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Entorno nuclear
El UNIVERSO temprano
y la cosmología observacional
Por Jorge L. Cervantes Cota
dor los planetas y las estrellas en movimien-
(jorge@nuclear.inin.mx)
to situados en cascarones esféricos, y más
al fondo existían las estrellas lejanas fijas,
A través del tiempo las personas de todas
las culturas se han preguntado qué es lo
que hay en el cielo, cómo y por qué se
mueven los astros, qué hay mas allá del
universo. Siempre se ha tenido una concepción del universo y ésta ha influido en
el pensamiento y concepción divina de los
individuos.
Ante la necesidad de estudiar el cielo, se
empieza a estudiar el cosmos y con ello
una rama fascinante de la física: la
cosmología. Para llevar a cabo la investigación del cosmos, lo que se ha hecho es
observar la luz proveniente de los astros y
la radiación del universo; de ahí viene el
nacimiento de la astronomía. Con estas observaciones se realizan conjeturas sobre su
origen y consecuencias; de ahí viene la
cosmología.
La idea que se ha tenido del cosmos ha
ido evolucionando a través de los siglos:
antiguamente con Aristóteles y más tarde
con Ptolomeo se creía que la Tierra era el
centro del universo y que existían alrede-
también situadas en cascarones esféricos.
Fue Nicolás Copérnico, hace cinco siglos,
quien indicó que la Tierra no es el centro
de nuestro sistema solar, sino el Sol. A principios del siglo pasado Harlow Shapley
mostró que el Sol no es el centro de la galaxia, sino que se encuentra cerca de un
extremo como a trescientos mil billones de
kilómetros de distancia del centro galáctico. De hecho, el Sol es una estrella típica
entre los miles de millones que hay en el
universo.
Por otro lado, Albert Einstein en la segunda
década del siglo pasado presentó su teoría
de Relatividad General, la cual predice que
el universo se expande, generándose el
espacio mismo al transcurrir el tiempo. Es
decir, galaxias que se hallen a una cierta
distancia de la Tierra, se encontrarán más
lejos en un tiempo posterior. Estos resultados, sin embargo, contradecían la idea del
universo que se tenía en aquella época, la
cual suponía que los astros y galaxias lejanas se encontraban estáticos en el fondo
cósmico; sólo las estrellas cercanas se moX
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vían, mientras que las lejanas se encontra-
materia tal como lo explican las leyes de la
ban quietas viendo transcurrir el tiempo.
física conocidas: la luz se podía explicar
De esta manera, Einstein pensó que su
como una radiación de cuerpo negro. A esta
teoría de gravitación predecía un universo
idea, se le llamo la Gran Explosión (el Big
incorrecto y decidió ajustar su teoría, su-
Bang en inglés), que recibió su confirma-
mando una constante a sus ecuaciones,
ción con el descubrimiento de la radiación
conocida como la constante cosmológica.
de fondo que existe en todo el cosmos: En
Esta constante anulaba el efecto de la ex-
1965, Arnold Penzias y Robert Wilson des-
pansión, logrando así el efecto de universo
cubrieron que su antena de microondas
estático, que Einstein y sus colegas creían
marcaba cierto ruido inexplicable, el cual
como verdadero. Sin embargo, este modelo
curiosamente creían que se debía al excre-
tuvo serios problemas cuando a finales de
mento de los pichones que visitaban la
los años veinte Edwin Hubble descubrió que
antena, pero después de limpiarla seguía
las galaxias lejanas se alejan unas de otras,
ese ruido. Entonces, se llegó a la conclu-
y así todo el universo; es decir, que el espa-
sión que se debía a la existencia de un baño
cio del cosmos está en expansión isotrópica.
isotrópico de radiación electromagnética con
Entonces, la teoría original de Einstein, ¡era
una temperatura de 2.7 grados Kelvin, ¡que
correcta!, y lo que estaba mal era agregarle
es muy baja! Esta radiación impregna todo
la constante cosmológica. Einstein, enton-
Albert Einstein
ces, afirmó que la constante cosmológica
era el “error más grande de mi vida”, ya que
su teoría de relatividad general sin modificaciones explicaba bien el estado actual del
cosmos.
Ahora bien, si el universo está actualmente en expansión, anteriormente era más pequeño y más pequeño, conforme nos alejamos hacia el pasado. Así, llega un momento en que el universo tenía un tamaño muy, muy pequeño, el cual se identifica
con su origen. En los años 40s, George.
Gamow propuso, basándose en las leyes
de la física nuclear, que este origen, donde
toda la materia y energía del cosmos, ¡incluyendo aquella con la que fuimos formados nosotros!, se encontraba en un estado de equilibrio termodinámico, de tal
manera que la luz interaccionaba con la
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el cosmos y es un remanente de la Gran
so significa estudiar los orígenes de ¡nues-
Explosión primigenia, predicha por G.
tra propia existencia! Por otro lado, las
Gamow. Esta radiación de fondo es una de
anisotropías de la materia dieron origen, gra-
las principales pruebas de que vivimos en
cias a la fuerza de la gravedad, a las estre-
un universo que tuvo una Gran Explosión,
llas, galaxias y a toda la gran estructura ac-
la cual sucedió hace aproximadamente 14
tual del cosmos.
mil millones de años. Al inicio, toda la materia-energía estaba concentrada en una
En el año 2000 los experimentos
muy pequeña región del espacio, aún más
BOOMERANG y MAXIMA, y posteriormente
chica que ¡un milímetro! Debido a esa gran
en 2002 el satélite artificial WMAP, midie-
acumulación de energía el universo explo-
ron nuevamente y con todo detalle esta ra-
tó y comenzó a expandirse para formar las
diación de fondo, comprobando aún más lo
diferentes estructuras del universo actual.
que ya se había observado sobre la luz. Lo
De esta manera, el universo en sus dife-
nuevo de estas mediciones es que también
rentes etapas de evolución ha estado for-
concluyeron sobre el actual contenido del
mado por diferentes estados de la materia-
cosmos: el universo contiene estrellas,
energía. Actualmente la composición quí-
galaxias, etc. todo lo que observamos, inclu-
mica que se observa en las estrellas,
yendo el hidrógeno, helio y todos los meta-
galaxias, etc., es aproximadamente de un
les, pero esto sólo representa un 4% del to-
73 % de hidrógeno, 25 % de helio y un 2 %
tal. El resto está conformado por extrañas
de los llamados metales en astronomía, es
formas de materia y energía, a las cuales se
decir, todos los demás elementos químicos
les ha dado el nombre de materia obscura y
diferentes a los mencionados.
energía obscura, y son nombradas así ya
que no se ven, sólo sentimos, a escalas
Las investigaciones sobre la luz primigenia
astronómicas, su influencia gravitacional.
del universo continuaron y a principios de
Después
los años noventa el satélite artificial COBE
BOOMERANG, MAXIMA y WMAP, se cree
(Cosmic Background Explorer) midió que la
que la materia obscura conforma aproxima-
radiación de fondo es casi isotrópica, pero
damente un 26% del contenido actual del
con pequeñas anisotropías de amplitud
cosmos, y la energía obscura el 70% del to-
muy pequeña, ¡de una parte en cien mil!
tal. Es decir que la materia que observamos
Estas anisotropías son muy importantes
en el cosmos en forma de estrellas, galaxias,
porque provienen de las anisotropías en la
etc. sólo representa un 4% del total de ma-
distribución de la materia, cuando ésta y la
teria-energía existente en el cosmos. El res-
radiación estaban acopladas al principio del
to está conformado por extrañas formas de
universo. Las anisotropías de la radiación
materia-energía obscuras al humano y re-
1
se quedaron casi intactas desde aquel entonces y ahora las podemos observar. Entonces, estudiar la luz de fondo del univer-
1
de
las
mediciones
de
Isotrópico: calidad de los cuerpos cuyas cualida-
des físicas son idénticas en todas las direcciones;
anisotropía: lo contrario a la cualidad anterior.
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presentan el 96% del contenido del cos-
nes y los modelos teóricos que pretenden
mos. Este fue un resultado muy impactante
explicarlas. De tales discusiones se generó
en la cosmología de los últimos tiempos.
una publicación resumiendo los resultados
ahí tratados. Así, las memorias de la V Es-
Estas mediciones han llevado a pensar que
cuela Mexicana de Gravitación y Física Ma-
las teorías correctas que describen el cos-
temática fueron publicados en mayo del
mos, y todo dentro de él, son generalizacio-
2004 por la editorial Springer Verlag de Ale-
nes de las teorías de Einstein. Estas nue-
mania. Este libro forma parte de la prestigio-
vas teorías incluyen nuevamente la cons-
sa serie Lectures Notes in Physics, volumen
tante cosmológica, pero ahora en un con-
646, y se encuentra en la biblioteca de nues-
texto de las teorías de partículas elementa-
tro instituto. El título del libro es The Early
les, responsables de la microfísica y la físi-
Universe and Observational Cosmology y
ca nuclear, entre otras.
contiene 16 artículos que explican, con todo
detalle técnico, las ideas actuales sobre el
Para analizar el impacto de estas medicio-
origen, evolución, estado actual y posibles
nes, así como sus posibles consecuencias
futuros de nuestro universo.
y posibilidades teóricas, organizamos en no-
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viembre del 2002 un congreso internacio-
Más información sobre este tema se en-
nal sobre esta temática: La V Escuela Mexi-
cuentra en la página web de nuestro grupo
cana de Gravitación y Física Matemática.
de trabajo quintaesencia dentro del ININ:
En él se presentaron las nuevas medicio-
http://astro.inin.mx/
Nuclear
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