Estrellas que explotan y siembran vida

En el Universo existen muchos tipos de estrellas, distintas en composición, brillo, edad, tamaño, etc. Nuestro Sol es una estrella mediana -su diámetro es de, aproximadamente, 1.400.000 kilómetros- con una masa de 1,9891 × 10³⁰ kilogramos (unos dos mil cuatrillones de toneladas) y una edad cercana a los 4.570 millones de años. Pero hay "soles" mucho más pequeños, más grandes, más o menos brillantes, más o menos "viejos"...

Tamaño comparativo del Sol con otras estrellas conocidas mayores

La estrellas nacen y mueren (la nuestra "arderá" unos 5.000 millones de años todavía) y, dependiendo fundamentalmente de su masa, tendrán un tipo de muerte u otro. El colapso de nuestro Sol acabará seguramente con su conversión en Enana Blanca, un tipo de astro pequeño, frío e inerte.

Pero, ¿qué ocurriría en el caso de otras estrellas mucho más masivas? En este tipo de estrellas, llega un momento en que la presión de degeneración de los electrones se hace insostenible y deriva en un colapso instántaneo y una explosión posterior que libera cantidades de luz y energía difícilmente descriptibles (esto es lo que se conoce como "supernova"). Se estima que una supernova puede producir 10 trillones de cuatrillones de Julios varias veces seguidas. Antes de esta gigantesca liberación de energía, los sucesivos procesos de fusión nuclear en su interior habrán transmutado el hidrógeno y el helio en otros elementos más pesados, como oxígeno, carbono, calcio, etc., los cuales son liberados al espacio y pasan a formar parte de otros astros en formación, pudiendo así -cuando las circunstancias sean favorables- contribuir al inicio de la vida.

Explosión de una supernova (NASA)

Si no fuera por estas explosiones de supernovas, el Universo constaría prácticamente sólo de hidrógeno y helio, con lo que sería imposible la vida tal como la conocemos.

¿Cuántas estrellas y galaxias hay en el Universo?

Aunque se desconoce el número exacto, las últimas estimaciones apuntan a que podrían existir unos 500 mil millones de galaxias en el Universo. Si tenemos en cuenta que una galaxia promedio, como la Vía Láctea, puede albergar unos 400 mil millones de estrellas, el número total puede resultar una cifra mareante: 200 mil trillones de soles. Y recuerda que la masa de todos ellos (junto con los planetas, satélites, asteriodes, cometas, etc.) constituye sólo el 0,6% del conjunto del Universo (ver el post ¿De qué está formado el Universo?).

Cúmulo de Galaxias (NASA/JPL-Caltech)

Está claro que la Cosmología nos abruma con sus distancias, cantidades y tiempos desmesurados. Cuando entremos en el mundo de lo muy pequeño (las partículas subatómicas) veremos que también lo submicroscópico nos asombrará sobremanera, incluso de forma más radical todavía. Nuestro tamaño como seres vivos parece justo a medio camino entre el macro y el micromundo, lo que nos hace quedar estupefactos ante ambos. Sin embargo, y a pesar de que estamos hechos de los mismos componentes básicos que ellos, nuestra evolución nos ha permitido desarrollar capacidades que nos acercan cada día más al descubrimiento de cómo funciona realmente el Universo, desde un cúmulo galáctico a un simple quark.

¿Pueden curvarse el espacio y el tiempo?

La Teoría General de la Relatividad de Einstein demostró matemáticamente que la gravedad, más que una fuerza al estilo newtoniano, es en realidad una consecuencia de la propia geometría del tejido espaciotemporal. Si imaginamos el espaciotiempo como una malla compuesta por tres dimensiones espaciales más una temporal (algo difícil de visualizar), podemos entender la gravedad como la distorsión que sufre esa malla como consecuencia de los elementos masivos (planetas, estrellas, galaxias...) que contiene. Cuanta más masa tiene un cuerpo, más distorsionada o curvada estará la malla del espaciotiempo.

La Tierra, por ejemplo, sigue en su trayectoria alrededor del Sol el camino más recto que puede encontrar (el equivalente a una geodésica cuatridimensional); pero resulta que como el Sol, con su gran masa, curva el espacio (y el tiempo) en torno a él, el camino más recto es una elipse. Sin la presencia de nuestra estrella, la Tierra seguiría una trayectoria recta por el espacio.

Cuando nos encontramos con un objeto extremadamente denso y masivo -como puede ser un agujero negro-, el espaciotiempo se curva tanto que puede llegar a cerrarse sobre sí mismo e, incluso, a desgarrarse, produciendo una "singularidad". Esa curvatura extrema impide que la luz abandone su superficie, de ahí lo de "negro".

Aunque en las imágenes aparecen representadas sólo las dimensiones espaciales, no hay que olvidar que el tiempo se curva y distorsiona a la vez que lo hace el espacio. Las ecuaciones muestran que en el interior de una singularidad el tiempo puede llegar a detenerse totalmente.

Seguiremos profundizando en este tema.

¿Cuántas dimensiones tiene el Universo?

Si quisieramos situar un objeto o un evento en un punto cualquiera del Universo, tendríamos que proporcionar cuatro coordenadas: tres espaciales (largo, ancho y alto) y una temporal (es decir, en qué momento está allí el objeto o ha sucedido el evento). Así pues, en apariencia, viviríamos en un Universo de 4 dimensiones, según nos dicta nuestra experiencia cotidiana.

Albert Einstein en su Teoría de la Relatividad General y otros autores posteriores (Minkowski entre ellos), demostraron matemáticamente que no podemos hablar de espacio y tiempo por separado, sino que el tejido "real" del Universo es un continuo espaciotemporal cuatridimensional. Las tres dimensiones espaciales y la dimensión temporal están indisolublemente entrelazadas, dando forma a la geometría que el Universo nos muestra.

Representación simbólica del "tejido" espaciotemporal

La gran dificultad que los físicos han tenido (y siguen teniendo) para conjugar los postulados de la Relatividad con los de la Mecánica Cuántica (en su búsqueda de una teoría general de la Gravitación Cuántica que pueda aplicarse a las singularidades), ha sido el elemento clave en la aparición de nuevos paradigmas físicos en los que se hacen necesarias nuevas dimensiones espaciales para que sus ecuaciones sean coherentes. De todos ellos, la Teoría de Cuerdas (o Supercuerdas) es la principal candidata a ofrecer un poco de luz en esta búsqueda. Como veremos en posteriores artículos, esta nueva teoría precisa de un Universo de 10 dimensiones (11 en algunos casos y 26 en otros), para que sus matemáticas tengan sentido. ¿Dónde estarían todas esas otras dimensiones que no podemos percibir? Sus teóricos apuntan la posibilidad de que estén "enrolladas" sobre sí mismas a un nivel tan pequeño (por debajo de la distancia de Planck) que es imposible para nosotros observarlas. Diversos experimentos (entre ellos, en los aceleradores de partículas) tratan de obtener pruebas indirectas de estas dimensiones adicionales.

Representación de dimensiones adicionales enrolladas en cada punto del espacio ordinario

Un poco más sobre el Big Bang

Como ya apuntábamos en anteriores posts, la ciencia acepta hoy, de forma casi unánime, que el Universo actual tuvo su origen hace unos 13.700 millones de años en un evento conocido como Big Bang (Gran Explosión). Este nombre desafortunado (ni fue grande, ni fue una explosión como las que conocemos) se lo debemos al astrofísico Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría que la bautizó así de forma despectiva. Si el Universo se expande (es decir, si las galaxias se alejan cada vez más unas de las otras) como demuestran las observaciones, parece claro que mientras más retrocedamos en el tiempo, más pequeño será su tamaño y más "apretada" estará toda la materia y la energía existentes. Hasta tal punto que, si retrocedemos lo suficiente, todo estaría concentrado en un volumen infinitesimal de energía y temperatura matemáticamente infinitas (o, al menos, indescriptibles), conocido como "singularidad espaciotemporal".

Preguntarnos cómo llegó el Universo a este estado o qué era lo que existía con anterioridad a él son preguntas que la Física actual no puede responder. Las leyes que conforman el marco teórico de esta disciplina no "funcionan" más allá de unas millónésimas de segundo después del Big Bang. Ni siquiera podemos hablar de un tiempo anterior a ese momento, ya que los físicos insisten en que el tiempo se creó también en el Big Bang, junto con el espacio, la energía y la materia que conocemos.

Bien, pues según muchas evidencias empíricas y teóricas, esa singularidad de energía y temperatura infinitas "explotó" de alguna manera, dando lugar al Universo en que vivimos. Desconocemos los mecanismos que causaron este efecto y puede que nunca lleguemos a conocerlos.

Con el tiempo, el Universo se fue enfriando al expandirse, lo que trajo consigo la separación de las cuatro fuerzas fundamentales que conocemos (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) y la creación de las partículas elementales (quarks, electrones, etc.). Posteriormente los distintos tipos de quarks se unirían para crear protones y neutrones, los cuales formarían más tarde los primeros núcleos de deuterio y de helio y, unos 300.000 años después del Big Bang, otros átomos -fundamentalmente hidrógeno- uniéndose a los electrones.
Aunque, en principio, la materia estaba casi uniformemente distribuida, posteriormente algunas regiones algo más densas crecieron gravitacionalmente aumentando su densidad y formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Esta distribución de materia, energía y fuerzas fundamentales daría lugar, mucho más tarde, a la aparición de la vida, la inteligencia y la consciencia en un pequeño planeta rocoso azul de una galaxia espiral cualquiera.

Evolución del Universo desde el Big Bang

Las tres evidencias principales que apoyan esta teoría del Big Bang (en las que profundizaremos en otros posts) son: el corrimiento hacia el rojo de las galaxias (es decir, la prueba de que se están alejando), la radiación de microondas del fondo cósmico (es el remanente energético de aquella "explosión" primigenia) y la abundancia de elementos ligeros en el Universo actual (en concordancia con la teoría).

Mapa de la radiación de microondas del fondo cósmico (WMAP)

La Energía Oscura

La energía oscura es un tipo hipotético de energía que impregna todo el tejido del Universo, produciendo en éste una presión de signo negativo que aceleraría su expansión, al generar una fuerza gravitacional repulsiva.

Su existencia se dedujo a través de la observación de ciertos tipos de supernovas (explosiones de estrellas muy masivas), que sugerían que la expansión del Universo se estaba acelerando, como empujada por una "fuerza misteriosa"; a esta fuerza se le denominó energía oscura.

Representación de la energía oscura (Center for Cosmological Physics)

Este tipo de energía desconocida, de existir, jugaría también un papel fundamental en el destino final del Universo, pues dependiendo de su naturaleza y de su potencial podría, incluso, llegar a desgarrarlo (Big Rip) en unos 20.000 millones de años. 

Seguiremos profundizando en estas cuestiones.

La Materia Oscura

Se denomina así a un tipo hipotético de materia, de composición desconocida, que no puede ser observada directamente (al menos, con los medios técnicos actuales) al no emitir o reflejar radiación electromagnética suficiente. Sin embargo, sus efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria sí que son observables y cuantificables.

Efecto de lente gravitacional creado por la supuesta

interacción entre la materia oscura y la ordinaria

La existencia o no de materia oscura y su cantidad puede resultar crucial para el destino del Universo. Dependiendo de cuánta materia oscura exista, la expansión del Universo podría continuar indefinidamente, podría ralentizarse, detenerse o, incluso, invertirse (Big Crunch).

¿De qué está formado el Universo?

Aparentemente, y así se pensó durante mucho tiempo, el Universo parece formado por un número elevadísimo de galaxias con mucho espacio vacío de por medio; es decir, sus componentes básicos serían la materia ordinaria (protones, neutrones, electrones, etc.), la energía de las distintas reacciones y radiaciones y el vacío. Pero exámenes y cálculos más minuciosos han mostrado que esto no es así.

Composición porcentual del Universo

Según alcanzamos a comprender ahora, toda esa materia ordinaria de la que estamos hablando (estrellas, planetas, asteroides, etc.) junto con todo el gas interestelar, conforman sólo el 4% del total materia-energía del Universo. El 96% restante se lo reparten entre la "materia oscura" (23%) y la "energía oscura" (73%).

El Universo se expande

Si has leído los posts anteriores sin tener nociones básicas de Cosmología, quizás hayas pensado que, en el momento del Big Bang, el Universo se creó tal como ahora lo vemos. Nada más lejos de la realidad. Todo parece indicar que en el instante "cero" de su creación, nuestro Universo no era más que un punto infinitesimal de densidad infinita (o, al menos, indefinida). A partir de esa "gran explosión" y hasta el momento actual, no ha dejado de crecer, de expandirse, pasando desde un tamaño prácticamente nulo a la esfera de 93.000 millones de años luz de diámetro (aproximadamente) que es ahora.

Hay que hacer notar que el Universo no se expande sobre ninguna "matriz contenedora" que existiera previamente, sino que es el propio espacio (y el tiempo) el que se dilata. Parece ser que no tiene sentido preguntarse por lo que pudiese existir fuera de las fronteras del Universo porque, realmente, éste no tiene fronteras (es autocontenido). Todo lo que existe o pudiera existir tiene que estar "obligatoriamente" dentro. Teóricamente, si pudiésemos partir de la Tierra en línea recta en una nave lo suficientemente rápida, al cabo de un tiempo volveríamos a llegar al mismo punto (es decir, a la Tierra), sin abandonar nuestra trayectoria rectilínea. ¿Cómo te quedas?

Más adelante matizaremos todas estas afirmaciones y apuntaremos otras perspectivas teóricas que han ido surgiendo en los últimos años.

La Edad del Universo

Después de superados el misticismo y la mitología característicos de los primeros intentos de calcular la edad del Universo, durante las últimas décadas se han ido obteniendo cifras cada vez más precisas, basadas en las observaciones y los datos de los más recientes telescopios, tanto orbitales como terrestres. Así, actualmente se acepta que el Universo "nació" hace unos 13.700 millones de años, un periodo de tiempo difícilmente abarcable para la mente humana.

La galaxia más lejana que podemos observar se encuentra a unos 13.000 millones de años luz, una distancia también inabarcable para nuestros limitados cerebros. La luz que ahora nos llega de esa galaxia partió de allí hace 13.000 millones de años, así que, si la luz recorre unos 299.792 kilómetros cada segundo, podemos calcular que, en ese espacio de tiempo, habrá recorrido unos ¡123 mil trillones de kilómetros! ¿No es increíble que podamos detectarla con nuestros telescopios?

El Principio Antrópico

Este principio antrópico (del griego anthropós, hombre), a veces confuso y casi siempre controvertido, puede expresarse de muchas formas distintas, pero su idea fundamental puede resumirse en que "el Universo es como es porque nosotros estamos aquí para observarlo". Tanto desde el punto de vista físico como cosmológico, esta afirmación otorga un papel fundamental a los seres dotados de conciencia dentro de la inmensa maquinaria universal. 

Aunque tiene varias formulaciones (débil, fuerte y final), todas recogen (con un grado ascendente de rotundidad) que las condiciones y variables que se vienen dando desde el principio del Universo (Big Bang) parecen haber sido "afinadas" de forma que, finalmente, hayan permitido la aparición de vida consciente e inteligente en el Cosmos. Esto no tiene nada que ver con la figura de un "creador"; más bien viene a decir que, de todos los Universos posibles que pudieron crearse en el Big Bang, éste es el que tenemos porque unos seres como nosotros están aquí para poder observarlo y plantear las preguntas necesarias para comprenderlo. Interesante, ¿no? Seguiremos ahondando en el tema más adelante.

¿Qué es el Universo?

El Universo es TODO cuanto existe: el espacio, el tiempo, la materia, la energía... No es un contenedor donde se alojan todas esas cosas, porque no existe nada fuera de él (aunque algunas teorías sugieren ideas diferentes, como ya iremos viendo). 

El Universo observable, según el telescopio Planck.

Se supone que antes de que el Universo se creara en el Big Bang (gran explosión) no existía absolutamente nada, ni siquiera espacio o tiempo. La Física actual no puede penetrar con sus afinadas leyes más atrás del momento de la creación, así que, para la ciencia, no tienen mucho sentido preguntas relativas a qué había antes de ese gran estallido.

Apertura del blog

Por fin me he decidido a poner en marcha este blog. En él quiero reflejar algunas cuestiones fundamentales relativas a cómo el Universo va poco a poco despejándonos sus incógnitas, gracias a los grandes avances teóricos y prácticos de la ciencia. Éstos nos muestran que, además de energía, materia y fuerzas fundamentales, el papel del ser humano como observador puede ser una de las claves para desentrañar y comprender los profundos secretos que nuestro Universo guarda aún en su interior. Bienvenidos, viajeros.