(Casi) un siglo de Cosmología III.

…. (continúa de aquí) En la entrada anterior de la serie estábamos en las décadas de los 1960 y 1970, en las que tiene lugar…

El inicio de la edad de oro de la Astrofísica y Cosmología

Pues en esas décadas las mejoras en la tecnología comienzan a permitir observaciones y medidas de cada vez mayor precisión, lo que modifica el centro de gravedad (valga la redundancia) de los trabajos en Relatividad General y en Cosmología. Hasta entonces muchas observaciones no alcanzaban demasiada precisión (no podían alcanzarla), y aunque había bastantes predicciones teóricas desarrolladas, la posibilidad de su confirmación mediante observaciones finas estaba realmente bloqueada. Pero a partir de entonces la situación se invierte: tenemos cada vez más y mejores observaciones con una precisión también cada vez mayor …. lo que que sin excepción va consolidando la imagen del Universo basada en la Cosmología Relativista: un Universo en expansión, descrito con muy buena aproximación por las ecuaciones del modelo de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, FLRW.

Expansión ¿acelerada?

El año 1998 fue testigo de la última (hasta ahora) sacudida en nuestra imagen del mundo. Que el Universo se encuentra en expansión está fuera de toda duda. Hasta 1998 se creía que esta expansión era decelerada, esto es, que el ritmo de expansión estaba disminuyendo y que en el futuro, la expansión iría siendo más y más lenta.
Esto es lo que resulta del modelo cosmológico estándar basado en la teoría de Einstein original. Las comprobaciones de si el carácter de la expansión es decelerado o acelerado son indirectas y muy delicadas (pues el ritmo de deceleración o aceleración es en cualquier caso muy pequeño). Por ello, y en ausencia de indicios en contrario, hasta 1998 se daba por supuesto que el Universo estaba en expansión decelerada.

Pero en 1998 se publicaron, por parte de dos grupos independientes, evidencias que indican con gran fiabilidad que la actual expansión es, al contrario de lo que se creía, acelerada. El ritmo de esta aceleración es también muy pequeño, pero lo importante es que si queremos acordar esa predicción con la teoría de Einstein, deberemos resucitar a la vieja constante cosmológica. Claro está, no como un artefacto ad-hoc, sino ahora como reflejo de cómo parece ser la Naturaleza.

xxx yyy zzz

Gráficas de la evolución temporal del factor de escala cosmológico, para diferentes densidades de energía, sin (lineas rojas) y con (líneas verdes) constante cosmológica.                                              Crédito: S. Perlmutter, Physics Today (2003)

En la sección En 496 segundos, de éste blog, bajo el encabezamiento Cosmología, he colgado una página con el título  Expansión acelerada y Energía oscura en la que doy una descripción un poco más detallada de este asunto de la expansión acelerada y comento cual es la explicación aceptada mayoritariamente: la hipótesis la constante cosmológica, o, lo que viene a ser equivalente, la hipótesis de la energía oscura; he preferido relegar allí los detalles un poco más técnicos, manteniendo aquí un nivel descriptivo, aunque he conservado aquí la gráfica anterior, que se comenta en aquella pagina

Energía oscura

Las matemáticas que hay detrás de la teoría de Einstein permiten dos interpretaciones de esta constante cosmológica. En una de ellas, se trata de una nueva constante universal, intrínseca al propio espacio-tiempo, que habríamos de interpretar como la curvatura del espacio-tiempo vacío. En la otra interpretación, se trata de un tipo nuevo de energía en el universo, bautizada ‘energía oscura‘, que es adicional a todas las demás formas de energía conocidas previamente —la materia ordinaria, la radiación y la materia oscura—.

Las propiedades de la energía oscura son muy peculiares: es un medio que tiene energía positiva pero presión negativa. En la teoría de Einstein la presión actúa también como fuente de gravedad (adicionalmente a la densidad de energía), y al hacer el balance detallado de su efecto, resulta que el efecto conjunto del medio ‘energía oscura’, descrito por una energía positiva y una presión asociada negativa conduce a una fuerza gravitatoria neta que es repulsiva y que por ello acelera la expansión del espacio causada por las restantes componentes de la energía (cuyo efecto es atractivo) hasta contrarrestar el carácter decelerado de la expansión, que pasa a ser acelerado.

Los nombres aplicados a estos nuevos conceptos son poco afortunados. Habida cuenta que la relatividad establece que masa y energía son esencialmente la misma cosa, la tentación de pensar que energía oscura y materia oscura también deberían serlo es natural. Pero físicamente se trata de dos entidades muy diferentes, que habrían merecido otros nombres, y de las que además desconocemos casi todo.

El modelo estandar de la cosmología: ¿de qué se compone el Universo?

Hay otras evidencias que apoyan la existencia de esta energía oscura. Las más notables provienen del análisis fino del fondo cósmico de microondas, que se ha llevado a cabo en lo últimos 25 años, a través de tres satélites diseñados para esa tarea específica: COBE, WMAP y PLANCK. Antes de poder observar este fondo con la suficiente precisión, los teóricos hicieron varias predicciones destacadas: esta radiación debía tener espectro planckiano y carácter casi exactamente isótropo, con unas mínimas anisotropías. La descripción matemática de estas inhomogeneidades o fluctuaciones se hace mediante lo que se llama el  espectro de potencias, cuyos detalles dependen de la densidad de energía existente en el universo y de su distribución en fracciones de materia ordinaria, radiación, materia oscura y, si es el caso, energía oscura.

Cuando el espectro de potencias se pudo observar con la necesaria precisión, la confirmación de éstas predicciones ha sido completa y ha permitido determinar, con muy poco margen de error, la distribución en fracciones de las diferentes componentes de energía presentes en el Universo.

Quien quiera saber más sobre el espectro de potencias y de cómo procede este ajuste, puede encontrarlos en la página Del fondo cósmico de microondas al 70% de energía oscura: ¿cómo? que he colgado en la serie Cosmología de En 456 segundos en este blog; al igual que en el caso de la expansión acelerada y de la energía oscura, he preferido relegar allí los detalles más técnicos, dejando aquí solamente la figura que explica una gran parte del mecanismo de los ajustes y que es ilustrativa por sí misma.

Así resulta que el modelo cosmológico de FLRW, basado en la teoría de Einstein, describe con una precisión notablemente buena todas las observaciones realizadas por éstos satélites y por otros medios, siempre que supongamos que el 96 por ciento (redondeando) de la energía responsable de la estructura de nuestro Universo procede de dos fuentes ignotas: un 26 por cien de materia oscura y un 70 por cien de energía oscura. Estos números, bien entendido, no son en absoluto arbitrarios, sino que resultan de ajustes cuidadosos, que pueden hacerse incluso aunque desconozcamos la naturaleza precisa de la materia oscura y de la energía oscura.

xxx yyy zzz

Gráficos que ilustran cómo cambia la forma del espectro de potencias de la radiación del fondo cósmico de microondas al variar alguno de los cuatro parámetros básicos del modelo (dados en fracción de la densidad crítica, de izquierda a derecha y de arriba a abajo): densidad total, densidad de energía oscura, densidad de materia bariónica y densidad de materia (incluyendo materia oscura). Crédito: Hu y Dodelson

La situación que acabo de describir tiene indudables tintes de extrañeza. Resulta que la teoría cosmológica actualmente aceptada mayoritariamente (el llamado modelo ΛCDM, por constante cosmológica Λ más materia oscura DM fría C), que a su vez está basado en la teoría de la gravedad de Einstein, describe con una precisión notablemente buena todas las observaciones…., siempre que supongamos que el la práctica totalidad de la energía responsable de la estructura de nuestro Universo procede de dos fuentes ignotas, siendo la contribución de la materia ordinaria que conocemos de un mísero 4 por cien.

Un observador imparcial, que no conociera nada de cosmología, estaría tentado a pensar algo como ‘valiente explicación aquella que asegura, incluso cuantificándola, que la mayor parte de la energía en el universo se encuentra en fuentes por completo desconocidas’. Aunque semejantes reparos puedan ser comprensibles, a este observador habría que insistirle sobre  el papel de la consistencia en nuestros modelos: no creemos en una teoría solamente porque explique un fenómeno o una observación; creemos en ella porque explica de una tacada una variedad de observaciones y lo hace de manera consistente.

Y creemos tanto más en esa teoría cuantas más observaciones independientes explique. Lo que hace que no sea tan fácil —de hecho es muy difícil— construir una nueva teoría que reemplace a otra que ha tenido éxito, puesto que no basta que la nueva teoría explique un solo nuevo fenómeno, sino que debería hacerlo explicando a la vez los muchos fenómenos u observaciones que la antigua explicaba bien (y que la nueva teoría deberá también explicar, posiblemente de otra manera). Esta es exactamente la situación con el modelo cosmológico estandar.

En el fondo, esta es una parte de la ironía del conocimiento científico: son tantas, y de tan distintos tipos, las confirmaciones independientes que tenemos de nuestras actuales modelos para la gravitación y para la estructura del Universo a gran escala, que resulta prácticamente inevitable pensar que algo esencialmente acertado debe haber en estos modelos. Lo que seguramente no significa que debamos reputar todos los detalles como definitivos; no hay tal cosa en Ciencia. Es más, es probable que en el futuro veamos las cosas de muy otra manera. Pero entretanto ….

Cosmología: los 100 primeros años

La cosmología se acerca a cumplir 100 años. En los primeros 50 apenas había observaciones de calidad suficiente. Los desarrollos tecnológicos producidos a partir de 1965, la impresionante mejora de la instrumentación y de los métodos de registro (antaño placas fotográficas, hoy basadas en electrónica puntera) y sobre todo, la posibilidad de observar desde satélites dedicados a una misión concreta, ha abierto en los últimos 25 años una auténtica ventana al Cosmos. Ilustrativo y espectacular es el caso del telescopio espacial Hubble, fuente de impresionantes imágenes del espacio profundo, actualmente al final de su vida útil, y que será reemplazado por el Telescopio espacial James Webb, que se enviará en 2018 (esperamos) a un privilegiado punto de observación, el punto de Lagrange L2 del sistema Sol-Tierra, a 1,5 millones de km de la Tierra en la dirección opuesta al Sol.

Las observaciones desde la Tierra también han sufrido un avance impresionante. En el Roque de los Muchachos, en la isla de La Palma, uno de los mejores lugares del mundo  para la observación, se ubica el que (de momento) es el telescopio óptico de mayor diámetro. Otras técnicas, como la interferometría de base larga, permiten hacer observaciones en radio de una precisión abrumadora. Y preguntas como ¿hay planetas alrededor de otras estrellas?, que parecían destinadas a permanecer en el limbo de aquello que no podríamos ser capaces de responder, han sucumbido al asalto conjunto de ingenio y tecnología: desde el primer exoplaneta, un planeta alrededor de otra estrella, encontrado en los inicios de la década de los 1990, hasta hoy se cuentan ya bien por encima de 2000 los planetas exosolares descubiertos.

Imagen de ALMA, mostrando los inicios de la formación de planetas alrededor de HL Tau

Imagen de ALMA, mostrando los inicios de la formación de planetas alrededor de HL Tau

En los primeros días de Noviembre de 2014 se publicó una imagen de ALMA, en la que se capta el inicio de la formación planetaria alrededor de una estrella. Uno no puede evitar pensar en que en este aspecto somos auténticos privilegiados: ¿qué no habrían dado Galileo, Gauss o Laplace por disponer de estas imágenes?

Curiosamente (o quizás no tanto), muchas de las confirmaciones finas de la Relatividad general proceden de las observaciones astrofísicas. Un solo ejemplo: las ondas gravitatorias, una de las predicciones de la teoría de Einstein que aún no ha sido posible detectar directamente, tienen su mejor confirmación indirecta en las observaciones a lo largo de cerca de 40 años del pulsar binario PSR 1913+16 por el que Hulse y Taylor recibieron el premio Nobel de Física en 1993 (y por el que Jocelyn Bell debería haberlo recibido con mayor motivo).

Jocelyn Bell

Jocelyn Bell

El futuro: La gravedad cuántica: consistencia de nuevo.

Aún hoy no hemos sido capaces de construir una teoría consistente, conjugando la Relatividad General y la Mecánica Cuántica, que describa el Universo en los primeros instantes. En esas situaciones las energías en juego serían inmensas y los efectos cuánticos importantes: la gravedad cuántica sigue siendo el grial de los teóricos, un grial cuya búsqueda ha resultado ser hasta ahora mucho mucho mucho más difícil de lo que ingenuamente puede suponerse.

No podemos excluir que, cuando finalmente se construya esta teoría, muchas de las cuestiones que aquí se han discutido las veamos bajo otra perspectiva. Pero, como en la mayor parte de los avances científicos, lo que hemos presentado aquí ha venido probablemente para quedarse. Pues la ciencia no destruye las antiguas ideas cuando han demostrado dar una descripción que por un tiempo hemos creído correcta, sino que las recoloca, ahora con el marchamo de aproximadas o parciales, habiendo aprendido a usarlas y comprenderlas mejor, y, sobre todo, a entender sus límites de validez.

(Casi) un siglo de Cosmología III es la tercera y última parte de una serie que reproduce, con alguna revisión menor, el artículo publicado en el número 21 de ALKAID. Enlaces directos a la primera y segunda parte: (Casi) un siglo de Cosmología I(Casi) un siglo de Cosmología II

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