Fronteras para conocer el universo recién nacido
La idea actual del universo es muy diferente. En los últimos años los modelos teóricos han dado grandes avances y hemos realizado experimentos cosmológicos muy precisos. Con todo ello hemos conseguido un modelo cosmológico estándar. Según el modelo estándar, el universo nació hace 14 mil millones de años (aproximadamente), y tenía unas densidades y temperaturas muy altas. Desde entonces, el universo ha ido creciendo y enfriándose, y a medida que se ha ido enfriando, se han producido transiciones de fase cosmológicas desde un universo cálido de alta densidad, poco a poco, hasta llegar al universo que observamos en la actualidad.
Intentemos ver la vida del universo al revés, empezando por el universo actual y retrocediendo en el tiempo hasta llegar al nuevo universo natal. Cuanto más atrás se va en el tiempo --cada vez más joven universo-, mayor es la densidad y la temperatura. Imagínate que metemos un trozo de hielo en una caja y lo calentamos: primero el hielo se fundirá y luego se convertirá en vapor; a partir de ahí, si aumentamos la temperatura, ¿pasará algo más al vapor? Nuestra experiencia culinaria diaria nos dice que el agua se convierte en vapor a 100ºC y que tal vez a 200 o 300 grados no pase nada... ¿Pero a 1.000 grados o a 1.000.000 de grados?
Al estudiar el universo nos surge una situación similar. La información obtenida en las temperaturas que podemos obtener en nuestros laboratorios nos ayuda a predecir cómo era el universo cuando era más joven. Pero para temperaturas muy altas (un universo muy joven) no disponemos de conocimientos experimentales.
Existe la costumbre de clasificar la historia del universo en tres épocas: el universo actual, el universo joven y el universo recién nacido. El universo actual coincide con la imagen que todos tenemos en la cabeza: está mayoritariamente vacío y ocasionalmente hay estrellas, quasares, galaxias y grupos de galaxias. Podemos observar este universo directamente, analizando la luz emitida por estrellas, galaxias, etc.
El universo joven (aproximadamente 100 millones de años) es más difícil de imaginar. Este universo no tiene estrellas, ni galaxias, ni objetos de este tipo; los electrones, los protones y los neutrones se han formado por primera vez. Pero a pesar de ser más difícil de imaginar, la física que necesitamos para explicar todos estos procesos es en gran medida conocida. Según la analogía utilizada anteriormente, la temperatura del universo joven es la misma que podemos conseguir en nuestros laboratorios.
Es más, en el universo joven se sucedieron dos hechos muy importantes y hoy podemos medir las consecuencias directas de lo ocurrido entonces. Por un lado, cuando el universo tenía 3 minutos se produjo la nucleosínesis, es decir, por primera vez se formaron núcleos atómicos. Las predicciones que hace la teoría actual de la nucleosintesis coinciden con las medidas. Por otra parte, cuando el universo tenía 300.000 años, también se produjo la recombinación, es decir, la captura de los electrones liberados por los núcleos atómicos y la formación de los átomos. La fotografía de aquella época la podemos obtener directamente midiendo la radiación microondas de fondo (CMB, Cosmic Microwave Background, en inglés). Por lo tanto, lo ocurrido en el universo joven está bastante controlado.
Decir qué pasó en el universo recién nacido es mucho más difícil. En aquella época (aproximadamente cuando el universo era entre 10 y 36 segundos), las temperaturas y densidades eran muy altas. Por debajo de este punto, la física de escalas muy grandes y muy pequeñas comienza a hablarse entre sí o, con otras palabras, para explicar esta época es necesario combinar la relatividad general de Einstein (grandes escalas) con la física cuántica (escalas muy pequeñas). Y aún no sabemos cómo formular la relatividad general cuántica. Tenemos modelos teóricos entre manos, y algunas de las características básicas son conocidas, pero en la mayoría de los casos sólo son sospechas con buen fondo.
Claro, desde el punto de vista, podríamos decir que es una mentira que comprendemos la época en la que el universo era entre 10 y 36 segundos, porque, ¿entendemos el universo actual? Según el modelo cosmológico estándar, los componentes del universo son: 4% materia normal (átomos, luz, electrones...), 22% materia oscura y 74% energía oscura. Lo único que conocemos bien es la materia normal. No sabemos muy bien qué es la materia oscura, pero está bastante claro que no es materia "normal", no es algo que podamos medir en nuestros laboratorios. Y la energía oscura es aún más misteriosa.
Sin embargo, nuestro conocimiento de la evolución del universo es muy profundo y a través de diferentes experimentos podemos explicar lo que ocurre a diferentes escalas y situaciones. Maravilloso. Y el futuro parece más interesante. ¡Así que estad atentos!
Jon Urrestilla. Doctor en Física e investigador de la Universidad de Sussex.
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