El infinito sin estrellas

El infinito sin estrellas

El trabajo de los equipos premiados la semana pasada con el Nobel de física nos reveló una realidad inquietante: la expansión del Universo se está acelerando. ¿Podría llegar el momento en que todo quede a oscuras?

por José Edelstein y Andrés Gomberoff S. |  Académico de la Universidad de Santiago de Compostela y Vicerrector de Investigación y Doctorado de la UNAB, respectivamente.   Revista Qué Pasa, 13/10/2011     http://www.quepasa.cl/articulo/tecnologia---ciencia/2011/10/23-6740-9-el-infinito-sin-estrellas.shtml 

¿Qué ocurrirá al final de la saga? "Se sabrá tanto de las estrellas como de cicatrices", cantaba Silvio Rodríguez en 1998. Ese mismo año, grandes novedades relativas al fin de la saga cósmica eran anunciadas más al Norte. Quizás de estrellas se sepa por un largo tiempo, pero de galaxias, en apenas algunos billones de años, no quedarán ni cicatrices.

La Academia Sueca ha certificado oficialmente, con la entrega de su célebre premio Nobel a los estadounidenses Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess, que el universo se encuentra en una etapa de expansión acelerada. Dado que la velocidad de la luz es finita y constante, esto significa que, progresivamente, galaxias enteras se alejarán a velocidades cada vez mayores, al punto de, literalmente, perderlas de vista para siempre.

Algo tan simple como la oscuridad de la noche puede constituir un gran misterio. Hasta hace un siglo era usual la imagen del universo como un espacio infinito, estático, eterno, y espolvoreado homogéneamente de estrellas. Esta visión conduce inexorablemente a una paradoja que lleva el nombre de Heinrich Olbers, si bien fue formulada más de un siglo antes  por Edmund Halley, el primero en identificar la periodicidad del cometa que lleva su nombre. ¿Por qué la noche es oscura?

"Si la sucesión de estrellas fuera ilimitada, el fondo del cielo presentaría una luminosidad uniforme, ya que no podría haber absolutamente ningún punto hacia el que pudiéramos mirar en el que no existiera una estrella".  Así presentaba la paradoja Edgar Allan Poe en Eureka: un poema en prosa, una suerte de tratado cosmológico dictado por la intuición, que Poe escribió en la antesala de su muerte. El cielo nocturno debería, por lo tanto, ser brillante como la superficie del Sol.

¿Por qué es oscura la noche? Es una pregunta que no pudo contestarse satisfactoriamente durante siglos. Y el primero en esbozar una respuesta sensata no podía ser otro que el supremo autor de los mejores cuentos de terror, alguien que se jugaba demasiado con la negrura de la noche. "La única manera, entonces, de que podamos comprender los abismos cosmológicos que encuentran nuestros telescopios, sería suponer que la distancia hacia ese fondo oscuro es tan inmensa que ningún rayo proveniente de allí haya sido capaz de alcanzarnos aún", sentenció Poe. El universo debía tener origen en un instante pasado, de modo que la luz de las estrellas más lejanas aún no hubiera llegado a nosotros. Cuando en una noche despejada vemos las estrellas, la oscuridad del cielo nos está contando que el universo no puede ser infinitamente vasto y, al mismo tiempo, infinitamente viejo.

Einstein vs. Lemaître

Si el nacimiento del universo fue intuido por un escritor apasionado del bourbon, la teoría del Big Bang fue concebida por un sacerdote católico. El belga Georges Lemaître era, además, físico. Su teoría fue recibida en un comienzo con violentas críticas. Y no tanto por parte de otros miembros del clero, que probablemente veían en el origen del universo indicios de la creación divina, como provenientes de sus colegas físicos. "Su matemática es correcta, pero su física abominable", le dijo Albert Einstein al conocer su trabajo, en octubre de 1927.

Lemaître estaba muy al corriente de las observaciones astronómicas de aquella época tras su estancia de un año en Harvard. Pensaba que la única forma de explicarlas era a través de un universo en expansión, en donde la distancia entre galaxias aumentaba a medida que transcurría el tiempo. Para demostrarlo utilizaba las ecuaciones de la relatividad general. El propio Einstein ya había visto que su teoría predecía dicho comportamiento. Sin embargo, la inestabilidad intrínseca de un universo condenado a colapsar bajo los efectos de la atracción gravitatoria y un rechazo manifiesto a la sola idea de que el universo pudiera tener una fecha de comienzo, le llevó a la convicción de apostar por un universo estático e inmutable a gran escala.

Para domar a los astros y conseguir su inmovilidad, debió hacer lo que más tarde consideró la peor "metida de pata" de su vida. Modificó sus ecuaciones agregándoles un "término cosmológico". Éste tenía el efecto de trastocar la gravedad a distancias grandes y hacerla repulsiva. Así, la atracción a distancias pequeñas y la repulsión a escalas cósmicas podría compensarse, permitiendo un universo de galaxias inmóviles.

Pero la opinión del propio Einstein fue cambiando a medida que la evidencia experimental se hacía más y más sólida. Los resultados del astrónomo estadounidense Edwin Hubble, en 1929, no sólo terminaron por convencer a la comunidad científica de que las galaxias se movían, apartándose de nosotros. Mostró además que la velocidad con que se alejaban era proporcional a la distancia que nos separa de ellas. Es lo que conocemos hoy como la Ley de Hubble. Este tipo de comportamiento es precisamente el que se espera en un universo en expansión. Si las galaxias se alejan unas de otras, razonó Lemaître, en el pasado cada vez estuvieron más cerca. Todo el universo debió, en algún momento, concentrarse en un punto infinitamente denso, "el átomo primigenio", en lo que hoy conocemos como la teoría del Big Bang.

Si bien era claro a mediados del siglo XX que el universo se expandía, nadie sabía cuál sería su destino. ¿Continuaría ensanchándose de forma indefinida? ¿Se iría frenando hasta comenzar a contraerse y terminar en un "Big Crunch"? A pesar de que no se contaba con mediciones suficientemente precisas que permitiesen dar un veredicto, la última era, hasta 1998, la imagen más aceptada. Las galaxias se alejan unas de otras como se aleja de la Tierra una piedra que lanzamos hacia arriba. Eventualmente la fuerza de gravedad se impondrá, la piedra frenará y comenzará a caer.

Una forma de predecir el futuro del universo consistiría en hacer más mediciones, muy precisas y de galaxias muy lejanas. El sino cósmico quedaría a la vista a través de pequeñas desviaciones de la Ley de Hubble. Realizar estas mediciones, poder hurgar en el desván de los confines del universo, parecía un desafío desmesurado para una especie que, en definitiva, habita en un pequeño planeta, desde el que las profundidades de la bóveda celeste se presentan oscuras e inescrutables. Pero allí estaban las supernovas para iluminar el camino.

Nostalgia de la supernova

Medir la distancia que nos separa de objetos lejanos en el espacio no es un problema sencillo. Cuando contemplamos una estrella, el brillo de ésta puede disminuir tanto por su lejanía como por su luminosidad intrínseca. Para conocer la distancia, los astrónomos eligen objetos cuyo brillo intrínseco pueden inferir de algún modo. Las supernovas son uno de estos objetos. En particular, una clase de supernovas denominada tipo Ia. Se trata de la explosión de un tipo de estrellas llamadas enanas blancas, pesadas como el Sol, pero pequeñas como la Tierra. Tiene lugar cuando se forma un sistema binario de dos estrellas, una de las cuales roba materia a su compañera por efecto de la atracción gravitatoria. Llega un momento en que la estrella que engorda se hace inestable y colapsa, provocando una súbita explosión nuclear de tal intensidad, que su brillo alcanza a ser el mismo que el de una galaxia entera.

Si bien estos eventos son inusuales (un puñado por milenio en la Vía Láctea), al observar muchas galaxias podremos encontrar algunas de estas supernovas en un tiempo razonable. Pero la característica más importante de estas explosiones es la forma en que la intensidad de su resplandor alcanza un máximo y va disminuyendo en el curso de algunas semanas. La forma de esta curva está relacionada con el brillo intrínseco de las supernovas, lo que permite a los astrónomos determinar la distancia a la que se encuentran. Su velocidad relativa se calcula observando cómo el espectro de la luz emitida se modifica debido a un fenómeno conocido como efecto Doppler. En la medida en que la velocidad del objeto luminoso aumenta, las longitudes de onda se desplazan hacia los rojos. Es lo que hizo Hubble.

La determinación precisa de distancias a galaxias lejanas permitió a los grupos galardonados con el Nobel de Física observar que la Ley de Hubble, de hecho, dejaba de ser cierta a distancias suficientemente grandes. Galaxias que se alejan de nosotros a una velocidad determinada, se encuentran algo más lejos de lo que predice dicha ley. De aquí se desprende un resultado totalmente inesperado. Inquietante. La expansión del universo no sólo no se está frenando ¡se está acelerando!

El resultado fue confirmado desde entonces por varias observaciones de naturaleza completamente distinta, por lo que sólo queda aceptarlo e intentar esclarecerlo. ¿Pero cómo explicar un fenómeno tan extraño? Ya dijimos: necesitamos una fuerza de gravedad repulsiva a grandes distancias… ¡el término cosmológico que introdujo el propio Einstein! La llamada "constante cosmológica" parece ineludible para explicar la aceleración cósmica. O al menos algún elemento que se comporte de modo similar y al que genéricamente se denomina energía oscura.

Se comporta como un fluido de propiedades físicas inusuales, que llena el universo, dando cuenta de nada menos que el 73% de su contenido energético. Esto es, desde ya, desalentador. Sobre todo cuando sabemos que del resto, 23% es materia oscura, y apenas el 4% corresponde a la materia que nos rodea, nos conforma y entendemos en parte.

Las cosas son aun peores. Las leyes de la física cuántica dejan en evidencia que el vacío absoluto no existe. Que aún en ausencia de materia hay una suerte de burbujeo microscópico en el espacio, y el "vacío" del universo intergaláctico no puede ser una excepción. Esta vivacidad que presenta el espacio yermo a nivel cuántico proporciona una "energía del vacío" que tiene exactamente las propiedades necesarias de la energía oscura.

Pero la alegría no dura mucho. Un breve cálculo nos demuestra que, de acuerdo a nuestras teorías vigentes y comprobadas de la materia, la energía del vacío es 120 órdenes de magnitud (un uno seguido de 120 ceros) mayor que la observada. Cuantitativamente, se trata de la predicción más fallida de la física contemporánea. Es el afamado "problema de la constante cosmológica", quizás el misterio más importante de la física teórica de nuestros días. No entendemos por qué la constante cosmológica que se observa es tan chica y, al mismo tiempo, da cuenta de tres cuartas partes del contenido del universo.

Chile y el sino cósmico

Es importante resaltar el trabajo que desde Chile se ha hecho en estas victorias del intelecto humano. Los profesores Mario Hamuy y José Maza de la Universidad de Chile,  desde el proyecto Calán - Tololo, fueron primordiales en el descubrimiento de las técnicas de medición de distancias con supernovas. Además, su datos fueron cruciales para el hallazgo del grupo de Schmidt y Riess. En el artículo original que les dio el Nobel a estos últimos colaboró también el astrónomo argentino de la Universidad Católica Alejandro Clocchiatti.

Quizás el estado de ánimo de Chile mejore si se presta más atención a los logros de sus científicos. Confiamos en que ese momento llegue antes de que veamos desaparecer tras el horizonte cosmológico a la penúltima galaxia. Andrómeda, nuestra vecina más cercana, y la Vía Láctea colisionarán para formar una única galaxia que navegará solitaria en un universo vacío. Y al enamorado del bolero Piel canela le quedará lo único que le importaba: el negro de los ojos y el aroma de la piel de su mujer amada. Será demasiado tarde.