El fin del Cosmos

Harto de propaganda política, asqueado de la hipocresía de los gobernantes y de los aspirantes, y cabreado con la aplicación de remedios cosméticos por parte de lo smedios de comunicación, me he dedicado durante dos días a traducir un estupendo artículo de Scientific American. Lo cuelgo a continuación. Su lectura relaja y edifica, porque nos sitúa en una perspectiva cósmica muy necesaria en estos momentos de trepidante y revulsiva actualidad.


¿El final de la cosmología?
Un universo acelerado borra las huellas de su propio origen.
Por Lawrence M. Krauss y Robert J. Scherrer
Scientific American Magazine. 25 de Febrero de 2008

Hace cien años, un artículo de Scientific American sobre la historia y la estructura a gran escala del universo habría sido completamente erróneo. En 1908, los científicos creían que nuestra galaxia constituía el universo completo. Lo consideraban un universo tipo isla, un aislado macizo de estrellas rodeadas por un vacío infinito. Hoy sabemos que nuestra galaxia es una de las más de 400 billones existentes en el universo observable. En 1908 el consenso científico era que el universo era estático y eterno. El inicio del universo en una fogosa gran explosión (big bang) ni siquiera era una sospecha. La síntesis de elementos en los primeros instantes de la gran explosión, y dentro de los núcleos de las estrellas, era algo ininteligible. La expansión del espacio y su posible curvatura como reacción a la materia ni siquiera era un sueño. El reconocimiento del hecho de que todo el espacio está bañado en radiación, creando una imagen fantasmal del brillo gélido inmediatamente posterior a la creación, tuvo que esperar el desarrollo de tecnologías modernas diseñadas no para explorar la eternidad sino para que los humanos pudiéramos telefonear a casa.
Resulta difícil encontrar un área intelectual que haya cambiado más en un siglo que la cosmología, y el cambio ha transformado nuestra forma de ver el mundo. Pero, en el futuro, ¿deberá la ciencia reflejar siempre más conocimiento empírico del que existía en el pasado? Nuestro trabajo reciente sugiere que en escalas de tiempo cósmicas la respuesta es no. Podemos estar viviendo en la única época de la historia del universo en la que los científicos puedan alcanzar un conocimiento preciso de la verdadera naturaleza del universo.
Nuestro estudio lo motivó un descubrimiento dramático hace casi una década. Dos grupos diferentes de astrónomos siguieron el rastro de la expansión del universo a lo largo de los últimos cinco billones de años, y encontraron que parecía estar acelerándose. La fuente de esta antigravedad cósmica se atribuye a cierta forma nueva de “energía oscura” asociada con el espacio vacío. Algunos investigadores teóricos, incluido uno de nosotros (Krauss), había anticipado este nuevo resultado, basándose en mediciones indirectas, pero en física lo que cuenta son las mediciones directas. La aceleración del universo implica que el espacio vacío contiene casi el triple de energía que todas las estructuras cósmicas que observamos hoy: galaxias, grupos y supergrupos de galaxias. Irónicamente, Albert Einstein postuló en un principio que tal forma de energía era la que mantenía el universo estático. La llamó la constante cosmológica (véase “Antigravedad Cosmológica”, por Lawrence M. Krauss; Scientific American, enero 1999).
La energía oscura tendrá un enorme impacto en el futuro del universo. Con Glen Starkman, cosmólogo de la Case Western Reserve university, Krauss exploró las implicaciones que tendría para la vida un universo con una constante cosmológica. Los resultados no eran buenos. Tal universo se convertía en un lugar muy poco hospitalario. La constante cosmológica produce un “horizonte de sucesos” fijo, una superficie imaginaria más allá de la cual no llega a nosotros ni materia ni radiación. El universo viene a parecerse a un agujero negro invertido, como un calcetín al revés, con la materia y la radiación atrapada fuera del horizonte en lugar de dentro de él. Este descubrimiento significa que el universo observable contiene sólo una cantidad finita de información, de manera que el procesamiento de la información (y de la vida) no puede durar eternamente (véase “El Destino de la Vida en el Universo”, de Lawrence M. Krauss y Glenn D. Starkman, en Scientific American de noviembre de 1999).
Mucho antes de que este límite de información se convierta en un problema, toda la materia en expansión del universo estará fuera de este horizonte de sucesos. Este proceso fue estudiado por Abraham Loeb y Kentaro Nagamine, ambos entonces en la universidad de Harward, que encontraron que nuestro llamado Grupo Local de Galaxias (la Vía Láctea, Andrómeda y una multitud de galaxias enanas) se concentrará en un único y enorme supergrupo de estrellas. Las otras galaxias desaparecerán en el olvido más allá de ese horizonte. Este proceso se producirá en 100 billones de años, lo que puede parecer mucho, pero es muy poco comparado con la eternidad.

Columnas que se derrumban

¿A qué conclusión llegarán los astrónomos del futuro que vivan en este supergrupo de estrellas, sobre la historia del universo? Para pensar en ello nos remitiremos a las columnas que sostienen nuestra actual idea de la gran explosión.
La primera es la teoría general de la relatividad de Einstein. Durante cerca de 300 años la teoría de la gravitación universal de Newton sirvió de base para toda la astronomía. La teoría de Newton sirve perfectamente para la predicción de movimientos de objetos en escalas que van de la terrestre a la galáctica, pero es absolutamente inservible para las infinitamente grandes masas de materia. La teoría general de la relatividad supera esta limitación. Poco después de que Einstein publicara su teoría en 1916, el físico holandés Willem de Sitter resolvió la ecuación de la relatividad general para un universo simplificado, incorporando la constante cosmológica de Einstein. El trabajo de de Sitter parecía reproducir la idea del universo dominante en la época: una galaxia en forma de isla dentro de un vacío enorme y estático.
Los cosmólogos pronto se dieron cuenta de que la estabilidad era una interpretación errónea. De hecho, el universo de de Sitter se encuentra en una expansión eterna. Tal y como dejó claro más tarde el físico belga Geroge Lemaitre, la ecuación de Einstein predice que un universo infinito, homogéneo y estático es imposible. El universo o se expande o se contrae. La teoría de la gran expansión, tal y como se la llamó más tarde, nació de este descubrimiento.
La siguiente columna llegó en 1920, cuando los astrónomos detectaron la expansión del universo. La primera persona que proporcionó evidencia observada de la expansión fue el astrónomo americano Vesto Slipher, que usó el espectro de las estrellas para medir la velocidad de las galaxias aledañas. Las ondas de luz de una estrella que se mueve en dirección a la Tierra se comprimen, acortando la longitud de onda y dando una luz más azul. Las ondas de luz de un objeto que se aleja de nosotros se estiran, ampliando la longitud de onda y dando una luz más roja. Gracias a la medición del estiramiento o compresión de la ondas de luz de galaxias lejanas, Slipher pudo determinar si se movían hacia nosotros o al contrario, y también su velocidad. (En aquellos años, los astrónomos todavía no estaban seguros de si las manchas borrosas de luz que llamamos “galaxias” eran realmente cuerpos independientes de estrellas o simples nubes de gases dentro de nuestra galaxia.) Slipher descubrió que casi todas estas galaxias se alejaban. Parecía que nos encontrábamos en el centro de una expansión desbocada.
La persona a la que se atribuye en términos generales el descubrimiento de la expansión del universo no es Slipher, sino el astrónomo americano Edwin Hubble. (¿Cuál fue la última vez que ha oído usted hablar del Slipher Space Telescope?) Hubble determinó no sólo las velocidades de las galaxias más próximas, sino también su distancia. Sus mediciones condujeron a dos conclusiones que justifican su fama. Primero, Hubble mostró que las galaxias estaban tan lejos que eran realmente colecciones independientes de estrellas, exactamente como nuestra propia galaxia. Segundo, descubrió una relación simple entre la distancia a las galaxias y sus velocidades. La velocidad era directamente proporcional a su distancia de nosotros: una galaxia al doble de distancia de otra se movía al doble de velocidad. Esta relación entre la distancia y la velocidad es lo que ocurre cuando el universo se expande. Las mediciones de Hubble se han hecho más precisas desde entonces, en especial recientemente gracias a al observación de las distantes supernovas, lo que condujo al descubrimiento de la energía oscura.
La tercera columna es el débil brillo de las microondas cósmicas de fondo, descubierto por casualidad en 1965 por los físicos de los laboratorios Bell, Anzo Penzias y Robert Wilson, mientras localizaban fuentes de interferencias de radio. Esta radiación enseguida se reconoció como un vestigio de los primeros instantes de la expansión del universo. Indica que el universo era caliente y denso en su inicio, y que desde entonces se ha enfriado y dispersado.
La última columna de estas observaciones de la gran explosión es que ese universo caliente y denso del principio era el lugar perfecto para la fusión nuclear. Cuando la temperatura del universo era de uno a diez billones de grados Kelvin, los núcleos más ligeros podían transformarse en núcleos más pesados, un proceso conocido por la nucleosíntesis de la gran explosión. Este proceso sólo puede suceder durante unos minutos, mientras el universo se expande y se enfría, de modo que la fusión se limita a los elementos más ligeros. La mayoría del helio existente en el universo se produjo entonces, así como el deuterio y el hidrógeno. La abundancia de helio y deuterio que ha podido medirse coincide con las predicciones de la nucleosítesis de la gran explosión, y ofrece más evidencias a la teoría, así como estimaciones más precisas de la abundancia de protones y neutrones en el universo.

Cielos oscuros

¿Qué verán los científicos del futuro cuando escudriñen los cielos dentro de cien billones de años? Sin telescopios, verán prácticamente lo mismo que vemos hoy: las estrellas de nuestra galaxia. Las estrellas mayores y más brillantes habrán casi agotado su combustible nuclear, pero muchas de las estrellas más pequeñas seguirán brillando en el cielo nocturno. La gran diferencia se advertirá cuando estos futuros científicos construyan telescopios capaces de detectar galaxias desde fuera de la nuestra. ¡No verán ninguna! Las galaxias más próximas se habrán fundido con la Vía Láctea para formar una galaxia enorme, y esencialmente todas las otras galaxias habrán desaparecido desde hará tiempo, porque habrán escapado del horizonte de sucesos.
La desaparición de las galaxias distantes no es inmediata, sino gradual. El desplazamiento del espectro hacia longitudes de onda mayores en estas galaxias se hace infinitamente mayor a medida que se aproximan al horizonte. Krasuss y Starkman calcularon que este desplazamiento excederá los 5000 para todas las galaxias en 100 billones de años, elevándose a un inconmensurable 1053 al cabo de 10 trillones de años, momento en el cual incluso los rayos cósmicos de mayor energía se habrán desplazado tanto hacia el rojo, que su longitud de onda será mayor que el tamaño del horizonte. Estos objetos serán de verdad completamente invisibles para nosotros.
En definitiva, el descubrimiento crucial de Hubble de la expansión del universo será irreproducible. Toda la materia en expansión del universo habrá desaparecido visualmente más allá del horizonte, y todo lo que quede será parte de un grupo de estrella unidos gravitacionalmente. Para esos futuros astrónomos, el universo observable ser parecerá mucho a universo-isla de 1908: una enorme colección de estrellas, única, estática, eterna, rodeada de espacio vacío.
Nuestra propia experiencia demuestra que, incluso teniendo datos, el modelo cosmológico correcto no es tan evidente. Por ejemplo, desde los años 40 a mediados de los 60, con el edificio de la cosmología construido a base de la observación descansando sólo en los descubrimientos de Hubble de la expansión del universo, algunos astrofísicos resucitaron la idea de un universo eterno: el universo consistente y fijo en el cual la materia se crea a medida que el universo se expande, de modo que el universo como un todo no cambia con el tiempo. La idea se manifestó como un callejón sin salida intelectual, pero demuestra el tipo de nociones erróneas que pueden desarrollarse en ausencia de datos adecuados recogidos de la observación.
¿En qué otro lugar pueden buscar evidencias de la gran explosión los astrónomos del futuro? ¿Podría el fondo de microondas cósmicas permitirles probar las dinámicas del universo? He aquí que no. A medida que el universo se expande, las longitudes de onda de la radiación de fondo se estiran, y la radiación se hace más difusa. Cuando el universo cumpla 100 billones de años, los picos de las longitudes de onda de la radiación de microondas estará en la escala de los metros, correspondiendo a ondas de radio en lugar de a microondas. La intensidad de la radiación estará adulterada por un factor de un trillón, y puede que nunca se vea.
Incluso todavía más allá en el futuro, el fondo cósmico no se podrá observar. El espacio entre las estrellas en nuestra galaxia está repleto de un gas iónico de electrones. Las frecuencias de radio bajas no pueden penetrar en ese gas, o son absorbidas o son reflejadas. Un efecto similar a éste es la razón por la que las emisoras de radio de onda media se sintonizan por la noche lejos de las ciudades de origen; las ondas de radio se reflejan en la ionosfera y vuelven al suelo. Podemos imaginar el medio interestelar como una gigantesca ionosfera que llena la galaxia. Las frecuencias de radio inferiores a un kilohercio (una longitud de onda superior a los 300 metros) no pueden penetrar en nuestra galaxia. La radioastronomía inferior a un kilohercio es imposible en nuestra galaxia. Cuando el universo tenga veinticinco veces la edad actual, el fondo de microondas se estirará por encima de esta longitud y será indetectable para los residentes en la galaxia. Incluso antes, las sutiles pautas de esta radiación de fondo, que tanta información útil nos han proporcionado a los cosmólogos de hoy, estará demasiado cambiada como para ser digna de estudio.

Chamusquinas

¿Podrán los cosmólogos del futuro remoto llegar a un mejor conocimiento de la gran explosión gracias a las observaciones de la abundancia de elementos químicos? Una vez más, la respuesta es que, probablemente, no. El problema es que nuestra posibilidad de hacer sondeos en la nucleosíntesis de la gran explosión depende del hecho de que la abundancia de helio y deuterio no ha evolucionado mucho desde que se produjo hace 14 billones de años. El helio que se produjo en el joven universo, por ejemplo, compone el 24 por ciento de la materia total. Aunque las estrellas producen helio a lo largo de sus reacciones de fusión, sólo han incrementado esta abundancia en un porcentaje muy bajo. Los astrónomos Fred Adams y Gregory Laughlin de la universidad de Michigan en Ann Arbor han sugerido que esta fracción puede incrementarse como mucho el 60 por ciento después de muchas generaciones de estrellas. Un observador del futuro remoto encontrará el helio primitivo encenagado en el helio producido en las generaciones posteriores de estrellas.
Actualmente, el sondeo más limpio de la nucleosíntesis de la gran explosión es la abundancia de deuterio. Nuestras mejores mediciones del deuterio primitivo proceden de observaciones de nubes de hidrógeno iluminados al contraluz por quásares, rayos muy distantes y brillantes, cuya energía procede de los agujeros negros. En el futuro lejano del universo, sin embargo, tanto estas nubes de hidrógeno como los quásares estarán más allá del horizonte de sucesos, y los habremos perdido de vista para siempre. Sólo puede observarse el deuterio galáctico. Pero las estrellas destruyen el deuterio, y muy poco sobrevivirá. Incluso si los astrónomos del futuro observan el deuterio, pueden no atribuirlo a la gran expansión. Las reacciones nucleares que desencadenan rayos cósmicos de gran energía, que hoy han sido estudiadas como la posible fuente de al menos algo del deuterio observable, pueden parecer más plausibles.
Aunque la abundancia de observaciones de elementos lumínicos no producirá ninguna evidencia directa de una gran explosión salvaje, tampoco hará distinguirá ningún aspecto de la futura cosmología de la ilusoria cosmología de hace un siglo. Los astrónomos y los físicos que desarrollen un esquema de conocimiento de física nuclear concluirán con razón que las estrellas queman energía nuclear. Si llegan a la conclusión (incorrecta) de que todo el helio que observan se produjo en las primitivas generaciones de estrellas, podrán poner un límite superior a la edad del universo. Estos científicos, inferirán correctamente que su universo galáctico no es eterno, sino que tiene una edad finita. Y sin embargo, el origen de la materia al alcance de su observación seguirá siendo un profundo misterio.
¿Y qué pasa con la idea con la que empezamos este artículo, esto es, que la teoría de la relatividad de Einstein predice un universo en expansión y por lo tanto una gran explosión originaria? Los habitantes del futuro remoto del universo podrían descubrir la teoría de la relatividad general a base de medidas precisas de la gravedad de su propio sistema solar. El uso de esta teoría para deducir una gran explosión descansa sin embargo en observaciones de la estructura a gran escala del universo. La teoría de Einstein predice una expansión del universo sólo si el universo es homogéneo. El universo que nuestros descendientes observarán será cualquier cosa menos homogéneo. Consistirá en una isla de estrellas situada en un vasto vacío. Se parecerá de hecho al universo-isla de de Sitter. El futuro definitivo del universo observable es derrumbarse en un agujero negro, lo mismo que ocurrirá con nuestra galaxia en un futuro remoto.

Solos en el mundo

¿Les queda alguna posibilidad a nuestros descendientes de percibir un universo en expansión? Un efecto revelador de la aceleración permanecerá dentro de nuestro horizonte de observación, al menos de acuerdo con nuestra comprensión de la relatividad general. Igual que el horizonte de sucesos de un agujero negro emite radiación, también lo hace nuestro horizonte cosmológico de sucesos. Pero la temperatura asociada con esta radiación es inmensurablemente pequeña, entre los 10 y los 30 grados kelvin. Incluso si los astrónomos son capaces de detectarla, probablemente la atribuyan a otra fuente de ruido mucho más local.
Los observadores ambiciosos del futuro también enviarán sondas que salgan de la supergalaxia, y podrán servir como puntos de referencia para detectar una posible expansión cósmica. Pero que se les ocurra hacer algo así parece improbable, aunque en cualquier caso la sonda tardará billones de años como poco en alcanzar el punto en el que la expansión perceptible afecte a su velocidad, y la sonda necesitará una recarga de energía comparable a la de una estrella para comunicarse con sus constructores a tan gran distancia. Que las agencias suministradoras de fondo del futuro apoyen semejante disparo a ciegas es improbable, al menos si nos guiamos por nuestra propia experiencia.
Así que los observadores del futuro probablemente predigan que el universo finalizará con una localizada gran contracción, antes que la expansión eterna que la constante cosmológica produce. En lugar de terminar con un crujido, su limitado universo terminará con una explosión.
Inexorablemente nos dirigimos a una conclusión bien extraña. La ventana durante la cual los observadores inteligentes pueden deducir la verdadera naturaleza de nuestro universo en expansión acaso sea en verdad muy corta. Algunas civilizaciones podrán mantener archivos históricos muy antiguos, y este mismo artículo quizá aparezca en uno de ellos, sólo si logra sobrevivir a billones de años de guerras, supernovas, agujeros negros y otros incontables peligros. Que lo crean es otra cuestión. Las civilizaciones que carezcan de estos grandes archivos podrían estar condenadas a permanecer ignorantes para siempre de la gran explosión.
¿Por qué es tan especial el universo presente? Muchos investigadores han intentado argumentar que la existencia de vida da lugar a un efecto selectivo que puede explicar las coincidencias asociadas con el tiempo actual (véase “El Principio Antrópico”, de George Gale; Scientifica American, diciembre de 1981). Sacamos diferentes lecciones de nuestro trabajo.
En primer lugar, ésta probablemente no sea la primera época en que la información sobre el universo se pierda por una expansión acelerada. Si sobreviniera una inflación en el universo próximo, entonces la rápida expansión durante esta era se llevaría por delante casi todos los detalles de la materia y la energía preexistente, y los situaría más allá de nuestro universo observable. Desde luego, una de las motivaciones originales de los modelos inflacionarios fue librar el universo de objetos cosmológicos molestos como los monopolios magnéticos que pueden haber existido profusamente en otros tiempos.
Más importante todavía: aunque desde luego somos afortunados de vivir en un tiempo en el que las columnas que nos permiten observar la gran explosión son detectables, fácilmente podemos enfrentarnos a otros aspectos fundamentales del universo que hoy no son observables. ¿Qué es lo que hemos perdido? Antes de sentirnos autosatisfechos, sintámonos humildes. Quizá algún día descubramos que nuestro delicado y aparentemente completo conocimiento del universo de hoy es gravemente defectuoso.