la distancia  L entre las dos anillas se contrajese y expandiera en una cuantía h ∞ L con una frecuencia f . El calor de la fricción de las anillas contra la barra sería la prueba de que la onda gravitatoria transportaba energía.  Ahora se están construyendo detectores de ondas gravitatorias muy depurados que registrarán con rayos láser los minúsculos movimientos de masas suspendidas. La distancia - entre las masas de prueba determina la banda de longitudes de onda que los aparatos pueden observar. El mayor de los detectores terrestres, con una separación de cuatro kilómetros entre las masas, podrá medir las oscilaciones causadas por ondas gravitatorias cuyas longitudes de onda estén entre 30 y 30.000 kilómetros. Hay en proyecto un observatorio espacial capaz de detectar longitudes de onda mil veces mayores. Las ondas gravitatorias generadas cuando se funden estrellas de neutrones o cuando chocan agujeros negros tendrán longitudes de onda de esa magnitud y podrán, pues, detectarlas los nuevos instrumentos. Pero las ondas gravitatorias gravita torias inflacionarias inflacionarias con tales longitudes son demasiado débiles para producir oscilaciones mensurables en los detectores. Las ondas gravitatorias inflacionarias más intensas son las de longitudes de onda más largas, comparables al diámetro del universo visible. Para detectarlas habría que observar un grupo de masas de prueba separadas por distancias de esa magnitud que flotasen libremente. Da la feliz casualidad de que la naturaleza ofrece un conjunto así: el plasma primordial que emitió la radiación del FCM. Durante los 500.000 años que pasaron entre la época de la inflación y la emisión del FCM recorrieron el uni79 Los cazadores de ondas as ondas gravitatorias generadas por los procesos cuánticos que actuaron durante la época inflacionaria no son las únicas que surcan el un iverso. Muchos sistemas astrofísicos, como las e strellas binarias, las fusiofusiones de estrellas estrellas de neutrones y los choques choques de aguj eros negros, emiten también ondas gravitatorias potentes. Según la teoría de la relatividad general, generan onda s todos los sistemas físicos con movimientos internos carentes de simetría esférica. Así, un par de estrella s que giren una alrededor de la otra las producirán, pero una estrella solitaria no. El problema de la detección de las ondas estriba en su intensidad, que va esfumándose a medida que se extienden. Aunque las uniones de estrellas de neutrones y las colisiones de agujeros negros se cuentan entre los cataclismos más violentos del universo, las ondas gravitatorias que producen son, tras viajar cientos de millones de años luz hacia la Tierra, debilísimas. Por ejemplo, las ondas de un choque de agujeros negros a mil millones de años luz harían que la distancia entre dos masas de prueba que flotasen aquí libremente se dilatase y contrajese alternativamente en una fracción de sólo 10–21 , la milmillonésima de una billonésima. Intentará medir oscilaciones tan minúsculas el Observa-  L    E    L    L    E    S    S    E    D    X    E    L    A Livingston    E    T    I    H    W  .    G Hanford torio de ondas gravitatorias por medio de interferometría  por láser  (LIGO), que cuenta con dos instalaciones, una en Livingston y otra en Hanford ( derecha ). ). En cada uno de esos emplazamientos, dos tubos de cuatro kilómetros de largo se unen en ángulo recto formado una L gigantesca. Dentro de los tubos van y vienen haces de luz de láser entre espejos muy bien pulidos. Ajustando los haces de manera que interfieran entre sí, se podrán registrar cambios diminutos de las distancias entre los espejos; se medirán oscilaciones de 10–17 centímetros (alrededor (alrededor de la milmillonésima parte del diámetro de un átomo de hidrógeno). Los resultados de las instalaciones de Livingston y Hanford se compararán para descartar fenómenos locales que imiten a las ondas gravitatorias (actividad sísmica, ruido acústico o inestabilidades del láser). Otros detectores menores que funcionarán asociados al LIGO y con los cuales se podrán triangular las fuentes de las ondas gravitatorias son TAMA (cerca de Tokio), Virgo (cerca de Pisa) y GEO (cerca de Hannover). Y para seguir las ondas gravitatorias con longitudes de onda mayores, la NASA y la Agencia Espacial Europea tienen previsto lanzar la Antena espacial de interferometría por  láser en 2010. Constará este detector de tres naves espaciales idénticas que volarán en formación triangular y se dispararán entre sí haces de láser de cinco millones de  vers o primitivo  verso pri mitivo los ecos ec os de las l as ondas ond as gravitatorias ultralargas, y alternativamente dilataron o comprimieron el plasma. Hoy pueden observarse esos movimientos oscilatorios por medio de los ligeros corrimientos Doppler del FCM. Si, en el momento en que se emitió la radiación del FCM, una onda gravitatoria estaba estirando una región de plasma hacia nosotros, es decir, hacia la parte del universo que acabaría por convertirse en nuestra galaxia, la radiación de esa región les parecerá a los observadores más azul porque está desplazada hacia 80 kilómetros de longitud. Por desgracia, ninguno de estos observatorios propuestos será lo bastante sensible como para distinguir las ondas gravitatorias producidas por la inflación. Sólo la radiación de fondo de microondas podría revelar su presencia. —R.R.C y M.K. longitudes de onda más cortas (y, por cionarias. El universo mismo se contanto, a una temperatura mayor). Al  vierte  vie rte en un det detect ector or de ond ondas as gra gra-revés, si la onda gravitatoria estaba  vita  vitator torias. ias. comprimiendo una región de plasma particularidades des y así la alejaba de nosotros cuando Las particularida se emitió la radiación del FMC, la de la polarización radiación parecerá más roja porque ero la cosa no es tan sencilla. se habrá desplazado a longitudes de Como señalamos al principio del onda mayores (y a una temperatura artículo, las inhomogeneidades de menor). Cabe pensar, pues, que la masa del universo primitivo producartografía de las zonas azules y rojas  je  jeron ron tam tambié bién n variac var iac ion iones es de tem tem-del FMC —que corresponden a tem- peratura en el FCM. (En particular, peraturas mayores y menores de la el campo gravitatorio de las regiones radiación— hará visible el patrón de más densas de plasma desplazó al los movimientos del plasma induci- rojo los fotones emitidos desde esas dos por las ondas gravitatorias infla- regiones y creó algunas de las dife- P TEMAS 33 rencias de temperatura observadas por el COBE.) Si se prestase atención sólo a la temperatura de la radiación, no se podría decir qué fracción (si alguna) de las variaciones habría que atribuir a las ondas gravitatorias. Aun así, al menos se sabe que éstas sólo han podido producir una tenían una orientación dextrógira o parte en cien mil de las diferencias de temperatura observadas antes por el COBE, ahora por WMAP y los demás detectores de radiación del FCM. Este límite impone una restricción interesante a los fenómenos físicos que dieron lugar a la inflación: la escala de energía de ésta ha de ser inferior a unos 10 16 GeV y, por tanto, su época no pudo ser anterior a 10 –38 segundos después de la gran explosión. Pero, ¿cómo puede irse más lejos? ¿Cómo se elude la incertidumbre acerca del origen de las fluctuaciones de temperatura? La respuesta se encierra en la polarización del FCM: cuando la luz se proyecta contra una superficie de suerte que su dispersión forme un ángulo casi recto con respecto a la dirección del haz original, se pola- levógira. En cambio, las ondas grariza linealmente, es decir, sus ondas  vitato  vit ato ria s sí pos een qui ral ralid idad: ad: se se orientan en una dirección particu- propagan con un movimiento como lar. En este fenómeno se basan las de tornillo dextrógiro o levógiro. El gafas de sol polarizadas: como la luz patrón de polarización producido por solar que dispersa el suelo está de las ondas gravitatorias parecerá una ordinario polarizada en una dirección superposición al azar de muchos horizontal, los filtros de las lentes remolinos rotatorios de varios tamareducen el brillo bloqueando las ondas ños. Se dice que esos patrones prede luz orientadas así. También el FCM sentan rizos, de los que carecen los se halla polarizado. Justo antes de patrones en forma de anillo o radiaque el universo se volviese transpa- les producidos por las inhomogeneirente a la radiación, los fotones del dades de masa. FCM se dispersaron en los electrones Ni siquiera el observador de vista del plasma por última vez. Algunos más aguda podrá mirar un diagrama de esos fotones dieron en las partículas de polarización, como el de la figura con ángulos grandes y la radiación se 5, y decir si tiene o no patro nes rizapolarizó. dos. Pero una extensión del análisis La clave para detectar las ondas de Fourier —procedimiento matemágravitatorias inflacionarias se en- tico que descompone una imagen en cuentra en el patrón de los movimien- una serie de ondas— puede dividir un tos del plasma causados por las ondas, patrón de polarización en los patroque sería diferente del engendrado por nes con y sin rizos que lo c onstituyen. las inhomogeneidades de masa. La Por tanto, si se pudiese determinar qué idea es harto sencilla. La polarización fracción de la polarización del FCM se lineal del FCM puede representarse debe a los patrones rizados, podríamos con pequeños segmentos que indican calcular la amplitud de las ondas grael ángulo de orientación de la pola-  vitator  vitatorias ias inflacionarias inflacio narias ultralarga ultr alargas. s. rización en cada región del cielo. Los Como la amplitud de las ondas quedó segmentos lineales dibujan pautas determinada por la energía de la inflaanulares o radiales. Pero también ción, se obtendría así una medición pueden desarrollar remolinos levógi- directa de esta escala de energía. Tal ros o dextrógiros. hallazgo valdría, a su vez, para saber En la quiralidad de estos segundos si la inflación fue desencadenada por patrones se halla la explicación de su la unificación de las fuerzas elemenorigen. Las inhomogeneidades de tales. masa del plasma primordial no pue¿Cuáles son las perspectivas de que den haber producido tales patrones se detecten esos patrones rizados? El de polarización, porque las regiones interferómetro antártico DASI y la densas y enrarecidas del plasma no nave WMAP de la NASA  han medido PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS    I    K    S    W    O    K    N    O    I    M    A    K    K    R    A    M    Y    L    L    E    W    D    L    A    C  .    R    T    R    E    B    O    R    E    D    A    I    S    E    T    R    O    C la polarización del FCM, pero estos instrumentos no son, seguramente, lo bastante sensibles como para que lleguen a detectar el componente rizado producido por las ondas gravitatorias inflacionarias. Puede, sin embargo, que experimentos posteriores conozcan mejor suerte. Si la unificación de las fuerzas causó la inflación, su señal en forma de ondas gravitatorias podría ser lo bastante fuerte como para que la detectase la nave  Pl  Plan an ck , aunque quizás hará falta una nueva generación de vehículos espaciales aún más sensibles. Pero si los que desencadenaron la inflación fueron otros fenómenos físicos, que se produjeron más tarde y con energías inferiores, la señal de las ondas gravitatorias será demasiado débil para que se la detecte en un futuro previsible. Como los cosmólogos no están seguros de cuál fue el origen d e la inflación, tampoco pueden predecir la intensidad de la señal de polarización producida por las ondas gravitatorias inflacionarias. Pero si hay una pequeña posibilidad de detectarla, merecerá la pena intentarlo. La detección no sólo ofrecería una prueba inapelable de que hubo inflación, sino que nos ofrecería también la extraordinaria oportunidad de vislumbrar los primerísimos tiempos, sólo 10–38 segundos tras la gran explosión. Podríamos entonces pensar en abordar una de las preguntas que más nos han importado siempre: ¿De dónde vino el universo? F IRST S PACE -B ASED G RAVITATIONAL WAVE DETECTORS. Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski y Leven Wadley en Physical Review D, vol. 59, n.o 2, págs. 27.101-27.300, 15 de enero de 1999. Las observaciones observaciones recientes recientes del fondo cósmico de microondas microondas se describen describen en estos sitios Web: pupgg.princeton.edu/~cmb/; www.physics.ucsb.edu/~boomerang/; cfpa.berkeley.edu/group/cmb/  Sobre los pormenores acerca de las misiones MAP y Planck visítese map.gsfc. nasa.gov/; astro.estec.esa.nl/ astrogen/  planck/mission_top.html Hay más información disponible acerca de los detectores de ondas gravitatorias en www.ligo.caltech.edu; lisa.jpl.nasa.gov 81 Un telescopio para la energía oscura Un nuevo nivel de precisión en el estudio de la energía que acelera la expansión del universo ayudará a discernir  entre diferentes teorías propuestas para la unificación de las fuerzas  fundamentales y podría revelar revelar la presencia de nuevas partículas partículas Pilar Ruiz-Lapuente E en 1999 se encontró que el ritmo de expansión del universo se acelera por la presencia de una forma de energía desconocida. El método utilizado para esa determinación se basa en unos indicadores cosmológicos enormemente brillantes y con propiedades similares a lo largo y ancho del universo [véase “Exploración del espacio-tiempo mediante 0,5 supernovas” de C. Hogan, R. Kirshner y N. Suntzeff, en este mismo número ]. De entonces acá hemos logrado despejar algunas incógnitas relativas al uso de este método en el trazado de la evolución del factor de escala del universo y hemos podido comprobar que, frente a otras alternativas, la presencia de una componente de presión negativa parece seguir dando el mejor SUGRA Λ 2EXP  ± 0,00 0 ± 0,04 ± 0,05     z      d    /     w      d   =  –0,5    1    w σΩM = ± 0,15  –1 AD HOC     P    A    N    S  ,    E    T    N    E    U    P    A    L      Z    I    U    R    R    A    L    I    P  –1,1 –1 –0,9 –0,8  –0,7 –0,6 –0,5 w0 = wactual - 82 ajuste. La evolución del brillo aparente de las supernovas a alto corrimiento hacia el rojo cósmico ( z) no representa el comportamiento esperado de la existencia de polvo u otro efecto evolutivo alternativo a la aceleración de la expansión, sino que con él se afianza la interpretación cosmológica frente a la interpretación debida a factores ambientales. Entre otras cuestiones que hacía falta abordar estaba el alzar el listón de corrimiento hacia el rojo a valores mayores que z = 1, es deci decir, r, ir más más lejos de lo que la luz recorre durante la mitad de la edad del universo. Había dificultades técnicas, porque la luz de las supernovas aparece predominantemente en el infrarrojo, lo que obstaculiza las detecciones; el cielo es muy luminoso en este rango espectral. Pero se superó esa barrera con el descubrimiento de supernovas en torno a z = 1-1,3 1-1,3.. Una vez más, más, se se ha comprobado su similitud con las de la muestra más cercana. Para ahondar en la determinación de la causa de la aceleración del uni verso estamos entrand entrandoo en una nueva fase de nuestro proyecto. El recurso a supernovas a distintos z constituye, hoy por hoy, la única vía para conocer la naturaleza de la energía oscura. Las mediciones de las sondas WMAP y Pla  Planck nck resultarán muy útiles para cribar la teoría de la inflación y para determinar la curvatura del universo. Pero no informarán sobre la variación del factor de escala del universo durante la historia de la expansión del mismo. Sólo las supernovas distribuidas en un amplio rango de  z dan la medición, en cada momento, de la historia de la evolución del cosmos y revelan la influencia de su contenido de energía-materia en la variaTEMAS 33 ción de la expansión del cosmos. La información proporcionada por WMAP y Plan  Planck ck complementa la extraída de las supernovas, para ofrecer una imagen global de nuestro universo. Macrocosmos  y micro mi crocos cosmos mos  A  demás, las supernovas distantes pueden proporcionar lo que tantos experimentos de partículas no han conseguido. Para estudiar la interacción gravitatoria, Newton se aplicó a las observaciones del movimiento de los planetas en torno al Sol. Gracias a la descripción de estos movimientos, plasmada en las leyes de Kepler, y a sus propios principios de la mecánica, dedujo la acción a distancia que rige la interacción gravitatoria y for- muló la ley que explica su variación que median en interacciones a largas con la distancia. A su ejemplo, noso- distancias. Huterer y Turner, de la tros, basándonos en la relatividad Universidad de Chicago y del Lageneral, la teoría gravitatoria que boratorio Fermi, sugirieron reconsmejor describe el cosmos en su glo- truir el potencial ligado a esta combalidad, y sirviéndonos de las super- ponente oscura del cosmos mediante novas, podemos trazar el comporta- la observación de miles de supernomiento a distancia de la interacción  vas, con incer incertidum tidumbres bres obser observaci vaciooque está asociada a la quintaesencia nales muy pequeñas. Este tipo de o energía oscura. reconstrucción permite comprobar si Se trata de una interacción repul- se trata de energía de vacío o de un siva, aunque desconocemos su poten- campo escalar asociado a una partícial, función que describe su compor- cula muy ligera. Weller y Andreas tamiento y nos permite calcular el  Albr  Albrecht echt,, de la Univers Uni versidad idad de CaliC aliefecto dinámico ejercido sobre el resto fornia en Davis, proponen comparar de la materia. Esta componente oscura comporta densidades de energía muy bajas; en teoría cuántica de campos, ello corresponde al intercambio de partículas de escasa masa ESPEJO PRIMARIO ESPECTROGRAFO GUIADO INFRARROJO POR ESTRELLAS GIROSCOPOS GUIADO POR ESTRELLAS DE LAS IMAGENES DE SNAP OBTURADOR CCD DE TOMA DE IMAGENES ENSAMBLAJE ESCUDO TERMICO DEL CCD ESPECTROGRAFO DE FILTROS OPTICO PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 83    P    A    N    S  ,    E    T    N    E    U    P    A    L      Z    I    U    R    R    A    L    I    P    P    A    N    S 0,0  ,    E    T    N    E    U    P    A    L      Z    I    U    R    R    A    L    I    P  –0,2 UNIVERSO PLANO  w CONSTANTE   RED DE CUERDAS COSMICAS w = –1/3    O    D       A       T       S     x       E       ρ    /       E  –0,4 99%      x    D      p       N    O       I    C       A       U   =     W  RANGO DE MODELOS DE "QUINTAESENCIA"  95%   –0,6 90%  68%     C       E  –0,8  CONSTANTE COSMOLOGICA w = –1  –1,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ω M = 1– Ωx  SATELITE SNAP MARGEN DE I NCERTIDUM NCERTIDUMBRE BRE ESPERADO  - para que, a partir de condiciones arbitrarias, evolucione hacia los valores muy bajos pero no nulos que medimos hoy [véase “El universo y su quintaesencia” de Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt, en este mismo número ]. Esta línea de trabajo guarda similitud con la que inspiró a los teóricos de la inflación a buscar mecanismos que engendraran, a partir de condiciones iniciales arbitrarias, al universo uniforme que observamos. Todas estas formulaciones pueden representarse en diagramas que describen la evolución con  z de la magnitud de las supernovas, o en diagramas del valor del índice de la ecuación de estado y de sus derivadas con  z. La comprobación de esas descripciones de la energía oscura con las observaciones aportará, por tanto, luz fundamental a lo que sabemos del cosmos a gran escala y a muy pequeña escala. Pero con los datos obtenidos hasta el momento no se puede llegar a la precisión necesaria. ¿Qué se debe modificar para lograr este salto cualitativo? Una nueva fase las predicciones para el índice de la formulación de las interacciones en ecuación de estado de la energía oscura la branas tetradimensionales. y su variación en el tiempo con las Es posible explorar la energía oscura alternativas que se barajan hoy en sin recurrir a formulaciones que necedía en el terreno de las teorías de uni- siten un número de dimensiones supeficación de las cuatro fuerzas funda- rior a cuatro (tres espaciales y la temmentales. poral). En concreto se trata de las que ¿Qué posibilidades hay? Si echamos conforman nuestra experiencia cotiuna mirada a la cascada de suge- diana (experiencia limitada de conrencias y artículos sobre el particu- firmarse el mundo de las branas, ya lar, nos haremos una idea de las dis- que sería la del que vive en una memtintas direcciones de trabajo de brana tridimensional en un mundo cosmólogos y físicos de partículas. poblado de un cifra mayor de dimenDado que el mejor ajuste de las obser - siones). Se puede proyectar el com vaci  va cion ones es ob obte teni nida dass ha hast staa la fe fech chaa portamiento de estas teorías multi vienee aporta  vien apo rtado do por po r la consta co nstante nte cosc os- dimensionales en cuatro dimensiones mológica, se está intentando com- y ver qué efectos se esperan. En par probar si, desde las últimas pro- ticular, una teoría que unifique la puestas sobre la unificación de las gravitación con las otras interacciointeracciones, las teorías M (teorías nes tendría un comportamiento como de las membranas o, simplemente, el de la relatividad de Brans-Dicke, branas) que implican la formulación teoría que acomoda interacciones de la física en 11 dimensiones (de las  variab  var iables les en el tie tiempo mpo aso asocia ciadas das a cuales, todas salvo las tres espacia- campos escalares que repercuten en les de nuestra vida diaria y el tiempo  var  variac iacion iones es con el tie tiempo mpo del com com-quedarían compactas en una fase muy portamiento gravitatorio. En partitemprana) se puede entender la exis- cular, esta teoría predice la variación tencia de un valor bajo de la energía de la “constante G” de la gravitación. de vacío o constante cosmológica. Las En el dominio de variación lenta de opiniones se dividen entre los que estos campos, la teoría recupera la apelan a mecanismos que no cance- gravitación de Einstein. En tal marco larían del todo la energía de vacío y situamos las predicciones de variación los que creen que su valor natural de la ecuación de estado deducidas de sería cero. Paul Steinhardt señala las teorías. que la introducción de una constante Un acercamiento más cualitativo al cosmológica o de la energía de vacío estudio de esta energía se centra en da lugar a problemas dentro de la encontrar propiedades de su potencial 84 E n la nueva fase de nuestro trabajo nos espera la creación de una base de datos que contenga medidas experimentales de supernovas muy lejanas con un grado de error en el brillo del 2 %. El Proyecto Supernovas Supernovas y Cosmología está preparando la puesta en órbita del telescopio Sonda de las supernovas y la aceleración (SNAP). La decisión de trasladarse al espacio se justifica por la pobre calidad de las observaciones realizadas desde tierra debido a las emisiones y absorciones atmosféricas. El firmamento, desde el espacio, es mucho más oscuro y el diámetro del telescopio necesario para obtener la relación señal-ruido deseada es mucho menor. Además, el seguimiento de la evolución del brillo de las supernovas requiere la observación continuada durante 6 meses, lo cual plantea problemas de visibilidad desde tierra. El telescopio SNAP llevará una cámara óptica de 1 grado cuadrado de campo de visión y una pequeña cámara en el infrarrojo cercano. Un espectrógrafo podrá descomponer la luz de las supernovas desde su color ultravioleta cercano hasta el infrarrojo cercano. Se espera que el telescopio descubra miles de supernovas en un año a corrimientos hacia el rojo de hasta 1,7; tomará espectros y curvas de luz de alta razón señal-ruido. Incluso sumando todos los observatorios disponibles en tierra no se podría llegar a acumular una TEMAS 33 base de datos de ese tamaño y calidad en decenas de años. Con la base de datos podrá abordarse la naturaleza de la energía oscura y de los parámetros cosmológicos con gran precisión. Se conocerá la densidad de materia del universo dentro del 2 % de error, la densidad densidad de energía oscura hasta hasta el 5 % y la curvatura del universo hasta un 6 %. Se podrá distinguir entre la energía de vacío o constante cosmológica y otros candidatos a energía oscura, con un buen nivel de confianza. La misión ayudará, sin duda, a esclarecer otros misterios. Las búsquedas de supernovas a alto z, al comparar porciones del cielo en fechas que distan de 2 a 6 semanas entre sí, son sensibles al descubrimiento de todo tipo de objetos variables en el cielo: cuásares que han aumentado su luminosidad, estrellas binarias que entran en fase de erupción, contrapartidas ópticas de los estallidos de rayos gamma (GRB) o asteroides que aparecen en el campo de visión del telescopio. En las campañas de observación realizadas desde el observatorio del Roque de los Muchachos en la isla de La Palma hemos podido apreciar la variabilidad del cosmos, al tiempo que dejábamos registro de estos objetos. Frente a una campaña de obser vación  vac ión de var varias ias noc noches hes par paraa cubri c ubrirr medio grado en el cielo, las que hemos efectuado, un telescopio como el mencionado cubrirá con mucha mayor profundidad y amplitud el cielo cada noche y será sin duda único en la investigación de amplios campos de la física. THERMONUCLEAR SUPERNOVAE. Dirigido por Pilar Ruiz-Lapuente, Ramón Canal y Jordi Isern. Kluwer Academic Publisher 1997. SUPERN UPERNOVASY OVASY EXPANSIÓN ACELERA CELERADA DA DEL UNIVERSO. Pilar Ruiz-Lapuente, Alex G. Kim y Nicholas Walton en Investigación  y Ciencia, n.o 270, marzo de 1999. EXPL XPLORA ORACIÓ CIÓN N DEL ESPACIO-T IEMPO MEDIANTE SUPERNOVAS. Craig J. Hogan, Robert P. Kirshner y Nicholas B. Suntzeff en este mismo número. OPPOR PPORTUNIT TUNITIES IES FOR FUTURE SUPERNOVA STU TUDI DIES ES OF COSMIC ACCELERATION, J. Weller y A. Albrecht, en Physical Review  D, 1999. Prepublicación en xxx.lanl.gov/  abs/astro—ph/0008314. UPERNOVAE OVAE AND COSMOLOGY. Pilar RuizSUPERN Lapuente, puesta a punto presentada en CAPP2000: Conference on Cosmology and Particle Physics (Verbier, Suiza), coord. Durrer et al. (American Institute of  Physics) 2000. PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 85 Una nueva teoría del universo Si el modelo inflacionario falla, ¿cuál es el plan alternativo de la cosmología? João Magueijo  A  pesar de que la teoría de la constantes se hallan mejor dispues- se ha incardinado en los útiles mateinflación cósmica ha adqui- tas que otras a perder su estatuto. Por máticos accesibles al físico. La variarido un aura de invencibil invencibilidad, idad, ejemplo, la constante de la gravita- ción de c no es ya una expresión malotros modelos alternativos atraen ción, G, y la carga del electrón, e, han sonante, sino una expresión ausente cierto interés entre los cosmólogos. sido objeto frecuente de esta ordalía del vocabulario de la física. La teoría del estado estacionario, que teórica causando poco escándalo. Sin embargo, podría ayudar a los hasta los años sesenta se reputaba Desde el trabajo pionero de Paul Dirac cosmólogos a mirar más lejos. En el la principal alternativa a la gran en los años treinta sobre la variación corazón de la inflación está el proexplosión, se ha mantenido en un res- de las constantes hasta las últimas blema del horizonte de la cosmología tringido grupo de defensores. La teo- teorías de cuerdas ha estado muy de de la gran explosión, que surge de un ría pre-gran explosión, una refor- moda destronar la constancia de G. hecho simple: en cualquier tiempo, la mulación de la inflación que ha sido Por contra, la velocidad de la luz, c, luz —y, por tanto, cualquier inteauspiciada por la teoría de cuerdas, ha resistido incólume. La razón es racción— ha recorrido sólo una disronda por algunas cabezas. Pero la clara: en la constancia de c y su esta- tancia finita desde la gran explosión. alternativa más prometedora y pro- tuto como límite de velocidad uni- Cuando el universo tenía un año de  vocativa  vocat iva quizá sea la teorí teoríaa de la velo-  versal  ver sal se fund fundame amenta nta la teor t eoría ía de la l a edad, por ejemplo, la luz podía haber cidad variante de la luz (VSL, de var- relatividad. Y el atractivo de la rela-  viaj  vi aj ad adoo só sólo lo un añ añoo (a (apr pr ox oxim imad adaa ying-sp  yin g-speedeed-of of ligh lightt theo ry ), que mis tividad es tal, que la constancia de c mente). El universo se halla fragcolegas y yo hemos desarrollado durante años. Cuando menos, estos modelos discrepantes añaden color y  varied  var iedad ad a la l a c osmo osmologí logía. a. Exp Expres resan an también una duda inquietante: ¿puede el entusiasmo generado por la teoría de la inflación y sus c onsecuencias ocultar un error monstruoso? Las teorías cosmológicas dominantes, incluida la de la inflación, parten de un supuesto crucial: la velocidad de la luz y otros parámetros físicos fundamentales han mantenido siempre los mismos valores. (Por eso se les llama constantes.) Punto de arranque que ha forzado a los cosmólogos a adoptar la inflación con todas sus implicaciones fantásticas. Cierto es que los experimentos muestran que las “constantes” no envejecen de una forma drástica. Pero también es verdad que los investigadores han sometido a prueba sus valores sólo en lo que respecta a los últimos miles de millones de años. Postular su constancia sobre la edad entera del universo implica una extrapolación descomunal. ¿Pueden cambiar las -l -  constantes con el tiempo en un uni-l -   verso de gran explosión, como lo lo hacen la temperatura y la densidad? Los teóricos descubren que algunas         N         A         I    J         A    M    K  .         A         T    D    R    F    L         E         A 86 TEMAS 33 mentado en horizontes que delimi- pansión inflacionaria acabó, empe- sentada por la constante cosmológica tan regiones sin que una pueda ver zaron a perder contacto. depende estrechamente de c . Una a otra. No se necesita pensar mucho para caída adecuada en c reduce a niveles La miopía del universo se torna darse cuenta de que el mismo efecto inocuos el valor antaño dominante irritante para los cosmólogos. Impide podría darse si la luz hubiera viajado de la energía de vacío. En las teorías explicaciones físicas —es decir, basa- más deprisa en el universo temprano estándar, sin embargo, el valor de la das en interacciones físicas— de la que lo que hace hoy. Una luz rápida energía de vacío no puede diluirse. uniformidad del universo primitivo. podría haber cosido, en una suerte de Pero nuestra formulación es sólo Dentro del marco de la teoría están- centón, retazos de regiones desco- una posible. El deseo de reconciliar dar de la gran explosión, la unifor- nectados. Estas regiones se podrían  VSL con la relat r elativid ividad ad ha h a origin or iginado ado midad se explica a través del ajuste haber homogeneizado. Al decrecer la una intensa investigación. Las elafino de las condiciones iniciales, un  veloc  ve loc ida d de la luz , tal tales es re regio gio nes boraciones más prudentes de la teorecurso metafísico a la postre. abandonarían su contacto. ría VSL, promovidas por John Moffat La teoría de la inflación da un giro Esta fue la idea que nos llevó a y más tarde por Ian Drummond son astuto al problema. Su idea clave es  And  Andrea reass Albre A lbre cht, a John J ohn Bar Barrow row y más fáciles de aceptar por los relatila siguiente: para una onda de luz en a mí mismo a proponer la teoría de  vist  vistas as teór teórico icos. s. Despué Des puéss de todo todo,, se un universo en expansión, la distan- la velocidad de la luz variable (VSL). advierte ahora que la constancia de cia que media desde el punto de par- No íbamos contra los partidarios de c no es tan imprescindible para la tida es mayor que la distancia via- la inflación. (Albrecht es uno de los relatividad; la teoría puede basarse  jada,  jad a, por la senc s encilla illa razó razón n de d e que qu e la padres de la teoría inflacionaria.) en otros postulados. Algunos han expansión sigue estirando el espacio Creímos que los éxitos y los defectos apuntado que si el universo es una ya recorrido. Imaginémonos, en efec- de la inflación se aclararían si exis- membrana tridimensional en un espato, un conductor que viaja a 60 kiló- tiera un modelo alternativo. cio de muchas dimensiones, según metros por hora durante una hora; Naturalmente, la teoría VSL re- sugiere la teoría de cuerdas, la velotranscurrida ésta, ha cubierto 60 quiere repensar los fundamentos y el cidad aparente de la luz en nuestro kilómetros, pero si la carretera se lenguaje de la física. Lo que significa mundo podría variar, mientras perhubiera alargado durante ese tiempo, que admite muchas formas posibles. sistiría constante la velocidad de la la distancia desde el punto de par- De entrada cuestionamos la relati- luz, realmente fundamental. tida sería mayor que 60 kilómetros.  vid  vidad, ad, aunq aunque ue con el aten atenuant uantee de Sólo a través de la experimentación La teoría inflacionaria postula que el resolver muchos misterios, aparte del sabremos si la naturaleza decide universo temprano se expandió con de la planitud del universo. Así, nues- inflarse o jugar con la velocidad de tal celeridad, que el alcance de la luz tra teoría da cuenta del valor mi- la luz. La teoría VSL está en este fue enorme. Verosímilmente regio- núsculo aunque no nulo de la cons- momento mucho menos desarrollada nes separadas podrían haber estado tante cosmológica del universo en el que la de la inflación, así que tiene  juntas  jun tas y alcanzado alcanz ado una temper tem peratur atur a momento actual. La razón es que la que hacer predicciones firmes sobre y densidad comunes. Cuando la ex- densidad de energía de vacío repre- la radiación del fondo de microondas. Por otro lado, algunos experimentos han demostrado que la llamada constante de estructura fina puede no ser constante. La variación de c podría explicar esos hallazgos. Queda por ver si estas observaciones podrán resistir un nuevo escrutinio; mientras tanto la teoría VSL plantea un desafío teórico considerable. Se distingue de la teoría de la inflación porque afecta a los cimientos de la física. Por ahora, el modelo  VSL  VS L se ha halla lla lej os de la or orto todo doxia xia aceptada. Es una incursión en terreno sin desbrozar.         N         A         I    J         A    M    K  .         A         T    D    R    F    L         E         A - PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS PEED ED OF LIG IGH HT AS A SOLUTHE VARYING SPE T IO IO N T O COSMOLOGICAL PUZZLES. Andreas Albrecht y João Magueijo en Physical Review D, vol. 59, n.o 043516; 15 de febrero, 1999. IDDL DLES ES AN AND D THEIR REVELABIG BANG RID TIONS. João Magueijo y Kim Baskerville en Philosophical Transactions of the  Royal Society A, vol. 357. n.o 1763, págs. 3221-3236; 15 de diciembre, 1999. OVARIANT ANT AND LOCALLY LORENTZ-INVACOVARI RIANT VARYING SPE PEED ED OF LIGHT THEORIES. João Magueijo en Physical Review  D, vol. 62, n.o 10; 15 de noviembre, 2000. 87 Ondas en el espacio-tiempo Se han invertido ocho años y 400 millones de euros en construir una clase revolucionaria de observatorio que debería detectar ondas gravitatorias. Pero, ¿funcionará? Hace poco se le puso a prueba W. Wayt Gibbs F rederick J. Raab observa con unos prismáticos un tubo de hormigón recto como una vara; el edificio donde acaba, cuatro kilómetros al norte, es uno de los extremos del observatorio LIGO de Hanford (estado de Washington). Gira sobre sus talones 90 grados en dirección oeste y barre con la vista unos para jes desérti desé rticos cos cubierto cubie rtoss de artemisas artem isas hasta que divisa un tubo idéntico al anterior, con otro edificio en su extremo, a cuatro kilómetros de distancia también. “Cuando hablamos de tener controlado el haz del láser” que brilla dentro de esos dos tubos, explica, “nos referimos a mantener estables las ondas de luz con una precisión mayor que el ancho de un átomo, y a lo largo de toda esta distancia”. Raab dirigió la edificación de este gigantesco cartabón. Con otro seme jante  jan te en Livin Livingsto gston, n, en los bos bosques ques de Luisiana, forma el par de detectores más sensibles —si se cumplen las expectativas de sus diseñadores—, costosos y grandes que se han construido en los 40 años que se está a la caza de las ondas gravitatorias. En parte metros, en parte relojes, estos dos instrumentos medirán el espacio-tiempo a fin de captar cómo sacuden el continuo los cataclismos más  violento  viol entoss del unive u niverso rso:: estrella estr ellass que explotan, agujeros negros que chocan, quizá fenómenos todavía fuera de nuestra imaginación. A medida que las ondas que generan esos fenómenos se expanden a la velocidad de la luz, van estirando y comprimiendo, estirando y comprimiendo el espacio, y, por tanto, ensanchando y contrayendo la separación entre los objetos. Para cuando alcanzan la Tierra, son tan débiles, que alteran las distan88 cias en menos de una parte en mil triH. Richard Gustafson va arrellones. glando fallos con sus compañeros  A pesar p esar de la téc técnica nica punt puntera era con del LIGO de Livingston; se comuque se ha fabricado el LIGO, no está nican por medio de una videoconfeclaro que puedan alcanzarse sensi- rencia. A la conversación se une el bilidades tan increíbles. Achicados director de GEO 600, un instruhasta quedarse en débiles murmu- mento, más pequeño pero similar, llos, los más poderosos sucesos cós- instalado cerca de Hannover, en micos se ahogan en la más modesta  Alemania.  Alema nia. “Aquí en Hanfo Hanford rd tuvimos de las perturbaciones. “Las mareas una noche horrible”, dice Gustafson deforman la corteza de la Tierra y los mientras cuenta los problemas que océanos”, comenta Raab; desplazan han padecido con las computadoras los edificios de aquí en un tercio de y la electrónica. milímetro, cien mil millones de veces El instrumento de Luisiana se ha más que una onda de gravedad. Un  ven  venido ido co compo mporta rtando ndo de d e manera mane ra más terremoto de una magnitud superior previsible. Durante la noche funcionó a 6 en cualquier lugar de la Tierra, con normalidad, pero a las 6:30 de la un camión circulando por una carre- madrugada la línea de la pantalla de tera cercana o el usar los ordenado- control se aplanó; había ya tráfico res del laboratorio contiguo sacuden mañanero en la interestatal 12, a el suelo en más que el ancho de un pocos kilómetros del observatorio, y átomo. “Incluso el ruido de los reac- empezaban los leñadores de la madetores que pasan sobre nuestras cabe- rera Weyerhaeuser a talar pinos no zas ejerce un efecto.” muy lejos de allí. GEO, cuyos brazos En la sala de control observamos sólo miden 600 metros, con una prelos esfuerzos del instrumento por cisión menos exigente, es un dechado compensar los golpes y las sacudi- de fiabilidad: funciona funciona el 90 % del das. La prueba había comenzado el tiempo. Pero se necesitan los tres ins28 de diciembre de 2001. A los 14 días trumentos en forma y trabajando a del ensayo, va ganando el ruido. Raab la vez. En dos semanas el mejor lapso mira con detenimiento las gráficas de operación simultánea fue de apeproyectadas sobre la pared del fondo. nas hora y media. Una línea roja sube y baja. Es el Szabolcs Márka, investigador del estado del detector principal; se sale LIGO de Livingston, se muestra conde control, se normaliza y vuelve a tento con el progreso de esta prueba, descontrolarse unos minutos después. la quinta realizada y última antes de Una línea azul representa el estado que los dos instrumentos comiencen de un detector más pequeño; este con- sus observaciones rutinarias. [N. de trol de calidad persiste plano. la R.: la primera tanda de recogid a de - TEMAS 33    )    r    o    d    a    n    i    c    o    r    t    a    p    (         S    O    D    D         I         N         U         S    O    D         A         T         S         E         E    D         A         I    G    R         E         N         E         E    D  .    O    P    D  ,         T    C         E    J    O    R    P    K    R    O    W         T         T         E         N         S    C         I         S    Y    H    P    O    R         T         S         A         U         E  ,    Y         T         E         I    C    O         S    K    C         N         A    L    P    X         A    M    ;    )    o    l    u    c    l    á    c    e    d    o    r    t    n    e    c    (    C    R         S         E         N    /    L    B    L    ;    )         N    n    ó    i    c    a    l    u    m    i    s    (         I         E         A         T         A    P         U    O    R    G    Y         T         I    V         I         T         A    L    R    L    C         I    R         E         A         E    M         U         N    ;    )    n    ó    i    c    a    z    i    l    a    u    s    i    v    (    B         I    Z    /         I         E         A  ,    R         E    G         N         E    B    R         E         N    R         E    W EL OBSERVATORIO MUNDIAL DE LA GRAVEDAD A  finales de 2003, seis nuevos detectores de ondas gravitatorias deberían estar funcionando: dos en Hanford (estado de Washington) y uno en Livingston (Luisiana), en Hannover, en Pisa y en Tokio. Aunque son muy diferentes en tamaño, sensibilidad y detalles, funcionan de manera bastante parecida (abajo ( abajo a la derecha; véase también el recuadro  “El viaje de un fotón a través del LIGO” para más detalles ). ). Puesto que estos aparatos ultrasensibles recogen muchos ruidos terrestres, se utilizan ordenadores para rastrear los datos en bruto (abajo  ( abajo ) y distinguir los patrones que producirán, según se predice, las ondas de gravedad. CO NCR ETA R LA FUENTE A medida que un impulso gravitatorio barre la Tierra, la misma onda golpeará cada uno de los detectores en un instante un poco diferente, permitiendo así a los astrónomos distinguir la fuente y eliminar cualquier otra causa de vibración. LA CAIDA EN ESPIRAL LIGO PATROCINADOR: EE .UU. LONGITUD DEL BRAZO: 4 km en Livingston y 4 km y 2 km en Hanford PICO DE LA SENSIBILIDAD: tres partes en 1023 a 180 hertz. ESTADO: las observaciones comenzaron en septiembre de 2002 COSTO: 580 millones de euros hasta 2007 VIRGO FUSION DE LO S DOS OBJETOS CELESTES LA SEÑAL SE APAGA COINCIDENCIA CON UN MODELO, POSIBLE FUSION ESPEJO FINAL DEL BRAZO SUR LIGO DE LIVINGSTON TAMA 300 (NO MOSTRADO) PATROCINADOR: Japón LONGITUD DEL BRAZO: 300 m PICO DE LA SENSIBILIDAD: cinco partes en 1021 desde 700 FUERA a 1000 hertz DE FUNCIONAMIENTO ESTADO: las observaciones DEBIDO A UN preliminares comenzaron TERREMOTO en 2001 COSTO: 11 millones de euros EN INDONESIA LIGO DE HANFORD UNA VIBRACION DE UNA PARTE EN MIL TRILLONES Una GEO 600 PATROCINADOR: Reino Unido y Alemania LONGITUD DEL BRAZO: 600 m PICO DE LA SENSIBILIDAD: ocho partes en 1023 a 600 hertz ESTADO: las observaciones comenzaron en 2002 COSTO: 11 millones de euros GEO 600 COINCIDENCIA CON UN MODELO, POSIBLE FUSION onda gravitatoria expandirá el espacio entre los espejos del brazo oeste deL LIGO de Livingston (5 (5 y 6 ) mientras acerca los del brazo sur. Cuanto más largos sean los brazos, mayor será el cambio. Al hacer que la luz del láser recorra unas 100 veces los brazos antes de regresar al desdoblador de haces (4  (4 ), ), el LIGO actúa casi como si sus brazos tuvieran unos 400 kilómetros de largo. VIRGO PATROCINADOR: I talia y Francia LONGITUD DEL BRAZO: 3 km PICO DE LA SENSIBILIDAD: una parte en 1022 a 500 hertz ESTADO:  S e inauguró en  julio de 2003 COSTO: 72 millones de euros * E l pico de la sensibilidad se  refiere a los objetivos del diseño  que todavía no se han logrado  90 2 LASER COINCIDENCIA CON UN MODELO, POSIBLE FUSION 1 MODULADOR DE FR ECUENCIA Genera un haz de referencia LIMPIADOR DE MODOS Elimina las inestabilidades del láser TEMAS 33         N    G         I         S         E    D         E         I         T         S         I    R    H    C         N         A PIEZA DE SUSPENSI ON REDUCCION DEL RUIDO CABLE FINO DE ACERO CON CARBONO A LA CIENMILLONESIMA PARTE Los interferómetros miden la distancia entre dos espejos con una precisión subatómica. Para evitar que el ruido sísmico arruine las medidas, los espejos cuelgan de péndulos (derecha ), ), que están a su vez unidos a múltiples capas de aislamiento (abajo (abajo a la  derecha ). ). Unas bobinas magnéticas controlan las posiciones de los espejos y fuerzan al haz del láser a anularse a sí mismo en el puerto oscuro (7  (7 ). ). LASER    Y    R    B BOBINA ESPEJO ACTUADORES ELECTROMAGNETICOS 4 KM 6 ESPEJO FINAL DEL BRAZO OESTE PILAR DE APOYO ESPEJO INTERIOR DEL BRAZO SUR 5 ESPEJO INTERIOR DEL BRAZO OESTE 4 3 DE RECICLAJE Evita que la luz regrese hacia atrás MASAS DE RESONANCIA MUELLES RELLENOS DE ELASTOMERO DESDOBLADOR DE HAZ ESPEJO LIGO está pensado para detectar en los espejos movimientos de sólo 10–18 metros. Esa distancia es a las dimensiones de un átomo de hidrógeno lo que la escala de arriba a la diagonal del estado de Luisiana (unos 560 kilómetros). TAMAÑO EFECTIVO DE LO S BRAZOS DEL LIGO El PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS 7 FOTODIODO DEL PUERTO OSCURO Almacena el modelo de interferencia formado por el rayo de referencia y los dos rayos de prueba 91    G         E    W    L    L         E    H      R         A         E    L         I         U    G         A    X         A    M datos se llevó a cabo durante 17 días de septiembre de 2002. Los primeros análisis de estos datos se han publicado en agosto de 2003. No han detectado ondas, pero así han establecido un límite superior a la fusión de sistemas binarios de estrellas de neutrones.] Penalidades y estertores D esde que los fundadores del proyecto LIGO —Kip S. Thorne y Ronald Drever, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), y Rainer Weiss, del Instituto de Tecnología nolog ía de Massachuset Massachusetts ts (MIT)— (MIT)— propusieron en 1984 la construcción de un “observatorio de ondas gravitatorias por medio de la interferometría láser” (cuyo acrónimo en inglés es LIGO), nadie dudaba de que requeriría un trabajo de ingeniería hercú- - leo. Esta es una de las razones por las que “el proyecto encontró una tremenda oposición por parte de los astrónomos”, según Harry M. Collins, sociólogo de la Universidad de Cardiff  que ha estudiado el avance de esta disciplina. “La FNC desestimó nuestras dos primeras propuestas”, recuerda Thorne. “Y la tercera, enviada en 1989, fue revisada a fondo durante cinco años.”  Algunos astrónomos de gran prestigio, como Jeremiah P. Ostriker, de la Uni versidad  versid ad de Prince Princeton, ton, pusieron pusiero n objeciones al alto coste, que para 1993 era de 275 millones de euros. Temían que no quedara dinero para otros proyec- Los detectores de ondas gravitatorias ■ ■ ■ 92 A unque los astrónomos nunca han detectado ondas de gravedad directamente, la teoría de la relatividad de Einstein predice que los cataclismos violentos de la magnitud del choque de dos agujeros negros producen la vibración del espacio. Para cuando las ondas alcancen la Tierra, se habrán debilitado tanto, que distinguirlas del ruido que las rodea será como dar con un grano de arena perdido en una playa oceánica. S e han construido seis interferómetros de alta precisión a lo largo y ancho de todo el mundo con el objeto de detectar estas señales. Tres están en Estados Unidos, preparados para tomar datos científicos desde el 29 de junio de 2002. Pero aún se está trabajando para alcanzar la sensibilidad necesaria. tos de menor magnitud y riesgo. El comité selecto que debía ordenar las prioridades de los astrónomos para el decenio de 1990 excluyó el LIGO de su lista. “Fue una decisión unánime”, dice John Bahcall, del Instituto para Estudios Avanzados de Princeton, que presidió ese comité. El Congreso aprobó la propuesta del LIGO, pero no concedió fondos hasta 1994. Thorne y otros proponentes de LIGO argumentaban que las señales gravitatorias abrirían un campo completamente nuevo de la astronomía porque llevan consigo una información acerca del universo que no se puede recoger de otra forma. Albert Einstein predijo estas ondas etéreas en 1918; las consideraba una consecuencia inevitable de su teoría de la relatividad general. Según la célebre premisa einsteiniana, la fuerza atractiva que llamamos gravedad existe porque la masa de los cuerpos deforma el universo tetradimensional. Si un objeto denso se mueve violentamente, el espacio tiembla. Cuando, por poner un ejemplo, una estrella gigante consume su combustible, el estallido despide la luz de diez mil millones de soles: una supernova. Se piensa que las capas exteriores de la estrella son expulsadas al espacio mientras el núcleo de hierro implosiona con fuerza sufiTEMAS 33 ciente como para que todos sus electrones y protones se combinen en neutrones y partículas exóticas. En apenas unos minutos, una esfera sólida de metal del tamaño de la Tierra se contrae hasta convertirse en una estrella de neutrones de menos de 20 km de diámetro; su densidad es tan grande que una cucharadita de material de su superficie pesaría casi mil millones de toneladas. Se supone que la energía gravitatoria que emitiría una supernova no del todo simétrica alcanzaría la Tierra  varios  var ios minutos minuto s ante antess que el fogonazo fogona zo de luz, tiempo suficiente para que los telescopios ordinarios apuntasen hacia la explosión. De mayor importancia serían, no obstante, los detalles que la señal gravitatoria aportaría acerca del nacimiento de la estrella de neutrones, pese a la pequeñez del objeto y el velo de gas ardiente que lo rodearía. El LIGO se diseñó para detectar no sólo el nacimiento de las estrellas de neutrones, sino también su muerte. La mayoría de las estrellas giran alrededor de una compañera; en ocasiones ambas explotan convertidas en supernovas sin que se rompa su vínculo. A cada revolución, las dos estrellas de neutrones pierden un poco de energía arrugando el espacio que las envuelve. Las órbitas, por tanto, menguan poco a poco hasta que los dos astros se disgregan y funden en uno; a veces se crea entonces un agujero negro. Hacia el final del frenético tango, cada uno de esos dos pesados cuerpos da una vuelta alrededor del otro cientos de veces por segundo; el lienzo del espacio-tiempo se agita con fuerza. Los impulsos de radio recibidos de este tipo de sistemas binarios son la prueba más convincente, si bien indirecta, de que las ondas gravitatorias existen de verdad. El viaje de un fotón a través del LIGO P ara comprender el funcionamiento del interferómetro LIGO, imaginemos la aventura de un fotón que lo atraviese. (Obviaremos algunos detalles para mayor claridad.) El fotón se crea en un láser del tamaño de una maleta y con la potencia de 20.000 punteros láser. Es uno entre un billón que llevan el mismo paso en el haz infrarrojo. 1 Parte del haz se desvía a un aparato que convierte la luz en dos haces de referencia, la frecuencia de uno ligeramente mayor que la del haz principal, la del otro menor. Este modulador de frecuencias crea así un modelo con el que se comparará el haz de prueba al final del viaje. Tras el desvío, los haces se recombinan y atraviesan una ventana de cuarzo para entrar en una cá mara de vacío. Durante la construcción se tuvo especi al cuidado en evitar que nuestro fotón se alejara de su camino. Unas bombas de vacío mantienen la presión del aire por debajo de una billonési ma de atmósfera. Los espejos, del tamaño de un plato, con un grosor de 10 centímetros, se pulieron con una precisión superior a los 16 átomos. Y el grosor de las películas refl ectoras que cubren la óptica no v aría en más de dos átomos. 2 El fotón entra en un bucle construido con tres espejos que forman un triángulo triángulo estrecho. Este “limpiador “limpiador de modos” es un punto de control de calidad: el fotón puede continuar su camino sólo si forma parte del haz que tiene la estructura y dirección correctas. La luz que no se ajuste a lo requerido sale por un tragaluz. 3 El fotón apenas nota el espejo de dirección única que atraviesa en la siguiente cámara. Este espejo bloquea los fotones que intenten regresar al láser; al atrapar a todos los fotones dentro del dispositivo, multiplica por 16 la potencia del haz de luz. 4 En el desdoblador de haces, el fotón se divide en dos idénticos. Una corriente de fotones continúa hacia 1 2 3 4 5 BRAZO OESTE delante por el brazo oeste. La otra corriente se invierte, mutados los valles en crestas, al reflejarse hacia el brazo sur. Los dos haces de prueba atraviesan los espejos interiores y se internan en los 4 kilómetros de tubo de acero. Pero la entrada les es denegada a los haces de referencia de frecuencia un poco modificada, que desandan lo andado en dirección al desdoblador de haces; circulan a través de la óptica central hasta que regresen los fotones de los haces de prueba. 5 Mientras tanto, nuestro fotón y su gemelo inverso recorren los largos brazos y rebotan en un espejo en ambos extremos. Aunque los átomos de los espejos vibran con el calor, su movimiento es aleatorio y el haz golpea billones de átomos a la vez. En promedio, las vibraciones térmicas se anulan. Los fotones gemelos rebotan entre los espejos interiores y finales de sus respectivos brazos. Realizan alrededor de unos cien viajes de ida y vuelta antes de colarse a través del espejo interior y reencontrarse con el desdoblador de haces, que los envía en dirección norte hacia un puerto oscuro. De ordinario, nuestro fotón y su otro yo tendrán oscilaciones opuestas. Las crestas se encontrarán con los valles y los dos fotones se anularán mutuamente. El puerto oscuro permanecerá oscuro. 6 Pero si durante el viaje de los fotones una onda de gravedad entra en el instrumento, el espacio se curvará; un brazo se alargará y el otro se acortará. Las crestas se encontrarán con las crestas y se iluminará el puerto oscuro. Es más, los fotones de prueba reunidos se combinarán también con los haces de referencia a los que se les ha modulado la frecuencia. Como si se tratara de notas musicales un poco desafinadas, la luz pulsará; se hará más brillante y más débil al paso de la onda gravitatoria. Finalmente, el fotón golpea un fotodiodo y se convierte en una señal electrónica perceptible, el rastro de un temblor del espaci o-tiempo. 6 BRAZO OESTE LASER BRAZO SUR BRAZO SUR LIMPIADOR DE MODOS RAYO DE REFERENCIA ESPEJO DE RECICLAJE PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS DESDOBLADOR DE HACES PUERTO OSCURO DESDOBLADOR DE HACES RAYO DE PRUEBA RAYO DE REFERENCIA PUERTO OSCURO MODELO DE INTERFERENCIA PULSACIONES DE INTENSIDAD 93 65 millones de años-luz, se calcula que sólo ocurre una fusión cada 10.000 años. “Por lo tanto, aunque cabe dentro de lo posible que veamos esas ondas”, asegura Thorne, “no es muy probable”. Le parece más factible que el LIGO recoja la señal de la fusión de dos agujeros negros en uno, que centuplica la de dos estrellas de neutrones. Pero los teóricos tienen una incertidumbre de un factor 1000 acerca de la frecuencia de estos sucesos dentro del alcance del LIGO. Lo mismo podría haber 10 en un año que uno en un siglo. Llegar hasta 300 millones de añosluz mejoraría notablemente la estadística, pero entonces un suceso típico cambiaría la longitud relativa de los brazos de LIGO en sólo una parte entre 10 22 . Habrá que esperar la segunda versión del LIGO para poder detectar desplazamientos tan minúsculos; vendría a ser como descubrir que Saturno se había acercado al Sol la envergadura de un átomo de hidrógeno.    G    E    W    L    L    E    H      A    R    E    L    I    U    G    A    X    A    M La tierra inquieta P - Pero aún está por ver si los grupos del Caltech y del MIT que mane jan  ja n el LIG LIGO O en nom nombre bre de la FNC lograrán la detección directa de esas ondas. “Lo más curioso del LIGO”, dice Collins, “es que , al menos en su primera versión, no puede prometer éxitos”. Fenómenos espectrales E l problema no radica en la debilidad de las ondas gravitatorias. “Es increíble la energía que contienen”, afirma Gabriela I. González, física del LIGO de Livingston. Durante el último minuto en que las estrellas de neutrones, a 65 millones de años-luz de la Tierra, caen en espiral hacia su muerte, la pulsación gravitatoria que se emite es tan intensa, que “si llegara en la forma de luz visible, sobrepasaría el brillo de la luna llena”.  A diferencia de la luz, que deposita dep osita toda su energía cuando choca contra la materia, la gravedad atraviesa los objetos sólidos como un fantasma; la interacción es pequeñísima. Para una onda gravitatoria, la Tierra y todo lo que hay sobre ella es perfectamente transparente. Incluso la poderosa señal de la 94 fusión de dos estrellas de neutrones apenas afectaría al punto central de cada espejo más que en unos attómetros (10–18 metros). Para semejante sensibilidad está pensado el LIGO. Mientras un brazo del observatorio se dilata, el otro se contrae; la fase y la frecuencia de la luz del láser dentro de los brazos cambian en sentidos opuestos. Cuando los haces procedentes de los dos brazos se superponen al haz de referencia, las fluctuantes pulsaciones que generan son decodificadas por las computadoras para desvelar los cambios en la cur vatura  vatu ra del de l espacio esp acio-tie -tiempo mpo dentr d entr o de los brazos. En principio, la técnica, conocida como interferometría, es capaz de medir cambios en la distancia mucho menores que la longitud de onda de la luz infrarroja del láser; mucho más pequeñas, incluso, que el núcleo de un átomo ( véase el recuadro “El viaje de un fotón a tra vés del LIGO” L IGO”). ). No impresiona mucho a los astrónomos que el LIGO prometa seme jante  ja nte se sensi nsi bil id idad ad.. La Lass pa pare reja jass de estrellas de neutrones son raras; su muerte es muy espectacular, pero rápida. Dentro de una distancia de or si ya no fueran las cosas tan difíciles, los ingenieros del LIGO tienen que vérselas con la vibración de los espejos por multitud de razones sin relación alguna con las explosiones de supernovas, las estrellas de neutrones o los agujeros negros. En virtud del calor, las moléculas de los espejos y de los cables que los sostienen se mueven aleatoriamente. Este ruido térmico puede enmascarar las ondas gravitatorias que tengan una frecuencia entre 50 y 200 hertz. A frecuencias superiores, el interferómetro está sometido a un efecto cuántico llamado ruido de golpeo, que ocurre porque el número de fotones que golpean los sensores cambia de un instante al siguiente. “Se podría dar más intensidad al láser para aumentar la señal sobre el ruido”, indica Norna Robertson, una de las diseñadoras del instrumento GEO. “Pero si ponemos mucha luz dentro, golpeará los espejos de forma aleatoria.” Por el momento, el mayor problema del LIGO son las bajas frecuencias; en ellas, el suelo está en constante movimiento. “A 100 hertz, sube y baja unos 10 –11 metros”, dice Raab. “Queremos ver movimientos de hasta 10 –19 metros”, porque esa distancia es la 10 22 -ava parte de los 4 kilómetros de longitud de los brazos del LIGO. “Para eso tenemos que dejar el ruido sísmico en su cienmillonésima parte.” Nos pusimos unas gafas protectoras y unos cubrezapatos para visitar TEMAS 33 el recinto donde se encuentran el láser y la mayoría de los sensores del detector. Cuando se abre la puerta de la sala, Raab baja el tono de la voz. Raab se dirige a una cámara de  vacío  vac ío de ace acero, ro, con las dime dimensio nsiones nes de una furgoneta. Para llegar desde el exterior al espejo interior, un movimiento sísmico debe atravesar una serie de elementos concebidos para debilitar su energía: una plancha de 1 metro de hormigón reforzado, gatos de tijera, cojinetes de aire, cuatro capas de gruesos muelles especialmente construidos para la tarea, cuatro pesadas planchas de acero (cada una con una frecuencia de resonancia distinta) y, finalmente, un péndulo de cable fino de acero. “Reducimos el ruido sísmico en un factor de cien con la suspensión pendular y en un factor de un millón con las pilas de aislamiento”, explica Raab. Algunos movimientos de la superficie, como las mareas lunares, tienen que amortiguarse con artilugios activos, entre ellos unos electroimanes controlados por ordenador que empujan y tiran de unos pequeños imanes pegados a los espejos.  Aun así, algunas veces no basta con reducir el ruido externo hasta la cienmillonésima parte. “Hace poco hubo un terremoto de magnitud siete en gida por fuerzas de seguridad. SchoSumatra; nos dejó fuera de servicio”, field activa el sismómetro durante comenta Raab. También unos vientos casi cinco minutos. Ni rastro del pico fuertes descontrolaron el interferó- a 2,3 hertz. metro de Hanford.  Afortunad  Afor tunadamen amente, te, el ruido de unos No todos los movimientos sísmicos dos hertz no es un problema por ahora. son naturales. Robert Schofield, de El LIGO, al igual que otros observala Universidad de Oregón, se encarga torios gigantes para la detección de de rastrear el origen de los ruidos del ondas gravitatorias casi terminados LIGO. Le da vueltas a la gráfica de ya —GEO en Alemania, TAMA en las últimas señales recibidas en el Tokio y VIRGO cerca de Pisa—, escudetector. “Mira este pico”, me dice. chará ondas gravitatorias entre 40 y “Justo a 2,3 hertz. No lo había visto 3000 hertz, precisamente las freantes porque es muy estrecho, pero cuencias que capta el oído humano. es el 20 por ciento del ruido que está En la sala de control, los operadores afectando al interferómetro”. Anali- del LIGO tienen conectado un altazando las lecturas de la batería de sis-  voz a los sensores sensor es del inter interferó ferómetr metro; o; mómetros que rodean el observato- emite lo que el instrumento “oye”. rio, concluye que procede de cerca de Una supernova cercana sonaría como la sección 200 Este de la Reserva un brote de estática. El lamento de Nuclear de Hanford, un basurero las estrellas de neutrones agonizanradiactivo de 1400 kilómetros cua- tes empezaría grave e iría subiendo drados de extensión que rodea al en un gorjeo casi musical. LIGO de Hanford. En el ruido no suele haber más que Schofield toma un sismómetro y un silbidos y estallidos, pero en ocasioosciloscopio y los introduce en una fur- nes se cuela algún sonido reconocigoneta. Se interna unos kilómetros ble. “Hay un periscopio en la mesa en la reserva y monta el equipo. Ve- del láser que levanta el haz a la altura mos las luces brillantes de alguna correcta”, cuenta Schofield. Ciertos operación nocturna en la sección 200 ruidos pueden mover el periscopio y Este. Pero no podemos acercarnos producir pequeños desplazamie ntos más porque el área guarda tanques Doppler en la frecuencia de la luz de basura con plutonio y está prote- que lo atraviesa. Próxima generación de detectores A unque el LIGO alcanzara la sensibilidad para la que fue concebido, sus posibilidades de detectar ondas gravitatorias serían escasas. “Pero nuestra estrategia desde un principio ha sido proceder en dos pasos”, dice el físico del Caltech Kip S. Thorne: primero se consigue que las máquinas funcionen y se va ganando confianza en ellas, luego se mejora la instalación con componentes avanzados que garantizarán la detección regular de señales. Aunque los responsables del proyecto aún no han hecho una propuesta formal, saben más o menos lo que quieren. “Las reformas costarán del orden de 100 millones de euros, se empezarán alrededor de 2006 y acabarlas llevará dos años”, afirma el director del LIGO, Barry Barish. El láser pasará de los 10 a los 180 watt. La óptica, en vez de colgar de lazadas simples de cable de acero, estará sujeta por cintas de sílice a un péndulo de tres fases que ahora se está ensayando en el detector GEO 6000 de Alemania. Y se sustituirán los espejos de vidrio de sílice de 11 kilos de peso por cristales de zafiro que pesarán 30. Los cambios multiplicarán la sensibilida d por 20, según estima Barish. Esto pondrá al instrumento, afirma Thorne, “en un campo donde, por primera vez, los seres humanos observarán objetos de su mismo tamaño comportándose según las leyes de la mecánica cuántica”. Se han desarrollado técnicas cuánticas “no demoledoras”; con ellas se logran mediciones el doble de precisas de lo que permitiría el principio de indeterminación de Heisenberg. Si todo funciona, “se incrementará unas 8000 veces el volumen del espacio que podremos explorar”, comenta Barish. Los japoneses también han pensado en un sucesor para PRESENTE Y FUTURO DEL COSMOS su interferómetro de 300 metros TAMA, pero el director del proyecto, Yoshihide Kozai, teme que pasarán unos años antes de que consigan fondos para su construcción. El Gran Telescopio Criogénico de Ondas Gravitatorias tendrá brazos de tres kilómetros y se construirá en las profundidades de la mina de Kamioka. Unos espejos de zafiro muy enfriados, de 51 kilogra mos de peso cada uno, servirán para alcanzar la sensibilidad del LIGO II a frecuencias i nferiores a los 40 hertz. La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) están diseñando un observatorio de ondas de gravedad más ambicioso, el LISA. En 2011 se lanzará un trío de satélites equipados con láseres que formará un interferómetro con brazos de cinco millones de kilómetros —diez veces la distancia Tierra-Luna—. Tierra-Luna —. El trío mantendrá las posiciones relativas con una precisión de una micra en su órbita alrededor del Sol. Aunque el LISA no será mucho más sensible que el LIGO II, podrá detectar ondas de gravedad a frecuencias mucho más bajas que cualquier detector construido sobre la superficie. “Lo más probable es que el LISA vea el movimiento de pares de agujeros negros de gran masa —de un millón a miles de millones de veces más pesados que el Sol— en órbita uno alrededor del otro en el centro de galaxias muy lejanas”, dice Thorne. “Los astrónomos no caben en sí de gozo con el LISA”, cuenta Rainer Weiss, del MIT “Están seguros de que verán algo.” Pero puesto que su precio no andará lejos probablemente de los 600 millones de euros, predice que “costará mucho más que el Congreso apruebe el LISA que el LIGO”. 95    G    E    W    L    L    E    H      A    R    E    L    I    U    G    A    X    A    M - El ruido de fuera L as instalaciones no sólo están plagadas de sismógrafos. Abundan los micrófonos, magnetómetros y sensores que vigilan la temperatura, la presión y el viento. Se graban a la vez los flujos de datos procedentes de unos 5000 sensores. Lo primero que los científicos harán si piensan que han visto una onda gra vitatori  vita toriaa será s erá busc buscar ar seña señales les fals falsas as y ruidos que hayan podido introducirse en el sistema. En el último día de la prueba, González le entrega al director, Mark Coles, una gráfica con los resultados que el interferómetro ha obtenido esa mañana. Se ve una joroba que parece una señal real. Pero no lo es. “Acabamos de inventar un velocímetro para la barrera del ganado de la carretera de entrada”, dice con una sonrisa. Cuando pasa cada eje de un camión sobre las barras horizontales aparece una vibración en el canal de las ondas gravitatorias. 96 Las señales espurias se eliminan comparando los datos de dos o más observatorios, según explica Márka. “Si los dos sitios del LIGO observan la misma señal en un intervalo de milisegundos, milisegu ndos, y también lo hace GEO, que está en otra plataforma continental y conectado a una red eléctrica distinta, resulta entonces improbable, muy improbable que la señal sea falsa y proceda de alguna fuente común de ruido.” No obstante, aún se puede hacer mucho más por superar el ruido que generan los seres humanos. Este problema adquiere especial importancia en Livingston. “Podemos ver los trenes que pasan tres veces al día”, detalla Coles, “a los leñadores que talan árboles, el tráfico a la hora de la comida”. Durante la prueba, el instrumento de Livingston estuvo operativo sólo el 62 % del tiempo, sin contar pequeñas irregularidades. Los tres interferómetros LIGO sólo trabajaron a la vez el 18 % del tiempo. “Sabemos que tenemos un problema con el ruido en Livingston”, reconoce Rainer Weiss, portavoz del LIGO. “Y  empeorará. La sociedad se nos va acercando.” Barry Barish, que dirige el proyecto, asegura que se están preparando nuevos medios activos de aislamiento; se instalarán el año que  viene.. “Hubie  viene “Hubiera ra deseado no tener que hacerlo”, confiesa Weiss. “Era una de las mejoras de ingeniería que habíamos planteado para el LIGO II, en 2006.” Supondrá un coste adicional de al menos 825.000 euros sobre los 400 millones que la FNC ha gastado hasta la fecha y sobre los 180 millones que acaban de adjudicarse para los próximos cinco años. Pero incluso cuando el sistema funciona, dice Weiss, “estamos muy lejos —un factor 1000— del límite de sensibilidad que nos habíamos propuesto. Esperamos mejorar en un factor 10 para junio. Pero no sé si podremos ir más allá”. Esta incertidumbre preocupa a Ostriker, sempiterno crítico del LIGO: “Siempre he creído que detectar ondas gravitatorias nos facilitaría nuevos conocimientos que de otra forma no podríamos adquirir. Dicho esto, también creo que el proyecto LIGO constituye un enorme derroche; ese dinero podría haberse dedicado a proyectos científicos más productivos”. Thorne no comparte esa opinión. “Los teóricos no se han lucido prediciendo qué se iba a ver cada vez que se ha abierto una ventana nueva al universo”, afirma. “Los primeros radiotelescopios detectaron unas señales mucho más intensas de lo que se había calculado. Y lo mismo pasó cuando se abrió la ventana de los rayos X en los años sesenta. Y  cuando empezamos a observar los neutrinos que llegan del Sol, nos quedamos sorprendidos de que fuesen tan pocos. Abrir la ventana de las ondas gravitatorias nos dará una  visión  vis ión del uni univer ver so dis distin tinta, ta, y dis dis-tinta de una manera más radical de cuanto lo fueron las visiones que les debemos a esos otros avances.” EINSTEIN’S UNFINISHED SYMPHONY. Marcia Bartusiak. Joseph Henry Press, 2000. LASER INTERFEROMETRIC GRAVITATIONAL WAVE DETECTORS. Norna A. Robertson en Classical and Quantum Gravity, vol. 17, n.o 15, págs. R19-R40; 7 de agosto de 2000. NEW PHYS HYSICS ICS AND AST STRO RONO NOMY MY WI WITH TH TH THE E NEW GRAVITATIONAL -WAVE OBSERVATORIES. Soctt A. Hughes et al. en Proceedings of the 2001 Snowmass Meeting. TEMAS 33