expansión del universo

Las galaxias tenues dispersas por el cúmulo de Perseo parecen fantasmas entre vecinos brillantes. Son tan difusas que los objetos lejanos se transparentan a través de ellas, y contienen cientos de veces menos estrellas que nuestra Vía Láctea.

Un rayo láser normal va recto, como la luz de una linterna. Pero la luz se puede retorcer en espiral, como el hilo de un sacacorchos. Ese rayo lleva momento angular orbital: no solo ilumina, sino que también hace girar todo lo que encuentra. Los físicos dirigieron esta luz retorcida hacia un plasma para acelerar electrones.

Cuando un fluido rodea un obstáculo, genera vórtices y ondas de choque. Describir su comportamiento significa resolver una ecuación no lineal en la que la velocidad del flujo depende de sí misma.

En los primeros instantes tras el Big Bang, la materia y la antimateria deberían haber nacido en cantidades iguales. Pero hoy, a nuestro alrededor, hay materia ordinaria, mientras que la antimateria casi no se encuentra. ¿Dónde fue a parar?

En los primeros 500 millones de años después del Big Bang, las galaxias crecían a un ritmo vertiginoso. El gas caía rápidamente en ellas y colapsaba en estrellas sin encontrar resistencia. Este período se conoce como 'formación estelar sin obstáculos'.

Las estrellas son como peonzas: nacen girando rápido y con el tiempo se van frenando. Este proceso es como un reloj de arena: cuanto más lenta es la rotación de una estrella, más vieja es. Los astrónomos usan esta relación para determinar la edad de las estrellas, pero para ello necesitan grupos de referencia de estrellas con edad conocida.

En el corazón de una ciudad antigua se alza una torre con un reloj que no se ha ajustado desde su construcción. Por su retraso se puede calcular cuánto se ha estirado el tiempo desde entonces.

Si uno mira fijamente por la ventana nocturna, tarde o temprano se topa con la negrura tras la cual no se ve nada. No es solo una valla lejana: es el borde del universo accesible, el horizonte cósmico. La luz de estrellas más distantes simplemente no ha tenido tiempo de llegarnos.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

El haz de un reflector se pierde en la oscuridad, pero si lo seguimos hacia atrás, chocamos con la lámpara. Con la historia del universo quizás ocurre lo mismo: al rastrear su expansión hacia atrás, nos topamos con un comienzo. Los físicos tomaron el modelo más simple: un universo que se estira por igual en todas direcciones, como un cubo cuyos lados crecen.

En los primeros instantes después del Big Bang, el universo se expandió más rápido de lo que la luz podía cruzarlo. Como un globo que se infla, pero en lugar de goma, el propio espacio. En este globo inevitablemente aparecían ondas: diminutas compresiones y rarefacciones de las que luego surgieron todas las galaxias y estrellas.

Imagina una lámpara escondida detrás de un gran acuario lleno de agua. No ves una única fuente de luz, sino varios reflejos y refracciones: el agua desvía la trayectoria de los rayos.

La teoría cuántica de campos es el idioma en el que los físicos describen las partículas elementales y sus interacciones. Los autores del trabajo decidieron "retocar" un poco este idioma: introdujeron deformaciones, es decir, pequeños cambios en las reglas del juego.

Seis corredores avanzan por la pista y los jueces miden su velocidad sin notar el viento a favor. El viento sopla a sus espaldas y los cronómetros marcan un resultado mejor que el real.

El cielo nocturno parece un puñado de estrellas al azar. Pero si lo observamos a distancias enormes, el caos desaparece. Las galaxias se agrupan en largos filamentos y muros planos, y entre ellos se abren vacíos colosales: los vacios cósmicos. A esta estructura se la llama telaraña cósmica.

Todo comenzó con un estiramiento. En las primeras fracciones de segundo, el universo se infló —los físicos llaman a esto inflación. Luego, la expansión vertiginosa dio paso a una fase en la que la energía del campo se transformó en partículas ordinarias.

Una onda gravitacional de la fusión de agujeros negros es como el tañido de una campana en la noche. Por la fuerza del sonido se puede saber lo lejos que está la fuente.

Una olla de gachas hirviendo: las burbujas estallan, el vapor escapa y lo mezcla todo. Algo parecido hacen las estrellas masivas en las nubes de gas gigantes. Su radiación y viento estelar soplan enormes cavidades, las burbujas moleculares, esparciendo materia a su alrededor.

El neutrón podría ser un imán diminuto: las ecuaciones lo permiten. Pero en la realidad apenas muestra propiedades magnéticas. Una de las explicaciones la ofrece el mecanismo de Nelson-Barr: un campo especial rompe espontáneamente la simetría y oculta ese efecto.

Una fábrica capaz de producir un millón de piezas por hora, por alguna razón, solo hace un centenar. Más o menos así se comporta nuestro universo si lo miramos a través del prisma de la entropía, esa medida del desorden que, según las leyes de la física, solo puede aumentar. Las principales "máquinas" de esta fábrica son los agujeros negros supermasivos.

El universo temprano se asemeja a un resorte fuertemente comprimido. En los primeros instantes se expandió a una velocidad inimaginable: esta etapa se llama inflación.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

Una fábrica capaz de producir un millón de piezas por hora, por alguna razón, solo hace un centenar. Más o menos así se comporta nuestro universo si lo miramos a través del prisma de la entropía, esa medida del desorden que, según las leyes de la física, solo puede aumentar. Las principales "máquinas" de esta fábrica son los agujeros negros supermasivos.

Las estrellas más masivas son como globos demasiado inflados: su envoltura ya no se estira, sino que empieza a expulsar materia rápidamente. En cierta etapa, la pérdida de masa se vuelve tan intensa que la estrella deja de aumentar de tamaño. Los astrónomos observan este momento como una inflexión en un diagrama donde las estrellas se ordenan por luminosidad y temperatura.

Un espejo magnético es un tubo abierto por ambos extremos. El campo magnético en su interior está dispuesto de modo que el plasma caliente no se escape: en los extremos se concentra, como un tapón en una botella. Las partículas de plasma que vuelan hacia la salida son repelidas por estos «tapones» y regresan.

El universo temprano no era solo un caldo caliente de partículas. En las primeras fracciones de segundo, la simetría especular podría haberse roto: el mundo y su reflejo no habrían sido del todo idénticos.

La carrera por la energía de fusión se parece a intentar atrapar un rayo en una botella. Durante décadas, los físicos han luchado por recrear en la Tierra los procesos que alimentan al Sol.

El universo temprano no se parecía a un estanque tranquilo, sino a un caldero burbujeante. La materia fluía, chocaba y se arremolinaba, todo en medio de la rápida expansión del propio espacio. Para entender cómo de esa sopa caliente nacieron las estrellas y las galaxias, los físicos construyen simulaciones digitales.

El asunto del reloj en el universo es delicado. Normalmente, en los cálculos del nacimiento del mundo, el papel de reloj lo desempeña un campo escalar especial — algo así como un fluido invisible que llena todo el espacio. Hace tictac, y los físicos observan cómo cambia el mundo respecto a ese tictac. Pero ese reloj es artificial, se introdujo por comodidad.

En 1929, Edwin Hubble apuntó su telescopio a galaxias lejanas y descubrió que se alejan. Noventa años después, dos mediciones de la velocidad de esa expansión —una basada en la luz antigua y otra en estrellas cercanas— se niegan a coincidir. Una discrepancia del 9% no se puede achacar a errores.

El meteorólogo traza una línea negra gruesa a través de toda Europa: al norte, heladas; al sur, deshielo. Esta frontera —la isoterma cero— no dice qué temperatura hace en Estocolmo o Roma, pero indica con total honestidad dónde termina el invierno. En la cosmología de los últimos años ha aparecido un mapa en el que se puede trazar un límite análogo.

Los primeros instantes después del Big Bang: el espacio se expande rápidamente — los físicos llaman a este período inflación. Dentro de este tejido en expansión, como burbujas de jabón en una corriente de aire, comienzan a formarse regiones de nuevo vacío — ocurre una transición de fase de primer orden.

En 1433 pares de galaxias esparcidos por el cielo, los astrónomos notaron un patrón inusual. Las vecinas situadas «encima» o «debajo» de un sistema estelar masivo contienen hasta un cuarto más de oxígeno que las que se encuentran en el plano de su disco.

El Universo resonó intensamente en sus primeros instantes. En la era de la inflación, cuando el espacio se expandía más rápido que la luz, las energías eran monstruosas — billones de veces mayores que en el Gran Colisionador de Hadrones.

La gravedad es una fuerza asombrosamente débil. Un pequeño imán sostiene un clip desafiando la atracción de todo un planeta. Los físicos han buscado durante mucho tiempo la causa de esta debilidad, y una de las conjeturas nos lleva a dimensiones ocultas. Quizás la gravedad se 'extiende' por ellas, perdiendo fuerza en nuestro mundo tridimensional.

El universo primigenio crecía a una velocidad vertiginosa: en fracciones de segundo se infló hasta alcanzar dimensiones gigantescas. Los físicos describen ese arranque con una sola magnitud: el exponente en una fórmula parecida a la pendiente de una colina. Cuanto más empinada es la colina, más rápido rueda la canica, es decir, más veloz era la expansión del espacio.

La cosmología se ha metido en un buen lío. Las dos principales formas de mirar al pasado del universo —la radiación temprana (la radiación cósmica de fondo) y los objetos más tardíos como las supernovas— arrojan números diferentes tanto para la velocidad de expansión (la constante de Hubble) como para lo 'grumosa' que está distribuida la materia.

En los albores de los tiempos, el universo experimentó un breve instante de expansión frenética: la inflación. Las diminutas vibraciones cuánticas del espacio-tiempo se estiraron hasta escalas cósmicas.

Las ondas cósmicas comienzan con pequeños cúmulos. A los 380 000 años después del Big Bang, el universo era casi homogéneo: las variaciones de densidad eran solo de 1/100 000. Pero la gravedad convirtió esas débiles fluctuaciones en galaxias, cúmulos y enormes vacíos.

En los primeros instantes tras su nacimiento, el universo se expandió más rápido de lo que tarda en encenderse una cerilla. Este proceso se denomina inflación. Explica por qué el cosmos actual es tan homogéneo y plano. Pero, ¿qué ocurrió antes? Quizás entonces operaban las leyes de la gravedad cuántica, y sus huellas pueden encontrarse en los datos.