La cosmología es una rama de la astronomía. Quizá, la que más vértigo puede dar por los temas que abarca. Se enfrenta a preguntas de difícil respuesta, a temas que, como decía Carl Sagan, una vez fueron tratados solo en los mitos y la religión…

El puzle de la cosmología

Imagen de una simulación por ordenador de la formación de las grandes estructuras del universo.
Crédito: ESO

La cosmología estudia el origen y evolución del universo. Desde el Big Bang hasta el presente, y también hacia el futuro. En la cosmología se trabaja en el estudio científico, a gran escala, de las propiedades del universo en su conjunto. No es una tarea cualquiera. Intentar encontrar respuestas al destino del universo, o a su origen, no son, ni mucho menos, cuestiones menores. Algunas de ellas hasta ahora, sólo habían sido tratadas en la religión.

Los cosmólogos estudian conceptos de lo más variados y complejos. Desde la teoría de cuerdas, hasta la energía y la materia oscura, o si vivimos en un único universo. Es posible que, en realidad, el nuestro sea solo uno de muchos. Un multiverso. A diferencia de otras ramas de la astronomía, aquí el objeto de estudio no es una parte específica del universo. No se estudia estrellas o galaxias. Se estudia todo el universo en su conjunto.

Desde su nacimiento… hasta su posible futuro. Así que, como quizá imagines, nos encontramos con todo tipo de preguntas a cada momento. ¿Cuál es el futuro del universo? ¿Qué había antes del Big Bang? ¿cuál es la forma del universo? No son preguntas fáciles. Nos enfrentan a grandes misterios. Quizá, no sea incluso descabellado decir que pensar en estas cuestiones puede producir incluso cierto vértigo.

Historia de la cosmología

Albert Einstein.
Crédito: Orren Jack Turner

Nuestra comprensión del universo ha avanzado mucho con el paso del tiempo. En los inicios de la astronomía, creíamos que la Tierra era el centro del universo, con los planetas y estrellas orbitando a su alrededor. Hubo que esperar hasta la llegada del siglo XVI para que Nicolás Copérnico sugiriese que no era así. En su lugar, la Tierra y el resto de planetas, en el Sistema Solar, orbitan alrededor del Sol. Eso provocó un profundo cambio en nuestra comprensión del cosmos.

En el siglo XVII, Isaac Newton calculó cómo interactúan las fuerzas gravitacionales. En el albor del siglo XX, dimos un paso más. El genial Albert Einstein propuso la unificación del espacio y el tiempo. Es lo que popularmente conocemos como la teoría de la relatividad general. A principios de siglo, los científicos también se preguntaban si la Vía Láctea contenía a todo el universo, o, por el contrario, era simplemente una colección de muchas estrellas.

Edwin Hubble calculó la distancia a la galaxia de Andrómeda. Así, determinó que se encuentra fuera de la Vía Láctea. Por lo que nuestra galaxia era solo una pequeña gota en un universo gigantesco. Con la ayuda de la relatividad general, con la que estableció el marco de trabajo, Edwin Hubble fue capaz de medir otras galaxias, y determinar que se alejan de nosotros. Así, alcanzamos la conclusión de que el universo no es estático, se expande.

La cosmología en tiempos modernos

Stephen Hawking. Una de las mentes más brillantes de nuestro tiempo.
Crédito: NASA

En décadas recientes, Stephen Hawking también ha determinado que el universo no es infinito, si no que debe tener un tamaño definido. Eso sí, no tendría un límite definido. Puede que esto suene confuso, pero no lo es tanto como parece. El concepto es más fácil de lo que parece, aunque pueda sonar críptico. De hecho, se puede comprobar fácilmente utilizando nuestro propio planeta como ejemplo.

El razonamiento es el siguiente. La Tierra es un planeta. Y como planeta, sabemos que es finito. Tiene un diámetro concreto. Un tamaño específico. Sin embargo, una persona que caminase sobre su superficie, nunca alcanzaría el final del camino. Daría vueltas alrededor del globo terrestre una y otra vez (y, en el caso del planeta, eventualmente ese hipotético caminante se daría cuenta de que está pasando por el mismo lugar).

Así que Stephen Hawking propuso que el universo podría ser algo similar. No tendría una extensión infinita, pero sí un límite. Sin embargo, muy a nuestro pesar, es un extremo difícil de comprobar. El espacio se expande más rápido que la luz, así que no podemos viajar lo suficientemente rápido como para poder recorrer el universo y volver a un punto de partida. Su expansión nos ganaría siempre.

Instrumentos y misiones cosmológicas

Imagen del telescopio Hubble poco después de separarse del transbordador Discovery, en 1990.
Crédito: NASA

En noviembre de 1989, la NASA puso en órbita el satélite Cosmic Background Explorer. Estuvo operativo durante 4 años, en los que hizo mediciones muy precisas de la radiación de todo el firmamento. No fue el único. El telescopio Hubble, a pesar de ser ampliamente conocido por sus espectaculares imágenes, como los Pilares de la Creación, tenía como objetivo principal una misión cosmológica.

Observando las variables Cefeidas, estrellas variables que tienen una relación bien definida entre sus cambios de birllo y sus pulsos, nos ayudó a refinar nuestras mediciones sobre la expansión del universo. Desde su lanzamiento, el telescopio Hubble ha sido utilizado por los astrónomos para seguir realizando mediciones cosmológicas y para refinar las ya realizadas. Es una parte quizá menos llamativa de su trabajo, pero no por ello menos importante.

Gracias al telescopio Hubble, los astrónomos han podido limitar la posible naturaleza de la energía oscura. Pero todavía queda mucho trabajo por delante. Aquí es donde entra en juego el satélite WMAP, que operó desde 2001 a 2010. En ese tiempo, observó las pequeñas fluctuaciones de la radiación de fondo de microondas, la luz más antigua del universo. Nos permitió determinar que los átomos ordinarios del universo (lo que podemos ver, en resumen) son solo el 4,6% del universo. La materia oscura es alrededor de un 24%.

El estudio de la energía y la materia oscura

Esta es la radiación de fondo de microondas.
Crédito: NASA/WMAP Science Team

El satélite WMAP nos ayudó a reducir las dudas sobre la existencia de la energía oscura. También nos ayudó a comprender mejor la composición del universo. Pero ha habido mucho más trabajo en este campo de la cosmología. Así que, en 2009, se lanzó al espacio el satélite Planck, que continuó esas labores de observación hasta 2013. Continuó el estudio de la radiación de fondo de microondas.

Además, pensando ya en el futuro, hay varias misiones en camino que tienen como objetivo seguir profundizando en esta cuestión. La Agencia Espacial Europea está trabajando en la misión Euclides. Todavía no tiene fecha exacta de vuelo, pero se espera que sea lanzada a finales de la década de 2020. Queda mucho tiempo por delante, pero ya tenemos claro en qué va a consistir su misión.

Euclides estudiará la materia y la energía oscura. Lo hará con mucha más precisión que sus antecesores. Nos permitirá observar su distribución y su evolución a lo largo de la historia del universo. No cabe duda de que, si todo sale bien, nos dará muchas respuestas a una de las partes más enigmáticas de la astronomía moderna. Pero por ahora, Euclides es solo un prometedor recordatorio de lo que está por venir…

En busca de algunas respuestas…

Ilustración a escala logarítmica del universo observable con el Sistema Solar en el centro, los planetas interiores, el cinturón de asteroides, los planetas exteriores, el cinturón de Kuiper, la nube de Oort, Alfa Centauri, el brazo de Perseus, la Via Láctea, Andrómeda y las galaxias cercanas, la telaraña cósmica de cúmulos galácticos, la radiación de fondo de microondas y el plasma invisible del Big Bang en el borde.
Crédito: Pablo Carlos Budassi

Gracias a la cosmología, ya tenemos algunas respuestas. Quizá no sean todo lo completas que nos gustarían, pero son un buen recordatorio de que estamos avanzando en uno de los campos más complicados de la astronomía. Por ejemplo, ¿qué hubo antes del Big Bang? No podemos ver fuera del universo, así que solo podemos especular al respecto. El tiempo y el espacio comenzaron con el Big Bang. Se especula con la existencia de otros universos pero, por ahora, no hay posibilidad de observarlos.

Una de las preguntas más comunes en este campo es ¿Dónde se produjo el Big Bang? Esta es, probablemente, la que tiene una respuesta más complicada… El Big Bang no sucedió en un punto concreto del universo. Sucedió en todas partes. Porque, a fin de cuentas, es la aparición del espacio y el tiempo en sí mismo. No hay un lugar en el universo al que podamos señalar y decir «aquí, aquí se produjo el nacimiento».

Del mismo modo, si todas las galaxias se alejan de nosotros, cabe preguntarse si eso no quiere decir que estamos en el centro del universo. La respuesta es sencilla. Si viajásemos a otra galaxia, veríamos que el efecto es el mismo. Desde ella, todas las galaxias parecerían alejarse, colocándola en el centro. En cierto modo, es como imaginar que el universo es un globo gigante. Si marcas varios puntos en él, y lo explotas, todos los trozos se alejan del resto, sin que ninguno esté en el centro.

Las grandes preguntas de la cosmología

Concepto artístico del satélite Planck.
Crédito: ESA – AOES Medialab

Pero quizá, las dos preguntas que más vértigo dan tienen que ver con el universo y su edad. Por un lado, cuál es la edad del universo. El satélite Planck ha sido especialmente útil para confirmar este extremo. Sabemos que el universo tiene 13.800 millones de años, con un margen de error de unos cien millones de años, arriba o abajo. Planck logró hacer ese cálculo tras observar las pequeñas diferencias de temperatura de la radiación de fondo.

Pero… ¿cuál es el futuro del universo? ¿tendrá un fin? Lo cierto es que, por mucho vértigo que pueda dar la pregunta, no lo tenemos completamente claro. Depende de diferentes factores, como su densidad. Es decir, cómo esta repartida la materia que podemos encontrar en el universo. Así que los astrónomos han calculado un valor de «densidad crítica». De esta manera, podemos definir diferentes destinos…

Si la densidad del universo es superior a ese nivel crítico, quiere decir que la expansión del universo irá frenando. Eventualmente, se revertirá, y el universo colapsará sobre sí mismo. Sin embargo, si es el caso opuesto, y la densidad es inferior, entonces el universo seguirá expandiéndose indefinidamente. Es algo que conocemos como la muerte térmica del universo y, en estos momentos, es la hipótesis más afianzada.

Referencias: Space