El Universo plano

Como todos los lectores sabrán a estas alturas, a finales del mes de abril, astrofísicos italianos y estadounidenses anunciaron los resultados del experimento Boomerang. Consistente en un globo con instrumentos a bordo, durante diez días del mes de enero de 1999, realizó el mapa más preciso del fondo de radiación de microondas (CMB) obtenido hasta el momento. Su conclusión: el universo no posee curvatura positiva o negativa, es plano.

Boomerang y la Gran Explosión.

  Boomerang, desde la Antártida, obtuvo un mapa de una región del cielo en el espectro de microondas. Sus instrumentos obtuvieron mil millones de medidas de pequeñas variaciones en la temperatura del CMB. Julian Borrill afirma que «este es el conjunto de datos del fondo cósmico de microondas más preciso y grande hasta ahora obtenido». En realidad, no es un mapa completo de toda la bóveda celeste, porque la región estudiada posee sólo una superficie del 3% del cielo.

Los primeros 300.000 años del Universo.

  Una de las mayores consecuciones de las famosas teorías de Einstein fue el predecir que el Universo debió formarse tras una Gran Explosión. En ese entonces, toda la energía y materia del Universo estaba concentrada en una región de pequeñas dimensiones. Al comienzo, el cosmos era opaco; los fotones no podían caminar más allá de unos cuántos milímetros sin chocar con una partícula. Mientras el diámetro del Universo crecía, la densidad disminuía. 300 000 mil años después de la gran explosión, la temperatura del Universo fue suficientemente baja como para que protones y electrones dejaran de chocar repetidamente y comenzaran a formar átomos de hidrógeno. En ese momento, los fotones quedaron libres: por fín el Universo se tornó transparente.
  Desde que esos fotones quedaron libres, hasta hoy en día, los cosmólogos calcularon que habrían reducido su longitud de onda hasta equivaler a la radiación de un cuerpo negro a 2,73° Kelvin (menos de 3° por encima del cero absoluto). En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, estaban trabajando para la compañía telefónica AT&T. Tenían a su disposición una gran antena. Durante meses, trataron de conocer el origen de un ruido. Llegaron a desmontarla en piezas y limpiarla por completo. Pero el ruido seguía ahí. Penzias y Wilson recibieron posteriormente el Nobel por descubrir el fondo cósmico de microondas (CMB).

«La cara de Dios».

  Pero si primitivamente todo el Universo era igual en todas partes, ¿por qué hoy en día no ocurre lo mismo y vemos que la materia se condensa en galaxias rodeadas de grandes vacíos? La confirmación a las sospechas de los cosmológos llegó en 1991, gracias a los resultados obtenidos por el satélite COBE. Su objetivo fue el mismo que el de Boomerang, cartografiar el cielo en la zona de las microondas. Se necesitan recoger cientos de medidas para un solo punto: «Hay ruido del instrumento, fuentes superpuestas que emiten radiación en microondas, como el polvo. Y finalmente hay variaciones instrínsecas del CMB que es lo que estamos tratando de medir», apunta Borrill. Estas pequeñísimas variaciones en la radiación de fondo cósmico son la razón de la formación de estructuras: el universo no era totalmente homogéneo.
  Los cosmólogos se han congratulado de los resultados del experimento Boomerang porque les ha permitido concretar los valores de las variables (matemáticas) que manejan para determinar la geometría y dinámica del Universo. Una de las incógnitas que hasta ahora se mantenía era precisamente qué geometría tenía el Universo. Y eso es lo que ha dado titular a las noticias: «El Universo es plano».

El secreto está en la masa.

  En la mecánica clásica, la que postuló Isaac Newton, la gravedad es una fuerza que sólo afecta a los cuerpos celestes. Por tanto, preguntarse qué geometría posee el Universo no tiene sentido: dos rayos de luz emitidos paralelamente no modificarán su trayectoria y seguirán paralelos por siempre. Pero Einstein introdujo el concepto de espacio-tiempo. El espacio-tiempo, como si fuese un colchón, se deforma en presencia de un cuerpo masivo. Este hecho fue confirmado gracias a un eclipse de Sol: el Sol cambiaba la posición aparente de las estrellas de fondo.
  A una escala mucho mayor, dependiendo de la masa total que existe en el Universo, su geometría puede ser plana, curvada negativa o curvada positivamente. La geometría, además, nos da pistas sobre el futuro del universo: si es abierto, plano o cerrado.
  Imaginemos que el Universo es un automóvil que no ha pasado la inspección técnica (la profesión de cosmólogo no da para mucho) y viajando por una recta a 40 kilómetros por hora, se nos para el motor y los frenos no funcionan. Si nos encontramos subiendo por una montaña, está claro que la gravedad hará que el automóvil se llegue a parar en unos instantes, regresaremos justo por donde habremos llegado (caso del Universo cerrado). Si por el contrario no subíamos, sino que bajábamos la pendiente de la montaña, nuestro automóvil seguirá viajando hasta el infinito y más allá (caso del Universo abierto, y que como no tengamos cuidado, lo mismo le pasará a nuestro cráneo). El tercer caso estaría en una recta sobre una carretera: el automóvil frenará por rozamiento y se quedará quieto (caso del Universo plano).
  Por tanto, en un universo abierto, el cosmos jamás llega a desacelerar lo suficiente su velocidad de expansión y crece por siempre jamás. En un universo cerrado, la masa existente es tanta que frena el acelerón primordial y se colapsa sobre sí mismo. Un estado intermedio es el del universo plano, en el que la masa que existe es justo la crítica para frenar la aceleración, pero no la suficiente para hacer colapsar el Universo.

Cartomancia: El futuro mediante un mapa.

  La curvatura del Univero se relaciona con el futuro fácilmente: un universo curvado negativamente es a su vez cerrado y un universo curvado postivamente es un universo abierto.
[Medidas del CMB del Boomerang]   El experimento Boomerang obtuvo detalles lo suficientemente finos para determinar qué geometría tiene el Universo. En la imagen que acompaña estas líneas está el mapa obtenido por el Boomerang. Según el tamaño de las manchas frías y calientes, los cosmólogos puede determinar la curvatura del espacio. Si el Universo tiene geometría plana, entonces el mapa estará dominado por manchas de un tamaño de un grado (dos veces el diámetro de la luna llena). Si el Universo tiene curvatura, la imagen es distorsionada. En el caso del universo cerrado (líneas convergentes), la imagen es magnificada y las estructuras aparecerán más grandes de un grado. Si el universo es abierto, y las líneas paralelas divergen, entonces las estructuras aparecerán más pequeñas de un grado.
  Y, tal y como desvelávamos nada más empezar el artículo, las imágenes de Boomerang indican que el universo es plano: existe justamente la densidad crítica para que el cosmos, en el infinito, frene su expansión.
  Los cosmólogos, además, están de enhorabuena puesto que el modelo más aceptado de la Gran Explosión, el inflacionario, predecía precisamente que el universo debía ser plano.

Más información.

  • «Pictures of the Early Universe», Science@NASA.
  • «Los tres primeros minutos del Universo», Steven Weinberg. Editorial Alianza.
  • «Fundamentos de astronomía», Michael A. Seeds. Editorial Omega.
  • Experimento Boomerang (inglés).