Está bien. Hoy lo sabemos.
El Universo no estuvo siempre. El tiempo y el espacio no existieron siempre. La materia y la energía fueron creadas de un solo golpe, junto con las leyes que la rigen. Sin caer en elucubraciones místicas, la creación tal como la entienden los religiosos no ha de haber sido muy diferente de lo que sucedió en realidad: Fiat lux!, y la luz se hizo. Energía que no existía comenzó a existir de repente.
Llamamos a este fenómeno fundacional de nuestra realidad Big Bang, a falta de un nombre mejor. Significa algo así como "la Gran Explosión", términos algo equívocos para un suceso que acaeció cuando el tiempo y el espacio no existían. Más que una explosión en medio de una nada oscura y fría, debemos imaginárnoslo como el inicio de una expansión que transformó un universo pequeñísimo y muy, muy caliente en el enorme universo intolerablemente frío que observamos hoy.
Un universo en expansión, correcto. Un pequeño "huevo cósmico" como querían los antiguos, pero... ¿rodeado de qué? ¿De nada? Pues no lo sabemos. Un universo rodeado de no-universo, acaso. Y el huevo... ¿de dónde salió? No lo sabemos. ¿Estuvo siempre? No lo sabemos. Las leyes físicas estaban totalmente contenidas en él, por lo que mal podemos inferir lo que sucedía fuera (o "antes", si se nos permite el término) del comienzo de todo.
Independientemente de nuestra grave dificultad para imaginar una realidad previa (o "externa", o "distinta", o "alternativa") a la existencia del Universo, el Big Bang es un hecho demostrado.
En 1929, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que la mayoría de las galaxias se apartan unas de otras a velocidades proporcionales a sus distancias. Este hecho, perfectamente compatible con la expansión del Universo como unidad, apoya el concepto de que las galaxias debieron estar en un determinado momento mucho más juntas que ahora. Sólo se trataba de "pasar la película hacia atrás" para ver qué resultaba de ello: un universo compacto, pequeño y muy caliente. El hecho de que el Universo se expande y siempre lo ha hecho se conoce como "Ley de Hubble".
 Edwin Hubble observando el Big Bang |
El postulado de Hubble implicaba que, si el calor había sido tan grande como la teoría predecía, debíamos ser capaces de detectar sus restos remanentes en el Universo actual. Había que buscarlos, y así se hizo. El Premio Nobel de Física de 1978 fue otorgado a los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson, que descubrieron en 1965 la Radiación de Fondo Universal, la que, hasta el día de hoy, compatibiliza completamente con la idea de que es la última resonancia del inicio de aquella expansión que aún persiste.
Sin embargo, queda una cuestión muy importante, que, si bien había sido considerada cuidadosamente por muchos, nunca había hallado una respuesta seria (ni mucho menos observacional). La cuestión es: la Ley de Hubble nada dice acerca de la densidad, simetría u homogeneidad de aquel "huevo primordial" (al que los físicos llaman "singularidad"). Si la singularidad era homogénea, con igual densidad en todas sus partes, y asimismo lo fue el pequeño Universo de los primeros milisegundos, ¿cómo explicamos entonces la obvia heterogeneidad de nuestro Universo actual? ¿Cómo podemos entender que haya pequeñas zonas donde las galaxias están apretadamente apiñadas (en términos cósmicos, claro), mientras que podemos ver enormes volúmenes de espacio donde no hay galaxias ni estrellas?
Si, por el contrario, un universo inicial heterogéneo dio origen a nuestro universo terminal también heterogéneo (como es lógico), ¿por qué nadie había encontrado discontinuidades que justificaran las diferencias de densidad del Universo observable?
Como hemos escrito en otro sitio, ya en el siglo V a.C. Anaxágoras de Clazómene había elaborado una teoría que, a su modo, explicaba las discontinuidades del universo visible. Anaxágoras decía que el universo estaba formado de pequeñas "semillas cósmicas". Hoy en día se asocia la teoría anaxagórica con una prefiguración de la teoría atómica y no con el Big Bang, pero podríamos imaginar un universo primitivo en el cual la distribución de materia y energía no era uniforme, sino que todo lo existente estaba agrupado en pequeños "grumos" (o "semillas") muy densas y compactas, separadas por espacios comparativamente mayores de densidad muy escasa o casi nula.
¿Puede haber sido cierta esta visión? ¿Pudo la realidad visible haber comenzado mediante "semillas"? ¿Cómo podríamos probar más allá de toda duda razonable semejante extremo?
Los esfuerzos para verificar las fluctuaciones en la radiación de fondo comenzaron a principios de los años 90, y, como es obvio, se referían a su temperatura. Si las mediciones de la temperatura de los ecos del Big Bang eran idénticas en todos los sectores del universo, de ello hubiese podido inferirse que en los primeros instantes la distribución de materia y energía habían sido homogéneas. Si había variaciones mensurables en esa temperatura, se estaría probando el caso contrario.
El satélite COBE, que mide diferencias de temperatura de 1 parte en 100.000 y con resoluciones angulares de 7°, arrojó en aquellos tiempos resultados totalmente compatibles con la teoría de los "grumos" o fluctuaciones. Más tarde, la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, Sonda Wilkinson de Anisotropía de Microondas) mejoró aún más los resultados de COBE.
 Imágenes de las diferencias de temperatura en la radiación de fondo obtenidas por COBE. Los colores rojizos son calientes; los azules, fríos. En la primera imagen el satélite intentó detectar —sin éxito— diferencias de algunos grados K. En la segunda, la radiación de fondo aparece distorsionada por los movimientos de la Tierra y el Sol. La tercera es la temperatura "real" de la radiación de fondo, con las influencias solar y terrestre sustraídas. El cuerpo rojo del medio es nuestra galaxia; el resto, la radiación de fondo universal. Pueden verse imágenes de baja resolución de las "fluctuaciones" que originaron las galaxias. La diferencia de temperatura entre los grumos "calientes" y los "fríos" es de apenas 18 microgrados Kelvin (18 u°K) |
Más recientemente, los estudios se repitieron sobre la radiación de microondas de fondo mediante tres instrumentos independientes, los telescopios instalados en globos Boomerang y Maxima y el interferómetro DASI colocado en el Polo Sur. Los tres confirmaron las fluctuaciones de temperatura, y abrieron los caminos para pruebas más detalladas que mostraran la naturaleza exacta de las discontinuidades primordiales. Los científicos estaban cada vez más cerca de comprender la astrofísica de los primeros segundos de la creación.
 Barquilla del globo que transportaba a Boomerang |
¿Qué sucedió exactamente?
El Modelo Estándar de la cosmología actual, aceptado por casi todos, señala que el universo en efecto comenzó con el Big Bang hace unos 15 mil millones de años. Apenas iniciado, se produjo un breve período de expansión ultrarrápida conocido como inflación (de allí la expresión "universo inflacionario" para referirse a los primeros instantes de la realidad).
Durante el período inflacionario, que duró sólo 10-35 segundos, el universo incrementó su tamaño 1050 veces. Hoy se cree que la mayor parte de la materia del universo se creó en este breve instante, aunque por supuesto no bajo la forma de átomos, sino de partículas elementales sueltas. Las variaciones de densidad que se produjeron se conocen como "fluctuaciones cuánticas", que se derivan del Principio de Incertidumbre de Heisenberg. En nuestro actual modelo de universo inflacionario, estas fluctuaciones microscópicas de densidad se incrementaron y amplificaron exponencialmente para formar toda estructura actualmente visible, incluyendo las gigantescas acumulaciones de galaxias que podemos observar con nuestros poderosos telescopios.
 Serie de imágenes —similar a la de COBE— tomada por el telescopio WMAP. Compárese con la anterior para apreciar la superior resolución de este instrumento |
Poco después, a medida que el universo continuaba expandiéndose (aunque cada vez más lentamente), también comenzó a enfriarse. En esta etapa del fenómeno, la luz creada en el Big Bang era dispersada por las partículas elementales sueltas, principalmente electrones libres sumergidos en una sopa primordial de iones de hidrógeno y helio conocida como plasma.
 Comparación entre la resolución de COBE y WMAP para medir las diferencias de temperatura de la radiación de fondo. Las mismas diferencias se observan en las dos fotos del bebé: si la imagen la hubiese tomado COBE, estaría completamente borrosa. WMAP y los instrumentos posteriores serían capaces de leer el número de la pulsera sin problemas |
Luego de eras enteras que duraban fracciones infinitesimales de segundos, el tiempo pasó y pasó. La dispersión de la luz cesó cuando el universo se hubo enfriado lo suficiente como para permitir a los electrones y protones libres (que no son otra cosa que iones de hidrógeno) unirse para formar los primeros átomos verdaderos de la historia de nuestro universo. Esto sucedió 300.000 años después del Big Bang, y también sus resonancias son visibles hoy. Los restos de ese proceso constituyen la así llamada "radiación de cuerpo negro" con una temperatura de 3° K (-270° C).
Siguiendo con nuestra lógica inicial, tanto la teoría como las observaciones de COBE, Boomerang, Maxima y DASI respecto de mínimas variaciones en la temperatura de las microondas de fondo (llamadas "variaciones anisotrópicas") que permean todo el universo, no están haciendo otra cosa que reflejar las pequeñas diferencias de densidad que existieron en el momento de la última dispersión de aquella luz primigenia, cuando el universo medía sólo 100 megaparsecs (algo así como 326 millones de años luz), una especie de juguete o miniatura de lo que es hoy en realidad. El frente de onda de esa última dispersión se encuentra hoy a 5 mil megaparsecs de aquí, y se sigue alejando de nosotros.
 Diagrama de la barquilla del globo que transportaba a Maxima |
Pero si volvemos al último momento previo a la formación del primer átomo, si nos retrotraemos a aquel universo de 300 mpcs, encontramos que las fluctuaciones cósmicas de la sopa original llevaron, como es lógico, a pequeñas diferencias de presión en el seno de aquel fluido. Las tales variaciones siguen siendo mensurables hoy en día.
El pico máximo de cambio de presión se produjo simultáneamente con la creación de los primeros átomos, pero, desde entonces, se han producido algunas oscilaciones menores pero más frecuentes. Las pequeñas atrapan la radiación con menos eficiencia que la grande, y por ello la más visible es aquella y no éstas.
 El telescopio orbital COBE |
En realidad, lo que podemos ver es una serie de fluctuaciones de presión compuesta por tres picos progresivamente menores, todo ello positivamente confirmado por las observaciones de Boomerang, Maxima y DASI. Algunos nuevos experimentos señalan que hay incluso un cuarto pico, exactamente tal como nuestras teorías lo habían predicho.
Dos grupos de radiotelescopios pusieron manos a la obra para observar con un grado de detalle nunca visto las fluctuaciones del inicio. Se trata del CBI (Cosmic Background Interferometer, Interferómetro de Fondo Cósmico) de Chile y del VSA (Very Small Array, Conjunto de Radiotelescopios Muy Pequeño) de Tenerife, España. Los datos de CBI y VSA han confirmado hasta la última coma las ideas que hemos expuesto en las líneas precedentes, trazando un minucioso mapa de las fluctuaciones de presión y, en consecuencia, de las "semillas anaxagóricas" que dieron origen a todas las estructuras a gran escala que existen en nuestra realidad física.
 Telescopio aerostático Boomerang en el momento del despegue |
CBI y VSA consisten en pequeños grupos de telescopios que se comportan como si fueran un telescopio gigantesco, pero cuya resolución se halla limitada por los tamaños reales de las antenas que lo forman. El primer grupo consta de 13 antenas parabólicas (cada una de 90 cm de diámetro) ubicadas a más de 5.000 m de altura en el Desierto de Atacama. El segundo, de 14 parábolas de 14 cm. localizadas en la cima de un monte de 2.400 m de altura en las Islas Canarias. Aunque ambos son concluyentes en la comunión de resultados, las antenas chilenas, por su mayor diámetro, son mucho más precisas. Trabajaron en Chile astrónomos de la británica Universidad de Cambridge y en España del CalTech (Instituto Tecnológico de California). Las ideales condiciones atmosféricas en los dos sitios han permitido a estos instrumentos igualar la exquisita sensibilidad térmica del COBE pero con mucha mayor resolución.
Las observaciones de CBI y VSA indican claramente que la materia bariónica (a la que podríamos definir como materia "normal", formada por protones y neutrones) está en el 5% de la densidad crítica prevista para la formación de helio, litio y deuterio en los primeros minutos del Big Bang. Esto explica con total comodidad las existencias de estos tres elementos en el universo primitivo. La existencia de bariones maneja, además, las amplitudes relativas de los picos de presión, que se debieron a compresiones o enrarecimientos bruscos de los gases formados por ellos, generando de este modo las famosas ondas de presión. Todas las predicciones se corresponden con los datos de Chile y las Canarias sin fallar en nada.
 Las antenas del VSA en Tenerife |
Otro porcentaje de la densidad crítica corresponde a la materia oscura. Ésta no interacciona con la luz ni con otros tipos de radiaciones, por lo que no evidencia los efectos de las ondas de presión ni las oscilaciones producidas por las fluctuaciones anisotrópicas. Los cosmólogos pueden sumar la densidad de la materia bariónica mas la de la materia oscura, ambas responsables de todos los efectos gravitacionales del universo. Esta cuenta da entre un 10 y un 50% de la densidad crítica. Ello significa, ni más ni menos, que nos falta entre un 50 y un 90% de la densidad crítica, es decir, que más de la mitad de la densidad del universo necesaria para que existan los átomos no aparece por ninguna parte. ¿Dónde está? Los átomos existen, por lo que esa densidad existe también, la veamos o no.
La respuesta al enigma es que la densidad faltante se encuentra representada por una forma exótica de energía, conocida como energía oscura , bastante diferente de la energía "normal". La energía oscura no es sensible a ni generadora de atracción gravitacional alguna. Esto quiere decir que no tiende a agruparse entre sí como la materia normal ni la oscura, y que, por mucha que haya, nada será jamás atraído por ella. Este es uno de los motivos por los que el universo nunca colapsará sobre sí mismo. La mayor parte de la densidad del mismo es energía oscura, que no ejerce efectos gravitatorios y, por lo mismo, nunca será capaz de detener la expansión.
 Semillas de galaxias retratadas con impresionante nivel de detalle por la sonda WMAP |
Volviendo al asunto de las ondas de presión —recordemos que conocíamos tres y los estudios de hace unos meses descubrieron una cuarta—, de intensidades decrecientes, tenemos entonces, con los resultados de CBI/VSA, una preciosa, elegante y absolutamente coherente confirmación de una de las predicciones básicas de la Teoría Cosmológica Estándar, a saber: cuando miramos las diferencias de temperatura en la radiación de fondo, estamos asistiendo a los últimos coletazos de las fluctuaciones acústicas que originaron las semillas primordiales. Esas ondas de presión sobrevivieron y, andando los miles de millones de años, permitieron que las semillas formaran las galaxias, cúmulos de galaxias, grupos y supergrupos de galaxias que observamos en el universo actual.
Una de las consecuencias más importantes y felices de las nuevas mediciones obtenidas por los nuevos experimentos es la verificación de la forma real del universo. Ello es así porque la ubicación de los picos de presión dependen, en primer lugar, de la curvatura del universo y también de la densidad de la materia atrapada en él. Si el universo tiene una gran curva, los picos serían menores. Si la densidad de materia es pequeña, también.
 Instalaciones de CBI en Atacama |
Los valores obtenidos por los dos grupos de radiotelescopios demuestran que esto no se verifica: a pesar del tan cacareado universo no euclidiano, del universo en forma de corneta, de nudo mariposa o de lobo marsupial de Tasmania, estos resultados demuestran tres cosas: que nuestro universo posee geometría euclidiana, que es plano y que la densidad de materia y energía en él está perfectamente ubicada dentro del 5% previsto por Einstein en la Teoría General de la Relatividad para un universo plano.
 Una teoría equivocada: el universo no presenta esta absurda forma de corneta |
Vale la pena explicar esto un poco más.
La relatividad predice correctamente que la gravedad depende en realidad de la curvatura que una gran masa material produce en el espacio que la rodea. La primera y más obvia consecuencia de ello es que, en un espacio curvo, las líneas rectas (como los rayos de luz que nos llegan de las estrella lejanas) dejan de ser rectas y se "doblan" a uno u otro lado. Esto es un hecho que se comprobó experimentalmente en 1919 durante un eclipse. Los astrónomos demostraron que la luz de las estrellas lejanas se desviaba unos 2" de arco en la vecindad del Sol, efecto que únicamente puede deberse a la curvatura provocada en el espacio circundante por nuestro astro rey.
 Los tres destinos que se creían posibles para el universo: abierto (si no se alcanzaba la densidad crítica), cerrado (si se la superaba) o plano (si se alcanzaba exactamente). El último terminaría colapsando. Hoy sabemos que el universo es plano y que se expandirá eternamente |
De esa forma, los científicos del siglo XX se sintieron tentados a abandonar la geometría euclidiana en lo que respecta al universo. Si las paralelas comenzaban a cortarse, si las rectas se hacían curvas, entonces toda la teoría previa estaba equivocada. La gravedad por sí misma podía explicar la geometría del universo. De este modo, los mismos medios traían implícita la respuesta a uno de los enigmas más perturbadores: el origen del cosmos. El universo se expandía en medio de una tregua inestable entre la energía cinética de la expansión y las fuerzas gravitacionales que pretendían detener a aquella y forzar al espacio a contraerse. Como nos enseñaron hace unas décadas, la teoría en boga decía que si había x cantidad de materia (la densidad crítica de la que hemos estado hablando) el universo se expandiría para siempre. Si el valor x era superado, desaceleraría hasta detener la expansión y luego se contraería. El problema aquí, como se sabe, es que no podemos medir con precisión la cantidad de materia oscura, que puede hacer superar o no el valor crítico.
Las formas posibles del universo eran tres, al menos hasta hace pocas semanas. Podía ser euclidiano —plano—; podía tener la forma de la superficie de una esfera; o bien podía tener la forma de una hipérbola (una superficie en forma de silla de montar, curvada en dos direcciones a la vez).
 Las tres formas propuestas del universo. Las dos primeras son erróneas, la inferior es la real |
Si la densidad crítica no se alcanza, la relatividad general predecía que el universo se expandiría por siempre y tendría esta última forma (la hipérbola-montura). La energía expansiva sería, en esta visión, mucho más grande que la energía potencial de la gravedad. También hubiese podido ser que la gravedad fuese más importante que la energía cinética de la expansión, y en consecuencia ese universo sobrepasaría la densidad crítica.
La tercera posibilidad —que la densidad sea exactamente la crítica, sin sobrepasarla ni quedarse corta— generaría un universo euclidiano, el único posible en este caso. Todo esto deriva de que la Relatividad asocia la densidad de masa-energía con la geometría del universo. Dicho de otro modo, la forma del universo dependerá y será determinada por la cantidad de cosas que contenga.
Y aquí volvemos al concepto de la energía oscura.
A pesar de que puede sonar a idea "moderna", el concepto fue desarrollado por Einstein en 1917, muchos años antes de que nos diéramos cuenta siquiera de que el universo estaba creciendo. El sabio alemán hizo esto para neutralizar ciertos efectos de su teoría, y así estabilizar el universo para que no se expandiera ni se contrajera. La llamó "constante cosmológica", y no se la encuentra en ningún otro sitio más que en la Relatividad General.
Cuando Hubble le demostró que el universo en realidad se expandía, Einstein dio marcha atrás y aceptó, contrito, que la constante cosmológica había sido el más grave error de su vida.
La historia de la constante cosmológica es errática y azarosa: va y vuelve, y ha ido y venido muchas veces. A medida que la tecnología observacional avanzaba, la constante cosmológica hacía un respetuoso mutis por el foro. Mas una y otra vez se la "resucitaba" para explicar alguna observación puntual que no encajaba en el modelo.
Así como Friedmann y Lemaitre predijeron la expansión antes de que Hubble la observara, del mismo modo la aparición de la teoría de la inflación predijo en 1981 que el universo es plano. Si la transición de los 10-35 segundos luego del Big Bang es correcta, entonces el universo se aplanó en ese brevísimo instante. En este caso, el universo está exactamente a la densidad crítica. Y la responsable (que no puede ser la materia oscura) es, precisamente, la constante cosmológica de Einstein.
Estamos asistiendo a su última y más importante resurrección: gracias a ella sabemos hoy que el universo es plano, que es euclidiano, que no hay suficiente materia oscura y que seguirá expandiéndose.
 Las tres formas posibles de expansión: la correcta es la tercera. Nuestro universo es plano y euclidiano |
Por suerte, uno de los experimentos recientes quedó en capacidad de probar varios de estos extremos. Se trata del telescopio aerostático Boomerang, que voló durante diez días sobre el continente antártico observando un pequeño porcentaje del cielo con una resolución angular de 0,25° (altísima).
Si bien las fluctuaciones de temperatura en la radiación de fondo se conocían desde 1992 (el famoso descubrimiento del COBE), la superior resolución de Boomerang permitió probar algo que la teoría predecía: si en efecto el pico de intensidad de la onda de presión había ocurrido cuando el universo tenía solo 300.000 años de antigüedad, el pico mostraría una característica escala angular de 45 minutos de arco si el universo fuese plano. Este ángulo depende, precisamente, de la forma y curvatura exacta del universo. Por supuesto, la muy exacta medición de Boomerang demostró que la teoría era correcta. Estas fluctuaciones ocurrieron en verdad en el origen, exactamente en los momentos predichos, y en un universo de la forma exacta que se había teorizado: ...¡plana!
Se trata de un universo totalmente gobernado por la energía oscura (que no por la materia, ni oscura ni brillante) y que depende de la constante cosmológica. Como vemos, Einstein murió convencido de haberse equivocado, cuando en realidad había acertado en un 100%.
Para mayor seguridad, sabemos hoy que las medidas de las distancias a las supernovas tipo Ia demuestran que la expansión se está acelerando, justamente lo que cabría esperar (y la teoría predice) para un universo espacialmente plano, dominado por la constante cosmológica y cuya densidad crítica depende en dos tercios o así de la energía oscura.
De este modo, tenemos hoy un modelo cosmológico coherente, verificado por dos demostraciones independientes que se lograron mediante dos experimentos absolutamente no relacionados entre sí.
Desde el universo esférico, muy pequeño y centrado en la Tierra que imaginó Aristóteles, la ciencia humana ha recorrido un largo camino.
 El borde del universo: fotografía de los más lejanos objetos conocidos, tomada por la cámara Ultra Deep Field del telescopio espacial Hubble |
La comprensión de la verdadera estructura y origen de la realidad visible nos ha demostrado que Anaxágoras no estaba equivocado, que las agrupaciones de materia como las galaxias en verdad nacieron de semillas, que el universo en expansión es una realidad concreta y que no tiene forma de esfera, de cuerno ni de silla de montar sino que es plano. Además, la expansión nunca se detendrá, continuará para siempre, y este concepto de expansión es lo más cerca que jamás estaremos de comprender la palabra "eternidad": el lapso durante el cual el universo continuará creciendo.
Todos estos nuevos conocimientos están agradadablemente condimentados por algunas faltas de concordancia y un puñado de nuevas preguntas, que sólo la férrea voluntad del ser humano para conocer la verdad dotarán, dentro de poco, de respuestas.
 Excelente primer plano de las semillas anaxagóricas de galaxias tomado por las antenas del CBI de Chile |
El desafío, como siempre, estribará en adaptar las teorías a las observaciones y no en tratar de acomodar el universo para que se adapte a nuestros deseos y esperanzas.