Los tres primeros minutos del Universo (I)

Los tres primeros minutos del Universo
Steven Weinberg
[1977]

El libro de Weinberg es una muy buena ocasión para entender un poco más los fundamentos del modelo estandar cosmológico (a.k.a "Big Bang"). Su fuerte radica en la seriedad y rigurosidad de sus explicaciones (les ruego que jamás lean las bazofias de "científicos" como Paul Davis, que también se publicaron, por desgracia, en la misma colección de Salvat). Aunque de momentos deriva en una narrativa explicatoria en exceso y no muy estructurado que confunde más que aclarar (más ecuaciones y gráficos y menos narración, por favor!) el balance es ciertamente positivo.

Los primeros capítulos explican dos de los mayores fundamentos experimentales del modelo cosmológico estándar. Nos centramos por hoy en el primero, la Ley de Hubble, según la cual las galaxias se alejan entre sí con velocidad proporcional a la distancia.

V = H. D

V= velocidad de recesión debida a la expansión del universo
D = distancia actual a la galaxia
H = constante de Hubble

Esta ley se determinó experimentalmente a partir de las mediciones de Hubble de velocidades radiales de las galaxias, medidas a través del efecto Doppler que se observa en las líneas de absorción al hacer un análisis espectral de la luz de dichas galaxias. Otros métodos permitieron establecer la distancia en forma independiente (p ej, cefeidas).

El valor actual de H dista de estar escrito en piedra, pero actualmente se estima cerca de 70 km/s / Megaparsec.

Esta sencilla ley tuvo consecuencias enormes. La conclusión de que el Universo está en expansión permitió prontamente reinterpretar modelos cosmológicos. En particular, asumiendo dos condiciones importantes que constituyen el principio cosmológico:

1) Que el Universo es homogéneo (su composición es escencialmente la misma en su extensión) y
2) Que es además isotrópico (sus propiedades son iguales en todas direcciones)

el matemático ruso Alexander Friedmann halló la solución a las ecuaciones de campo gravitatorio de Einstein. Resumamos diciendo que la densidad gravitacional crítica es proporcional al cuadrado de la constante de Hubble (detalles en wiki).

De las ecuaciones resultan dos escenarios muy diferentes en las ecuaciones. (Si no pueden visualizar la geometría del Universo, no se aflijan, NADIE puede. Sólo conseguimos analogías en 2 dimensiones como referencia.) Lo que si es claro, es que en un modelo de universo en expansión, con la gravitación como fuerza que la frena, si la densidad media del Universo resultara menor o igual a un cierto valor crítico, el Universo es hiperbólico e infinito, y la expansión continuará indefinidamente. Si fuera en cambio mayor, el Universo es cerrado en si mismo y finito (pero ilimitado, es decir, no hay un "borde" del universo).

Posibles geometrías del universo
para diferentes valores de densidad

De la densidad depende también la edad del Universo, y modifica al valor de referencia, que es la edad de Hubble (obtenida como el inverso de la constante de Hubble (=1/H)). Hoy en día las estimaciones de la edad del Universo rondan entre 1.35 y 1.4 x 10^10 años.

Distancia media entre galaxias (="tamaño del Universo") en función del tiempo.
Las curvas paramétricas corresponden a diferentes valores de la densidad.

La densidad del universo y la evolución de la constante cosmológica H en el tiempo afectan de manera importante la ley de Hubble a grandes distancias (La luz que vemos de distancias muy lejanas es en realidad, luz "del pasado"). Para menores densidades, la recta se transforma en una curva que se aplana para galaxias muy distantes. Resulta de todos modos muy difícil determinar experimentalmente la densidad real del universo de este modo. Pero en general los resultados actuales parecieran apuntar a un universo abierto.

Ley de Hubble (Velocidad en función de distancia). Los puntos son mediciones experimentales.
Las curvas muestran la desviación de la recta según diferentes valores de la densidad.

Evaluaciones independientes hacen creer hoy en día que el Universo está, de hecho, acelerándose(esto no lo podía saber en Weinberg al escribir el libro). Hoy por hoy esto se "emparcha" con el extraño concepto de energía negativa, pero bien podría llevar a una reevaluación o reinvención de los modelos actuales (long live al método científico).

Next: El fondo de radiación de microondas