(Adaptado del artículo de Innovación y Ciencia, Vol. IV, No. 3, pp. 26-32, 1995)
Existen observaciones astronómicas que indican
que la edad del universo entra en
conflicto con los datos de edades de
las estrellas más viejas
en
nuestra Galaxia.
¿Está en peligro el modelo
"Big Bang"
del origen del universo? ¿Cuál
es la
edad real de nuestro universo?
¿Cuál es el estado
actual de la cosmología frente a las nuevas observaciones
realizadas por el telescopio Hubble de la NASA
y el Observatorio Hiparco de la Agencia Espacial Europea?
Las teorías sobre de
la estructura del universo
a gran
escala se basan en las observaciones cuidadosas de los astrónomos
con instrumentos cada vez más poderosos. Es interesante
anotar que cada vez que se perfecciona una técnica de observación
o se usa un nuevo instrumento para observar
el cosmos,
aparecen
sorpresas. Cuando Galileo, por ejemplo, usó por primera vez el
telescopio para escudriñar las profundidades del cosmos,
vio que la superficie de la Luna tiene irregularidades, que
Júpiter
tiene satélites y que el
Sol
tiene manchas.
El telescopio espacial Hubble es el instrumento más poderoso
que se ha construido con el objetivo de ver el cosmos libre de
las perturbaciones y efectos producidos por la atmósfera.
Con este nuevo telescopio se han podido ver los
efectos gravitacionales
de posibles
agujeros negros,
se ha medido muy precisamente la
distancia a
cúmulos
vecinos de galaxias
(y por lo tanto
se ha podido inferir la edad del universo) y ha permitido avanzar
en el problema de
la materia oscura
del universo.
El debate sobre la edad del universo
El universo no puede ser más viejo que las estrellas que lo forman, fue el argumento que lanzaron los físicos en contra del modelo del "Big Bang" cuando éste fue propuesto en la década de los años 30. Según el modelo del Big Bang, el universo es finito y tuvo un comienzo donde la materia existente alcanzó una densidad y temperatura supremamente alta.
Recordemos que el modelo se propuso como una
posible explicación a las observaciones de las abundancias
de
elementos livianos en el universo.
Ya para los primeros años
de la década de los 30 se había establecido con
base experimental, que el universo está formado en un 75%
de Hidrógeno y un 25% Helio (los elementos más pesados
como los que observamos en la Tierra constituyen menos del 1%
de la materia en el universo). Esta observación necesita
una explicación. En 1947 los físicos George Gamow,
Ralph Alpher y Robert Herman de la Universidad de Georgetown en
Washington propusieron que los núcleos de Helio en el universo
fueron formados por
fusión nuclear
en las primeras épocas
de un universo que tuvo un comienzo caliente y denso. La posibilidad
del origen del universo en una gran explosión, además,
incorporaba de forma natural las observaciones de Hubble que demostraron
en 1929 que el
espacio está en expansión.
Este modelo
fue bautizado por Fred Hoyle en forma despectiva como el "Big
Bang" o gran explosión.
En los cálculos originales de Gamow, Alpher y Herman aparecía
una componente de energía en forma de
radiación.
En un gas de
electrones,
protones
y
neutrones
a muy alta energía
tal como Gamow suponía que era el universo temprano, la
energía en forma de
radiación electromagnética
es la que domina el sistema. Más tarde, cuando el universo
se expande, la energía en forma de radiación deja
de ser dominante y su correspondiente temperatura decrece. Esa
energía en forma de radiación electromagnética
(radiación cósmica de fondo, RCF)
proveniente
de
los primeros instantes del Big Bang es una de las predicciones
más fuertes del modelo.
Por esos años, el modelo estacionario (es decir que el
universo no tuvo un comienzo sino que por el contrario es infinito)
promovido por Hoyle, Bondi y Gold tendía a ser favorecido
por razones teóricas ya que así como las variables
espaciales exhiben simetría en el universo (este es homogéneo
e isótropo) se esperaría que así mismo sucediera
con el tiempo. Pero un comienzo en el tiempo rompería dicha
simetría. Otro golpe fuerte en contra del Big Bang fue
la inconsistencia de la edad calculada del universo cuando se
comparaba con la edad de la
Tierra:
el universo resultaba más
joven que la misma Tierra! más adelante se descubrió
un error en el calculo de la velocidad de expansión (constante
de Hubble) y se pudo corregir dicha inconsistencia. Cuando en
1965 los radio-astrónomos Penzias y Wilson del laboratorio
Bell de Nueva Jersey, Estados Unidos, descubrieron accidentalmente
la radiación cósmica de fondo, el modelo de Big
Bang comenzó a ser tomado en serio y los mismos Hoyle y
Gold reconocieron las virtudes del modelo de Big Bang y las limitaciones
del modelo estacionario por ellos creado.
La constante de Hubble
Vivimos en un universo que cada vez se hace más grande,
es decir el espacio está en
expansión.
La geometría del universo
es tal que si uno mide la distancia que separa dos
galaxias cualesquiera, ésta aumenta en el tiempo. El aumento
en la
separación
entre cualquier dos galaxias se debe
a que existe una velocidad relativa entre ellas y entre más
alejadas se encuentren mayor será la velocidad relativa
entre ellas. Por ejemplo, la velocidad con la cual se aleja una
galaxia a una distancia de 1 millón de
años-luz
de nosotros sería de 15 a 30 Km/segundo. Una galaxia a
2 millones de años luz se alejaría con el doble
de velocidad, y así sucesivamente. Este hecho fue observado
por el astrónomo norte americano Edwin Hubble en 1929 y
a la constante de proporcionalidad que da la velocidad en función
de la separación se le llama constante de Hubble H:
Velocidad = H * distancia.
Hubble descubrió esta ley midiendo la
velocidad y la distancia de muchas galaxias en direcciones arbitrarias.
La velocidad se obtiene mediante el
corrimiento hacia el rojo
de las líneas en el
espectro de la luz
proveniente de las
galaxias. La distancia se calcula a partir de la
luminosidad absoluta
de estrellas variables del tipo Cefeida en la galaxia en cuestión.
Las estrellas variables del tipo Cefeida tienen la propiedad de cambiar su luminosidad intrínseca de forma periódica (de 1 a 50 días) y además, su luminosidad viene determinada por el período de variabilidad. A mayor período mayor brillo, tal como fue descubierto por la astrónoma Henrietta Leavitt en 1912.
Midiendo el período de variabilidad
de una Cefeida variable se puede entonces conocer su luminosidad
intrínseca. Comparando el brillo intrínseco de
una estrella con el brillo aparente (la cantidad de luz medida
por un telescopio en la Tierra) se puede hallar la distancia a
la estrella, ya que el brillo aparente de una estrella es el
brillo intrínseco disminuido por un factor que depende
del inverso de la distancia al cuadrado:
Los cosmólogos tienen gran interés en el valor de H, debido a que ellos pueden decir cual es la edad y tamaño del universo a partir de H. Para ver la relación entre estas cantidades basta con pensar qué pasa si en este momento nos devolvemos en el tiempo haciendo que la expansión sea ahora hacia dentro.
Como la velocidad de expansión es conocida por la ley de Hubble podemos preguntarnos cuánto tiempo tomaría el universo en alcanzar el punto en el que todas las galaxias compartan el mismo lugar (separación cero o singularidad).
Un cálculo muy sencillo revela que el tiempo desde radio
cero hasta hoy (edad del universo) es el inverso de H. Con
¿Qué tan lejano es Virgo?
Los ladrillos o 'átomos' con los cuales está construido el universo son las galaxias. La Vía Láctea, que es donde se encuentra el Sol con la Tierra, es una espiral formada primordialmente por nubes de Hidrógeno y por 100 mil millones de estrellas como el Sol. Toda esta materia se encuentra distribuida en una región en forma de disco con un radio de 50 mil años-luz y participa de un movimiento de rotación a una velocidad de una vuelta en 300 millones de años. Se ha observado que debido a la acción de la gravedad, las galaxias tienden a formar grupos. Estos grupos o cúmulos de galaxias son los que forman las meta-estructuras del universo y pueden estar formados por pocas galaxias o por cientos de ellas. La Vía Láctea es miembro de uno de esos cúmulos (el Grupo Local). El cúmulo más cercano al nuestro es el cúmulo de Virgo, que se encuentra a 50 millones de años-luz de nuestra galaxia y se ha tomado como punto de referencia para la calibración de distancias.
El debate de la edad del universo y la constante de Hubble se reduce a las discrepancias existentes entre las diferentes determinaciones de distancia a Virgo. La constante H es el cociente entre la velocidad de recesión de Virgo y la distancia que nos separa. Una vez que se conozca precisamente la distancia a Virgo se podrá establecer un valor firme para H. La astrónoma Wendy Freedman, usando el telescopio espacial Hubble, obtuvo la medición de la distancia a Virgo por medio de la observación de varias Cefeidas variables en la galaxia espiral M100 perteneciente a dicho cúmulo. Según estas mediciones la distancia a Virgo es de 55.4 Mpc y la constante de Hubble tendría un valor de 80 Km/seg por Mpc, lo cual implicaría una edad del universo demasiado corta (de 8 a 11 mil millones de años) y en conflicto con las edades medidas de las estrellas en cúmulos globulares en la Vía Láctea.
Independientemente
Michael Pierce también pudo identificar una Cefeida variable
en la galaxia NGC4571 de Virgo usando el telescopio de Mauna Kea
en Hawaii. Los resultados de Pierce indican que efectivamente
la constante de Hubble tiende hacia los valores altos.
Las estrellas más viejas de nuestra galaxia se encuentran
en agrupaciones (llamados cúmulos globulares) más
o menos
distribuidas
simétricamente en torno al
centro de la Galaxia.
La teoría de la
evolución estelar,
que está bastante bien establecida desde los años
30, nos da las edades de estas estrellas y parecen indicar que
las hay tan viejas como 13-14 mil millones de años, mientras
que la edad del universo recientemente inferida con las mediciones
del Hubble es de tan solo 8 - 11 mil millones de años.
Parece que el modelo del Big Bang está en problemas.
¿Está en problemas realmente el modelo cosmológico
del Big Bang?
Antes de poder entender qué tan firme es el resultado de
'9 mil millones' de años para la edad del universo obtenido
por el Hubble y qué tan serias son las implicaciones para
la cosmología, tenemos que revisar en detalle la incertidumbre
en las mediciones y también debemos tener en cuenta los
posibles efectos sistemáticos.
Obtener la distancia al cúmulo de Virgo con pocas galaxias
introduce errores sistemáticos porque las galaxias en el
cúmulo presentan movimientos peculiares, el cúmulo
es bastante grande y la galaxia seleccionada por el Hubble no
pertenece a la parte central del cúmulo. Un asunto es la
distancia al núcleo del cúmulo y otra cosa es la
distancia a algunas de sus galaxias. Estas dos cantidades son
diferentes y debido a los movimientos peculiares pueden presentar
discrepancias hasta de un 20%. A los efectos gravitacionales
locales en el cúmulo de Virgo debemos agregar los errores
sistemáticos debidos a la atracción gravitacional
de Virgo hacia el Grupo Local donde residimos. Nosotros somos
atraídos gravitacionalmente hacia Virgo a una velocidad
de 200 Km/segundo, es decir Virgo no está lo suficientemente
lejano de nosotros para poder medir la constante de Hubble libre
de las perturbaciones de origen local.
Otra objeción a las mediciones del Hubble es la inconsistencia que resulta al comparar las distancias por el método de Cefeidas con otros métodos, como el de la luminosidad de las supernovas.
El astrónomo Allan Sandage ha usado supernovas
como indicadores de distancia obteniendo un valor para la constante
de Hubble más pequeño (52 Km/segundo por Mpc) que
el encontrado por el método de las Cefeidas en Virgo.
La edad del universo con esta nueva determinación de la
constante de Hubble es de 18-20 mil millones de años, la
cual no entraría en conflicto con las edades de las estrellas
más viejas. Una supernova del tipo 'Ia'
es lo que resulta de la explosión de una estrella
enana blanca
que absorbe la materia de una estrella vecina y al aumentar
su masa por encima de 1.4 masas solares colapsa gravitacionalmente.
En este proceso se genera una potentísima onda
de choque que despide con gran fuerza
las capas más externas de la estrella.
El brillo de la estrella durante la explosión aumenta muchísimo
y el brillo máximo de la explosión es constante
para todas las supernovas del tipo 'Ia'.
De aquí que constituyan una buena referencia de brillo
para determinar distancias.
Un tercer punto que debemos considerar antes de saltar a conclusiones de dimensión cosmológica, es que al comparar la edad del universo con la de las estrellas en cúmulos globulares debemos conocer la incertidumbre en la edad de estas estrellas. Brian Chaboyer del Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica, ha demostrado que el cálculo de las edades de las estrellas en cúmulos globulares puede alcanzar errores hasta del 20%. Los factores que dominan este error son la imprecisión con la que se conoce el mecanismo de transporte de energía por convección en la estrella e irónicamente los errores en la determinación de la distancia a estas estrellas.
Combinando las diferentes fuentes
de incertidumbre en la determinación de las edades de las
estrellas en cúmulos globulares, se encuentra que la edad
absoluta de los cúmulos globulares más viejos está
en el rango 11 - 21 mil millones de años. Estos resultados
hay que modificarlos con correcciones descubiertas recientemente por
las mediciones de posiciones astronómicas realizadas por el satélite Hiparco,
las cuales ponen las edades de cúmulos globulares en el rango 9-18 mil millones
de años, aliviando el posible conflicto con la edad del universo.
Por último, debemos anotar que se han hecho algunas suposiciones en el momento de calcular la edad del universo a partir del parámetro H. En particular, lo que normalmente se hace es suponer que el universo tiene la suficiente masa para hacer que su geometría corresponda a la de un espacio plano. Esta elección viene sugerida por los modelos cosmológicos inflacionarios que explican la isotropía en la radiación cósmica de fondo. La edad del universo viene dada por b/H, donde H es la constante de Hubble y b un factor que depende de la geometría del universo. En un universo Euclideo b es cercano a 1. No sabemos cuál es realmente la curvatura del universo. Este parámetro depende de la masa total en el universo y si nos basamos en la materia observable solo encontramos un 2% de la materia necesaria para que este alcanzara a tener una geometría plana, es decir su geometría es la de un espacio abierto de curvatura negativa.
Independiente de la geometría, existe otro parámetro
teórico (la constante cosmológica l)
que podemos ajustar para hacer la edad del universo más
grande inclusive con un alto valor de H. Las ecuaciones sobre
las cuales viene elaborado el modelo del Big Bang se basan en
la
teoría de la gravedad
desarrollada por Einstein. Cuando
se usa la Teoría General de la Relatividad de Einstein
para describir el comportamiento del universo, aparece de forma
natural la expansión del espacio. En estas ecuaciones se
puede usar el parámetro l que
actúa como una presión negativa y hace que el universo
se expanda más lentamente y así su edad se hace
mayor independiente del valor de H.
Como se ha visto, la incertidumbre en las edades de las estrellas más viejas, los errores sistemáticos en las mediciones de la constante de Hubble, la incompatibilidad de los resultados de la edad del universo con métodos alternos, y el gran número de suposiciones teóricas en el cálculo de la edad del universo hacen que sea prematuro cualquier afirmación categórica referente a la validación o rechazo del modelo cosmológico del Big Bang. Aunque quedan muchas dudas por resolver, el Big Bang sigue siendo la posibilidad teórica más atractiva para poder explicar coherentemente los hechos conocidos sobre nuestro universo: