El modelo cosmológico

El interés del hombre por conocer su origen ha encontrado en la cosmología un terreno apto para la ciencia y para la especulación. Desde muy antiguo, las diversas culturas han expresado su entendimiento de la infancia del mundo y el Universo en un lenguaje poético y metafórico cargado de imágenes variopintas.

Para los escandinavos antiguos, en los orígenes no había tierra ni cielo, sino un gran abismo a cuyo norte y sur se extendían inmensas regiones de hielo y fuego. El calor derritió el hielo, y de las gotas del líquido emergió un gigante, Ymer. A partir de ese momento, el mito escandinavo abunda en detalles contradictorios y hasta absurdos que llevan a presuponer la preexistencia de una vaca cósmica que comía sal, y así sucesivamente.

En las civilizaciones antiguas no son infrecuentes relatos de este tenor. Algunos encierran, no obstante, una mayor profundidad filosófica, que los conduce a emparentarse, en cierto modo, con los modelos vigentes y defendidos por la ciencia. Aun con sus diferencias de enfoque práctico, destaca el mito hindú de la creación que introduce el concepto de Brahmanda como el gran «huevo cósmico» que contenía todo el Universo en su interior. Al fin y al cabo, y pese a las diferencias obvias en el rigor formal de la exposición, esta idea no dista mucho del Big Bang, o gran explosión primigenia, en la que se basa el modelo vigente de la cosmología contemporánea.

Principios de cosmología

De un modo general, la cosmología puede definirse como la rama de la astronomía que se dedica a estudiar la estructura del Universo a gran escala, y en particular la problemática de su origen, su evolución y su destino. En la actualidad, la cosmología es un campo de saber científico dentro de la astronomía, por más que por su propia naturaleza se haya convertido en una disciplina de contenido altamente teórico y especulativo.

La imposibilidad de reproducir en laboratorio o en escenarios terrestres los fenómenos que dieron origen al Universo y que determinan su evolución condicionan sustancialmente los instrumentos de estudio y conocimiento de la ciencia cosmológica. Para sus fines, ésta se basa no solamente en la astronomía y sus diferentes ámbitos, sino también de manera importante en otras disciplinas como son la física cuántica, la mecánica de los cuerpos celestes, la termodinámica y la física de partículas elementales.

Esta singular condición de la cosmología como disciplina eminentemente teórica se ve en cierto modo complementada con la corroboración de las leyes físicas en las observaciones y con la coherencia lógica y empírica de sus especulaciones abstractas. Algunos de los elementos centrales de la cosmología contemporánea, como las hipótesis de un Universo en expansión a partir de una explosión primordial (bautizada como Big Bang) o de la evolución de las estructuras galácticas y extragalácticas, se sustentan en algunos hallazgos observacionales bien establecidos, como se analiza más adelante.

El Universo se encuentra en constante evolución, como lo demuestra la formación de una nueva estrella en la nebulosa de Orión que aparece en la fotografía. El estudio de estos cambios es el objeto de la cosmología.

No obstante, la escasez de datos disponibles de las observaciones astronómicas y las insuficiencias existentes en los criterios aceptados en general por los cosmólogos obligan a interpretar sus propuestas y resultados como conjeturas fundadas, más que como hechos indubitablemente contrastados. Este grupo de conjeturas fundadas se reúne en un marco genérico conocido como modelo estándar de la cosmología.

Diversos textos sagrados, como la Biblia, interpretaron el surgimiento del Universo como un acto de la voluntad divina. Numerosas recreaciones plásticas plasmaron este trascendental acontecimiento, entre ellas el mosaico de la creación del cielo de la basílica veneciana de San Marcos.

La cosmología en la antigüedad

Los textos sagrados de las culturas de la antigüedad abundan en relatos que refieren el origen del mundo en un lenguaje poético e interpretativo. Así sucede con la Biblia de los hebreos, el poema de la creación (Enuma elish) de Mesopotamia, los Textos de las Pirámides egipcios o el Popol Vuh de los mayas. En estos textos es corriente describir, de un modo alegórico y a menudo descabellado, cómo se separaron la luz y las tinieblas, cómo se formaron los mares y las montañas, las rocas y los ríos, las plantas y los animales. Muchos de ellos concluyen con el episodio mismo de la creación del hombre mientras que otros, como las escrituras sagradas hindúes, lo enmarcan todo en un ciclo sucesivo de creaciones, destrucciones y recreaciones.

Imagen de erupciones de fuego en el Sol fotografiadas por el Observatorio de París. Los filósofos presocráticos vieron en el fuego la génesis de la vida, e interpretaron que tanto la Tierra como el Sol giraban en torno a un fuego central, origen de todo lo existente.

Desde la perspectiva de la mentalidad actual, estos relatos carecen de todo rigor científico. No obstante, respondían a una utilidad práctica que buscaba remitir al ser humano, a menudo dentro de un contexto religioso, a un sentido de los orígenes que pudiera dar mayor sentido al misterio de su existencia. En cierto modo, este mismo impulso ha alentado, alejándose de la descripción mítica, los escritos de los filósofos antiguos y las ecuaciones matemáticas de la ciencia moderna.

La Tierra y el Sol en el centro del Universo

Las interpretaciones filosóficas acerca de la estructura íntima del Universo fueron bastante diversas en tiempos de la antigüedad griega. Los pitagóricos, por ejemplo, creían en la existencia de un fuego central en torno al cual giraba la Tierra, al igual que el Sol. Como modo práctico de resolver una de sus inconsistencias centrales (¿por qué no se observa ese fuego central desde nuestro planeta?) llegaron a proponer la hipótesis de una Antitierra, que se movería consonantemente con la Tierra de modo que bloqueaba la visión del fuego.

La idea de un Sol ocupando el centro del Universo fue relativamente común en varias culturas antiguas, ya fuera en la India como en la Grecia prerromana. Aristarco de Samos propuso un sistema heliocéntrico que sedujo la imaginación de un sabio de la altura de Arquímedes. Sin embargo, al final del periodo grecolatino se aceptaba como general un modelo geocéntrico, según el cual la Tierra ocupaba el centro del cosmos.

La hipótesis de un Universo geocéntrico quedó matemáticamente representada en el Almagesto, un tratado científico publicado por Claudio Ptolomeo en el siglo ii. En él, el Sol, la Luna y los planetas conocidos (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno) ocupaban esferas diferentes en su órbita en torno a la Tierra. Sin embargo, ciertas irregularidades en dichas órbitas llevaron a Ptolomeo a introducir varias complejidades geométricas.

Según el modelo geocéntrico de Ptolomeo, la Tierra se situaba en el centro del Universo, y cada planeta giraba a su alrededor siguiendo la trayectoria de una esfera principal o deferente (círculo punteado grande), pero modificada en ciertos momentos por un movimiento retrógrado en otra esfera más pequeña (también punteada) llamada epiciclo.

Hoy se sabe que los planetas, incluida la Tierra, giran alrededor del Sol. Por ello, la observación desde la superficie terrestre del movimiento de los mismos en el cielo lleva a una ilusión óptica que hace parecer que algunos retroceden temporalmente, noche a noche, en el firmamento antes de volver a avanzar en su camino celeste. Tal es un efecto del movimiento relativo de los planetas y la Tierra en sus respectivas órbitas.

Sin embargo, Ptolomeo, convencido de la posición central de la Tierra, recurrió a un artilugio para explicar este movimiento retrógrado. Imaginó que los planetas giraban alrededor de la Tierra en una esfera principal, llamada deferente, y, dentro de ella, en otra secundaria a la que denominó epiciclo. Esta doble construcción le permitió construir un modelo de Universo geométricamente coherente.

Cuando Nicolás Copérnico propuso en el siglo xvi un modelo geométrico distinto para el cosmos y centrado en el Sol, eliminó la necesidad de los epiciclos. Después, Johannes Kepler determinó que las órbitas planetarias debían ser ligeramente elípticas. Isaac Newton dio consistencia a estos modelos con sus leyes de gravitación universal.

Con todo, la imagen que se hicieron estos científicos del cosmos distaba mucho de la que se sostiene en la actualidad. Desde que, a principios del siglo xx, se descubriera la existencia de galaxias exteriores a la Vía Láctea, cada una con su infinidad de estrellas, y se propusiera el modelo de un Universo en expansión sin un centro privilegiado, diversos hallazgos de la astronomía y la física han servido para corroborar, al menos parcialmente, la mayor validez de un nuevo esquema teórico.

El modelo cosmológico actual

El modelo aceptado actualmente como más plausible para explicar el origen y la evolución del Universo considera que, en el principio de los tiempos, se produjo una gran explosión primigenia que se ha denominado Big Bang (v. su secuencia en la tabla 1). En ella, el Universo nació a partir de un punto sometido a temperaturas y densidades infinitamente elevadas. Aquel gran estallido dio lugar a una «sopa primordial» a partir de la cual, por una serie de complejos procesos físicos no bien establecidos por el modelo, surgieron las partículas elementales y las diferentes formas de radiación.

Tabla 1. Secuencia de acontecimientos desde el Big Bang hasta el presente, según el modelo cosmológico comúnmente aceptado. K = grados Kelvin.

En una variante del modelo también aceptada en general, se considera que tras un primer y brevísimo periodo inicial, el Universo se expandió de forma cataclísmica a una velocidad superior a la de la luz. Esta etapa, llamada inflacionaria, duró apenas una milésima de segundo. A continuación siguió un enfriamiento acelerado del material del cosmos primitivo, lo que permitió la formación de los primeros núcleos atómicos y la aparición diferenciada de las cuatro interacciones físicas fundamentales que se conocen: gravitatoria, electromagnética, débil y fuerte.

En aquel entorno, las cantidades de partículas y sus antipartículas eran casi equivalentes, si bien una ligera asimetría en favor de las primeras provocó que todas las antipartículas se aniquilaran con sus partículas respectivas. El sobrante de partículas de aquellas reacciones nucleares terminó por conformar la materia y radiación que puede detectarse en la actualidad en las estrellas, los planetas o el polvo interestelar.

La teoría de la relatividad elaborada por Albert Einstein propuso la tesis de que en la actualidad el Universo se halla en fase de expansión. La galaxia Gran Nube de Magallanes (en la imagen) es un buen ejemplo de la formación de nuevas estrellas.

Un millón de años después de su inicio, el Universo se expandió y enfrió hasta alcanzar una temperatura en la cual los núcleos de helio pudieron absorber electrones y formar los primeros átomos completos de este elemento. Las reacciones nucleares entre núcleos de hidrógeno produjeron helio y litio, y posteriormente, de manera sucesiva, los demás elementos químicos conocidos en la naturaleza.

En sus primeros 380.000 años, el Universo no pasaba de ser un plasma opaco en el que no era posible la propagación de ondas electromagnéticas. Cuando, transcurrido este tiempo, la densidad cósmica global descendió lo suficiente, se hizo posible la emisión de radiaciones, con lo que el Universo se hizo «visible». De acuerdo con este modelo, el resto de la historia del cosmos, hasta la actualidad, se habría caracterizado por una progresiva dinámica de expansión y enfriamiento en la cual se hizo posible la separación de las manifestaciones del principio común original en materia y energía diferenciadas.

Las mediciones observacionales recientes sitúan el inicio del cosmos, conforme al modelo expuesto, en unos 13.700 millones de años de antigüedad. En conjunto, esta teoría de expansión inflacionaria del Universo se basa en última instancia en la teoría de la relatividad general expuesta por Albert Einstein en 1915. El segundo de sus supuestos fundacionales es el llamado principio cosmológico, que presupone que la explosión primigenia no se produjo en un lugar concreto del espacio, sino al mismo tiempo en la totalidad del Universo incipiente.

Pruebas observacionales del modelo

Durante varias décadas, el modelo del Big Bang y de la expansión del Universo coexistió con hipótesis que defendían la naturaleza estática del cosmos y otras variantes teóricas posibles. El reconocimiento general de la validez, por el momento, de la idea de un Universo en expansión inflacionaria provino de la obtención de varias pruebas positivas del mismo recabadas en la observación astronómica.

La idea de que el Universo se está expandiendo, contenida teóricamente en la relatividad general de Einstein, no se admitió como posibilidad cierta hasta que en la década de 1920 Edwin Hubble descubrió el fenómeno del corrimiento al rojo de la radiación recibida de las galaxias. Este corrimiento al rojo se consideró una prueba de que todas las galaxias se alejan unas de otras, lo cual sólo es posible si el Universo se está expandiendo al modo de la superficie de un globo que se hincha.

Otra de las predicciones de la hipótesis del Big Bang es que debería ser posible detectar actualmente los ecos de aquella gran explosión inicial. Si la hipótesis era correcta, todo el Universo debería estar permeado de una radiación cósmica que lo impregnaría y cuya temperatura sería extraordinariamente baja, del orden de 3 K (unos –270 °C). Esta radiación cósmica de fondo, situada en el ámbito de las microondas, fue descubierta en 1965 de modo un tanto accidental por los ingenieros estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson.

El hallazgo de la radiación de fondo de microondas fue el principal aval con que contó la teoría del Big Bang con respecto a hipótesis alternativas. No obstante, otra de las pruebas experimentales indirectas que lo respaldan se refiere a su predicción sobre la abundancia relativa de los elementos químicos en el cosmos. El modelo establece que las galaxias y las estrellas están formadas principalmente por elementos ligeros (hidrógeno, helio, litio) en unas proporciones que coinciden en buen grado de aproximación con las detectadas por los observatorios.

Materia oscura y energía oscura

A pesar de sus aciertos observacionales, el modelo cosmológico vigente presenta algunas insuficiencias importantes. Una de ellas es su incapacidad para explicar las estructuras observadas en el cosmos. En un enfoque de Universo primitivo uniforme sometido a una expansión inflacionista, no queda bien elucidado por qué surgieron las galaxias y sus grupos o cúmulos. En su mayoría, los especialistas opinan que estas estructuras se formaron a partir de pequeñas fluctuaciones en la densidad esencialmente uniforme del cosmos inicial. Los datos aportados por satélites artificiales como COBE y WMAP parecen apoyar esta idea.

Otro problema procede de la incapacidad del modelo para ofrecer concordancia entre la materia teórica y la observada para el conjunto del cosmos. En un principio, los científicos pensaban en un Universo compuesto únicamente por las partículas elementales que conforman los átomos de los objetos terrestres. Sin embargo, la medición indirecta de la masa del Universo ha aportado datos aparentemente incongruentes con el modelo.

Distribución en el Universo de la materia oscura, la energía oscura y la materia ordinaria, que es la única observable con los instrumentos astronómicos actuales.

Según los cálculos asociados a esta medición indirecta, la masa global del cosmos obtenida es muy superior a la atribuible a la suma total de las galaxias y demás estructuras que lo integran. Para solventar este inconveniente, los astrónomos hablan de una misteriosa materia oscura que podría estar compuesta por objetos no brillantes, agujeros negros supermasivos o partículas elementales exóticas aún no descubiertas. Ninguna de estas hipótesis ha podido respaldarse con datos de la observación.

Un nuevo aspecto no resuelto se refiere a la observación reciente de que la expansión del Universo está experimentando una cierta aceleración cuyo fundamento no puede establecerse mediante enunciados teóricos. En pura teoría, este aspecto podría soslayarse incluyendo una constante cosmológica en las ecuaciones del modelo. Sin embargo, no ha conseguido determinarse todavía una causa indiscutible para esta constante cosmológica cuyo efecto es el de oponerse a la acción de la atracción gravitatoria entre los objetos cósmicos.

Esta especie de «antigravedad» se ha dado en denominar energía oscura y ha sido relacionada con conceptos un tanto elusivos, como la asociación de una densidad al vacío. En conjunto, la suma de la energía oscura y la materia oscura representan en torno al 96 % del conjunto del Universo, de acuerdo con los cálculos teóricos. Ello significa que los astrónomos tienen acceso, con los instrumentos actuales, tan sólo al 4 % de los objetos que supuestamente componen el Universo.

La resolución de estas incógnitas es esencial para comprender el modelo del Universo en su conjunto. Según las especulaciones teóricas, la densidad (es decir, la masa por unidad de volumen) del conjunto del cosmos determinará cuál será su destino final. Si es inferior a un determinado valor, denominado densidad crítica, la expansión del Universo llegará a su fin para dar paso a una fase de contracción. En caso contrario, se producirá una expansión indefinida hasta que llegue un punto en que sea imposible toda interacción física.