No ha habido época más emocionante para los cosmólogos que la actual. Contamos en este momento con una imagen directa y notablemente detallada del universo, tanto en su estado actual como en el que presentaba en tiempos pasados. Esta extraordinaria imagen se ha obtenido gracias a los avances tecnológicos, combinados con ingeniosos –a veces heroicos– proyectos de observación.
Hace poco, en un simulador del Chabot Space & Science Center (www.chabotspace.org), tuve el placer de emprender un viaje virtual que me pareció muy realista –aunque realizado en su mayoría a velocidades mayores que la de la luz– a través del universo. Despegamos de la Tierra y nos dirigimos a la Estación Espacial Internacional para posarnos en el punto actual de su órbita. Al llegar sólo podíamos ver una región oscura que se movía sobre nuestro planeta, pero pronto la estación salió de la sombra de la Tierra hacia la plena luz del Sol. Rápidamente nos condujimos fuera del sistema solar para ver a los planetas en las posiciones correctas que ocupaban justo en el momento del viaje. Después de un breve recorrido alrededor de Saturno y su majestuoso sistema de anillos nos dirigimos a la vecindad solar, impacientes por mirar nuestra galaxia en su totalidad, con todas las estrellas en su posición real, tal como la determinó la misión espacial Hipparcos. De allí nos dirigimos fuera de nuestra galaxia para apreciar el Grupo Local, un conjunto de galaxias unido por la gravedad y dominado por la Vía Láctea y Andrómeda.
A velocidad aún mayor salimos de ahí para encontrarnos con los cúmulos de galaxias. Nuestro punto de vista arbitrario y la velocidad del viaje comenzaban a confundirme: no podía decidir con rapidez si estaba mirando el supercúmulo de Coma, el de Perseo-Piscis o el de la Hidra-Centauro. Guiados por los últimos catastros de galaxias, llegamos todavía más lejos, hasta el límite marcado por la mitad del universo observable. Las galaxias presentaban los colores que tendrían si las pudiéramos ver a simple vista. Eran millones; sólo una pequeña fracción de los cien mil millones de galaxias que se calcula que existen, sí, pero la visión que presentaban era de una riqueza tal que no nos privaba de una representación de la trama cósmica en todo su esplendor.
No estábamos viajando sólo a través del espacio, sino también del tiempo. A medida que nos alejamos cada vez más de la Tierra, el tiempo que le lleva a la luz para alcanzarnos es mayor, por lo que la información que recibimos no refleja la edad actual del universo sino una edad menor. Así, cuando observamos los objetos a mayor distancia pudimos observar la evolución cósmica en acción. Fue divertido viajar a la hipervelocidad de la luz y ver todas las galaxias conocidas. Sin embargo, no tardé en pedir que me mostraran el límite del universo, y quizás un poco más allá. El operador me mostró el nuevo mapa del fondo de radiación cósmica, producido tras el análisis de los tres primeros años de operación de la misión espacial Wilkinson, también conocida como WMAP (por las siglas en inglés de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Entonces pedí que me llevaran al límite mismo; en el camino atravesamos el fondo de radiación cósmica y al volver la mirada vi la esfera en la que está contenido todo el universo observable. ¿Dónde estábamos? Ya habíamos traspasado el horizonte cósmico adonde la luz no ha tenido tiempo de llegar y, si lo que hoy sabemos es correcto, jamás llegará. Pero eso no nos impide preguntarnos qué hay más allá, en esa región inalcanzable para la luz, ni tampoco albergar aún esperanzas de saberlo.
La otra razón por la cual nuestra época es tan emocionante para hacer cosmología es que las observaciones que mencioné, pasadas por el tamiz del razonamiento –y, en ocasiones, auxiliadas por momentos brillantes de inspiración–, nos han permitido formular un modelo elegante y cuantitativo del universo, que nos ayuda a explicar su origen y evolución. Nuestro modelo reproduce con gran precisión todo lo que observamos en la historia del universo, incluyendo todo lo que vi en mi viaje virtual. Contamos con las observaciones más precisas del universo en sus etapas iniciales, gracias al estudio del fondo de radiación cósmica, y esperamos mejorar aún más nuestro modelo después del exitoso lanzamiento, el pasado 14 de mayo, de la misión espacial Planck, de la Agencia Espacial Europea. Planck observará los ecos de un universo aún más joven que el visto por WMAP. También existen planes para realizar catastros de galaxias cada vez más completos, que permitan observar el universo usando la gravedad como telescopio: la luz se desvía alrededor de los objetos masivos formando las llamadas lentes gravitacionales, y este efecto nos permitirá ver estructuras como los cúmulos de galaxias que al momento de formarse apenas distorsionan la trama cósmica. Cada uno de estos proyectos nos brindará nuevas imágenes y por tanto nueva información sobre la historia general del universo.
Pero el asunto no termina allí: nuestro modelo necesita, de manera directa o indirecta, la inclusión de nuevas herramientas de la física, principalmente cuatro novedosos ingredientes:
1) La materia oscura, necesaria para garantizar que tanto los cúmulos como las galaxias mismas puedan formarse, sin la cual los cúmulos de galaxias ya se habrían dispersado. Se trata de una nueva y muy rara clase de materia, que no se parece en nada a las clases que conocemos. La llamamos oscura porque no interactúa de manera electromagnética con la luz y porque parece que su única manifestación es gravitacional. No obstante, es justo por eso que se necesita en grandes cantidades para formar las estructuras que pueblan el universo.
2) La inflación, el proceso físico que toma una parcela del espacio-tiempo y la expande (sin perder sus atributos) a una escala que probablemente es mayor que nuestro universo observable, incluyendo las más pequeñas fluctuaciones que descubrimos con el radiómetro de microondas diferencial a bordo del satélite COBE (Cosmic Background Explorer); estas fluctuaciones son las semillas para la formación de los cúmulos de galaxias que encontramos en nuestro entorno cósmico cercano.
3) La energía oscura, un ingrediente aún más exótico que la materia oscura y que empleamos para cuadrar el inventario energético del universo y explicar la aceleración en la tasa de expansión que se ha detectado recientemente.
4) La bariogénesis, el proceso físico que explica el dominio de la materia sobre la antimateria. Tenemos buenas razones para creer que en las etapas iniciales del universo la proporciones de materia y antimateria eran iguales.
Si mezclamos estos cuatro ingredientes usando la receta más simple –es decir, incluyéndolos como condiciones iniciales o como integrantes de modelos numéricos o analíticos que incluyan la expansión del universo y la formación de estructuras cósmicas como las galaxias o los cúmulos de galaxias–, entonces podemos reproducir el universo observable con una precisión aproximada al uno por ciento. Por ello, la época de oro de la cosmología también se conoce como la época de la cosmología de alta precisión.
Hay otros ingredientes que no se consideran de manera explícita pero que sospechamos que son válidos. Por ejemplo, trabajamos con un universo restringido a sólo tres grandes dimensiones espaciales y una temporal, aun cuando sabemos que más dimensiones son posibles y que incluso pueden ser necesarias. También nos conformamos con las cuatro fuerzas fundamentales: las fuerzas “débil” y “fuerte” que actúan a escala subatómica y las fuerzas “electromagnética” y de “gravedad” que actúan a escala macroscópica, aun cuando hay oportunidad de incluir toda una gama de nuevas fuerzas. Asimismo, podemos añadir otros vestigios de épocas aún más tempranas.
El gran éxito de nuestro modelo cosmológico estándar también acarrea consecuencias enigmáticas y nuevas preguntas que aún no podemos contestar. Para empezar, la observación de la energía oscura demuestra que las teorías aceptadas sobre partículas y la gravedad están incompletas, si no es que erradas. Esto lleva a plantear varias cosas. ¿De qué se compone el lado oscuro del universo? ¿Cuál es el proceso detallado que da origen a las fluctuaciones cósmicas? ¿Es la gravedad una manifestación pura de la geometría de la forma en que la concibió Einstein, o tenemos que considerar otros elementos como componentes escalares o más dimensiones? Para responder a estos retos se ha iniciado la más grande aventura experimental. Este esfuerzo interdisciplinario inevitablemente desplazará en las próximas décadas las fronteras de la investigación en astrofísica y física fundamental. Así, la cosmología ofrece un nuevo laboratorio para poner a prueba las teorías fundamentales –tanto las canónicas como las más exóticas– a escalas que de otra forma no serían accesibles.
La cosmología actual está llena de oportunidades. Contamos con preguntas fundamentales bien definidas que necesitan resolverse y con nuevas observaciones para guiarnos en nuestra búsqueda. A partir de los resultados que obtendremos en los próximos años con la misión Planck podremos aprender mucho sobre la inflación; de igual forma, esperamos desenmascarar la naturaleza de la materia oscura en el laboratorio con el nuevo Large Hadron Collider, el acelerador de partículas más grande del mundo, que pronto comenzará a funcionar de manera regular. La observación nos enseñará asimismo cosas nuevas sobre las multidimensiones. En suma, buscamos –y fomentamos– la creación de nuevos conceptos para la comprensión del universo. En el camino, dichos conceptos tendrán que pasar –como el proverbial camello por el ojo de la aguja– por un escrutinio preciso: concordar con las múltiples observaciones de alta precisión y brindar una visión completa y eficaz de nuestro modelo cosmológico actual.
Esta es la clave de la cosmología moderna, que está en florecimiento pleno y emocionante. Esta es la consecuencia natural –así como la culminación– del sendero por el cual Galileo emprendió el andar hace cuatro siglos, convencido de que “la verdad es el destino para el cual fuimos hechos”.
Traducción de Omar López-Cruz
y Pablo Martínez Lozada
