Capítulo IV: Un enigma oscuro.
Saludos, gentiles lectores.
El viaje de hoy será oscuro e inquietante, y muchas de nuestras
certezas y seguridades acerca de la realidad que habitamos parecerán
venirse abajo. Sin embargo ello es un trámite necesario para poder
enfrentarnos la semana que viene al "porqué de todo", en
lo que sin duda será un desafío épico. Pero ahora tenemos
pendiente un penúltimo y tenebroso enigma cósmico que sondear. Un
enigma... oscuro. Para vernos las caras con él deberemos de viajar
de nuevo en el tiempo, pues recordemos que estábamos aún en los
albores del Big Bang, en un universo abrasadoramente caliente.
Movamos entonces los resortes de nuestra MTI hacia el futuro, miles
de millones de años hacia el futuro, pero solo lo justo y necesario
para nuestros fines, quedándonos aún otros miles de millones de
años antes de la formación de nuestro sistema solar.
El paisaje que nos rodea ya nos es más conocido.
Diversas galaxias de distintos colores brillan y resplandecen
colgando de la oscuridad del espacio como barrocas lámparas de
araña.
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Supercúmulo de galaxias de Virgo. Tal enormidad resulta apabullante.
¿Cuantas civilizaciones habrán surgido en esa inmensidad?
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Las hay de muchos y variados tipos, algunas
enormes y ovaladas de tonos anaranjados, otras más pequeñas con
forma espiral, de núcleo amarillento y brazos azules oscurecidos por
opacas nubes de polvo. Muchas ni siquiera tienen una forma definida.
Juntas flotan en cúmulos, supercúmulos y cúmulos de supercúmulos,
que llenan todo el espacio con una extraña estructura filamentosa.
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125 Megaparsecs (Mpc) equivalen a 407,5 millones de años luz de distancia. La "h" se refiere a la constante de Hubble, que marca la expansión del universo y que no esta determinada al 100% para distancias tan grandes, introduciendo un leve margen de error. En cualquier caso, podemos observar en esta simulación la distribución filamentosa de la materia en el universo (filamentos compuestos de gas intergaláctico, millones de galaxias.... y más cosas).
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Curiosamente esta estructura es la misma
miremos donde miremos (este tema queda pendiente). Cuando el gas incandescente del Big Bang se
enfrió, gran parte de él fue empujado por la gravedad y se agregó
en compactas nubes, que girando sin cesar fueron colapsándose sobre
sí mismas hasta alcanzar en su interior tales presiones y
temperaturas que comenzaron a generar reacciones de fusión nuclear y
a brillar. El universo se llenó con la luz de estas alegres
luminarias; habían nacido las primeras estrellas. Estas mismas
estrellas, junto con el gas y el polvo que las habían formado, se
agruparon a su vez danzando unas con otras en esas maravillosas
coreografías estelares que vemos desde
nuestra MTI y que en efecto hoy en día llamamos galaxias.
Como decía, estas galaxias nos parecen objetos
familiares, habitamos en una de ellas y hemos visto sus imágenes en
películas, como fondo de escritorio de ordenador, etc...
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| ¡Allá va el Halcón Milenario! Lo cierto es que estos personajes andaban un poco lejos... |
Pero en realidad no son tan familiares, no. Hay
algo muy oscuro en ellas. Le pedimos a la computadora de nuestra MTI
que observe a una de estas galaxias y nos diga qué
ve de raro en ella. Selecciona una con forma de espiral y en seguida
un dato anormal aparece en su pantalla: las estrellas más alejadas del núcleo
giran demasiado deprisa. Si por ejemplo pensamos en nuestro sistema
solar, veremos que los planetas más exteriores giran más despacio
que los interiores. Esto es así debido a la ley de la gravitación
universal descubierta en su día por Sir Isaac Newton. Dicha ley
establece la siguiente ecuación: v = √ (GM /
r), en donde V es la velocidad, G la constante de la
gravitación universal, M la masa y r el radio de la órbita del
planeta o dicho de otro modo, la distancia hasta su estrella. Según
ésto, cuanto mayor sea r, menor será la velocidad. Esta ley se
cumple con la precisión de un reloj suizo en nuestro sistema
solar y en todos los demás casos que han sido observados. Sin
embargo en la galaxia que estamos examinando ahora mismo, las
estrellas de los brazos espirales exteriores giran bastante más
rápido de lo que las leyes de la gravitación permiten. O bien el
señor Newton no tenía tanta razón como siempre hemos pensado, o
bien hay realmente más masa presente en las zonas
más exteriores del disco galáctico, una masa
invisible que compensaría en la ecuación de antes la mayor
distancia de las estrellas al centro de gravedad (r). La ley de la
gravitación universal funciona demasiado bien como para cargárnosla
así como así, pero podríamos sentirnos tentados de hacerlo si no
fuera por otro dato. Seguimos encaramados a los mandos de la
computadora de nuestra MTI, pero para entender lo siguiente deberemos de
pasar de la teoría de la gravedad de Newton a la de Albert Einstein.
Póngase el lector su gorro de pensar,
porque lo que viene ahora es duro.
Ya anunciamos la semana pasada que según la Teoría de
la Relatividad General de Einstein, la gravedad en realidad debía de
entenderse como una curvatura misma del espacio y del tiempo. Ésto,
que dicho así suena tan rimbombante y abstracto, es más fácil de
ver si uno se plantea (como hizo Einstein en la Teoría de la
Relatividad Especial) que la velocidad de la luz es finita. Su
velocidad en el vacío es de 300.000 km/segundo, más o menos. Y ni
ella misma ni nada puede viajar más rápido. Bueno, sí, muy
bonito... ¿Y qué? Bueno, pues que si uno por ejemplo viaja en un
tren a la velocidad de la luz y lanza una pelota hacia delante, para
uno mismo le parecerá que la pelota tiene una cierta velocidad (la
típica de un lanzamiento
estándar de pelota si uno no es jugador de Béisbol). Pero para
alguien que vea pasar el tren desde el andén, la velocidad de la
pelota será la propia del tren, más la del lanzamiento, es decir,
mayor que la velocidad de la luz... ¡pero esto es imposible!
También, si nos movemos velozmente hacia un rayo de luz, cosa que
seguramente hacemos muchas de las veces que contemplamos las
estrellas, la velocidad de dicho rayo debería de ser la suya propia
más la nuestra. De nuevo imposible, pues ese rayo viaja por el
espacio a la velocidad de la luz. Ningún problema, dijo Einstein,
para que estos ejemplos nos cuadren, solo
tenemos que ajustar el tiempo. Parece cosa sencilla: resulta que el
tiempo transcurre más despacio dentro del tren, de modo que en
realidad la pelota nunca ha ido más deprisa que la velocidad de la
luz (recordemos, velocidad = espacio / tiempo). Algo similar
podemos hacer con el ejemplo de antes en
el que mirábamos embelesados las estrellas. Pero realmente lo que
acabamos de hacer, lo que Einstein hizo, es terrible: nuestra tan
querida idea de un tiempo absoluto desaparece para siempre. Distintos
relojes en distintos observadores, una persona en el tren y otra en
el andén por ejemplo, marcarán distintos tiempos al observar el
mismo suceso. Nadie puede tener la verdad absoluta sobre qué
hora es, para cada uno su hora será
perfectamente cierta. Por eso el nombre de la teoría, el tiempo es
en realidad algo relativo.
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| Genial ejemplo tomado sin el permiso de los autores de
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Bueno, pues en la Teoría de la Relatividad General,
Einstein exploró estas ideas para los movimientos acelerados y sus
resultados fueron sorprendentes. Siento dejar al lector con la miel
en los labios, pero carezco del tiempo, del espacio y sobre todo de
los conocimientos necesarios para extenderme sobre esto,
pero a efectos de la materia que estamos tratando y resumiendo
muchísimo, diré que Einstein descubrió que las coordenadas que
cualquier objeto ocupa en el universo no solo están marcadas por las
tres que nos resultan tan familiares (arriba-abajo,
izquierda-derecha, adelante-atrás) sino
por cuatro, añadiendo al tiempo como la
cuarta en discordia. Piénsese en hundir la flota, pero con 4 en vez
de 2 coordenadas (en honor a la verdad, fue el matemático alemán Hermann Minkowski quien desarrolló las matemáticas adecuadas para entender esto, por si alguien quiere investigar por su cuenta).
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Las tres coordenadas espaciales más el tiempo hacen en realidad cuatro, el total que se necesitan para ubicar un suceso en nuestro universo. El autor del gráfico ha intentado representar un eje "de cuatro coordenadas", pero más allá de las matemáticas nuestras mentes tridimensionales lo tienen crudo para visualizarlo. Sin embargo el espacio-tiempo forma en efecto un conjunto tretradimensional.
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Es por ello que hablamos del espacio-tiempo como de una
trama inseparable. Siendo esto así, dos objetos flotando en
distintos lugares tendrán necesariamente distintas coordenadas, es
decir, distintas posiciones y distintos tiempos. Si una nave espacial
viajara más rápido que la velocidad de la luz, podría ir
"instantáneamente" de un lugar con una cierta medida del
tiempo a otro con un "tiempo anterior" al mismo. Es decir,
habría viajado atrás en el tiempo. Digamos que cada suceso está
limitado a un "cono de luz" (como lo describió H. Minkowski) que se va expandiendo según avanza el tiempo.
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Las matemáticas de Minkowski hicieron posible desarrollar estos diagramas. Por hipersuperficie, entendemos nuestro presente definido por las cuatro dimensiones que veíamos antes. El cono de luz define los límites espaciales de nuestro futuro y también de nuestro pasado en función al tiempo. Nada podrá rebasarlos.
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Cada cono de luz tiene su propia medida en los relojes
de sus habitantes. Conos de luz lo suficientemente alejados nunca
podrán estar en contacto y marcarán diferentes tiempos, solo con el
paso del tiempo (valga la redundancia) un rayo de luz podrá tener
tiempo (redundancia al cubo) de viajar de un "cono de luz"
a otro y comunicarlos, más nunca antes
y a veces jamás. De lo contrario ocurriría lo antes descrito y
podríamos comunicar un espacio donde son las 18:13 de la tarde, con
otro donde son las 15:42 del mismo día.
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En la imagen tenemos a un fotón viajando entre el suceso 1 y el suceso 2. Consideramos al primero en movimiento respecto al segundo, con lo cual en uno la medición del tiempo cambia al compararla con la del otro. Podríamos tomar el suceso 1 como acaecido en la galaxia de Andrómeda (la más cercana a nosotros, que seríamos el suceso 2) y el fotón sería la luz que nos llega de este distante objeto.
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Aquí tenemos un viaje del Halcón Milenario desde un sistema estelar a otro, más rápido que la velocidad de la luz. Desde el punto de vista del sistema estelar del suceso 2', la nave espacial provendría del futuro.
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Esto es uno de los absurdos de la velocidad
supralumínica, pero no el único. Las dos teorías
de la Relatividad se nos caen a trozos si nos planteamos
viajes más rápidos que la luz. Y el problema no es solo que hayan
sido comprobadas mil y una veces, si no que gran parte de nuestra
tecnología moderna funciona milimétricamente gracias a ellas. Por tanto, no es cuestión de cargárnoslas
alegremente solo por el capricho de movernos más deprisa que la luz
(y por eso se montó tal pollo con aquellos neutrinos traviesos de
hace unos años). Bien, no agotaré más la paciencia del lector e
iré directo a lo que nos ocupa: Einstein descubrió que sucesos tales como
la caída de una pelota o el movimiento de un planeta en órbita
alrededor de una estrella, son en realidad efectos geométricos del
movimiento a través de un espacio-tiempo curvado. Si tratara de
asimilar las matemáticas subyacentes a todo esto, seguramente me
estallaría la cabeza y pringaría toda mi habitación de modo
desagradable, así que recurriré de nuevo a la imagen del otro día:
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En efecto, al "caer" en el hoyo, la bola se
acelera, y si se mantiene en su borde puede incluso girar alrededor
de él. Puede que sea un ejemplo un poco tosco, pero es fácil de
ver. Mejor que una embolia cerebral, desde luego. Pero volviendo al
concepto, este desde luego tiene efectos sorprendentes. Los rayos de
luz se desvían al pasar cerca de un "pozo gravitatorio"
tal y como lo haría una pelota de golf al pasar rodando por una
hondonada en el terreno. También pueden generar increíbles efectos
lupa que nos amplían o distorsionan los objetos que hay detrás de una gran masa.
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| Imagen del Cúmulo de galaxias 0024+1654. Si se fijan con atención, pueden observar las circunferencias de galaxias distorsionadas por la lente. |
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Cúmulo de galaxias Abell 370. La figura con forma de churro de la izquierda es en realidad la imagen de una galaxias espiral normal y corriente que ha quedado distorsionada por el efecto de lente gravitatoria de un enorme cúmulo de galaxias que tiene delante.
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Dichas lupas gravitatorias incluso pueden generar imágenes dobles. Todo esto se ha visto y ha hecho caer la baba a diferentes astrónomos. Y así mismo, es una herramienta útil para rastrear masas "perdidas" cuya luz no nos llega. A fin de cuentas, cuanta más masa haya, mayor será la curvatura que provoque en la trama del espacio tiempo y más notables los efectos de las lentes gravitatorias (o del desvío de los rayos de luz). Este método nos permite detectar objetos que por otros medios nos resultarían completamente invisibles. Magnífico. Tanta parrafada solo para esto, ahora ya podemos pedirle a la computadora que escrute el pavosoroso espacio cuajado de cúmulos de galaxias para que nos diga si la masa que vemos se corresponde realmente con la que los efectos de la gravedad nos dice que hay. Dicho y hecho, nuestra computadora tiene un procesador Pentium N + 1 y puede con todo. 17 horas después nos despierta y nos da el resultado: hay una masa oscura (invisible en realidad pues si fuera oscura la veríamos) que se distribuye por entre los cúmulos de galaxias y alrededor de estas. Dicha materia oscura (llamémosla así tal y como se ha puesto de moda en la actualidad), es la responsable del 85 % de la composición de los mencionados cúmulos de galaxias así como de las galaxias mismas, y las cifras nos cuadran con aquellas que podemos obtener al analizar las rotaciones galácticas (recuérdese). Pero esta materia oscura hace honor a su nombre y no emite luz. Sin embargo la cosa no termina ahí, no solo es que no emita luz, sino que descubrimos que directamente ignora flagrantemente a la todo poderosa Interacción Electromagnética. ¿Cómo sabemos esto? Pues porque nuestra computadora, que es muy hábil ella, ha observado la colisión entre dos grandes y masivos cúmulos de galaxias. La materia "ordinaria", principalmente gas intergaláctico, se ha visto interferida una con otra y se ha frenado y/o desviado por culpa de las interacciones debidas a la Fuerza Electromagnética. Pero la materia oscura no, esta ha pasado como si tal cosa una a través de la otra sin la menor interacción. Se nos atraganta el desayuno que estábamos tomando.
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Imagen del Cúmulo Bala. En realidad son dos cúmulos de galaxias que acaban de chocar y atravesarse. Ni galaxias ni estrellas han colisionado, pues se hallan muy separadas unas de otras, sin embargo el gas intergaláctico (coloreado de rosa) sí que ha interactuado entre sí, frenándose. En cambio la materia oscura (pintada en azul) se ha cruzado y ha continuado su camino sin inmutarse lo más mínimo. El gas es visible para nosotros gracias al calor y la radiación que emite, muy característicos. La materia oscura por contra es invisible, pero gracias a sus efectos gravitatorios ambos han podido ser diferenciados y localizados. Esta es prácticamente una foto de la materia oscura.
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Como diría Isaac Asimov, ahora que creíamos saberlo
todo resulta que "ha caído una enorme mosca en la sopa", bueno, en
nuestro cuenco de desayuno de la MTI en realidad. Vale, que no cunda
el pánico. Invoquemos de nuevo a nuestra foto primigenia, ¿no
decíamos que encierra toda las respuestas? Pues veamos si tiene
coj---- de encerrar también esta.
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| La foto de la radiación de fondo de microondas, otra vez. |
Aquí la tenemos, llena de grumos y colorines como
siempre, tan inocente ella. ¡Pero no escapará al poder analítico
de nuestra computadora, maldita sea! Vamos a ello. Esta vez la
respuesta nos llega antes, solo tras dos o tres horas en las que nos
entretenemos resolviendo Sudokus. Lo que ahora vemos en la pantalla
es lo siguiente: en el plasma del enorme horno de fusión nuclear que
era nuestro universo con 300.000 años de edad (cuando se sacó la
foto primigenia) nuestra computadora detecta varias ondas en las que
aquel plasma vibraba. Es la propia gravedad la que genera estas
ondulaciones. Dichas ondas, al igual que el sonido producido por un
violín, están dominadas por un tono fundamental. Esta nota marca la
máxima compresión y descompresión de
aquel plasma, la mayor distancia entre las
crestas de las ondas o longitud de onda en otras palabras, y a su vez
todo ello nos indica la masa total de aquel universo primitivo.
¡Bien! -exclamamos- ¡gracias a esta
radiografía del universo primigenio podremos saber cuánta
masa hay y de qué
tipo es, y resolver así el enigma de la
materia oscura, qué
es y de dónde
sale! Pero, ay, querido lector, para
resolver todo esto tendremos que enfrentarnos primero a las últimas
preguntas que nos quedan por responder, a las últimas
cuestiones fundamentales acerca de los límites, forma, expansión y
porqué de nuestro universo. Será el último capítulo de esta
primera parte, y quizá el más endiabladamente delirante y ambicioso
de todos ellos. Mas
eso será la semana que viene. Pásenlo lo mejor que puedan mientras
tanto.
Agradecimientos especiales a Paco Arjonilla por su asesoramiento en la materia de los conceptos científicos aquí manejados, así como por su meticulosa corrección, tanto de estilo y redacción, como ortográfica.
Bibliografía:
- "Tras los secretos del universo", por Rafael Alemañ Berenguer, Colección Milenium, Equipo Sirius.
- "El Lado Oscuro del Universo", Alberto Casas, editado
por Catara y por el CSIC.
- "Ciclos del Tiempo", Roger Penrose, editorial Debolsillo.
Webgrafía:
http://bimbamfriki.wordpress.com/2010/11/15/extras-002-coordenadas-del-espacio-tiempo-y-campos-jane/
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