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Miércoles 7 de junio
de 2006 Desde el Big Bang hasta nuestros días, la cosmología nos permite descubrir y analizar la historia temprana del universo. El físico Fernando Lombardo relata los pormenores de esta historia. Por Patricia Olivella.
Hace aproximadamente 13 mil millones de años, el universo inició su vida estallando en lo que se conoce como Big Bang o Explosión Inicial. No había nadie, por supuesto, para presenciar el magnífico espectáculo. Sin embargo, en la actualidad, la física nos provee de los elementos necesarios para intentar descifrar esta génesis. El secreto radica en pasar la “película de la vida” del universo, desde nuestros días hacia atrás, para llegar al punto más cercano posible al instante aquel en el que todo estalló. Pocos instantes después del Big Bang, el universo tenía el tamaño de un átomo o aun menos. Las leyes de la física clásica no sirven para explicarlo y hay que recurrir a la mecánica cuántica. “Casi todos los que nos dedicamos a la mecánica cuántica, el primer tema por el cual nos hemos interesado ha sido la historia del universo” dice Fernando Lombardo, doctor en Física de la FCEyN e Investigador Adjunto del CONICET. “El tema de investigación durante mi tesis de doctorado fue justamente estudiar la cosmología, estudiar al universo como sistema cuántico”, explica. Sin dudas por esta razón eligió como tema “La temperatura del universo” para las charlas que brindó “a sala llena” tanto en la Feria del Libro como en la Semana de la Física organizada por esta Facultad en el mes de abril. ¿Qué es la temperatura? La historia temprana del universo se ha comenzado a reconstruir a partir del estudio de su temperatura. “Es interesante ver cómo, utilizando las leyes de la física Standard, la que se puede practicar en cualquier laboratorio, se puede medir la temperatura del universo”, comenta Lombardo. “La temperatura de un cuerpo –explica el investigador– tiene que ver con las propiedades físicas de ese cuerpo. Se la puede medir poniendo a ese objeto en contacto con otro, esperar que ambos cuerpos se equilibren (es decir que no varíe más ningún parámetro) y definir entonces la temperatura. Por ejemplo, es habitual poner el objeto cuya temperatura se quiere medir, en contacto con un termómetro que está hecho de un material que alcanza en algún momento un equilibrio y permite medir la temperatura de este sistema”.
Esta es una definición cotidiana de la temperatura. Sin embargo, la temperatura permite otra interpretación. Por ejemplo, cuando se trata de medir la temperatura de un gas, que está compuesto por millones y millones de moléculas que están chocando entre sí, la temperatura real del gas es una propiedad que tiene que ver con la velocidad o la energía cinética de las partículas. “En general, la temperatura es una medida de la energía del sistema”, explica el Dr. Lombardo. “Si tenemos un gas encerrado en un volumen, las moléculas que forman el gas están chocando entre sí y contra las paredes del recipiente donde está encerrado. Ese choque produce cierta presión del gas sobre las paredes. Dada esa presión, y dado el volumen donde el gas está encerrado, uno puede calcular la temperatura media de ese gas. Por eso, si uno tomara ese recipiente y lo empezara a expandir, la temperatura interna bajaría. Disminuye la temperatura porque disminuyen las colisiones de las moléculas entre sí y contra las paredes. Es decir, a mayor volumen, menor temperatura”, concluye. A partir de esta relación entre la expansión de un gas y su temperatura es que podemos comenzar a intuir la vinculación que existe entre la temperatura y la edad del universo. Más lejos, más viejo Observar el espacio profundo, objetos muy lejanos, nos da la posibilidad, no sólo de alejarnos en el espacio, sino también de espiar muy atrás en el tiempo. Este hecho –que fascina a algunos y produce una angustiante sensación en otros– es lo que le permite a la ciencia inferir cómo era el universo en sus fases más tempranas. Para comprenderlo, debemos tener en cuenta que, en el espacio, la luz viaja a una velocidad constante y limitada, y que el universo se expande. “La luz viaja a una velocidad constante de 300.000 km/seg”, nos dice el investigador. “Cuando uno mira objetos muy lejanos, la luz que estamos viendo tarda mucho tiempo en recorrer esa distancia porque viene de muy lejos. Entonces quiere decir que, cuanto más lejos uno mira, más atrás en el tiempo se remonta. La observación del universo a distancias muy, muy lejanas indica cómo era el universo en un tiempo muy, muy remoto”. Más grande, más frío “Por otro lado, continúa Lombardo, el universo se expande y muy rápidamente. Esto es un hecho, ya explicado desde el año 1929 por la ley de Hubble. Si el universo se expande, esto quiere decir que en algún momento estaba todo concentrado en una región muy diminuta, del tamaño menor al de un átomo. Entonces, si en el comienzo todo estaba muy apretadito y muy junto, instantes después del Big Bang la temperatura, la densidad de energía en ese punto, era prácticamente infinita. Al expandirse el universo, al igual que lo hace un gas dentro de un recipiente, la radiación, la cantidad de materia que hay ahí adentro, se va enfriando, simplemente por esa expansión. La consecuencia de la expansión es que no sólo todos los objetos se alejan entre sí, sino que la temperatura global va disminuyendo muy bruscamente”. Un parto universal Cuando el universo era tan pequeño, denso y caliente, y la energía era tan alta, todo se movía libremente, en forma independiente. “A altísimas temperaturas, explica Lombardo, las partículas elementales chocan todo el tiempo con energías casi infinitas. No hay posibilidad, por ejemplo, de que un electrón se junte con un neutrón y un protón para formar un átomo porque sólo pueden colisionar. La radiación misma interacciona con esas partículas, pero en ningún momento posibilita que se formen núcleos atómicos ni átomos”. Cuando el universo fue creciendo, se fue expandiendo y enfriando y llegó un momento –aproximadamente un segundo después del Big Bang– donde la temperatura bajó lo suficiente como para que se formen los primeros núcleos atómicos. “Entre el primer segundo y los tres primeros minutos del universo, continúa el investigador, la temperatura era de aproximadamente 3.000 millones oK. Recién entonces se empezaron a formar los núcleos de los átomos. Por eso esa etapa se llama nucleosíntesis. La expansión siguió, el universo se siguió enfriando y, alrededor de 300.000 años después del Big Bang, los electrones que andaban sueltos quedaron atrapados en los núcleos que se habían formado antes y formaron los átomos. Esos átomos formaron moléculas. Lo único que quedó libre, sin agruparse con nada, fue la radiación, los fotones. “A partir del momento en que la radiación empezó a viajar libremente, sin ser atrapada por ninguna otra partícula, podemos comenzar a tener registro visual del universo. El universo deja de ser opaco y se hace transparente porque la luz, los fotones, empezaron a viajar libremente, explica el Dr. Lombardo. Recién a partir de esta etapa, conocida como “el desacople”, podemos tener una observación directa del universo primitivo. La temperatura, por entonces, ya había bajado hasta los 3.000 oK aproximadamente. “Aquellos fotones que empezaron a viajar libres y nos llegan a nosotros hoy, son el remanente fósil más antiguo que pueda existir en el universo”, dice Lombardo. Distintos métodos de medición –tales como el corrimiento al rojo por efecto Doppler o el cálculo de distancias de cúmulos de galaxias lejanas– nos permiten estimar con mucha precisión cuánto se ha expandido el universo desde el momento del desacople hasta hoy. “El universo se ha expandido en un factor de 1.000, explica el investigador. Por eso, si la temperatura en ese momento era de 3.000 oK uno podría deducir que ahora debería ser de 3 oK (270 oC bajo cero)”, concluye. Hasta aquí, lo que predice la teoría. Pocos, tal vez, podían imaginar, hace apenas 40 años, que estas predicciones serían confirmadas en forma experimental.
Ruido de radio “En el año 1965 –relata Fernando Lombardo– Arno Penzias y Robert Wilson estaban desarrollando unas antenas muy potentes para detectar la radiación de microondas que proviene de las galaxias lejanas. Ellos observaron que, además de lo que querían medir, siempre aparecía una señal de fondo. Al principio pensaron que era solamente ruido, contaminación que recibía la antena; sin embargo, después de refinar de todas las formas posibles las mediciones, se dieron cuenta de que lo que estaban percibiendo era justamente aquella radiación que proviene del universo desde aquel momento. Cuando pudieron medirla, se detectó que esa radiación era justamente de 2,7 oK, lo que se había predicho que debía ser la radiación cósmica del universo”. Este descubrimiento hizo a Penzias y a Wilson merecedores del Premio Nobel en Física en el año 1978. Mapa térmico del universo Al poder medir la radiación que viaja desde el Big Bang hasta nosotros, se tienen elementos suficientes como para poder confeccionar un mapa del universo en las distintas etapas de su evolución. “En particular en el año 1992 –relata Lombardo– un satélite llamado COBE hizo un mapa de cómo es el universo observable. El mapa que se obtuvo indicó que la radiación que proviene de todas direcciones corresponde a la radiación de un sistema que está en equilibrio térmico a una temperatura de 2,7 oK. Otro detalle muy importante es que se pudieron medir diferencias de temperaturas en distintas regiones. Por ejemplo, se mira en una y en otra región del espacio y se calcula la diferencia de temperatura. Esa diferencia es de apenas microkelvins, o sea que es muy chiquita. Esto demuestra que el universo era muy homogéneo en aquel momento”. Otros satélites, como el MAP (Microwave Anisotropy Probe) lanzado en el año 2001 ó el Max Planck Surveyor, antes conocido como COBRAS/SAMBA, lanzado en 2004 todavía nos están enviando datos que nos permiten observar la foto del universo 300.000 años después del Big Bang. “Estos experimentos de los últimos años convalidaron muchos modelos que desde hacía mucho tiempo eran solamente teóricos, comenta el investigador. Aprendimos cómo se expande el universo, podemos ver cómo fue su evolución en un período muy grande de su existencia. Aunque está claro que no podemos ver más atrás, allá donde no hay observación directa, uno puede trabajar en forma teórica tratando de unir las mediciones que tenemos con lo que creemos que es un modelo correcto, para recrear la primera historia del universo después del primer segundo de su creación. Los avances en la física teórica son tan espectaculares que las simulaciones de las temperaturas del universo primordial, hechas por computadoras, prácticamente no difieren de las observaciones reales”. Lo que vendrá Una vez entendida la historia térmica del universo, un nuevo abanico de preguntas se abre para los cosmólogos. “El universo estalló, empezó a crecer y adentro había energía que se fue enfriando simplemente porque se expandía, resume el Dr. Lombardo. Esa es parte de la historia. Pero la otra gran parte es llegar a entender de qué manera la materia se empieza a agrupar, a aglutinar para formar estructuras: las primeras estrellas, las galaxias, los primeros sistemas solares. Por otra parte, continúa el físico, para que el universo se expanda como lo hace, necesitó de una fuente de energía que lo hiciera expandir. El 70% del compuesto total de energía y materia del universo no lo conocemos exactamente. Hay muchos modelos que tratan de explicarlo y hay muchos físicos teóricos que se dedican a eso con mucha dedicación. Sabemos que del universo total sólo el 5% está constituido por materia que nosotros conocemos, materia ordinaria formada por átomos que conocemos y podemos entender. Otro 25% está compuesto por una materia que se llama materia oscura. No es materia observable a través de radiación pero ejerce efectos gravitatorios. Se asume su existencia debido a que tiene influencia en la dinámica de rotación de galaxias, por ejemplo, pero no se puede observar. Finalmente hay cerca de un 70% de energía que no se sabe qué es, pero que genera esa expansión acelerada del universo. El desafío actual de la cosmología y de la astrofísica –concluye el Dr. Lombardo– es comprender cuál es el origen y cuál es la composición de la energía y de la materia que no vemos: qué es la materia oscura, qué es la energía oscura”.
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