El origen de todo

Hubo un instante muy remoto en el que el universo, con toda su materia y energía,  estuvo comprimido en el tamaño de un guisante: los cientos de miles de millones de galaxias que existen en la actualidad estaban contenidas en un espacio diminuto, en forma de una sopa cósmica de partículas muy caliente donde la materia y la luz se mezclaban en… Un momento. Así, a palo seco, no hay quien se lo crea, ¿verdad? Pues vamos a empezar de nuevo:

Rebobinando el Universo

En 1929, el astrónomo Edwin Hubble demostró, tras muchas observaciones, que las galaxias se alejan unas de otras y que además este desplazamiento aumenta con la distancia: cuanto más distantes, a mayor velocidad se alejan. ¿Cómo explicarlo? Cojan ustedes un globo y pinten unas galaxias (con unos puntitos vale). Al hincharlo, las galaxias de ese pequeño universo en dos dimensiones se alejarán con el mismo patrón que observó Hubble hace ochenta años, y que se conoce como la expansión del universo. Y, si el fenómeno de la expansión ya resulta sorprendente, procedamos ahora a “deshinchar” el universo: las galaxias se irán acercando las unas a las otras hasta converger en un punto diminuto de gran densidad, menor incluso que el guisante con el que comienza el artículo. Pues se cree que así empezó todo: hace 13.770 millones de años, toda la materia y energía estaba contenida en un punto infinitamente denso y pequeño que experimentó una violenta expansión, origen del tiempo, el espacio y todas las agrupaciones de materia. Es lo que se conoce como big bang y constituye, hasta la fecha, el esqueleto teórico que mejor explica el origen del universo en el que vivimos.

La foto del bebé

Pero hablamos de un universo radicalmente distinto al que observamos hoy día: una centésima de segundo después del big bang, la materia y la radiación (lo que los profanos conocemos como luz) se encontraban mezcladas en una sopa cósmica con una densidad cuatro mil millones de veces mayor que la del agua y a una temperatura de unos cien mil millones de grados. No había galaxias ni estrellas, tan solo núcleos de hidrógeno, helio, electrones libres (todos ellos objetos con carga eléctrica), y muchísima radiación. La densidad de partículas cargadas era tan alta que un fotón, la partícula elemental de la radiación, tenía muchas probabilidades de interaccionar rápidamente con ellas o, lo que es lo mismo, solo podía recorrer un camino muy corto hasta encontrarse con un electrón o un núcleo de materia.  

Pero, a medida que el universo se expandía, la temperatura iba disminuyendo. Llegó un momento en que los electrones comenzaron a ser "atrapados" por los núcleos, formando los primeros átomos de hidrógeno y helio, objetos sin carga eléctrica. Así, los fotones dejaron de tener obstáculos con los que interaccionar y comenzaron a viajar por su cuenta: la materia y la radiación se desacoplaron. Esto ocurrió cuando el universo contaba con unos 375.000 años (era muy joven aún, dadas las últimas estimaciones que calculan su edad en unos 13.770 millones de años).

Detalle del fondo cósmico de microondas. Fuente: NASA / WMAP Science Team

Desde entonces, aquellos fotones han proseguido su camino sin interrupción e impregnan todo el universo en forma de radiación fósil uniforme. Eso sí, su temperatura ha disminuido hasta los 270 grados bajo cero y se sitúa en la zona de microondas del espectro electromagnético, imposible de observar a simple vista. Pero, para nuestro asombro, podemos "contemplar" esta radiación encendiendo el televisor sin sintonizar: un pequeño porcentaje de la multitud de puntos que brillan desordenados en la pantalla (la estática) son el remanente de la gran explosión, emitidos directamente desde el big bang a nuestro salón.

Esta radiación primordial se denominó fondo cósmico de microondas, y su uniformidad constituye una de las pruebas de la teoría del big bang: sería, y de hecho se ha intentado, muy difícil imaginar una fuente de radiación local que presentara tal uniformidad.

¿Y las galaxias?

Cualquiera un poco suspicaz tendrá sus sospechas: ¿cómo se convierte ese puré tan bien batido en lo que vemos hoy: grandes vacíos salpicados por agrupaciones de galaxias en forma de filamentos? La teoría más aceptada defiende que pequeñísimas fluctuaciones en la densidad de la materia original fueron el germen de estas estructuras. Es decir, dentro de esa sopa cósmica había grumos de densidad algo mayor, un 0,01% mayor para precisar (esto equivale a una ola de tres milímetros de altura en un lago de treinta metros de profundidad). A medida que el universo evolucionaba, la gravedad hizo que alrededor de estas zonas se acumulara materia, originando concentraciones y vacíos y estableciendo así el origen de la estructura que observamos en la actualidad.

Pero (la ciencia está llena de “peros”…), si existieron esas fluctuaciones, la radiación cósmica de fondo debería conservar sus huellas y mostrarse menos uniforme de lo que parecía al principio; tendrían que existir pequeñísimas variaciones de temperatura, reflejo de las semillas primigenias de nuestra estructura a gran escala. En 1989, la NASA puso en órbita el Cosmic Background Explorer (COBE), un satélite especialmente diseñado para medir el fondo cósmico de microondas que detectó esas pequeñas variaciones en la distribución de temperaturas, lo que demostró que en el universo inicial la distribución de materia y energía no era perfectamente homogénea.

Estructura a gran escala del universo.

Un elemento imprescindible (y extraño)

Otro “pero” más: los astrónomos compararon esas irregularidades primigenias con la imagen actual y resultó que los 13.770 millones de años que se le atribuyen al universo son insuficientes para el desarrollo de estructuras tan grandes. Hacía falta un aglutinante, y se retomó el concepto de materia oscura, que dos astrónomos desarrollaron de forma independiente en los años treinta del siglo pasado: por un lado, Fritz Zwicky, al medir las velocidades de las galaxias en el cúmulo de Coma, descubrió que se movían tan rápidamente que la gravedad atribuible a la materia luminosa resultaba insuficiente para mantenerlas unidas. Debía, por lo tanto, existir algún tipo de materia no visible cuya gravedad impidiera la separación. Por su parte, Jan Oort llegó a una conclusión similar pero aplicada al movimiento de las estrellas dentro de las galaxias.

La materia oscura resulta bastante difícil de imaginar: todo lo que vemos, desde nuestro vecino hasta una galaxia, está formado por protones, neutrones y electrones, y constituye lo que se conoce como materia ordinaria (o bariónica, para los científicos). La materia oscura, por el contrario, se compone de partículas exóticas, no brilla –ni emite ni refleja luz– y tiene una interacción muy débil con la materia ordinaria. Vamos, que no la podemos ver. Por suerte, sí que responde a la gravedad, y así es como puede estudiarse.

He aquí cómo la materia oscura soluciona el problema de la falta de tiempo del universo: supongamos que, al principio, hay materia oscura y bariónica en equilibrio. Los científicos creen que la primera tiene unas propiedades de interacción diferentes a la segunda, y empieza a agruparse mucho antes; así, la materia bariónica tiene el camino preparado y cae sobre los grumos ya formados. Por lo tanto, la materia oscura constituye, además de un misterio (aún no se han identificado las partículas que la componen), una de las piezas para que el modelo de universo hoy día aceptado funcione. 

Más cosas oscuras

Si con un elemento extraño no era suficiente, agárrense porque vienen curvas: a finales del siglo pasado, los astrónomos descubrieron que el universo vive en la actualidad una etapa de expansión acelerada, y no constante o decelerada como se creía. Esto sería el efecto de “algo” contrario a la gravedad que provoca una repulsión a gran escala y acelera la expansión. Esta antigravedad, conocida como energía oscura, constituiría el 68,3% de la densidad total del universo aunque aún se desconoce su naturaleza (una teoría muy extendida habla de un tipo de energía que surge del vacío). El resto del contenido del universo se distribuiría en un 26,8% de materia oscura y un 4,9% de materia ordinaria. Así, no sólo estamos compuestos de un tipo de materia poco común en el universo, sino que además apenas conocemos qué es lo que lo forma.

Historia del universo. Fuente: NASA / WMAP Science Team