La cosmología es la forma más extrema de macrofísica: estudia al sistema más grande que existe — el universo. La función de la cosmología no es explicar el origen del cosmos, ya que no está claro que pueda haber tenido un origen. Más bien, la cosmología tiene por tarea proporcionar un entendimiento científico de evolución y estructura del universo. Pocas disciplinas hay más fascinantes, y pocas en las que haya más malentendidos, errores conceptuales, y confusiones a la hora de divulgarlas. A continuación, en forma de preguntas concretas y sus respuestas, se listan 10 preguntas que acaso Ud, el lector, alguna vez se hizo pero cuyas respuestas no es fácil encontrar explicadas en forma sencilla.

0. ¿Qué es el universo?

El universo es el sistema formado por todos los existentes. Como es un sistema y no un conjunto (que es una entidad matemática), tiene propiedades físicas como temperatura, densidad, entropía, y muchas otras.

1. ¿Qué es el modelo estándar de la cosmología?

Es un modelo para representar la evolución y formación de estructura en el universo. Se basa en i) la teoría general de la relatividad, ii) el modelo estándar de la física de partículas, iii) la observación de que el universo se expande. Este modelo implica que en el pasado el universo era más denso y caliente que en la actualidad. A medida que el universo se expande, se enfría. El modelo estándar predice la existencia de la radiación de fondo cósmica, que se produce cuando la temperatura cae por debajo de la de ionización y el universo, que era un plasma, pasa a ser un gas neutro, transparente a su propia radiación. Esa radiación llena el universo y se diluye por la expansión. Al expandirse el espacio, se expande la longitud de onda de la radiación. Cuando se produjo la radiación cósmica correspondía a una temperatura de unos 3000 K. Ahora es de 2.73 K. La separación de la radiación y la materia ocurrió unos 380.000 años después del comienzo de la expansión cósmica. Esta radiación fue detectada en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson (que recibieron el premio Nobel de Física de 1978 por el descubrimiento).

2. ¿Qué es lo que se expande?

Lo que se expande es el espacio. Al expandirse, las galaxias se alejan unas de otras. La idea de que las galaxias se separan como fragmentos de una explosión en un espacio preexistente es incorrecta. Lo que evoluciona es el espacio mismo.

Este es un punto difícil de comprender. La razón es que en física relativista el espacio-tiempo es considerado como una entidad con propiedades físicas, como energía, presión, etc. En el espacio-tiempo la separación entre dos eventos, dada por la forma de medir la distancia en 4 dimensiones, es una función monótonamente creciente de una de las dimensiones, el tiempo, pero lo es en una forma particular: el factor de crecimiento sólo afecta a la parte espacial. En dos dimensiones espaciales (por ejemplo sobre un papel) medimos las distancias así: ds²=dx²+dy², usando geometría euclídea. Esto es el muy conocido teorema de Pitágoras. En el universo, por otro lado, las distancias se miden así: ds²= dt² - a(t) dx², donde a(t) es el factor de escala que determina cómo crece la parte espacial en el tiempo t (por simplicidad escribimos una sola dimensión espacial x). El resultado es que el espacio se va diluyendo y con él las galaxias se separan con el tiempo. Esto se representa visualmente en las Figuras 1 y 2. Esas figuras muestran cómo el espacio se expande a medida que nos "movemos" en el tiempo.

Imaginemos un globo, que representa al espacio. Supongamos que marcamos puntitos en él: son las galaxias. Inflemos ahora el globo: las galaxias se separarán. Lo hacen porque el globo cambia respecto del tiempo. Algo similar sucede con el espacio en cosmología estándar.

Figura 1: Dos modelos diferentes de universo. Arriba el de la cosmología estándar, donde el espacio se expande y las galaxias se diluyen. El de abajo es el abandonado modelo de creación continua, que no cambia a medida que se expande el universo porque nuevas galaxias se van agregando.

Figura 2: El espacio representado por la superficie de un globo. Las galaxias se representan por pequeñas marcas. A medida que el globo se infla (el espacio se expande) las galaxias se separan.

3. ¿Qué significa que el modelo estándar es singular?

Significa que las ecuaciones de la relatividad general dejan de valer si extrapolamos la evolución del universo hacia el pasado. La "singularidad inicial" de la que se suele hablar no es una cosa que explotó ni nada parecido. Es una forma de decir que las ecuaciones no sirven para describir el comienzo de la expansión. Si se tratan de aplicar dan "infinito", lo que significa "no definido". O sea: el modelo no explica por qué el universo comenzó a expandirse.

Figura 3: Esquema del modelo estándar de la cosmología.

4. ¿El modelo estándar es correcto?

No. Desde 1998 hay evidencia que parece indicar que el universo se expande de forma acelerada. Hay dos formas de explicar eso, modificando el modelo. i) Cambiando la relatividad general (o sea modificando la forma en que describimos la gravedad). ii) Introduciendo un campo oscuro (o sea no observado directamente) que produce repulsión gravitacional por tener densidad de energía negativa (la mal llamada "energía oscura"). El método usualmente adoptado es el primero, lo que da lugar al modelo llamado lambdaCDM. Este modelo usa las ecuaciones de la relatividad general modificadas con un término cosmológico adicional (que lleva una constante que suele denotarse por la letra griega lambda: Λ) que hace que la gravedad, que a distancias cortas es atractiva, se vuelva repulsiva a grandes distancias. Eso produce que el universo se acelere luego de haber sobrepasado cierto tamaño crítico.

Mucha gente se confunde (cosmólogos incluidos) y piensan que la adición del término cosmológico a las ecuaciones de Einstein es equivalente a la postulación de la energía oscura. No lo es. El modelo lambdaCDM no contiene energía "oscura" ni campos escalares. Contiene una teoría de la gravitación que es la relatividad general original modificada ligeramente con la adición del famoso “término cosmológico” que de acuerdo al valor de la constante cosmológica lambda produce más o menos repulsión gravitacional. Ese término fue introducido (y luego retirado) por Einstein en 1917.

5. ¿Qué es CDM?

CDM significa cold dark matter (materia oscura fría). Es otro aditivo del modelo lambdaCDM: materia oscura. Esta es materia que no emite radiación ni interactúa nuclearmente. Se la postula para explicar las curvas de rotación observadas en galaxias y otros efectos astrofísicos. Si existe, debería haber aproximadamente 5 veces más materia oscura que normal en el universo a fin de explicar los efectos observados.

6. ¿Existe la materia oscura?

No lo sabemos. No ha sido detectada por los muchos experimentos realizados, ni por las observaciones de radiación gamma que se espera se produzca cuando decae. La materia oscura tampoco se entiende dentro del modelo estándar de la física de partículas. Hasta ahora su única manifestación es gravitatoria. Por eso, hay teorías alternativas que en vez de postular materia oscura, introducen modificaciones mayores en las ecuaciones de Einstein. Eso resulta en teorías de la gravedad muy complejas, llamadas genéricamente modified gravity (gravedad modificada). El propósito de estas teorías es explicar los movimientos anómalos de las curvas de rotación de las galaxias y otros fenómenos sin requerir materia oscura sino sólo a través de los efectos de la gravedad.

Figura 4: Cúmulo de Abel. Se ven filamentos producidos por efecto de lente gravitacional por presunta materia oscura.

Figura 5: Curvas de rotación de una galaxia. Los puntos corresponden a observaciones de la velocidad del gas en función de la distancia al núcleo de la galaxia. La curva verde corresponde a lo que se esperaría sin materia oscura. La amarilla proviene de teorías con gravedad modificada respecto a la relatividad general.

7. ¿Qué había antes del Big Bang?

Es una pregunta sin sentido. "Antes" ordena instantes de tiempo y el big bang no es un instante. No sabemos si el tiempo existía cuando el universo empezó a expandirse, porque nuestras ecuaciones no funcionan si las extrapolamos.

8. ¿Hubo un primer instante?

Si el tiempo es continuo, no lo hubo. Piense el lector en el intervalo [1, 0]. Suponga que las inversas de esos números representan instantes, y que 1 es "el presente" y 0 no está incluido por ser que la división por cero da "infinito". No hay un primer instante. Por próximo que esté un número a cero, siempre habrá uno más próximo. Sin embargo, el intervalo es finito (mide 1). No sabemos si el tiempo es continuo. Probablemente, a escala muy pequeña, no lo sea. Es posible que el tiempo, el espacio-tiempo en realidad, emerjan de entidades más básicas y atemporales. El estudio de ese problema se llama "gravedad cuántica”.

9. ¿Qué es la inflación cósmica?

La inflación es una expansión exponencial hipotética del universo al final de la época donde se supone que todas las fuerzas menos la gravedad estaban unificadas, o sea unos 10^-36 segundos después del Big Bang. La inflación se supone impulsada por un estado de densidad negativa de energía de un campo escalar.

En este modelo la fase actual del universo comienza quizás como una pequeña fluctuación en una “espuma” espacio-temporal (un supuesto estado del espacio-tiempo donde éste fluctúa cuánticamente). Un campo escalar (el inflatón) llena el espacio de la fluctuación. El campo tiene una densidad de energía negativa por lo que se expande exponencialmente, duplicando su tamaño cada 10^-37 segundos más o menos.

El inflatón se supone inestable y decae, terminando la inflación después de aproximadamente 10^-33 segundos. La descomposición del inflatón liberó la energía que produciría las partículas del modelo estándar, formando una "sopa primordial" caliente y densa. Al final de la inflación, la región destinada a convertirse en el universo actualmente observado era aproximadamente del tamaño de una canica. La "sopa primordial" coincide con el supuesto punto de partida del modelo cosmológico estándar. El universo continúa entonces expandiéndose y enfriándose hasta el día de hoy.

Esta teoría se ofrece como solución algunos problemas del modelo lambdaCDM. Estos serían los problemas de por qué el universo es “plano” en su geometría espacial, de por qué regiones muy diferentes del cielo donde se mide la radiación cósmica de fondo tienen exactamente la misma temperatura, el problema de por qué hay pequeñas inhomogeneidades en la radiación de fondo (que serían las semillas de las que luego se formaría la estructura del universo) y otros problemas menores.

Figura 5: Esquema que muestra el supuesto lugar de la inflación en la evolución del universo temprano.

10. ¿Existió la inflación?

No lo sabemos. Hay gente que piensa que la inflación no explica en realidad nada, o mejor dicho, explica pero al precio de introducir otros problemas más graves. Por ejemplo: ¿Qué es el inflatón? ¿Por qué tiene las características tan peculiares que deben asociársele? ¿De dónde salió el inflatón? Incluso hay gente que piensa que la inflación no es una teoría científica, ya la única razón para postular al inflatón es explicar lo que no entendemos…y eso se hace a precio de introducir algo que entendemos menos. Pienso que la inflación es una teoría meramente fenomenológica, pero científicamente contrastable. De hecho, hay experimentos en desarrollo para estudiar el llamado “período inflacionario” (entre 10^-37 y 10^-35 segundos luego del comienzo de la expansión cósmica). La idea de esos experimentos es que la inflación, si existió, debió amplificar las fluctuaciones del campo gravitacional primordial, produciendo ondas gravitacionales. Esas ondas afectaron los movimientos de las cargas que produjeron la radiación de fondo, generando un tipo particular de polarización conocida como modo B. En principio esa polarización, si existe, se puede medir. Es muy difícil, pero nuevas tecnologías se están desarrollando para lograrlo. El experimento más avanzado de este tipo es probablemente el llamado QUBIC, en el cual participa el autor de la nota, y que será instalado en Salta, Argentina (cerca de San Antonio de los Cobres, a 4800 m de altura).

Figura 7: Detalles del telescopio QUBIC a ser instalado en Salta.

Hay muchas otras cuestiones que uno puede preguntar acerca de estos temas. Si Ud leyó esto y le gustó, vaya y lea más. Aproveche su curiosidad y edúquese. Abajo van algunas sugerencias para empezar.

Libros para empezar a leer sobre cosmología (un asterisco indica mayor complejidad)

1. Quarks, Leptons and the Big Bang, Third Edition, 2016, by Jonathan Allay
2. Fundamentals of Cosmology 2nd ed., 2010, by James Rich.*
3. The Big Bang, Third Edition, 2001, by Joseph Silk.
4. A Short History of the Universe (Scientific American Library), Reprint Edition, 1997, by Joseph Silk.

Sobre el autor

Gustavo E. Romero es Investigador Superior del CONICET con lugar de trabajo en el Instituto Argentino de Radioastronomía (IAR). Es además Profesor Titular de Astrofísica Relativista en la FCAGLP, UNLP. Desde el año 2000 dirige el Grupo de Astrofísica Relativista y Radiastronomía (GARRA) con asiento en el IAR. Fue Presidente de la Asociación Argentina de Astronomía y tiene una extensa carrera científica en astrofísica, gravitación, y filosofía, que lo ha llevado a publicar más de 400 artículos científicos y una docena de libros. Sus méritos han sido reconocidos por dos premios Houssay entregados por Presidentes de la República, por el Premio Sérsic de la AAA, el Premio Gaviola de la Academia Nacional de Ciencias, y varios premios internacionales. En 2017 recibió el Helmholtz International Award, uno de los reconocimientos más prestigiosos del mundo en investigación científica. Ha realizado también una extensa actividad de divulgación, plasmada en artículos, conferencias y libros. Ha dictado conferencias en más de 25 países.