jueves, 3 de mayo de 2018

El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo
En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.
Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.
Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.
En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

Poco después del Big Bang, a medida que el universo se iba expandiendo, la temperatura fue descendiendo progresivamente. Mientras dicha temperatura fue mayor que 3000 grados absolutos, toda la materia del cosmos (una mezcla de hidrógeno y helio) estaba en estado de plasma, como lo está ahora el sol, por lo que era opaca. Cuando la temperatura descendió por debajo de ese valor (algunos cientos de miles de años después del Big Bang) la materia pasó al estado gaseoso y se volvió súbitamente transparente. Lo que vemos como radiación cósmica de fondo no es más que la última imagen de ese plasma, una fracción de segundo antes de su transformación en gas.
Desde entonces hasta aquí el universo ha seguido expandiéndose y la temperatura aparente de la radiación cósmica de fondo ha disminuido hasta alcanzar hoy un valor muy próximo al cero absoluto: 2,72548K. Este valor es prácticamente el mismo en todas las direcciones del espacio. Sólo cambia la quinta cifra decimal (el 8). Los mapas que nos presentan, con zonas rojas y azules, utilizan la técnica del falso color para exagerar las diferencias. Sólo así podemos distinguir algo.
Espectro de potencia de las ondas acústicas en la
Radiación Cósmica de Fondo
A pesar de que las diferencias son tan pequeñas, es posible distinguir en la radiación cósmica de fondo la presencia de ondas acústicas. Lo que se ha hecho, a partir de los datos cada vez mejores obtenidos sucesivamente por los radio-telescopios espaciales COBE, WMAP y Planck, ha sido construir un modelo matemático de la radiación cósmica de fondo que depende de seis parámetros fundamentales, y ajustar estos parámetros hasta conseguir que el espectro de potencia de las ondas acústicas del modelo se adapte lo más posible al detectado en los datos reales, como indica la figura adjunta. 
Este es el modelo cosmológico estándar LCDM, lo que significa: con constante cosmológica (L), y con materia oscura fría (Cold Dark Matter). Uno de los puntos de partida de este modelo es que la curvatura del universo es prácticamente igual a cero. Esto significa que el espacio es plano (euclídeo) y en consecuencia el segundo término de la ecuación cosmológica de Einstein es nulo. Además, la velocidad de expansión del universo tendría exactamente el valor crítico, por lo que el cosmos se expandirá cada vez más, sin volver a contraerse nunca. De hecho, se supone que la expansión se va acelerando, como indiqué en otro artículo.
Ecuación cosmológica de Einstein
De los dos términos que quedan de la ecuación cosmológica, el primero representa el efecto gravitatorio de la materia del cosmos. Este término aporta el 31% del valor crítico de la velocidad de expansión. El otro término no nulo, el de la constante cosmológica, aportaría el otro 69% del valor crítico. Lo malo es que la masa cósmica que somos capaces de detectar, basada esencialmente en hidrógeno y helio, sólo equivale al 5% del valor crítico. Falta, por tanto, un 26% que no sabemos de dónde viene. Lo llamamos materia oscura. Al término de la constante cosmológica, que tampoco sabemos de dónde viene, se le llama energía oscura.
Entre los seis parámetros básicos del modelo cosmológico estándar no se encuentra la constante de Hubble, pero su valor actual H0 (pues aunque se llama constante varía con el tiempo) puede deducirse de dichos parámetros. El valor obtenido a partir de los datos del satélite Planck es 67,74±0,46.
Y aquí tenemos el mayor problema detectado hasta ahora en el modelo cosmológico estándar: la última medida directa del valor de H0 a partir de la velocidad de alejamiento de las galaxias próximas a nosotros, que se hizo público el 22 de febrero de 2018 y se obtuvo utilizando el telescopio espacial Hubble, arroja el resultado de 73,45±1,66, que está bastante alejado del valor que da el modelo cosmológico estándar. Obsérvese que los dos intervalos ni siquiera tienen puntos comunes. Esta discrepancia puede resolverse de tres maneras:
  • O bien los datos obtenidos en febrero de 2018 son incorrectos. Se espera mejorarlos y reducir la incertidumbre por debajo del 1%.
  • O bien el modelo cosmológico estándar debe ser retocado. Esto habría que hacerlo sin reducir la perfección con que el modelo actual se adapta al espectro de potencia de las ondas acústicas.
  • O bien habría que buscar un modelo cosmológico diferente y más adecuado. El problema es que ahora mismo no se sabe cuál podría ser. Quizá nos haga falta un nuevo Einstein.


Manuel Alfonseca

21 comentarios:

  1. Hola. Felicidades por este brillante artículo, como siempre. Gracias por explicarnos las complejidades del universo. Cuando vi lo de Hubble, y lo de Lemaitre me acorde de un caso parecido, que cuenta mi padre. Según lo relatado Paulesco habría descubierto la insulina, y habría publicado el trabajo en francés, cuando Banting fue a luchar a la Primera Guerra Mundial y fue herido leyó los trabajos de Paulesco, convenció a McLeod, para que le dejase el laboratorio, para realizar los experimentos, mientras él se iba a pesacar y le asigno un ayudante West. Hizo los experimentos publicó los resultados y Banting y McLeod se llevaron el Premio Nobel, con una nota de agradecimiento a West. Pese a que Paulesco, y el gobierno rumano protestaron no se les hizo ningún caso, y el Nobel se negó a rectificar
    Respecto a lo de Big Bang fue un golpe de efecto genial lo que pretendía ser un insulto peyorativo. Le paso como cuando los críticos para ridiculizar a los fauvistas, y a los modernistas les pusieron ese mote lo convirtieron en un grito de guerra y una seña de identidad.
    En cuanto al nuevo sistema cosmológico mi querido amigo no te preocupes como dice San Mateo no hay nada oculto, que no llegué a descubrirse. Quizá no lo veamos, pero si Dios quiere llegará a realizarse esa hazaña. Espero con anhelo su siguiente artículo.

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  2. Gracias por el artículo. ¿Podría aclarar qué se entiende por ondas acústicas en este contexto?

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    1. En el universo primitivo, las inestabilidades gravitatorias debidas a las diferencias de acumulación de materia dieron lugar a oscilaciones acústicas en el plasma, estado en el que estaba la materia hasta el momento de la aparición de la radiación cósmica de fondo.

      Estas oscilaciones surgieron por un desequilibrio entre los fotones y los bariones del plasma: los fotones tendían a hacer desaparecer las desigualdades, mientras que los bariones, que se movían mucho más despacio que la luz, tendían a formar agrupaciones de mayor densidad.

      Estas oscilaciones acústicas se pueden detectar analizando las desigualdades en la radiación cósmica de fondo.

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    2. O sea, entonces, ¿ondas de densidad de materia? Gracias

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    3. Exactamente, ondas de densidad que se transmiten como las ondas acústicas, que también son del mismo tipo.

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  3. Buenas tardes Sr. Alfonseca. Como vé la última teoria del Sr. Hawking? Es cierto que se podria provar con esta teoria la hipótesis del multiverso?

    https://www.google.es/amp/www.lasprovincias.es/sociedad/ciencia/universos-paralelos-stephen-hawking-20180502193816-ntrc_amp.html

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    1. En esta dirección hay una explicación mucho mejor del nuevo artículo de Hawking y Hertog: Publicada la última teoría de Stephen Hawking: no vivimos en un Universo infinito.

      Por lo que dice, la nueva aportación es una especie de multiverso híbrido entre el inflacionario y el de la teoría de cuerdas (o teoría M). Su confirmación o falsación podría venir a través del estudio de ondas gravitatorias primordiales, muy difíciles de detectar (hasta ahora imposibles).

      Para más información: El multiverso y el problema del ajuste fino y
      La obra científica de Stephen Hawking

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  4. Muchas gracias al profesor Alfonseca por un nuevo articulo. Fascinante sin duda.
    Tras leer el articulo se me vino a la mente algo.

    Y si el universo esta en constante cambio pero no a causa de sus efectos iniciales. Me explico, al considerar el universo como un objeto fisico, cabe la posibilidad de que exista un creador (aunque esto no guste a los ateos) ¿no es posible que el universo este en constante cambio por voluntad de dicho creador? Es decir, por intervención directa no detectada por los humanos.
    Por eso muchas veces las teorías no coinciden con los resultados a pesar de estar sólidamente construidas al rededor de los datos obtenidos.
    ¿Se que suena a estupidez, pero nunca se ha considerado este caso? ¿Al menos en grado filosofico?
    Perdón si he escrito una estupidez.

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    1. Sí se ha considerado. Existen bastantes libros que hablan de ello. Por citar uno algo reciente: Nicholas Saunders, Divine action and modern science, Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 2002.

      En este artículo también yo toqué el tema: El método científico, el diseño inteligente, los modos de la acción divina y el ateísmo Religión y Cultura, Vol. LIII:240, Ene.-Mar. 2007, pp. 137-153.

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    2. Muchas gracias, leí su articulo y la verdad me sorprendí que muchas cosas coincidían con teorías mías.

      Por mi parte he sufrido demasiadas "casualidades" (un no creyente lo llamaría así) que me han ayudado en momentos de mi vida como para no creer que no hay una mente superior en todo esto.

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    3. Manuel, he encontrado dos "Nichola Saunders" en la red, uno es arqueólog y el otro médico ¿podrías decirme cuál de los dos es el autor del ensayo que nos citas? Es para añadirlo a la Bibliografía de nuestro sitio, si no te importa. ¡Gracias! :-)

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    4. Hola, Ana. Ninguno de los dos. Nicholas Saunders parece un nombre relativamente frecuente. El que yo digo es abogado de patentes (!), físico y teólogo. Aquí hay una página que habla de él: https://www.faraday.st-edmunds.cam.ac.uk/Biography.php

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  5. La nueva teoría de Stephen Hawking sugiere que existen universos paralelos, pero no infinitos sino finitos. Esto se debe a que la inflacion eterna afecta la teoría de la relatividad de Einstein. Ahora bien,¿la teoría de Eintein podria ser modificada y ser compatible con la inflación eterna?.
    Saludos
    David

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    1. Aclaraciones:

      a) La nueva teoría de Hawking y Hertog no es una teoría nueva, sino una nueva versión de la teoría inflacionaria, que en su forma actual existe desde los años 90.

      b) La inflación eterna (que tampoco es nueva) es compatible con la gravedad de Einstein, y también con otras teorías alternativas. Hawking y Hertog, sin embargo, optan por la gravedad de Einstein en su artículo.

      c) Que el número de universos del multiverso no es infinito, sino finito, está incluido en todas las teorías del multiverso, excepto la de Tegmark. Lo que dicen Hawking y Hertog es que su modelo reduciría considerablemente el número de universos del multiverso.

      En el próximo artículo de mi blog hablaré algo más de esto.

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    2. Dentro de un mes aproximadamente publicaré un artículo dedicado en gran parte a la nueva teoría de Hawking y Hertog y su acogida por los medios.

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    3. Bueno, en realidad lo que yo queria saber es, si todos esos universos tuvieron un principio (tiempo cero ) o si han existido desde siempre (infinito o eterno) como a venido diciendo.
      David

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    4. David, eso que pregunta no lo sabe nadie. Recuerde que Santo Tomás de Aquino llegó a la conclusión de que la creación es compatible com ambas situaciones (tiempo cero y tiempo infinito). Lo que es más, afirmó que ese problema es irresoluble (:-)

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  6. No veo como puede haber una creación con un universo que a existido siempre.

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    1. Dios está fuera del tiempo. Por lo tanto, el tiempo creado no tiene ninguna restricción. Por otra parte, la creación consiste en que Dios mantiene al universo en la existencia. Si el tiempo tuviera una duración infinita, Dios simplemente lo mantendría en existencia desde el infinito. Para más detalle, ver Tomás de Aquino, "Summa Teologica", cuestión 46:2, donde dice, entre otras muchas cosas:

      Sólo por la fe sabemos, y por ninguna demostración puede probarse, que el mundo no siempre existió.

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