¿Qué conocemos y qué no conocemos del Universo?

El pasado martes 9 de abril, la doctora Mar Bastero Gil, profesora titular del departamento de Física Teórica y del Cosmos de la Universidad de Granada impartió una conferencia en nuestro instituto titulada "Un paseo por el Universo en expansión".

La charla se inició destacando la importancia de la observación del cielo estrellado como primera forma de conocer el Universo y cómo a partir de ahí se ha llegado a observaciones realizadas desde sondas como la Planck que nos aportan información de cuando el Universo era muy joven, con apenas unos 300.000 años.

Recordó que el modelo que explica hoy el origen de Universo, propuesto por Gamow, Alpher y Herman, es el Big Bang, un modelo que propone que el Universo se originó en una gran explosión a partir de una estructura de volumen mínimo donde se condensaba toda la materia y la energía del universo y que, como consecuencia de ello, el universo se expande aunque a la vez se enfría. Destacó que lo importante de los modelos que se proponen para explicar cómo es y cómo se originó el Universo son las predicciones que se hacen a partir de ellos y si estas se confirman o no. 

Destacó que la teoría que describe la interacción gravitatoria es la relatividad general de Einstein, elegantemente representada en una ecuación matemática en la que un miembro representa la geometría del espacio tiempo mientras que el otro muestra el contenido de materia y energía del universo. De ésta se deduce que el ritmo de la expansión del Universo depende del contenido de materia y energía del mismo. Aunque inicialmente las ecuaciones indicaban que debía de estar en expansión, Einstein introdujo un valor, la constante cosmológica, para hacer que fuese estacionario. Aunque lo consideró el mayor error que cometió, como se vio posteriormente es un concepto que se ha vuelto a retomar. 

La confirmación de que el Universo estaba en expansión vino de las observaciones de Hubble. En 1929 midió la velocidad con la que se movían las galaxias comprobando que todas se alejan unas de otras. La representación de la velocidad frente a la distancia daba una recta cuya pendiente era la llamada constante de Hubble, la relación existente entre la distancia que separa a las galaxias y la velocidad con que se alejan entre sí. La estima de este valor ha ido mejorando a medida que lo han hecho las observaciones. 

Mar Bastero destacó que inicialmente el Universo era opaco. Inicialmente se formaron los núcleos atómicos y los electrones, ambos por separado. Cuando ambos se unieron para formar los átomos, la luz se desacopló de la materia y dio lugar a la radiación. Cuando esa luz inicial se emitió el Universo estaba muy caliente. En la actualidad, su temperatura es de unos 3 K, lo que da lugar a una radiación en el rango de las microondas. Justo lo que se observa y confirma una de las predicciones. Los primeros en detectar esta radiación fueron Penzias y Wilson, quienes intentaban eliminar un ruido de fondo que captaba una antena de telecomunicaciones y que venía de todas partes. Por este descubrimiento recibieron el premio Nobel.

La radiación que ellos detectaron era uniforme. Pero si el universo hubiese sido homogéneo no se podrían haber formado las estrellas y las galaxias. No debía de serlo y eso implicaría que debió haber fluctuaciones en la temperatura. Y esto es lo que han confirmado inicialmente los satélites COBE, WMAP y hace unas semanas Planck, cada uno mejorando la resolución del anterior. Las imágenes de estos muestran que la temperatura del universo no era homogénea, confirmando la heterogeneidad del universo que dio lugar a la estructura que presenta. Esta heterogeneidad coincide con la distribución observada de las galaxias en el cosmos.

La doctora Bastero destacó que vivimos en un universo esencialmente plano, en el que apenas un 5% está constituido por la materia ordinaria, un 27% es materia oscura y un 68% energía oscura.Explicó que la materia oscura se detecta de diversas formas. Una de ellas es observando la rotación de las galaxias. Atendiendo a la mecánica de Newton se puede calcular como debe decaer la velocidad de rotación de las galaxias a medida que nos alejamos del núcleo. El hecho de que este decaimiento sea inferior al esperado según la masa estimada a partir de la observación de la galaxia indica que debe existir una cantidad mayor de masa, inobservable puesto que no emite luz. Otra evidencia proviene de las lentes gravitacionales, grandes estructuras masivas que desvían los rayos de luz creando imágenes fantasma de galaxias.

La existencia de la energía oscura se ha deducido de la comprobación de que el Universo está acelerando su expansión. Estudiando supernovas, explosiones estelares en las que la estrella moribunda emite tanta luz como una galaxia, se cambia la escala de distancia para la estimación de la constante de Hubble, a la vez que nos vamos más atrás en el tiempo.Y supernovas lejanas resultan menos brillantes de lo que se esperaba, lo que indicaba que debáin estar aún más lejos y que el universo se debía de haber expandido más de los estimado. 

Comentó que de la materia oscura sabemos que tiene masa, que no tiene carga (no presenta interacción electromagnética) y presenta interacciones débiles con el resto de la materia. En cuanto a su constitución, no estaría formada por ninguna de las partículas subátomicas de las familias conocidas. Para la energía oscura existen muchos modelos, aunque ninguno ha confirmado la naturaleza de aquella. 

La expansión acelerada del Universo requiere introducir de nuevo la constante cosmológica, en un sentido contrario a cómo la planteó Einstein, en este caso para acelerar la expansión del universo. Es a lo que se ha llamado energía del vacío, a la a cual sería sensible dicha constante.

La estructura actual de universo se está conociendo gracias a las observaciones realizadas desde telescopios como DES (Darl Energy Survey) o Euclid  (ESA). Con estos telescopios se ha hecho un catálogo de un millón de galaxias que aparecen dispuestas en filamentos que muestran una gran coincidencia con los mapas obtenidos a partir del estudio del fondo de microondas por satélites como COBE, WMAP o Planck. Es otra de las predicciones que se confirma acerca del modelo que tenemos del Universo.

Concluyó la charla destacando la importancia de conocer la energía oscura para desvelar el futuro del Universo. Dependiendo de su magnitud las posibilidades son el colapso del universo, su expansión uniforme o la expansión acelerada que llevaría a un desgarramiento del mismo. Conocer, por tanto la composición del Universo será la clave para desentrañar su futuro.