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Claroscuro del  universo
 

Claroscuro del universo

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Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17...

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Sobre los autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1. Las estrellas, fábricas de luz y generadores químicos . . . . . . . . 19
1.1. Las propiedades de las estrellas. El diagrama HR . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2. La física de las estrellas. El origen de la luminosidad . . . . . . . . . . . . 24
1.3. Nacimiento y vida de las estrellas. Reacciones nucleares . . . . . . . . . . 25
1.4. Últimas etapas de la evolución estelar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5. La química de las estrellas. La producción de elementos . . . . . . . . . 38
2. El mundo de las galaxias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1. Tipos de galaxias. El diapasón de Hubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2. Las fuentes nucleares de luz no estelar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3. Dinámica de galaxias. La masa oculta de las galaxias . . . . . . . . . . . . 52
2.4. Formación y evolución de las galaxias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553. Más allá de las galaxias. El Universo a gran escala . . . . . . . . . . 61
3.1. La vecindad de nuestra Galaxia. El Grupo Local . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2. Cúmulos de galaxias. Poblaciones galácticas
y la influencia del entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3. Masa de los cúmulos. Cómo pesar lo invisible . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4. El Universo a gran escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4. La Cosmología entra en escena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1. El reino de la Cosmología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2. Los parámetros cosmológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3. Cosmología física. Geometría y observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4. El Universo evolutivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Epílogo. A modo de conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

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    Claroscuro del  universo Claroscuro del universo Presentation Transcript

    • COLECCIÓNDIVULGACIÓN Claroscuro del Universo MARIANO MOLES VILLAMATE COORDINADOR CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS
    • Claroscurodel Universo
    • COLECCIÓNDIVULGACIÓNClaroscurodel UniversoMariano Moles Villamate (coord.)Xavier Barcons JáureguiNarciso Benítez LozanoRosa Domínguez TenreiroJordi Isern VilaboyIsabel Márquez PérezVicent J. Martínez GarcíaRafael Rebolo LópezCONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICASMadrid, 2007
    • Con la COLECCIÓN DIVULGACIÓN, el CSIC cumple uno de sus principales objetivos: proveer de materiales rigurosos y divulgativos a un ampliosector de la sociedad. Los temas que forman la colección responden a la demanda de información de los ciudadanos sobre los temas que más les afectan:salud, medio ambiente, transformaciones tecnológicas y sociales… La colección está elaborada en un lenguaje asequible, y cada volumen está coordi-nado por destacados especialistas de las materias abordadas.COMITÉ EDITORIALPilar Tigeras Sánchez, directoraSusana Asensio Llamas, secretariaMiguel Ángel Puig-Samper MuleroAlfonso Navas SánchezGonzalo Nieto FelinerJavier Martínez de SalazarJaime Pérez del ValRafael Martínez CáceresCarmen Guerrero MartínezCatálogo general de publicaciones oficialeshttp://www.060.es MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y CIENCIA© CSIC, 2007© Mariano Moles Villamate (coord.), Xavier Barcons Jáuregui, Narciso Benítez Lozano, Rosa Domínguez Tenreiro, Jordi Isern Vilaboy, Isabel Márquez Pérez, Vicent J. Martínez García y Rafael Rebolo López, 2007Foto portada: NGC 602, región de formación estelar en la Nube Pequeña de Magallanes, tomada por el Hubble Space Telescope.Reservados todos los derechos por la legislación en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de este libro, incluido el diseño de la cubierta puedereproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, mecánico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sinpermiso previo por escrito de la editorial.Las noticias, asertos y opiniones contenidos en esta obra son de la exclusiva responsabilidad del autor o autores. La editorial, por su parte, sólo se hace responsabledel interés científico de sus publicaciones.ISBN: 978-84-00-08536-0NIPO: 653-07-036-0Depósito legal: M-32.450-2007Edición a cargo de Cyan, Proyectos y Producciones Editoriales, S.A.
    • Índice Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Sobre los autores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Introducción ............................................. 131. Las estrellas, fábricas de luz y generadores químicos . . . . . . . . 19 1.1. Las propiedades de las estrellas. El diagrama HR . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2. La física de las estrellas. El origen de la luminosidad . . . . . . . . . . . . 24 1.3. Nacimiento y vida de las estrellas. Reacciones nucleares . . . . . . . . . . 25 1.4. Últimas etapas de la evolución estelar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5. La química de las estrellas. La producción de elementos . . . . . . . . . 382. El mundo de las galaxias .............................. 41 2.1. Tipos de galaxias. El diapasón de Hubble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2. Las fuentes nucleares de luz no estelar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3. Dinámica de galaxias. La masa oculta de las galaxias . . . . . . . . . . . . 52 2.4. Formación y evolución de las galaxias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
    • 3. Más allá de las galaxias. El Universo a gran escala . . . . . . . . . . 61 3.1. La vecindad de nuestra Galaxia. El Grupo Local . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2. Cúmulos de galaxias. Poblaciones galácticas y la influencia del entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3. Masa de los cúmulos. Cómo pesar lo invisible . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4. El Universo a gran escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754. La Cosmología entra en escena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1. El reino de la Cosmología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.2. Los parámetros cosmológicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.3. Cosmología física. Geometría y observaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4. El Universo evolutivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Epílogo. A modo de conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
    • AgradecimientosL a investigación que desarrolla cada uno de los colaboradores de este opúsculo tiene el soporte y la financiación del Ministerio de Educación y Ciencia, a través de los Programas Nacionales de Astronomía y Astrofísica y del Espacio. Cuentan también con la financiación y ayuda de los programas de investigación de sus respectivas comunidades autónomas, concretamente la Generalitat de Cataluña, la Generalitat de Valencia, la Junta de Andalucía, la Junta de Canarias, el Gobierno de la Comunidad de Madrid y el Gobierno de Cantabria. Agradecemos el esfuerzo de los integrantes del Observatori de l’Universitat de València por disponer de imágenes e ilustraciones de calidad adecuada. Queremos agradecer también a Susana Asensio por su trabajo y por su paciencia, digna del mejor de los astrónomos. El contenido de esta publicación pretende ser una recopilación estructurada de los avances que han producido la Astrofísica y la Cosmología en los últimos dos decenios. Son varios centenares los astrónomos de todo el mundo que dedican su esfuerzo a esta disciplina, a los que se vienen sumando físicos de otras especialidades, atraídos por la precisión y sentido físico que los primeros han sido capaces de dar a su trabajo. Y son muchos más los que, con sus elaboraciones y puntos de vista, intervienen también en los debates que se suscitan. Tratándose de un trabajo de presentación general, hemos considerado innecesario dar las referencias precisas a todos los trabajos específicos que han contribuido a dibujar el panorama que hemos descrito. De la misma forma, no hemos incluido referencias a trabajos, discusiones y conversaciones con colegas que han contribuido, sin duda, a configurar nuestras opiniones. 7
    • Torrente en Puerto Mont (Chile). Fotografía: C. M. Duarte.
    • Sobre los autoresMariano Moles Villamate es profesor de Xavier Barcons es profesor deInvestigación del CSIC, en el Instituto investigación en el Instituto de Físicade Astrofísica de Andalucía. Doctor en de Cantabria. Trabaja en AstronomíaCiencias por la Universidad de París. con rayos X, particularmente enSus campos de trabajo son la agujeros negros masivos y galaxiasAstronomía Extragaláctica y la activas. Ha sido asesor científicoCosmología. Fue co-director del de la Agencia Europea del EspacioObservatorio de Calar Alto y director (ESA) (2001-2005), gestor deldel IAA. Ha sido coordinador del área Programa Nacional de Astronomíade Física y Ciencias del Espacio de la y Astrofísica (2004-2006) y en laANEP. Ha recibido en 2007 el Premio actualidad encabeza la delegaciónde Investigación en Ciencias española en el Observatorio EuropeoExperimentales de la Junta de del Sur (ESO).Andalucía, Premio “Maimónides”. 9
    • Narciso Benítez. Nacido en Barakaldo Rosa Domínguez Tenreiro es Jordi Isern es profesor de Investigación(Vizcaya) en 1968. Recibió un máster catedrática de Astronomía y Astrofísica del CSIC y director del Instituto deen Física y Matemáticas con honores en el Departamento de Física Teórica Ciencias del Espacio (CSIC)/Institutpor la Universidad Estatal de Moscú de la Universidad Autónoma de dEstudis Espacials de Catalunya. Es“Lomonósov”. Doctorado en Física por Madrid. Doctora en Ciencias por las doctor en Física por la Universidad dela Universidad de Cantabria, y becario Universidades de París y Autónoma de Barcelona. Sus campos de trabajo son:postdoctoral en la Universidad de Madrid, ha trabajado en diferentes Astrofísica Nuclear y de Altas EnergíasCalifornia en Berkeley. Ha trabajado campos, particularmente en (explosiones de supernova, núcleo-como investigador científico en la Astropartículas, Cosmología y síntesis y emisión gamma) y EvoluciónUniversidad Johns Hopkins de Astrofísica Extragaláctica. En la Estelar (enfriamiento de estrellas enanasBaltimore, formando parte del proyecto actualidad su trabajo se centra en el blancas y sus propiedades comode la Advanced Camera for Surveys estudio de la formación y evolución de población fósil de la Galaxia).instalada en el Telescopio Espacial galaxias en un contexto cosmológicoHubble, y desde 2004 en el Instituto de mediante simulaciones numéricas, y suAstrofísica de Andalucía. En la comparación con datos observacionales.actualidad es investigador Científico delCSIC en el Instituto de Matemáticas yFísica Fundamental de Madrid.10
    • Isabel Márquez Pérez es científica Vicent J. Martínez. Nacido en Valencia Rafael Rebolo López es profesor detitular del CSIC desde 2003, en 1962, licenciado en Matemáticas por Investigación del CSIC en el Institutoinvestiga en el departamento de la Universidad de Valencia, doctor. de Astrofísica de Canarias. Ha llevadoAstronomía Extragaláctica del Realizó su tesis doctoral en el Instituto a cabo diversas investigaciones sobreInstituto de Astrofísica de Andalucía Nórdico de Física Atómica (Nordita). el origen de los elementos químicos, el(Granada). Se dedica Profesor titular de Astronomía y Fondo Cósmico de Microondas,fundamentalmente al estudio de la Astrofísica en la Universidad de estrellas de baja masa, enanas marronesactividad nuclear en galaxias de Valencia. Desde el año 2000 es el y exoplanetas. Ha sido responsable deldistintos tipos y en diferentes entornos. director del Observatorio Astronómico Área de Investigación del IAC.Miembro de la Unión de la Universidad de Valencia. SusAstronómica Internacional, forma parte trabajos de investigación estándel panel de expertos de la fundamentalmente dedicados al estudioComunidad Europea y del Comité de las galaxias y de la estructura delde Asignación de Tiempos del Universo a gran escala, siendo uno deObservatorio de Calar Alto. los científicos pioneros en la aplicación de los fractales en este campo. Es autor de dos libros de texto de nivel universitario. En el año 2005 obtuvo el Premio de Divulgación Científica “Estudi General” por su obra Marineros que surcan los cielos. 11
    • Introducción En efecto, las cosas que aparecen nos hacen vislumbrar las cosas no-patentes. AnaxágorasL a luz, si se nos admite usar esta denominación para la radiación electromagnética en todo el rango del espectro, es la señal que nos llega del Universo. La luz, parafraseando a Galileo, es la mensajera celestial que nos aporta la información sobre los astros, sus propiedades y sus vicisitudes. Desde las observaciones visuales sin ayuda instrumental, hasta las más recientes capaces de explorar todo aquel rango, desde las ondas de radio hasta los rayos γ más energéticos, las observaciones astronómicas han consistido en colectar primero y analizar después esa luz, débil, que nos llega de las estrellas. Aun sólo con las observaciones visuales, y valiéndose de instrumentos de medida de ángulos, la Astronomía de posición consiguió elaborar un panorama completo de los planetas y sus movimientos, y describir el Universo tal y como entonces se percibía. La entrada en escena del telescopio constituyó una extraordinaria revolución que supuso poner un nuevo Universo, infinitamente más vasto y rico que el anterior, a disposición de la ciencia que estaba emergiendo. Maravillado, Galileo abre su Sidereus Nuncius en 1610 con un Avviso Astronomico en el que dice al lector: Verdaderamente grandes son las cosas que propongo en este breve tratado a la visión y a la contemplación de los estudiosos de la naturaleza. Grandes, digo, ya 13
    • sea por la excelencia del tema por sí mismo, ya sea por su novedad jamás oída en todo el tiempo transcurrido, ya sea incluso por el instrumento, gracias al cual aquellas mismas cosas se han hecho manifiestas a nuestros sentidos.1 F. Brunetti, Galileo, Opere. I. Sidereus Nuncius El libro nos relata el descubrimiento de los planetas mediceos, que así llama su descubridor a los cuatro satélites mayores de Júpiter. Y las observaciones de la Luna, de las estrellas fijas y de la Vía Láctea. Con las revoluciones de los mediceos alrededor de Júpiter, profusamente ilustrada por Galileo en su obra, queda afirmado de manera rotunda el sistema copernicano, y con la actitud metodológica de Galileo se cimenta la Ciencia moderna. A partir de ese momento, el firmamento se convierte en fuente inagotable de descubrimientos y sorpresas. La aplicación, dos siglos más tarde, de la naciente espectroscopia al análisis de la luz estelar abrirá el camino de la Astrofísica y, con él, el de la comprensión de los fenómenos que se observan en el cielo. Mientras, Newton enunció su ley universal de la gravitación en 1687. Universal porque rige para todos los cuerpos, en la tierra y en los cielos. Se comprenden los movimientos de los planetas y se predicen sus posiciones. La confianza en su capacidad es total y, por un método en cierto modo análogo al que después nos ha permitido llegar a los conceptos que hoy maneja la Cosmología, se predice la existencia de otros planetas: las perturbaciones observadas en los movimientos de planetas conocidos con respecto a las predicciones de la teoría conducen a concluir que existen otros cuerpos aún no identificados que las causan. Incluso, se anticipa dónde deben encontrarse, y las observaciones consagran de manera indisputable la veracidad de la teoría. La luz reflejada por los planetas conocidos había conducido a reconocer la existencia y a descubrir nuevos planetas, que habían permanecido ocultos hasta entonces. Ése era el Universo para los científicos hasta comenzado el siglo XX. Los planetas con sus satélites, orbitando alrededor del Sol, y las estrellas, conformando, junto con nebulosas de diferentes formas y aspecto, la Vía Láctea. Nuestra Galaxia era, para los científicos de esas épocas, todo el Universo. La entrada en escena de nuevos y más poderosos telescopios en las primeras décadas de 1900, como antes 1. Grandi invero sono le cose che in questo breve trattato io propongo alla visione e alla contemplazione degli studiosi de la natura. Grandi, dico, sia per l’eccellenza della materia per sé stessa, sia per la novità loro non mai udita in tutti i tempi trascorsi, sia anche per lo strumento, in virtù del qualle quelle cose medesime si sono rese manifeste al senso nostro.14
    • con el telescopio de Galileo, iba a cambiar de manera extraordinaria nuestrapercepción del Universo. Resulta ya muy conocido el largo debate sobre la existencia de galaxias exteriorescomo para ni siquiera tener que resumirlo aquí. El hecho es que ese debate quedócerrado con los datos aportados por Hubble sobre las distancias a algunas de lasnebulosas conocidas, Andrómeda entre ellas. Quedaba fuera de toda duda que esasdistancias eran mucho mayores que el tamaño admitido para nuestra Galaxia y, porlo tanto, se trataba de nuevos sistemas, similares al nuestro y, en algunos casos,incluso mayores que la Vía Láctea. Acababa de descubrirse el mundo de las galaxias,con sus formas características, poblando el Universo en cualquier dirección que seobservase. De pronto, el Universo físico se había convertido en un enjambrepoblado por un inmenso número de galaxias diversas en formas, tamaños yluminosidades. El cambio que supuso ese descubrimiento fue fenomenal: si nuestraGalaxia tiene un tamaño aproximado de 100.000 años luz, Andrómeda, la máspróxima visible desde el Hemisferio Norte, se encuentra a más de 2.000.000 deaños luz. Había ya que usar un gran múltiplo de la unidad parsec (equivalente a3,28 años luz), el Mpc, para hablar de las distancias de las galaxias. A partir de ese momento, podemos comenzar a hablar de Cosmología en elsentido moderno de la palabra. La revolución cosmológica que se produce tiene, porotro lado, un nuevo soporte teórico necesario: la Teoría de la Relatividad Generalde Einstein de 1905, una nueva formulación de la teoría de la gravedad, quecontiene y supera a la de Newton. La conjunción de ambos descubrimientos haráposible el florecimiento que hoy conocemos. El avance, en materia de Cosmología, será sin embargo lento. Los datos setoman con dificultad debido a la poca sensibilidad de los detectores usados hastatiempos relativamente recientes. De modo que la acumulación de información,necesaria para poder extraer conclusiones fiables, es muy costosa. Es por ello deresaltar el golpe de genio que supone el hallazgo por el mismo Hubble de la ley quelleva su nombre, y que nos dice que la distancia a la que se halla una galaxia está enrelación directa con el desplazamiento hacia mayores longitudes de onda (de ahí elnombre de desplazamiento hacia el rojo) de sus líneas espectrales. Y que esa relaciónes de simple proporcionalidad cuando esas galaxias no están demasiado lejos. La ley de Hubble se constituye en la piedra angular de la Cosmología actual. Suinterpretación en términos de expansión del Universo nos proporciona una visiónestructurada y evolutiva del mismo, descrita por modelos extraídos de la RelatividadGeneral de Einstein. El problema a resolver está bien formulado y, por tanto, setrataría solamente de encontrar, con las observaciones, los valores de los parámetros 15
    • que particularizan el modelo de Universo que mejor se ajusta de entre todos los que ofrece la teoría. En ese recorrido de décadas hacia la determinación de esos parámetros, el progreso en el conocimiento astrofísico ha sido extraordinario. Y, con el conocimiento, han ido viniendo las sorpresas. Nuestra guía sigue siendo el análisis de la luz que nos llega de los astros, pero lo visible muy pronto apuntó hacia lo que no veíamos. Así, desde los primeros análisis, la dinámica de los cúmulos de galaxias ya indicaba claramente la presencia de materia que, si bien no veíamos, se manifestaba por su acción gravitatoria. Como en el caso de Neptuno, o de la compañera de Sirio, su presencia no había sido delatada por su propio brillo, sino por su efecto en los movimientos de los cuerpos que forman parte del mismo sistema. Sólo que ahora, como se iría poniendo de manifiesto poco a poco, juntando argumentos diferentes, esa materia no estaba simplemente oculta (como se le llamó en un principio), sino que resultaba ser de una naturaleza diferente a la que constituyen las estrellas, los planetas o a nosotros mismos. Aparecía en escena la materia oscura. Los argumentos sobre su existencia y características básicas se han ido multiplicando con los años, aunque sigue sin haber sido caracterizada. Podemos decir, salvo que consideremos errónea la teoría gravitatoria actual, que ha sido ya descubierta, puesto que sus efectos están medidos. Pero no sabemos cuál es su naturaleza y propiedades, lo que está motivando importantes esfuerzos observacionales en la confluencia entre la Física de partículas y la Astrofísica. La estructura básica del Universo, la métrica del espacio-tiempo, se ha ido determinando paulatinamente, usando fuentes cada vez más lejanas, que permiten una mejor separación entre las predicciones de los diferentes modelos. Y con la capacidad de medidas cada vez más precisas ha llegado la segunda gran sorpresa: la expansión del Universo es acelerada. Dado que la presencia de materia y energía, cualesquiera que sean sus naturalezas, sólo puede frenar la expansión por sus efectos gravitatorios, se deduce que debe haber una nueva componente, que se comporte de manera diferente, que sea responsable de esa aceleración de la expansión. Una componente de ese tipo fue ya incluida por Einstein en su teoría, no en su primera formulación, pero sí cuando elaboró el primer modelo cosmológico y quiso darle estabilidad: la constante cosmológica. No tuvo buena prensa al principio, precisamente por haber sido introducida ad hoc para salvar el modelo estático, lo que significó, de hecho, el retraso en la admisión de los primeros modelos evolutivos de Friedman. Pero no desapareció nunca completamente de la escena cosmológica, ya que se recurrió a ella en varias ocasiones para conseguir que la edad del Universo-16
    • modelo no fuese inferior a la del Universo-real, indicada por sistemas reconocidoscomo muy viejos, tales como los cúmulos globulares. Pero su estatus comoingrediente necesario para comprender los datos disponibles, que apuntan a que laexpansión es acelerada, es relativamente reciente. Con un añadido, y es que, en ellado teórico, aun manteniendo la posibilidad de que sea una constante de la teoría,se ha ensanchado el concepto para abarcar la posibilidad de que se trate de unaentidad física, totalmente desconocida por el momento, que también evolucionecon el tiempo. Estamos hablando de la energía oscura. Entre los triunfos de la Cosmología actual, convertida en herramientafundamental para determinar los diferentes parámetros cosmológicos, está sin dudala predicción y descubrimiento de la radiación cósmica de fondo. Esa radiación, queproducía un extraño ruido en la antena que estaban caracterizando Penzias yWilson, se ha revelado como una componente cosmológica, la más homogénea eisótropa del Universo, que nos informa de una época remota en la que el Universoestaba mucho menos diferenciado y estructurado que ahora. El análisis de suspropiedades y de sus minúsculas irregularidades ha abierto un auténtico camino realpor el que nuestro conocimiento cosmológico dará, sin duda, un gran saltoadelante. Junto con las otras componentes de la disciplina, está haciendo posible elconocimiento del Universo con una precisión y detalle inimaginables hace tan sólounos años. Conocimiento que, no sería de extrañar, nos llevará a nuevas sorpresasy nuevos retos que constituirán los objetivos de la Cosmología inmediatamentefutura. No sin cierta ironía, presentida desde muy antiguo, el hilo de la luz que nosllega del cielo nos ha ido conduciendo hacia la evidencia de que, finalmente, esaparte luminosa del Universo no sería sino una minúscula fracción de su contenidototal. Contenido que, por ahora, sólo hemos sido capaces de nombrar como materiay energía oscuras, y a cuyo desvelamiento se están orientando grandes esfuerzoscoordinados tanto en el dominio observacional como en el teórico. Pequeña partesí, pero como el hilo de Ariadna, imprescindible para salir de este hermoso laberintoal que el desarrollo de la Astrofísica y la Cosmología en las últimas décadas nos haconducido. Y que nos llevará, como no puede ser de otra forma, a un nivel superiorde comprensión del Universo y de los astros. Como se dice en un informe reciente sobre la necesidad de coordinar esfuerzospara abordar el estudio de la energía oscura: La aceleración del Universo es, junto con la materia oscura, el fenómeno observado que de forma más directa demuestra que nuestras teorías de partículas 17
    • elementales y gravedad son incorrectas o incompletas. La mayoría de los expertos cree que se necesita nada menos que una revolución en la manera en que comprendemos la física fundamental para entender plenamente la aceleración cósmica.2 Albrecht et al., Report of the Dark Energy Task Force, Abstract, 2006, astro-ph/0609501 Es fácil también comprender por qué la revista Science, al listar los 100 problemas más interesantes de la Ciencia, pone el de la energía oscura en primer lugar. Si la Ciencia avanza sobre todo cuando se plantean nuevos problemas fundamentales, no cabe duda de que la Astrofísica y la Cosmología han hecho una aportación extraordinaria, desafiando a la Física a resolver los problemas que la paciente acumulación de datos y elaboraciones ha planteado. MARIANO MOLES VILLAMATE Coordinador 2. The acceleration of the universe is, along with dark matter, the observed phenomenon that most directly demonstrates that our theories of fundamental particles and gravity are either incorrect or incomplete. Most experts believe that nothing short of a revolution in our understanding of Fundamental Physics will be required to achieve a full understanding of the cosmic acceleration18
    • 1. Las estrellas, fábricas de luz y generadores químicos Qué sería de la humanidad si no fuera la presencia de una nueva estrella en la por la débil luz que nos llega de las estrellas. constelación de Casiopea. Esta nova Jean Perrin stella apareció súbitamente en el firmamento, se debilitó gradualmente La ruptura aristotélica de la unidad con el transcurso de los días y meses y,del Universo y su visión dual con el finalmente, desapareció. Durante todomundo sublunar habitado por los este proceso, su posición con respecto ahumanos, efímero, corruptible, impuro las estrellas fijas permaneció invariable,y variable, con una atmósfera llena de por lo que debía moverse en los mismoscometas, meteoros y auroras, y el círculos perfectos que seguían lasmundo astral, eterno, puro y demás, lo que demostraba que era unarmonioso, ocupado por el Sol, el astro miembro de pleno derecho de la octavaperfecto e inmaculado, los planetas y las esfera. La conclusión inevitable era queestrellas fijas, dominó durante siglos en las estrellas están sujetas a las mismasla civilización occidental. Cada uno de imperfecciones que los habitantes delestos planetas ocupaba una esfera y las mundo sublunar, de modo queestrellas ocupaban la octava y última, quedaba demostrado que no había dostodas con el centro en la Tierra. mundos cualitativamente distintos, sino Esta concepción aristotélica estalló que todos eran uno.definitivamente cuando Tycho Brahe Por entonces Copérnico ya habíadescubrió, el 11 de noviembre de 1572, planteado la teoría heliocéntrica y la 19
    • cadena de sucesos que se produjeron nombre. El continuo perfeccionamiento todavía no se sabía que M31 era unaa continuación es sobradamente de los telescopios permitió demostrar galaxia), que alcanzó una magnitudconocida. Kepler, después de analizar también que las estrellas eran astros visual de seis, es decir, el límite delas observaciones de los planetas similares al Sol, lo que planteó de detección a simple vista. A finales derealizadas por Tycho, descubrió las inmediato una cuestión fundamental: si 1920, cuando se revisó la escala deleyes del movimiento planetario las estrellas son simples esferas de gas distancias, se vio que las nebulosasalrededor del Sol, el nuevo centro. incandescente, debían tener una vida espirales estaban muy alejadas deGalileo inventó el primer telescopio y finita, es decir, debían nacer y debían nosotros y que cada una de ellas era, endemostró por primera vez que la Luna morir. La pregunta era pues ¿cómo realidad, una inmensa aglomeración detenía montañas y lo que él llamó mares, nacen y cómo mueren las estrellas? Los estrellas. Es decir, de pronto seque Júpiter se comportaba como un indicios sobre la muerte de las estrellas descubrió que las estrellas formabansistema planetario en miniatura y que el pronto se hicieron evidentes, pero no grandes islas bien diferenciadas —lasSol, el astro perfecto, tenía manchas. ocurrió lo mismo con los indicios sobre galaxias— separadas por centenares deFinalmente, Newton descubrió, con la su nacimiento. miles o incluso millones de años luz.ley universal de la gravitación, el Paradójicamente, lo que se había Esto significaba que las novasmecanismo que controla el movimiento bautizado como estrellas nuevas extragalácticas debían serde los astros. Como consecuencia de correspondía en realidad a etapas extremadamente brillantes y claramenteestas ideas, durante muchos años hasta tardías y aun finales de la evolución distintas a las novas habituales. En elbien entrado el siglo XX, prevaleció la de las estrellas, como iba a verse año 1933, Baade y Zwicky propusieronidea de un Universo ilimitado y lleno posteriormente. En efecto, a finales del llamarlas super-novas. Pronto vieron quede estrellas, regido por las leyes siglo XIX ya se sabía que las nuevas el fenómeno debía estar relacionadoarmoniosas de la mecánica celeste. estrellas de Tycho o novas no eran con la muerte de las estrellas, pues La introducción de las técnicas astros que acabaran de nacer, sino que durante una erupción de estasespectroscópicas permitió a Fraunhofer eran objetos ya existentes que características se expulsaban gases aobtener en 1814 el primer espectro experimentaban un aumento brusco de velocidades de entre 5.000 y 10.000solar. Lo que, junto con los trabajos su luminosidad, de hasta 60.000 veces km/s, por lo que un simple cálculoposteriores de los físicos el valor inicial, para ir después mostraba que la energía implicada eraespectroscopistas, permitió demostrar recuperando paulatinamente su brillo del orden de 1051 ergios y la masaque el Sol es una esfera autogravitante normal. Pronto se vio, sin embargo, expulsada claramente superior a la delde gases incandescentes, con una que entre las novas existía una variedad Sol. Ante estas evidencias, propusierontemperatura superficial de 5.780 K, asociada a las nebulosas espirales que eliminar el guión y denominarlasy con los mismos elementos químicos alcanzaban máximos de luminosidad supernovas, para enfatizar que se trata deque se encuentran en la Tierra. Con la muy superiores a lo habitual. El caso un fenómeno con entidad propia y nosalvedad, como es bien sabido, del más significativo fue el de la catalogada una simple variedad de novas.helio, elemento que era desconocido en como S Andromedae, descubierta en Las nebulosas planetariasla Tierra y que se descubrió por primera 1885 en la nebulosa espiral de proporcionan el segundo ejemplo delvez en el espectro solar, de ahí su Andrómeda o M31 (por aquel entonces proceso de acabamiento estelar. Se20
    • llaman así porque se veían como grandes rasgos, pero cuyos detalles son permitido explicar las razones de laspequeños objetos extensos, como si de gran complejidad. En efecto, en propiedades estelares que observamos,fuesen planetas, con los telescopios de términos generales, una nube en sus detalles y variedad. Pero ellos siglos pasados. Las primeras interestelar está sometida a dos fuerzas, primer paso necesario para llegar a esafotografías ya revelaron la gran belleza la gravitatoria que tiende a concentrar teoría de la evolución estelar fue sinde estos astros que están constituidos la materia y las fuerzas de presión duda la acumulación de datos depor anillos de gases (en imágenes de debidas a la agitación térmica de los observación de calidad y sugran resolución y sensibilidad se aprecia átomos y moléculas del gas que tienden sistematización y estudio. Por ahíque tienen una estructura mucho más a dispersarla. Cuando la energía vamos a comenzar.compleja), que se expanden a una gravitatoria, que es negativa y dependevelocidad de entre 10 y 30 km/s. En el de la masa y radio totales del sistema,centro del anillo se encuentra una supera en valor absoluto a la energía 1.1. Las propiedades deestrella muy brillante y caliente, de térmica, que depende de la temperatura las estrellas. El diagrama HRpequeño diámetro. La teoría de la y la masa total, es cuando se dice queevolución estelar nos permite empieza el proceso de nacimiento de El dato primario que puede extraerse decomprender que se trata de una fase una estrella. Esta circunstancia, la observación de las estrellas es el de sutardía de la evolución estelar en la que conocida como condición de Jeans, brillo o, más técnicamente, sula estrella se hace inestable y expulsa indica que las estrellas deben nacer en el luminosidad aparente. Más allá deluna parte de sus capas que se interior de regiones frías y densas, brillo, la simple inspección visual delconvierten en ese anillo de gases, totalmente opacas a la radiación visible, cielo nos permite distinguir entre elquedando la estrella desnuda en el y que solamente son observables con color azul-blanco de estrellas comocentro. Los cálculos así lo indican, y radiación infrarroja o radio, por lo que Sirio y el rojizo de Betelgeuse. Esosnos muestran que la masa de los gases para encontrar pruebas observacionales colores de las estrellas, captados de tanes comparable a la estrella central, lo del nacimiento de las estrellas se tuvo simple manera, nos informan sobre susque pone de manifiesto la violencia del que esperar a que se desarrollaran los características físicas básicas. Dicho defenómeno. También se conoce hoy que instrumentos y los métodos para operar un modo algo más técnico, del usotodo el proceso es relativamente rápido a esas longitudes de onda. de la información de la luminosidady que los gases se dispersarán en un Entre el nacimiento y la muerte se de una estrella en dos o más bandastiempo muy corto, de unos 100.000 encuentra todo el proceso de la espectrales, se podrán sacaraños. evolución estelar, que encierra y explica conclusiones sobre sus propiedades Vislumbrar el nacimiento de las el misterio de la producción de energía generales.estrellas resultó mucho más difícil luminosa en las estrellas y de su Antes de continuar debemos hacerporque es mucho menos espectacular y funcionamiento. Desentrañarlo ha un pequeño paréntesis para comprendermanifiesto. Por razones físicas se llegó a significado uno de los grandes triunfos las dificultades de la tarea. Para poderla conclusión de que las estrellas nacen de la ciencia, que nos ha dado la obtener información sobre lasen el seno de nubes frías interestelares, posibilidad de entender cómo nacen, propiedades intrínsecas de un astro aen un proceso del que se conocen los viven y mueren las estrellas. Y nos ha partir de las observadas, es necesario 21
    • determinar su distancia. Bien sabido es indicador de la cantidad relativa de se ilustra en la figura 1.1. En esa figuraque ése es un problema mayor en energía que se emite en cada región también se señalan las líneas de radioAstronomía, que sólo sabemos resolver espectral, que caracteriza su tipo constante. Está claro que lacon suficiente precisión para un espectral. Éste, a su vez, es un indicador luminosidad de una estrella va apequeño número de casos. La manera directo de la temperatura superficial de depender de la temperatura y de lade aplazarlo es considerar propiedades la estrella, puesto que, en la medida en superficie radiante, es decir, delrelativas entre diferentes estrellas que una estrella se comporta en primera tamaño. De modo que de dos estrellas(también se usa la misma técnica para el aproximación como un cuerpo negro, con la misma temperatura, digamoscaso de galaxias) que pertenecen a una cuanto más azulado sea su brillo, mayor Procion-B y Altair, la más luminosa esmisma entidad, sea una asociación o un tiene que ser su temperatura superficial. también la de mayor tamaño. Así,cúmulo estelar y que, por lo tanto, En principio podría esperarse que cuando hablamos de estrellas gigantes oestán a la misma distancia. De esta cualquier combinación de luminosidad enanas, nos estamos refiriendo tanto alforma podemos estudiar las diferencias y temperatura es posible, de modo que radio como a la luminosidad.en propiedades y fase evolutiva de las el plano luminosidad-color o diagrama Aunque la mayoría de las estrellas seestrellas, si bien, al final, habrá que HR debería estar poblado de manera sitúa en la Secuencia Principal, existencalibrar la distancia de algunas de ellas, más o menos uniforme. Sin embargo, otras zonas del diagrama HR que estánpor lo menos, para así conocer las los datos claramente demuestran lo pobladas de estrellas. Así, no sólo haypropiedades intrínsecas de todas las contrario. La gran mayoría de las estrellas amarillas o rojas en dichademás. estrellas se encuentra situada sobre una Secuencia, sino que también aparecen Dada la brevedad de la vida de la banda relativamente estrecha, formando agrupaciones menos pobladashumanidad, no es posible seguir la vida denominada Secuencia Principal (ver que se hallan situadas por encima dede una estrella para identificar las figura 1.1), que va desde valores de alta ésta. Estas estrellas reciben el nombrediferentes fases evolutivas. De modo luminosidad y temperatura superficial genérico de gigantes, debido a que suque será necesario caracterizar estrellas muy elevada, que corresponden a las radio es mucho mayor que el del Sol,en diferentes fases y ordenarlas en el estrellas llamadas gigantes azules, hasta tal como puede apreciarse en la figurasentido evolutivo, sin esperar a poder los de baja luminosidad y temperatura 1.1. Ejemplos conocidos son:presenciar todo el proceso. La superficial muy baja, que corresponden Aldebarán, Pólux y Arturo. También seherramienta observacional que permitió a las llamadas estrellas enanas rojas. En aprecia en el diagrama una banda deestablecer la conexión evolutiva entre la zona central de esa Secuencia se estrellas de alta luminosidad que va dellos distintos tipos de estrellas y captar encuentra el Sol, de color amarillo, con azul al rojo, las estrellas supergigantes,sus fases es el llamado diagrama HR una luminosidad moderada y una que son las más luminosas de todas.(figura 1.1). En el año 1910, los temperatura superficial próxima a los Como ejemplos podemos citar, entreastrónomos Hertzsprung y Russell 6.000 grados, como ya dijimos. Además las rojas a Betelgeuse, en Orión, queestudiaron la relación que existía entre de nuestro Sol, estrellas como Beta tiene un radio 400 veces mayor que ella luminosidad de las estrellas, que es el Centauri, Spica, Bellatrix, Vega, Sirio, del Sol y una luminosidad 20.000 vecesdato primario, y sus colores. La razón Proción o α-Centauri, pertenecen mayor, y entre las azules, puede citarseestá en que el color de una estrella es un también a la Secuencia Principal, como a Rigel, también en Orión, que tiene22
    • un radio 100 veces superior al del Sol y partir de consideraciones estadísticasuna luminosidad 50.000 veces mayor. elementales, que las estrellas pasan Por último, existe una clase de mucho más tiempo de sus vidas en esaestrellas situadas muy por debajo de la región del diagrama que en cualquierSecuencia Principal que se denominan otra y, por lo tanto, la etapa evolutiva Figura 1.1. El diagrama HR muestra cómo seenanas blancas, que se caracterizan por a la que corresponde la Secuencia hallan distribuidas las estrellas en función de sutener un radio muy pequeño y, en Principal es la más larga de todas. Algo brillo intrínseco y su temperatura superficial. En ordenadas se halla representada lamuchos casos, una temperatura que la teoría permitirá comprender en luminosidad en escala logarítmica y ensuperficial muy elevada. Sirio B es un términos físicos. abscisas, la temperatura, ordenada de mayor abuen ejemplo, pues tiene un radio Para poder convertir el diagrama menor, o lo que es lo mismo, el tipo espectralsimilar al de la Tierra, una masa HR observacional en otro equivalente, o el color. Las líneas rectas representan dónde se hallan situadas aquellas estrellas que tienenligeramente superior a la del Sol y una pero que contiene las propiedades radios iguales. Se han marcado las posicionestemperatura superficial de casi 30.000 intrínsecas de las estrellas, es necesario, de algunas estrellas próximas en el diagramagrados. como dijimos, medir las distancias a las HR para su identificación. El diagrama HR es, como ya hemos estrellas. Los datos proporcionados pordicho, la sistematización básica de los el satélite HIPARCOS han permitidodatos sobre estrellas para abordar los extender las medidas directas de disponibilidad de datos de luminosidadproblemas teóricos de generación de paralajes a numerosas estrellas, y el intrínseca y masa estelar han permitidoenergía y modos evolutivos. Un simple futuro GAIA lo extenderá a cientos de estudiar el tipo de relación entre estasexamen de ese diagrama nos muestra, millones de estrellas. Sus datos dos características fundamentales. Elademás de la distribución de las estrellas permitirán construir la base de resultado que se obtiene es que cuantosolamente en zonas determinadas del información intrínseca más extensa y más masiva es una estrella de lamismo, otra característica básica: el definitiva. Cuando, además, las estrellas Secuencia Principal, más luminosa es,número de estrellas que pueblan cada forman parte de un sistema estelar de acuerdo con la ley que va con eluna de esas regiones es muy diferente. doble, se pueden medir parámetros de cubo de la masa aproximadamente, L∝La más poblada de ellas, con gran la órbita relativa y, bajo determinadas M3. Es decir, una estrella 10 veces másdiferencia, es la Secuencia Principal. De condiciones, su masa, otro de los datos masiva que otra será 1.000 veces másesta constatación básica se deduce, a básicos de difícil acceso. La brillante. De modo que la masa, que es 23
    • el combustible estelar como vamos a ver partículas) es igual en valor absoluto a 4x1033 ergios/s) durante unos 30a continuación, se consume tanto más la mitad de la energía gravitatoria. De millones de años. Esta edad, conocidarápidamente cuanto más masiva (y tal modo que, cuando un sistema pasa como la de Kelvin-Helmholtz, enluminosa) es una estrella. En otras de una configuración de equilibrio a honor de los primeros científicos quepalabras, las estrellas serán tanto más otra, convierte la mitad de su energía efectuaron este cálculo, sería por tantoefímeras cuanto más masivas sean al gravitatoria en energía térmica y emite su edad máxima posible. En cuanto a lanacer. la otra mitad. Dicho de otra manera, Tierra, el primer intento científico si una estrella pierde energía (lo que conocido para determinar su edad se ocurre necesariamente, pues está debe a Halley, quien supuso que los1.2. La física de las estrellas. continuamente radiando luz), la océanos habían sido inicialmente deEl origen de la luminosidad compensa contrayéndose y aumentando agua dulce y que el aumento de la su energía interna en una cantidad concentración de sal era debido alLas estrellas brillan. Ése es el hecho exactamente igual a la perdida. aporte de sales minerales por parte debásico. Pero ¿cuál es el origen de esa Las consideraciones anteriores se los ríos y a la evaporación de losluminosidad? La respuesta a esta simple derivan de teoremas generales de océanos. La edad que obtuvo parapregunta planteó graves contradicciones conservación que se aplican a sistemas nuestro planeta era de entre 90 y 350en su momento y tuvo que esperar al mecánicos. Su aplicación al caso de las millones de años, por lo que, dadas lasdesarrollo de la Física Cuántica para dar estrellas dio origen a una importante incertidumbres en los diferentes factoresuna respuesta satisfactoria. Pero paradoja que desconcertó a los físicos que intervienen en su estimación y lavayamos por partes. de los siglos XIX y principios del XX, crudeza de las hipótesis, se consideraba Las estrellas, como lo reveló la y que no se resolvió hasta finales del que no estaba en contradicciónespectroscopia, son sistemas de gas primer tercio de dicho siglo. La flagrante con la edad estimada para ela alta temperatura. Son sistemas conclusión que de esos principios podía Sol. Hubo otros intentos similares deautogravitantes (es decir, dominados extraerse en el caso del Sol es que calcular la edad de la Tierra basados enpor su propia gravedad), de forma nuestra estrella sería más joven que la las propiedades de los sedimentos, peroaproximadamente esférica, que se Tierra. Pero empecemos por el aunque todos ellos son capaces deencuentran en equilibrio hidrostático. principio. proporcionar edades relativas muyEsto significa que la acción atractiva de Para el Sol, de acuerdo con el precisas, fallan a la hora de dar edadeslas fuerzas gravitatorias es exactamente teorema del virial, que refleja la absolutas. La contradicción se hizocompensada por las fuerzas de presión, condición de equilibrio global de un manifiesta cuando el descubrimientoque tienden a disgregar la materia. En sistema dado, la energía gravitatoria es de las series radioactivas permitió atérminos globales, esto se traduce del orden de 4x1048 ergios y, por lo Rutherford y a Boltwood estimar con(siempre y cuando las partículas de que tanto, como venimos diciendo, su certeza que la edad de la Tierra era deestá compuesta la estrella se muevan energía interna debe ser del mismo unos cuantos miles de millones de años,con una velocidad mucho menor que la orden. Esa energía podría bastar para más concretamente, de unos 4.300de la luz) en que la energía térmica o que el Sol pudiese brillar con la millones de años, valor irrefutable a lainterna (que refleja la agitación de esas luminosidad actual (alrededor de luz de la nueva ciencia atómica y24
    • nuclear. Ahora sí que la contradicción estructura de las estrellas, hasta que en propiedades, cuáles deben ser lascon la edad de Kelvin-Helmholtz para 1938 Bethe y von Weiszäcker, con el condiciones para que pueda formarseel Sol es flagrante y definitiva, por lo descubrimiento del mecanismo de una estrella y, al final de su evolución,que para resolver la paradoja sólo fusión termonuclear y sus propiedades, las diferentes formas en que puedencabían dos soluciones: o bien la Tierra que permite convertir el hidrógeno en acabar su vida las estrellas.era un objeto capturado por el Sol, con helio, dieron la solución definitiva a laun origen totalmente independiente, o paradoja de la edad del Sol. La teoríabien el Sol tenía otra fuente de energía. establece que esa reacción tiene un 1.3. Nacimiento y vida de las Lo que se planteaba, en suma, era el rendimiento del 0,07% en masa, por lo estrellas. Reacciones nuclearesproblema del origen de la energía que el Sol necesita quemar unos 5emitida por el Sol. Los cálculos millones de toneladas de hidrógeno por Cuando una región dentro de una nubeanteriores demostraban que no podía ser segundo para mantener su actual interestelar fría se desestabiliza,de origen mecánico, y que había que luminosidad. Los modelos evolutivos comienza a contraerse por efecto de lasbuscar la respuesta en otros procesos que teóricos indican que, a ese ritmo, fuerzas gravitatorias, siempre atractivas.la naturaleza pudiera poner en juego. El nuestra estrella tiene combustible para La contracción hace aumentar sucamino para su descubrimiento lo inició, unos 5.500 millones de años más y que energía gravitatoria y, en consecuencia,también aquí, Einstein con su Teoría su edad actual es de 4.500 millones de también aumenta la temperatura: laRestringida de la Relatividad, formulada años. Determinaciones en perfecto región en cuestión comienza aen los años 1905-1906. En ella se acuerdo con los datos más recientes y calentarse, a la par que pierde la mismaestablece la equivalencia entre masa y precisos obtenidos por la sonda SOHO cantidad de energía por radiación aenergía, lo que abre la vía a nuevas de la Agencia Espacial Europea (ESA) través de su superficie, como ya hemosformas, mucho más eficaces, de producir que, usando técnicas similares a las argumentado. Mientras el aumentoenergía. Sobre esa base, y habiendo ya la sismológicas, ha podido medir la correspondiente de presión en elnueva Mecánica Cuántica cantidad de helio acumulado en el interior de la nube es incapaz deexperimentado un desarrollo apreciable, centro y, a partir de ahí, deducir las equilibrar el efecto de la fuerzaEddington pudo conjeturar en 1929 una edades citadas. gravitatoria, el proceso de contracciónnueva hipótesis sobre el origen de la Quedaba definitivamente aclarado y calentamiento de la nube continúa.energía radiada por el Sol. Un simple el enigma del origen de la energía Llega, sin embargo, un momento encálculo muestra que si el Sol pudiese emitida por el Sol y, por tanto, de las que la temperatura central de la nube esconvertir toda su masa en energía, estrellas: el Sol y las estrellas son tan alta que comienza a operar unpodría brillar durante 14 mil millones auténticos reactores nucleares de fusión. nuevo proceso, la fusión termonuclear.de años al ritmo actual, duración en De esta forma no sólo quedaba resuelta Y el proceso de contracción se detiene.órdenes de magnitud superior a la que la vieja paradoja de las edades, sino que Se alcanza un estado de equilibriopodía proporcionar la hipótesis del se ponían las bases de la teoría de la global y decimos que acaba de nacerorigen mecánico de esa energía. evolución estelar, que nos ha permitido una estrella (figura 1.2). Sobre esta más que prometedora comprender las razones por las que Apresurémonos a decir que las estrellasbase se desarrolló toda la teoría de la diferentes estrellas tienen unas u otras suelen nacer en pequeños grupos o muy 25
    • Figura 1.3. Nebulosa de Orión, número 42 del catálogo de Messier. Región de formación estelar, situada a unos 1.600 años luz. El gas y el polvo son calentados por el flujo luminosoFigura 1.2. La Nebulosa Trífida o M20, así de las estrellas recién formadas que contienellamada porque las estructuras de polvo la grandes regiones, llamadas por eso de la nebulosa. El gas emite en las líneas deldividen en tres lóbulos. Se halla situada en hidrógeno. Imagen tomada por el Dr. Birkle formación estelar, como puede verse en con la cámara Schmidt del CAHA. Cortesía della constelación de Sagitario, a unadistancia de 9.000 años luz. En esta imagen las figuras 1.3 y 1.4. CAHA.de una zona interior de la nebulosa, El inicio de las reaccionesobtenida por el Hubble Space Telescope, se termonucleares es, sin embargo, unaprecian las nubes de gas y polvo dentro proceso físico relativamente complejo, se repelen unas a otras por efecto de lade las cuales se forman las estrellas. Laemisión de la nebulosa se debe a una única que merece una breve explicación. interacción de Coulomb. Por otraestrella masiva y joven situada en el centro Veamos pues cómo ocurre. A medida parte, su estabilidad está garantizadade la imagen. Se calcula que la edad de que la temperatura de la nube aumenta, por la llamada interacción fuerte, quedicha estrella es de tan sólo 300.000 años. los átomos que contiene van perdiendo opera entre protones y neutrones para sus electrones y se quedan los núcleos, mantenerlos unidos. A medida que la formados, como es bien sabido, por temperatura va aumentando, estas protones y neutrones, desnudos. La partículas estables que se repelen materia llega a estar totalmente mutuamente adquieren cada vez ionizada, de modo que esos núcleos son mayores velocidades de agitación partículas cargadas eléctricamente, que (recordemos que la temperatura es,26
    • precisamente, una medida de esasvelocidades), de modo que vanaumentando las probabilidades de que,a pesar de esa repulsión, se produzcan,de vez en cuando, violentas colisionesentre ellas. No obstante, bajocondiciones normales de temperatura ydensidad la violencia de la colisión noes suficiente para vencer la repulsióneléctrica y no llegan a fusionarse. Perollega un momento en que, si latemperatura aumenta suficientemente,el número de partículas que tiene unaenergía suficiente para vencer larepulsión electrostática (llamada barrerade Coulomb) crece de manera notable yse inicia finalmente el proceso de fusióntermonuclear, con la producción Figura 1.4. Región de formación estelar, denominada NGC 602 o N90, situada en la Nube Pequeña de Magallanes, galaxia satélite de nuestra Vía Láctea, situada a unos 200.000 años luz. La imagen,consiguiente de energía. La barrera de tomada por el Hubble Space Telescope, muestra un pequeño enjambre de estrellas azules, reciénCoulomb será tanto más grande cuanto formadas, cuyo flujo luminoso y material está barriendo el material dentro del cual se formaron,mayor sea la carga eléctrica de los y creando una especie de cavidad. Esta región de formación estelar está muy alejada de las partesnúcleos que se fusionan, lo que significa centrales de la nube, por lo que son casi transparentes, permitiendo ver a su vez galaxias lejanas proyectadas en el mismo plano de la imagen.que, para cada tipo de núcleo, habráuna temperatura determinada para quela fusión pueda comenzar. A partir deeste simple esquema podemos trazar agrandes rasgos el proceso por el quenace una estrella, va generando energía 27
    • y fusionando los diferentes núcleos que incorporar dos neutrones para poder diversas posibilidades, aunque todascontiene o ha creado, hasta que o bien llevarlo a buen término. Si lo que más ellas tienen como resultado neto laexplota por no poder mantener el abundan son los protones, esos formación de un núcleo de helio porequilibrio, o se convierte en una estrella neutrones tendrán que provenir de la fusión de cuatro protones (que al finalmoribunda, mientras agota todos los transformación de otros dos protones. resultan en dos protones y doscombustibles que hacían posible esa De modo que el proceso completo neutrones). Los productos inicialeshoguera termonuclear. tendrá que contener pasos intermedios tienen más masa que los finales y esa Dado que el hidrógeno es no sólo el más o menos complicados. En las diferencia de masa es la que seelemento de menor carga eléctrica, sino estrellas existen dos mecanismos transforma en energía (recordemos, E =también el más abundante en la diferentes para llevar a cabo la fusión, mc2) y aparece, tras un largo proceso anaturaleza, no es de extrañar que sea el conocidos como cadena PP (protón- través de la estrella, como luminosidad.primer y más importante combustible protón) y ciclo CNO (carbono- Esa transformación de masa en energíatermonuclear. La primera reacción nitrógeno-oxígeno). En el primer caso es, finalmente, la responsable de quetermonuclear que se produce, y que la reacción dominante es la fusión brillen las estrellas.marca el nacimiento de la estrella, es la directa de dos protones para dar En el caso del ciclo CNO, estosfusión de dos núcleos de H para dar deuterio (que está formado por un elementos (carbono, nitrógeno yuno de helio. Dada la abundancia del protón y un neutrón), lo que significa oxígeno) actúan como catalizadoreshidrógeno, éste no es sólo el mecanismo que durante el proceso de fusión uno para la transformación de un protón eninicial de funcionamiento de las de los protones se convierte en un un neutrón y la posterior formación deestrellas, sino que es también el que neutrón (con la emisión de un positrón helio. Desde el punto de vista delopera durante la mayor parte de su y un neutrino). Éste es el paso más rendimiento energético, este mecanismovida. Recordando lo que comentamos crítico para el proceso global, y es más eficaz que el primero, si bien,al hablar del diagrama HR, esta fase condiciona la eficiencia global del debido a la intervención de núcleos deevolutiva de combustión del H se mismo, puesto que es una reacción carga eléctrica elevada, sólo puedecorresponde con la estancia de esas nuclear muy lenta, con un tiempo operar a temperaturas relativamenteestrellas en la Secuencia Principal que, característico de 14 mil millones de altas. De modo que sólo las estrellaspor esa misma razón, es la zona más años. Gracias a la gran abundancia de que tienen una masa superior a una vezpoblada del diagrama HR. protones, este proceso, aun a pesar y media la del Sol son capaces de Este proceso que acabamos de de su lentitud, puede dar lugar a un extraer energía a través del ciclo CNO.describir brevemente no es, sin número suficiente de núcleos de En cualquier caso, la temperatura a laembargo, trivial. Si recordamos que el deuterio para que el proceso no se cual se produce la fusión del hidrógenohidrógeno consta de un único protón, detenga. El paso siguiente, en el que el es del orden de las decenas de millonesmientras que el helio consta de dos deuterio se fusiona con otro protón de grados.protones y dos neutrones, hace falta para producir helio-3, es, sin embargo, Como hemos dicho, la etapa másalgo más que fusionar dos núcleos de H muy rápido, con un tiempo larga de la vida de una estrellapara producir uno de He. En el característico de tan sólo unos seis corresponde a aquella en la que elproceso, de alguna forma, habrá que segundos. A partir de aquí se abren hidrógeno es el combustible nuclear.28
    • Pero este combustible, aunque es el más de la fusión directa de dos núcleos de Este proceso sigue operandoabundante de todos ellos, llega a helio, se desintegra otra vez en los dos mientras haya helio suficiente paraagotarse al convertirse en helio. En ese núcleos iniciales. Sin embargo, el alimentarlo. Cuando finalmente semomento las reacciones de fusión se proceso no es totalmente simétrico, agota, la estrella volverá a comportarsedetienen y la estrella ya no es capaz de pues, dada la elevada temperatura a la como se espera: comienza de nuevo amantener el equilibrio, al no poder que se produce la fusión del helio, la contraerse hasta, siempre que su masacontrarrestar su propia gravedad. Como reacción de destrucción del berilio es sea suficientemente grande, alcanzar laresultado, la estrella se contrae, lo que, ligeramente más lenta que la de su temperatura central necesaria para quecomo hemos comentado, conlleva un formación. Esta pequeña diferencia es se produzca la fusión del carbono, loaumento de temperatura para hacer suficiente para que algunos núcleos de que ocurre cuando se alcanzan los 600frente a las pérdidas de energía que se berilio-8 tengan tiempo y oportunidad millones de grados. La fusión de esteproducen a través de su superficie. Si la de capturar un nuevo núcleo de helio elemento produce neón-20, sodio-23estrella es suficientemente masiva, el y dar lugar así a un átomo de carbono- y magnesio-24, así como protones yproceso continúa y pasa por diferentes 12. Pero las dificultades no han partículas alfa (núcleos de helio), queetapas. La primera se produce cuando la terminado todavía, pues el carbono son rápidamente capturados por algunotemperatura central alcanza los cien producido de esta forma se halla en un de los isótopos presentes, bien reciénmillones de grados. En estas estado excitado que, normalmente, se formados o heredados del mediocondiciones, el helio puede comenzar a rompe a su vez para volver a dar de interestelar, para construir una mezclaser usado como combustible y se nuevo un núcleo de helio y otro de de elementos químicos que, cuando elproduce una nueva situación de berilio. Hay, sin embargo, una carbono se agota, está dominada porequilibrio, el de la fusión del helio, alternativa a este proceso de fisión que oxígeno-16, neón-20 y magnesio-24.estabilizándose de nuevo, por un algunos átomos excitados de carbono- A medida que se van agotando lostiempo, las propiedades estelares. Es 12 consiguen transitar, emitiendo dos diferentes combustibles, la estrella se vadecir, gracias a la contracción, la estrella fotones y convirtiéndose en carbono contrayendo por etapas, alcanzandoes capaz de reciclar sus propias cenizas y estable. Aunque el camino es angosto, precarios equilibrios en los que se vancontinuar brillando. Pero la estrella ya el proceso ha encontrado una situación consumiendo diferentes núcleos. Así,ha salido de la Secuencia Principal y de estabilidad que le permite seguir cuando se alcanzan los 1.200 millonescomienza así una nueva fase en su avanzando, superar la zona de de grados, entra en juego el neón-20evolución. inestabilidad de los núcleos con 5 y 8 que, tras un complejo proceso, da lugar El proceso de fusión del helio nucleones y producir, finalmente, la a una mezcla de oxígeno-16, magnesio-tampoco es trivial. Cuando se analiza la conversión gradual del helio en 24 y otros isótopos. La etapa siguienteestabilidad de los núcleos atómicos, se carbono. El carbono-12 puede ahora es la fusión del oxígeno, para lo cual seve que aquellos que poseen cinco u capturar otro núcleo de helio y necesitan temperaturas en el entorno deocho nucleones (protones o neutrones), convertirse en oxígeno-16, de modo los 1.500 millones de grados, para darque son los que pueden resultar de la que, en términos globales, el resultado silicio-28, fósforo-31 y azufre-32. Alfusión H-He o de la fusión He-He, son de la fusión del helio es una mezcla de final de este proceso se obtiene unainestables. Así, el berilio-8, que resulta carbono y oxígeno. mezcla de silicio e isótopos de su 29
    • entorno, generados por la participación catastrófica si las condiciones del que, en cada una de ellas, por elde todas las impurezas presentes en la entorno son adecuadas. Veamos, pues, principio de exclusión, sólo caben doscaptura de los protones y partículas alfa, cómo es este proceso. Pero antes, es electrones, uno con espín positivo yque se liberan durante la fusión del necesaria una breve digresión física que otro con espín negativo.oxígeno. El proceso progresa nos permitirá, gracias a la mecánica Durante el proceso de contracciónrápidamente hacia su final, que se cuántica, comprender los detalles de la estelar, el volumen físico que puedenalcanza con la fusión del silicio que evolución estelar. ocupar los electrones se restringe y, confinalmente se convierte en hierro-56 Los electrones, como fermiones que él, el número de celdillas para caday otros núcleos de la zona del hierro- son, satisfacen el principio de exclusión nivel de energía. De ellas, las de menorníquel. Estos núcleos, las llamadas de Pauli, según el cual no puede haber energía se ocupan en primer lugarcenizas termonucleares, son los más dos ellos que ocupen exactamente el (puesto que corresponden a estadosfuertemente ligados de todos y ya no se mismo estado físico. Éste, para energéticos más probables) y, por lopuede extraer energía de ellos por electrones libres, viene definido tanto, puesto que en cada celda sólofusión termonuclear. El proceso, si ha por la posición en el espacio (tres caben dos, cada vez más electrones sesido capaz de llegar hasta aquí, habría coordenadas), el momento lineal ven forzados a ir ocupando celdas determinado y la estrella habría llegado a (tres valores, según los tres ejes de momento lineal más elevado. Elsu fin. coordenadas) y el espín (dos valores, aumento de velocidad va acompañado Como hemos venido indicando, la +1/2 y -1/2). Cuando se consideran de un aumento de presión del gas, queevolución de una estrella, el número de conjuntamente la posición y el está ligada al número de choques poretapas termonucleares por las que pasa momento, la situación puede unidad de tiempo y superficie y a lay su final vienen determinados describirse como si los electrones se cantidad de momento que transfierenbásicamente por su masa. Sólo las localizasen en un espacio de seis en cada uno de ellos. En definitiva, porestrellas más masivas, como vamos a dimensiones, llamado espacio de fases, el solo hecho de restringir el volumen,relatar inmediatamente, acaban en el que cada punto está definido por e independientemente de cuál sea laconsumiendo todo el combustible las tres coordenadas de posición y las temperatura, los electrones son capacestermonuclear, mientras que las que tres componentes del momento. Dado de ejercer una presión que crece con latienen menos masa (recordemos que que, según establece el principio de densidad. El hecho de que lahay más estrellas cuanto menos masivas incertidumbre de Heisenberg, no se temperatura no tenga nada que ver conson) detienen en alguna fase intermedia puede determinar simultáneamente la el proceso que estamos describiendolos procesos termonucleares. Y, al final, posición y el momento de una partícula implica que, a medida que la estrella seaunque si se supera cierto límite, la con una precisión arbitraria, en lugar de va contrayendo, la presión originada enmuerte de una estrella es puntos en el espacio de fases, la competencia por la ocupación de lasnecesariamente violenta y espectacular, deberemos considerar pequeñas celdillas celdillas por los electrones pueda llegarla mayoría de las estrellas desaparece que permitan dar cuenta de esa a dominar sobre la agitación térmica.gradualmente de escena, tras un largo imprecisión. Esto significa que en un Cuando eso ocurre, se dice que laproceso de decaimiento que, a veces, volumen dado del espacio de fases sólo estrella se encuentra en estado depuede también acabar de manera cabe un número finito de estas celdas y degeneración electrónica. Puesto que,30
    • como venimos diciendo, ese aumento más o menos fases, ya que el proceso Hay, pues, otro aspecto clave ade presión es independiente de la termonuclear quedará interrumpido al considerar en el proceso de evolucióntemperatura, se deduce que a cualquier alcanzar la degeneración electrónica. La de las estrellas, el de la estabilidad de lastemperatura (incluso cero absoluto) teoría nos enseña que las estrellas que sucesivas configuraciones.pueden existir estructuras de equilibrio, tienen una masa inferior a 0,08 masas Cada una de esas etapasal contrarrestar la presión debida a la solares nunca llegan a iniciar la corresponde a una fase de la vida dedegeneración de efecto de la gravedad. combustión del hidrógeno, por lo que una estrella, con propiedadesDe modo que la degeneración nunca se convierten en verdaderas características que la Astrofísica ha idoelectrónica puede detener el proceso de estrellas ni alcanzan, por tanto, la describiendo y explicando. Las estrellascolapso y calentamiento de una estrella, Secuencia Principal. A las más masivas que sólo son capaces de utilizar elsin necesidad de que tengan lugar de éstas se las conoce como enanas hidrógeno como combustiblenuevos procesos termonucleares. marrones y, aunque se les llama estrellas, termonuclear son completamente Volvamos ya al curso de la no lo son en sentido estricto. Si la masa convectivas, lo que significa que losevolución estelar. Vimos que las fases inicial está comprendida entre 0,08 y elementos que contienen en su interiorde combustión termonuclear se 0,3 masas solares, se produce la están bien mezclados y el helio que seproducen a temperaturas bien definidas, combustión del hidrógeno y las estrellas va formando no se acumula en elque corresponden a la situación en que se sitúan en la Secuencia Principal, pero centro, sino que se distribuye por todalos núcleos que van a servir de nunca serán capaces de iniciar la fusión la estrella. Su evolución es muy lenta,combustible pueden comenzar a vencer del helio. Sucesivamente, si la masa está y ninguna de ellas, ni siquiera las de lala barrera de Coulomb. Puesto que la entre 0,3 y alrededor de 8 masas primera generación, ha tenido tiempofuente primaria de energía es la solares, podrán usar el hidrógeno de culminar la fase de evolucióngravitatoria, es fácil admitir que para primero y después el helio como termonuclear. Son las más frías y menosalcanzar una temperatura determinada, combustibles, pero nunca llegarán a luminosas de las estrellas que quemanlas estrellas de menor masa deben tener quemar el carbono, mientras que hidrógeno y ocupan el extremo inferioruna densidad más elevada que las de aquéllas, cuya masa es superior a esta de la Secuencia Principal. Cuandomayor masa. Mayores densidades cifra pero que no supera las 10-12 agoten el hidrógeno, se convertirán enimplican, por otro lado, que se va a masas solares, nunca llegarán a quemar enanas blancas de helio, que, enllegar antes a la fase degenerada. De el neón. principio, se limitarán a enfriarsemodo que las estrellas de masa pequeña Hasta aquí hemos ido trazando la lentamente.pueden llegar a la fase degenerada antes vida termonuclear de las estrellas. Hay La siguiente categoría, las estrellasde alcanzar la temperatura de ignición de que tener en cuenta, sin embargo, que cuya masa no supera las 8 masas solares,una determinada fase termonuclear. En el inicio de cada fase significa un queman hidrógeno en el centro víaotras palabras, el recorrido reajuste de la estrella (recordemos que cadena PP, si la masa es inferior a 1,5termonuclear de una estrella está al acabarse un combustible, la estrella se masas solares, o vía ciclo CNO si lagobernado básicamente por su masa y, contrae y se calienta, hasta que pueda masa es superior. En ambos casos, elen función de ésta, podrá tener más o comenzar la ignición del siguiente), helio ya no se mezcla como en el casomenos combustibles diferentes, que, a veces, puede resultar imposible. anterior y se va acumulando en la 31
    • región central de tal modo que, cuando cuando el helio se agota en el centro, el blanca de oxígeno y neón. La diferenciase agota el hidrógeno en esa zona, ésta núcleo de carbono-oxígeno se contrae y entre ambos casos es que estas enanasse contrae para poder permanecer en se enciende el helio circundante en una son más masivas que las de carbono-equilibrio. Esto tiene como capa alrededor de este núcleo. La oxígeno.consecuencia una combustión muy principal diferencia con el caso anterior ¿Cuál es el límite físico a estevigorosa del hidrógeno en una delgada es que ahora también se enciende el proceso? Aunque la comprensión de loscapa alrededor del núcleo central de hidrógeno en otra capa. Esta detalles requiere complejos argumentos,helio. Este aporte de energía provoca combustión en doble capa hace que la podemos hacernos una idea de manerasimultáneamente un aumento de la luminosidad aumente mucho y que se relativamente simple. Puesto que laluminosidad y una expansión de las expanda la envoltura, de manera que la presión de los electrones en la situacióncapas más externas que se enfrían, estrella se convierte en un miembro de de degeneración depende de laconvirtiendo a la estrella en una gigante la llamada rama asintótica y pasa a densidad, cuanto mayor es la masa deroja. Dentro del diagrama HR estas ocupar la cima de la región de las la estrella, menor tiene que ser su radioestrellas emigran desde la Secuencia gigantes rojas. Debido a la diferencia de para mantener el equilibrio. ParaPrincipal hasta la base de la zona velocidad de las reacciones de fusión del sostener esa estructura, es necesario queocupada por esas gigantes. hidrógeno y del helio, la combustión en los electrones tengan cada vez mayores Mientras esto sucede, el núcleo doble capa es inestable y se producen momentos lineales, es decir, se muevanestelar de helio crece paulatinamente y pulsos térmicos que provocan la a mayores velocidades. Si no existiesese calienta hasta alcanzar el punto de expulsión de la envoltura, dando lugar a un límite absoluto a la velocidad deignición y empezar a producir carbono una nebulosa planetaria, dejando una partícula y se pudiese superar lay oxígeno. En el caso de estrellas de expuesto el núcleo central (figura 1.5). velocidad de la luz, se podría soportarmasa inferior a 1,5 masas solares, esta El objeto central, compuesto cualquier estructura, pues bastaría queignición es violenta, ya que se realiza en básicamente de carbono y oxígeno, es los electrones se movieran a velocidadescondiciones parcialmente degeneradas, incapaz de liberar energía nuclear y lo arbitrariamente grandes. Pero eso espero sólo provoca un simple reajuste de único que hace es enfriarse como una imposible, lo que significa que hay unla estrella. El aporte de energía desde el enana blanca. Dentro del diagrama HR, límite a la masa de esascentro hace que las capas exteriores del la estrella pasa bruscamente desde la configuraciones. Esa masa, que senúcleo de helio se dilaten y que la capa cima de las gigantes rojas a la zona más conoce como masa límite dede combustión del hidrógeno se azul de las enanas blancas. Chandrasekahar, es tal que, paraapague, con lo cual disminuye la Si la masa supera las 8 masas sostenerla, todos los electrones deberíanluminosidad y se contrae la envoltura. solares, la combustión del helio en capa moverse a la velocidad de la luz. SuDentro del diagrama HR la estrella es tan violenta que provoca la ignición valor es de 1,4 masas solaresabandona la región de las gigantes y del carbono en la parte más externa del aproximadamente y cuando unaentra en la zona de la rama horizontal, núcleo, desde donde se propaga hasta el estructura degenerada se acerca a ella,que es la zona de las gigantes centro. Al igual que antes, la envoltura experimenta una catástrofe.amarillentas. Una vez en la rama se hace inestable y se acaba expulsando, Ésa es a muy grandes rasgos lahorizontal, el proceso se repite y quedando como residuo una enana Física de la Evolución Estelar, uno de32
    • Figura 1.5. Imagen de NGC 2440 que muestra el último aliento de una estrella similar al Sol. La estrella entra en la fase final de su vida, expulsando sus capas externas y dejando al descubierto el núcleo. Al quedar desnudo, el núcleo, que acaba de convertirse en una enana blanca, radia en el ultravioleta y hacebrillar el material expulsado. En la imagen tomada por el Hubble Space Telescope, el punto brillante en la región central (ligeramente descentrado) es la enana blanca.los capítulos mejor configurados y másespectaculares de la Astrofísica, que nospermite comprender desde cómo seforman las estrellas hasta que, agotadassus posibilidades de equilibrio, entranen la fase final de sus vidas. Disciplinaque nos permite entender cómo es lavida de las estrellas, deducir cuáles sonsus edades y determinar suluminosidad y el origen de las mismas.Que nos permite, en suma, conocer elorigen y cuantía de una fracción muyimportante de la energía radiante queobservamos en el Universo y, gracias asu soporte teórico, caracterizar una 1.4. Últimas etapas Éstas son las que van a acabar departe de la materia luminosa del de la evolución estelar manera más espectacular, explotandoUniverso, hasta no hace muchas como supernovas y dando lugar adécadas identificada con toda la Las fases evolutivas por las que pasa una residuos ligados que serán estrellas demateria del Universo. Hoy sabemos, estrella dependen, ya lo hemos dicho, de neutrones o incluso agujeros negroscomo luego diremos, que sólo es una la masa de la misma. Dependiendo de ese según las condiciones. Todo ese procesode las componentes materiales del proceso, las fases últimas de cada estrella es, por las condiciones extremas en queUniverso y ni siquiera la dominante. serán también diferentes según sean sus se produce, muy complejo y aquíPero eso no resta un ápice a su masas. Empecemos por las más masivas. vamos a intentar resaltar tan sólo losimportancia física y crucial para las Vimos que sólo las estrellas con más aspectos más salientes.observaciones que, hasta la fecha y salvo de 10-12 masas solares son capaces de El final del proceso termonuclear esen contadísimas ocasiones, se realizan pasar por todas las etapas de la la acumulación de núcleos de hierro ensiempre en base al estudio del espectro combustión termonuclear antes de la parte central de la estrella. Agotado elelectromagnético. llegar a la degeneración electrónica. proceso termonuclear, la estructura se 33
    • mantiene esencialmente por la presión A medida que la combustión interior del núcleo de hierro y debede los electrones degenerados. La termonuclear avanza, la masa del núcleo invertir su energía en laestructura global de la estrella es crece y se va acercando a la masa de fotodesintegración de los núcleosentonces similar a la de una cebolla en Chandrasekahar, lo que provoca un atómicos de hierro.la que cada capa está rodeada por otra aumento paulatino de la densidad hasta Mientras ocurren estos fenómenos,que se halla en una fase de la alcanzar un valor para el que los en el interior de la estrella se crea unacombustión termonuclear menos núcleos de hierro pueden capturar gran cantidad de neutrinos a expensasavanzada. Así, la región central, de electrones. Este proceso de captura de la energía gravitatoria (unos 1053hierro, está rodeada por la capa de tiene dos consecuencias: por un lado, ergios), que se ha liberado durante elcombustión del silicio, la del silicio por reduce la presión; y por el otro, proceso de colapso. En las regionesla del oxígeno, la del oxígeno por la del disminuye el valor de la masa crítica. cuya densidad supera los 2x1011neón, la del neón por la del carbono, Además, si la estrella es suficientemente g/cm3, los neutrinos quedan atrapadosla del carbono por la del helio y la del masiva, se alcanza la temperatura de y no pueden escapar libremente, por lohelio por la del hidrógeno. Rodeando al fotodesintegración del hierro en que permanece en situación de casiconjunto se halla el resto del material partículas alfa y neutrones, con la equilibrio con la materia. La pausade la estrella que es inerte, pues la consiguiente absorción de energía. El introducida por el estancamiento de latemperatura no es lo suficientemente resultado final es que el núcleo estelar onda de choque da tiempo a que loselevada como para provocar ninguna pierde presión y colapsa hacia una neutrinos atrapados puedancombustión termonuclear. Dado el estrella de neutrones. transportar hacia el exterior, medianteritmo diferente de las distintas Cuando se produce el colapso, se difusión y convección, la enormecombustiones termonucleares, la forman dos regiones. Una más interna, cantidad de energía que poseen yduración de cada etapa de la en la que la velocidad de caída es formar una burbuja muy caliente quecombustión termonuclear es muy proporcional a la distancia y siempre es provoca la explosión de las capas másdistinta. Por ejemplo, en el caso de una inferior a la velocidad del sonido, y otra externas.estrella de 25 masas solares, la más externa, que se mueve Todo este proceso tiene unacombustión del hidrógeno dura unos supersónicamente. Cuando la materia duración de tan sólo un segundo, por lo7 millones de años, la del helio unos situada en la zona interna alcanza la que las capas exteriores no tienen500 mil años, la del carbono unos densidad de la materia nuclear, se hace tiempo de reaccionar hasta el momento600 años, la del neón 1 año, la del muy “dura”, de manera que cuando la en que les llega la onda de choqueoxígeno unos 6 meses y la del silicio más externa cae sobre ella, rebota y provocada por el colapso. Esta onda detan sólo 1 día. En el diagrama HR las provoca la formación de una onda de choque provoca un calentamientoestrellas muy masivas se sitúan choque en la interfase sónica que separa súbito del material y su rápidainicialmente en la región de las gigantes ambas regiones. Esta onda de choque, expansión, por lo que las capas deazules de la Secuencia Principal para que por sí sola tendría energía suficiente combustión termonuclear seevolucionar después hacia la zona de las (unos 1051 ergios) para provocar la sobreactivan, generan nuevos isótopos ysupergigantes rojas, pero manteniendo explosión de la estrella, se estanca como se apagan. El resultado es que todos losuna luminosidad muy parecida. consecuencia de estar situada en el residuos generados durante el proceso34
    • de extracción de energía, excepto existen grandes diferencias entre losaquellos que se incorporan a la estrella distintos individuos.de neutrones, son expulsados al medio ¿Y qué les ocurre a los residuosinterestelar, enriqueciéndolo con ligados? Las estrellas de neutrones nonuevos elementos químicos. pueden tener una masa arbitraria, sino La explosión de las capas más que, al igual que ocurre con las enanasinternas actúa como un pistón sobre blancas, existe una masa crítica más allálas capas más externas, de forma que, de la cual no pueden oponerse a lapor un lado, expulsan los fotones que acción de la gravedad. Esta masa recibeestaban atrapados en la envoltura de la el nombre de Oppenheimer-Volkoff yestrella y, por el otro, le inyectan se halla situada entre 2 y 4 masaselementos radioactivos, especialmente solares. Su valor exacto se desconoceníquel-56, que, al desintegrarse, hace todavía, ya que depende de lasbrillar los residuos en expansión. Se propiedades de la materia nuclear, quedice en este caso que se ha producido no están todavía bien caracterizadas. Si Figura 1.6. Imagen obtenida por el Hubbleuna erupción de supernova. En la durante el proceso de formación de una Space Telescope de la región de la Gran Nube de Magallanes, donde se halla lafigura 1.6 mostramos la imagen del estrella de neutrones ésta no consigue Supernova SN1987A, diez años después deresultado de una reciente (en 1987) expulsar toda la masa que le rodea, la explosión. El remanente de la explosiónexplosión de supernova en la Gran puede ocurrir que una fracción se ve en el centro de la imagen en formaNube de Magallanes. La extraordinaria importante vuelva a caer sobre ella y de anillos. La velocidad del material que explotó es tan grande y es tal la energíaenergía del fenómeno se traduce sobrepase de esta forma la masa crítica. que tiene que será capaz de ir barriendo elen el camino ya recorrido por el En este caso no existe forma conocida material que le circunda y seguirámaterial expulsado en el medio de parar el colapso gravitatorio y la expandiéndose por miles de años. Por otrointerestelar. Proceso que siga durante estrella se convierte en un agujero negro. lado, unas tres horas antes de que la luz alcanzase la Tierra, se detectaron en tresmuchos miles de años, hasta que ese Un agujero negro es un objeto cuya observatorios de neutrinos (Kamiokande II,material se va convirtiendo en tenues gravedad es tan elevada que, en lenguaje IMB y Baksan) la llegada de un flujoresiduos, que van tejiendo esa especie mecánico, ni siquiera la luz puede anómalo de estas partículas que duró unosde encajes como el que puede verse en escapar de él, de ahí el nombre. Aunque 13 segundos. La interpretación más aceptada es que provenían del núcleo de lala figura 1.7. la posibilidad de tales sistemas fue supernova. Tanto la luminosidad como su presentada en el siglo XVIII porevolución temporal, la forma de la Laplace, hace falta todo el aparatollamada curva de luz, dependen de la conceptual y matemático de laestructura de la envoltura de la estrella Relatividad General para tener plenajusto antes de la explosión, que a su vez conciencia de su significado. En brevesdepende de la masa total, de la palabras, un agujero negro es unextensión de la envoltura y de su sistema de tales propiedades que ningúncomposición química, por lo que tipo de información que se genere 35
    • Figura 1.7. Imagen del remanente de supernova catalogado como S147 en la región de Taurus/Auriga. Se estima que la supernova explotó hace 30.000 años. Los gases se están expandiendo a una velocidad de unos 1.000 km/s. Se encuentra a una distancia de unos 3.900 años luz. Las fuentes eruptivas gamma o GRB (acrónimo de la denominación en inglés, Gamma Ray Bursts) fueron descubiertas en el año 1967 por los satélites VELA que los Estados Unidos habían puesto en órbita para verificar el cumplimiento, por parte de la Unión Soviética, del tratado de prohibición de pruebas nucleares en la atmósfera. Son erupciones de rayos gamma que duran entre unos milisegundos y un millar de segundos. El origen de estas erupciones todavía es un enigma, pero se han dado ya grandes pasos hacia su solución. La constatación (gracias a los datos del satélite Compton) de que esas fuentes están distribuidas isotrópicamente indica que deben estar situadas a distancias cosmológicas y, por tanto, la energía que emiten es extraordinaria,dentro del volumen definido por la rodean. En la actualidad, se conocen del orden de unos 1051 ergios,superficie (matemática), conocida diversas fuentes galácticas de rayos X que canalizados, eso sí, dentro de uncomo horizonte de sucesos, podrá se consideran formadas por un agujero pequeño ángulo sólido, como si de unescapar y alcanzar un observador negro y una estrella normal, en las que la faro se tratara. La variabilidad temporalexterior. De modo que un agujero materia arrancada a la estrella cae hacia el indica que la fuente de energía debe sernegro sólo se puede detectar a través agujero, se calienta y emite grandes muy compacta, de medidas estelares,de los efectos que su gravedad cantidades de energía en forma de rayos por lo que su origen debe estarproduce sobre los objetos que le X (un ejemplo típico es Cygnus X-1). relacionado con una estrella de36
    • neutrones o con un agujero negro. compañera próxima, pueden capturar límite de Chandrasekahar, por lo queEstas fuentes eruptivas se dividen en materia, aumentar su masa y su espectro y su luminosidad no varíandos grupos, las de larga duración, más aproximarse a la masa de apreciablemente ni de un individuo ade 10 segundos, y las de corta duración. Chandrasekahar. Durante este proceso otro, ni con el paso del tiempo,En el año 2003 se consiguió asociar por de crecimiento, la estrella se comprime suponiendo que las leyes de la Físicaprimera vez una erupción de larga y se calienta suavemente, de tal manera son inamovibles. Esta unicidad, queduración con una explosión de que alcanza el punto de ignición debe demostrarse sin atisbos de duda,supernova asociada a un colapso estelar. termonuclear bajo condiciones convierte a dichas explosiones, tambiénEn la actualidad, se cree que los GRB degeneradas. Una vez se ha encendido conocidas como supernovas de tipo Ia,de larga duración representan la el combustible, la llama se propaga SNIa, en un patrón ideal para medirprimera manifestación del nacimiento rápidamente por toda la estrella y distancias, pues basta comparar el brillode un agujero negro durante el colapso provoca su explosión. Se sabe que la aparente con el brillo intrínseco parade una estrella que esté en rápida velocidad de propagación del frente de deducirlas. El brillo extremo hace querotación. Hasta la fecha no se ha combustión es subsónica, es decir, que estos fenómenos sean visibles hastapodido establecer ningún modelo no es una detonación, sino que se trata grandes distancias, por lo que se hansatisfactorio que explique el origen de de una deflagración, lo que complica convertido en una de las herramientaslos GRB de periodo corto, pero se extraordinariamente el problema de fundamentales de la Cosmología.supone que son el resultado de la entender cómo se propaga la llama, La materia degenerada tambiéncolisión de dos estrellas de neutrones pues ésta, al moverse con una velocidad puede provocar otros fenómenoso de una estrella de neutrones con un inferior a la del sonido, se ve afectada interesantes como son las erupciones deagujero negro. por todo tipo de perturbaciones e nova, durante las cuales el hidrógeno se ¿Y qué les ocurre a las estrellas de inestabilidades procedentes de la zona quema de forma explosiva. Éste es unmenor masa? Tal como se ha visto quemada. Una complicación adicional buen combustible pero un malanteriormente, éstas no pueden acabar proviene del hecho de que la llama explosivo, debido a que en el procesosu ciclo de combustión termonuclear y puede prender inicialmente en varios de fusión para generar helio debedejan, al final de sus vidas, un residuo puntos a la vez, por lo que su geometría convertir dos protones en dosdegenerado que contiene una gran es complicada y sólo el análisis neutrones, y este proceso, comocantidad de energía nuclear sin utilizar, completo y detallado del problema dijimos, es comparativamente lento,y que es potencialmente explosivo. Si permite tratar plenamente el proceso. por lo que las explosiones que provocaneste residuo está aislado, tal como Durante la explosión se genera una son de menor cuantía.ocurre con las enanas blancas, es inerte gran cantidad de elementos Cuando una estrella enana blancay lo único que hace es enfriarse. Pero si radioactivos, entre 0,6 y 1 masas solares obtiene hidrógeno de su compañera,forma parte de un sistema estelar doble, de níquel-56, que, al desintegrarse, éste se acumula sobre la superficie y sela compañera puede transferirle energía hacen brillar intensamente y durante comprime lentamente. Si el ritmo dey activarlo. El caso más emblemático es mucho tiempo a los residuos. Un punto caída es relativamente bajo, del ordenel de las estrellas enanas blancas de interesante es que el objeto que explota de una mil millonésima de masa solarcarbono-oxígeno que, si tienen una siempre es una enana blanca cerca del por año, el calor de compresión se 37
    • disipa y el hidrógeno se degenera. contenía hidrógeno, helio-4 y trazas de Cameron, que fueron quienes, en 1957,Cuando la masa acumulada alcanza un deuterio, helio-3 y litio-7. Al cabo de desentrañaron el enigma del origen devalor crítico, del orden de cien cierto tiempo se formaron las primeras los elementos químicos gracias a losmilésimas de masa solar, se encienden estrellas, que, tal como se ha descrito, avances que había experimentado lalas reacciones termonucleares y se excita sintetizaron los primeros elementos Física Nuclear durante las décadas deel ciclo CNO, sólo que en este caso el químicos en los procesos los cuarenta y cincuenta del siglo XX.proceso es tan rápido y la temperatura termonucleares que rigen su Uno de los pasos claves paratan elevada que se generan muchos funcionamiento. Si estas estrellas fuesen plantear adecuadamente el problemaelementos radioactivos de vida corta, siempre estables, esos elementos debía ser, sin duda, la determinaciónque son transportados por convección hubieran permanecido atrapados en su observacional de las abundancias de loshacia la superficie del material interior y ni el gas interestelar ni el gas diferentes elementos químicos en elacumulado, donde depositan su energía intergaláctico hubieran evolucionado Sistema Solar y en las estrellas (figuray provocan la explosión de la estrella. químicamente. En esas circunstancias, 1.8). La compilación más famosa es laEn este caso, la diferencia con las fuera de las estrellas todo sería de Suess y Urey de 1956. Lasupernovas es que la erupción sólo hidrógeno (mezclado con los elementos distribución de abundancias muestraafecta a las capas más externas y la producidos en el Big-Bang). Pero, que el hidrógeno y el helio son losestrella no desaparece con la catástrofe. como acabamos de discutir, algunas elementos más abundantes de la Así van muriendo las estrellas. El estrellas explotaron como supernovas y naturaleza, que el litio, berilio y boroproceso es complejo en sus últimos esparcieron sus residuos nucleares por son muy escasos, como correspondemomentos, pero el resultado es la toda la Galaxia, donde se mezclaron a núcleos con 5 u 8 nucleones, que,liberación de energía luminosa, a veces con la materia primordial y se como ya dijimos, son inestables.de forma catastrófica y espectacular, incorporaron a las generaciones También se constata que el carbono yy la expulsión de material nuclear siguientes de estrellas, que explotaron a el oxígeno son los siguientes elementosprocesado, que va enriqueciendo el su vez y añadieron su contribución al más abundantes y que los demásmedio interestelar en cantidad cada vez contenido químico de la Galaxia. La experimentan un decrecimiento en sumayor de átomos pesados a medida que riqueza y complejidad química de abundancia hasta llegar a la zona delse van sucediendo las generaciones de diferentes regiones del Universo tiene hierro, donde aparece un aumentoestrellas. ahí su origen. Si las supernovas no relativo. Este repunte se debe a que los hubieran existido, hoy en día tampoco isótopos situados en esta zona son los existirían planetas con substrato rocoso, más estables de la naturaleza, las1.5. La química de las ni agua, ni oxígeno, ni seres vivos. Pero llamadas cenizas nucleares. Más alláestrellas. La producción no fue así, afortunadamente. del hierro existen elementos másde elementos Esta idea de cómo se han generado pesados, cuyas abundancias decrecen los elementos químicos se debe paulatinamente excepto en las zonas deDe acuerdo con el modelo cosmológico esencialmente al trabajo de M. máxima estabilidad, proporcionadasestándar, unos minutos después de la Burbidge, G. Burbidge, W. A. Fowler y por la presencia de 50, 82 y 126Gran Explosión el Universo sólo F. Hoyle e, independientemente, al de neutrones.38
    • Figura 1.8. Abundancias de los elementos químicos en el Sistema Solar, en función del Abundancias relativas de los elementos químicos en el número atómico. La distribución refleja tanto Sistema Solar las propiedades de estabilidad de los diferentes núcleos, como los procesos de fusión y transmutación que explican su producción. A finales de los años cuarenta, poco litio, sigue siendo necesario invocar eldespués de haber lanzado la idea del Big-Bang para poder explicar suBig-Bang, Gamow, Alpher y Herman abundancia.habían propuesto que todos los Hemos hablado de la evoluciónelementos se habían creado durante la termonuclear de las estrellas que,Gran Explosión, a partir de una sopa de cuando hay masa suficiente, llega a Número atómiconeutrones que se desintegrarían al cabo producir núcleos de hierro y de losde pocos minutos para dar protones elementos de esa familia. Como se halibres, los cuales irían capturando dicho anteriormente, los isótopos neutrones, que son producidos enpaulatinamente los neutrones libres que situados alrededor del hierro son los abundancia durante algunas fases de laquedasen para construir el resto de los núcleos más estables de la naturaleza, evolución estelar y que carecen de cargaelementos químicos. Pronto se vio, sin y las estrellas no son capaces de superar eléctrica, son fácilmente absorbidos porembargo, que esta idea era inviable a esa barrera y producir elementos aún los núcleos. Después de la captura decausa de la barrera que representaba la más pesados. ¿Cómo se producen un neutrón, un elemento con Zinestabilidad de los núcleos con 5 y 8 entonces esos átomos más pesados que protones y N neutrones, denotado porneutrones, por lo que fue necesario el hierro? (Z, N), incrementa este último valor enbuscar su origen en las estrellas y en las Puesto que el hierro y demás una unidad y se convierte en elexplosiones de supernovas, cosa que elementos de su grupo son los más elemento (Z, N+1). Si el núcleoconsiguieron los autores mencionados estables, para poder utilizarlos para resultante es estable, puede incorporarmás arriba. De la teoría cosmológica producir nuevos elementos más otro neutrón y construir la seriequedó, no obstante, una reliquia: el pesados, será necesario aportar energía. isotópica (mismo valor de Z, diferentesorigen del deuterio, el helio y el litio. Los desarrollos teóricos que siguieron al valores de N) del elemento Z. LlegaráEl primer elemento es tan frágil que las descubrimiento del tecnecio en las un momento, sin embargo, en que elestrellas sólo lo destruyen y el segundo estrellas pusieron de manifiesto que un isótopo resultante será inestable frente aes tan abundante que las estrellas no mecanismo de captura de neutrones la desintegración, en la que un neutrónpueden generarlo en cantidad podría explicar los procesos de se convierte en un protón y emite unsuficiente, por lo que ambos se generación de elementos más allá del positrón y un antineutrino. Si laatribuyen al Big-Bang. En cuanto al hierro. La idea básica es que los abundancia de neutrones es baja, el 39
    • ritmo de captura será lento y el proceso Cuando la densidad ambiente de muy neutronizada hacia el mediode desintegración acabará dominando, neutrones es muy elevada, los núcleos interestelar. Es preciso señalar aquí quede modo que el núcleo inestable Z inestables son capaces de capturar varios para activar el proceso es necesario queacabará por tener un protón más y se neutrones antes de desintegrarse, por lo existan elementos semilla procedentesconvertirá en el siguiente elemento, que cuando cesa la irradiación por de otras fases de la combustión o deZ+1. El proceso se repite, con la neutrones, las transiciones dominan y otras generaciones de estrellas.captura sucesiva de neutrones, y se va los núcleos convierten paulatinamente En lo que se refiere a los elementosconstruyendo la serie isotópica del sus neutrones en protones hasta que el ligeros, Li, Be y B, actualmente seelemento Z+1, y así sucesivamente. A núcleo consigue estabilizarse en algún admite que son producidos por laeste procedimiento se le llama proceso s, lugar de la tabla periódica. Éste es el interacción de la radiación cósmica condel inglés slow, pues el ritmo de captura proceso r. el medio interestelar. En el caso delde los neutrones es más lento que el de Los elementos s se producen durante litio-7, el isótopo más abundante dedesintegración de los núcleos. Por este la combustión en doble capa que este elemento, éste no es, sin embargo,mecanismo, si partimos del hierro, se caracteriza a las estrellas de la rama suficiente y es preciso recurrir a unpodrán construir núcleos cada vez más asintótica, pues las inestabilidades aporte adicional de las gigantes rojas ypesados hasta llegar al plomo-210, que, hacen que el carbono-13 y el neón-22 las novas.cuando captura un neutrón, siempre reaccionen con partículas alfa y se libere El mundo de abundancias químicas,emite una partícula alfa, impidiendo así el exceso de neutrones, uno y dos que permite explicar la variedad deir más hacia allá en la construcción de respectivamente, que tienen. Por el cuerpos, desde la Tierra y todo lo quenuevos núcleos. Se había resuelto el contrario, los elementos r se producen contiene hasta las más exóticas estrellas,problema aunque tan sólo en parte. en ambiente explosivos, como son los queda así atrapado en esa teoría que¿Cómo se produce el resto de los colapsos estelares, durante los que se con tanto éxito ha dado cuenta hasta deelementos? expulsan grandes cantidades de materia los detalles de la evolución estelar.40
    • 2. El mundo de las galaxias De hecho la GALAXIA no es otra cosa mayoría inexplorable, como se aprecia que una congregación de innumerables en la figura 2.1. Ese mundo de estrellas estrellas diseminadas en grupos; que, en era el Universo para Galileo y sucualquier región a la que se dirija el telescopio, tiempo. Como dijimos en la una ingente multitud de estrellas se presenta a Introducción, hubo que esperar a lasla vista de repente, de las cuales algunas se ven primeras décadas del siglo XX para que suficientemente grandes y distintamente; pero fueran descubiertas las galaxias y se la multitud de las pequeñas es del todo ampliase súbitamente nuestro concepto inexplorable.1 científico del Universo, que tuvo que F. Brunetti, Galileo, Opere. I. Sidereus ensancharse casi hasta el infinito, para Nuncius abarcar este nuevo mundo de las galaxias. Ése fue, sin duda, el hitoGalileo había claramente discernido de observacional fundamental de laqué está compuesta la Vía Láctea: moderna Astrofísica. Los posterioresinnumerables grupos de estrellas que se análisis apenas modificaron laextienden casi indefinidamente, de las percepción de Galileo de que lasque las más débiles constituyen una galaxias son enormes amasijos de1. È infatti la GALASSIA nientaltro che una congerie di innumerevoli Stelle, disemínate a mucchi; ché inqualunque regione di esa si diriga il cannonchiale, subito una ingente folla di Stelle si presenta alla vista, dellequale parecchie si vedono abbastanza grandi e molto distinte; ma la moltetudine delle piccole è del tuttoinesplorabile. 41
    • Figura 2.1. Campo de estrellas en direcciónal centro galáctico, en la región deSagitario. Aunque se trata de una regióncon mucho contenido en polvo, queimpide ver a su través, esta imagen deltelescopio VLT de ESO ha sido tomada enuna pequeña zona libre de polvo, por loque se puede acceder a todo el mundo deestrellas que configura la región centralde nuestra Galaxia. Figura 2.2. Imagen tomada con el telescopio VLT de ESO de la galaxia Messier 83 (NGC 5236), situada en la región de Hidra. Situada a una distancia de unos 15 millones de años luz, tiene un tamaño sensiblemente menor al de nuestra Galaxia, alrededor de la mitad. Tiene un bulbo central pequeño y un sistema de brazos espirales muy bien definidos, con abundantes estrellas jóvenes y regiones de formación estelar, que se aprecian como pequeñas nebulosas o concentrados enjambres de estrellas. También se aprecian regiones de polvo en todo el disco, que forman una especie de retícula intrincada en algunas partes de la galaxia. estrellas, aunque sí enriquecieron la variadas proporciones, gas en diferentes descripción, revelando, como ya se fases físicas y partículas diminutas que había hecho para nuestra Vía Láctea, los astrónomos nombramos con el que las galaxias también contienen, en nombre genérico de polvo (figura 2.2).42
    • Para Hubble y sus seguidores, las estelar es prácticamente inapreciable, temperaturas, densidades y grados degalaxias eran los auténticos elementos usando observaciones de la línea a 21 ionización. Ésa es, de hecho, laconstitutivos del Universo, los ladrillos cm del hidrógeno atómico, definición operativa de galaxia quecon los que está construido el edificio confirmaron fuera de toda duda que los venimos usando.cosmológico. Conocer las galaxias era la datos no podían ser explicados con las Ese examen visual nos revelavía para conocer el Universo. Había que leyes de Newton si la masa era también, cuando el análisis seclasificarlas, caracterizar las diferentes solamente la luminosa. La llamada sistematiza, que la proporción de cadafamilias que pudieran existir y estudiar materia oscura aparecía también en el una de esas componentes, susu distribución en el cielo. Había mundo de las galaxias como ingrediente distribución en la galaxia y, ennacido la Astronomía Extragaláctica. mayoritario. definitiva, la forma global de la mismaPero ese nuevo mundo de las galaxias, A las componentes estelar, gaseosa varían según patrones bien marcados.como lo demostrarían los posteriores y de polvo que se habían ya detectado y En efecto, mucho de lo que se sabeanálisis, iba a deparar grandes sorpresas, que habían guiado las observaciones, se acerca de las galaxias comenzó ade las que la presencia mayoritaria de añade ahora la componente oscura que, cimentarse poco después de sumateria no-luminosa, como veremos al igual que en los casos de Neptuno o descubrimiento, con la cuidadosadespués, no fue la menor. Aunque fue de la compañera de Sirio, sólo se clasificación de su apariencia, tal yel estudio de los cúmulos de galaxias el manifiesta a través de su acción como quedaba registrada en las placasque por primera vez planteó el gravitatoria. Sólo que ahora lo que se fotográficas tomadas con los grandesproblema de la existencia de más estaba poniendo de manifiesto, como telescopios de la época. Basándose enmateria de la que brilla y se aprecia en luego iba a argumentarse, no era una esos estudios, Edwin Hubble propuso,las imágenes, pronto aparecieron las materia simplemente oculta, sino de en la segunda década del siglo XX, unprimeras indicaciones en las galaxias al naturaleza distinta a la habitual. esquema de clasificación que se usa aúnconstatar, ya en 1939, que las partes hoy día y que, por su forma, haexternas de la galaxia de Andrómeda recibido el nombre de diagrama engiraban mucho más deprisa de lo 2.1. Tipos de galaxias. diapasón de Hubble, representado en laesperado según las leyes de la dinámica. El diapasón de Hubble figura 2.3. En él se distinguen dosEsas indicaciones se fueron categorías básicas: galaxias elípticas (E),consolidando a medida que se iban Cuando se examinan las imágenes de con una distribución de luz suave, sinrefinando los análisis y se acumulaban galaxias relativamente próximas estructuras marcadas, y de formadatos sobre otras galaxias. El trabajo de tomadas con un telescopio, como puede redondeada o elipsoidal (ver figura 2.4),Rubin y colaboradores, en los años apreciarse en la figura 2.2, no es difícil y galaxias espirales (S), con forma desetenta del siglo XX, claramente advertir que, en términos generales, las disco aplanado, a menudo con unamostraba que el fenómeno de la galaxias están constituidas por millones estructura en forma de brazos espiralessuperrotación de las galaxias era de estrellas de masas y edades diversas, en él, de ahí su nombre (ver figura 2.2).universal. Las medidas de la rotación de por zonas dominadas por nubes de Las espirales se subdividen en doslas partes muy externas de las galaxias, polvo que absorbe la radiación y por grupos: barradas y normales, segúndonde la presencia de materia luminosa difusas nubes de gas a diferentes tengan o no una estructura en forma de 43
    • galaxia es barrada, se indica con B. Las galaxias lenticulares (L o S0), llamadas SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DE EDWIN HUBBLE a veces espirales sin brazos, fueron añadidas al esquema clasificatorio con posterioridad, para representar galaxias Sc de disco sin estructura espiral evidente. Sb Comparten propiedades intermedias Sa entre las espirales y las elípticas. Elípticas Finalmente, se añadieron las galaxias irregulares (I), de apariencia E0 E3 E5 E7 S0 desordenada y muy poco estructuradas Espirales (figura 2.6). La clasificación de Hubble, basada en la morfología de las distribuciones de luz observadas, ha sobrevivido hasta SBa nuestros días porque fue corroborada con medidas cuantitativas y, sobre todo, SBb SBc porque, como se ha ido poniendo de manifiesto, encierra información importante más allá de la mera descripción cualitativa. Pero su interpretación tiene también restricciones que hay que considerarFigura 2.3. Diagrama en diapasón de en cada caso.Hubble. Cada tipo morfológico estáilustrado por una galaxia del tipo Por un lado, las imágenes que sirvencorrespondiente. El número tras la E indica barra en la que terminan sus brazos para la clasificación son tomadas en unael grado de elipticidad de la imagen, de 0 espirales en la zona central (figura determinada banda espectral,(esféricas) a 7 (las más achatadas). La letra 2.5). Todas ellas se subdividen en habitualmente en la zona visible delminúscula tras la S indica el grado dedesarrollo de los brazos espirales, creciente subtipos, como se muestra en el espectro. Ahora bien, la apariencia dede a a c. La mayúscula B indica la presencia diagrama de la figura 2.3, que contiene una galaxia puede depender muyde una barra, que se aprecia como una los tipos de galaxias. Las galaxias E se fuertemente de la ventana espectralestructura lineal que cruza el núcleo de la clasifican según su elipticidad seleccionada para su observación. Lagalaxia. (indicado por el número que sigue razón es clara. Las galaxias son a la inicial E), mientras que las S se entidades complejas, que contienen clasifican por el grado de desarrollo de estrellas de diferentes tipos, los brazos espirales (indicado por luminosidades y edades. Cada tipo de la letra que sigue a la inicial S). Si la estrellas, como vimos anteriormente,44
    • Figura 2.4. M87 (NGC 4486), galaxia elípticagigante, la más brillante del cúmulo de laVirgen. Se aprecia la distribución suave de luzque ocupa casi toda la imagen. En susproximidades se ven otras galaxias quepertenecen al mismo cúmulo, pero de tamañosmucho menores. La galaxia tiene un núcleocentral muy brillante, del cual emerge unaestructura lineal (un jet en la jergaastronómica). El brillo del núcleo y el jetatestiguan la actividad nuclear de la galaxia.Imagen tomada con el telescopio JKT en LaPalma, Observatorio del Roque de losMuchachos. Figura 2.5. Galaxia NGC 1365, prototipo de espiral barrada. Se trata de una galaxia de grantiene su máxima emisión en una región tamaño, con un diámetro del disco de unos 200.000 años luz, situada en el cúmulo de Fornax, en ladiferente del espectro, de modo que, en dirección de la constelación del mismo nombre. Se halla a una distancia de alrededor de 60cada banda espectral que elijamos para millones de años luz. Una barra masiva cruza el disco de la galaxia incluyendo su núcleo. El colorobservar, estaremos viendo, rojizo en la imagen indica que está compuesta por estrellas más viejas que las del disco. La perturbación gravitatoria que produce la barra es la causa de la formación de los brazos espiralespreferentemente, una población que emergen de sus extremos. Nótese el color azulado de esos brazos, que indica la predominanciadiferente de estrellas. Así, en las de estrellas jóvenes. Imagen tomada con el telescopio VLT de ESO.longitudes de onda del ultravioleta y elazul, la luz emitida está dominada porla población de estrellas más luminosasy azules, que son las más jóvenes. Esta 45
    • población es muy minoritaria en relativistas en un campo magnético galaxias E, pero domina en algunas S y intenso) o bien por la emisión de en las I. En cambio, en el infrarrojo, hidrógeno atómico neutro. además de ser mucho menos absorbida Además del problema que acabamos por el polvo, la luz aparecerá dominada de mencionar, existe otro que viene a por la emisión de estrellas más frías y, complicar aún más la situación. Es el generalmente, más viejas. Por el proceso llamado efecto k, ligado al fenómeno de mismo de formación estelar en las la expansión del Universo. En efecto, galaxias, la distribución de las estrellas por el hecho de esa expansión, las viejas y de las que se están formando no longitudes de onda de la radiación es necesariamente la misma, por lo que emitida por una galaxia se observan la galaxia puede llegar a presentar un desplazadas hacia el rojo en un factor aspecto diferente según la observamos a (1+z), donde z es la medida de ese la luz de las unas o de las otras. Así, desplazamiento. Esto significa que la sabemos que las estrellas viejas son las región espectral observada corresponde aFigura 2.6. NGC 6822 es una galaxia que predominan en las galaxias E o en una región espectral emitida diferenteirregular próxima (pertenece al Grupo los bulbos centrales de las galaxias S, para cada valor de z. Para ilustrar estaLocal). Sobre un fondo rico de estrellas de mientras que los discos y brazos cuestión, consideremos una galaxianuestra Galaxia se ve un cuerpo central, espirales contienen una mayor lejana, por ejemplo, a z = 1. La luz queque semeja una barra, con una mayordensidad de estrellas y una luminosidad proporción de estrellas jóvenes, lo que recibimos en el visible, longitud deneblinosa, que constituyen la galaxia. les da un color más azulado. onda de 0,55 micras, en realidadAunque no se aprecia estructura, un El polvo interestelar tiene también corresponde a la luz emitida aincipiente brazo se dibuja en la parte un efecto en la apariencia de una 0,55/(1+z) = 0,225 micras, es decir, enderecha de la imagen. Imagen tomada conel telecopio INT en La Palma, Observatorio galaxia, que depende de la longitud de la región ultravioleta del espectro. Pero,del Roque de los Muchachos. onda, ya que obstruye más eficazmente como acabamos de decir, el aspecto de la luz azul que la roja; en el infrarrojo una galaxia depende de la región lejano la emisión producida por el espectral en que se estudie, de modo polvo calentado por estrellas, o por la que el análisis morfológico que radiación emitida en los alrededores del podamos llevar a cabo con nuestras agujero negro central, puede dominar a observaciones no es directamente todas las demás. A longitudes de onda comparable con el que hagamos de una aún más largas (radiofrecuencias), la galaxia mucho más próxima, salvo que contribución estelar puede ser muy cada una de ellas sea observada en la débil, y la apariencia de una galaxia banda espectral adecuada para que en vendrá determinada por la radiación ambos casos tengamos informaciones sincrotrón (radiación producida por equivalentes, es decir, correspondientes electrones moviéndose a velocidades a la misma banda espectral emitida.46
    • Visible HST ACS/W/FC Infrared HST NICMOS Este fenómeno se hace patentecuando examinamos una imagen de uncampo del cielo que contenga muchasgalaxias, como el Campo Ultra- Infraredprofundo del Hubble Space Telescope SST IRAC(figura 2.7). Las galaxias que seacumulan en esa imagen son de tiposdistintos y se encuentran a diferentesdistancias, es decir, a diferentes valoresdel desplazamiento hacia el rojo, demodo que esos efectos a los que Distant Galaxy in the Hubble Ultra Deep Field • HUDF-JD2 Hubble Space Telescope • ACS/WFCestamos aludiendo se dan de maneracombinada. Finalmente, hay otra complicación Figura 2.7. Imagen del Campo Ultra-profundo del Hubble Space Telescope. Se puede apreciar laque debemos tomar en consideración variedad de tamaños formas y colores de las galaxias que contiene. La imagen es una combinación de las obtenidas en varios filtros en el dominio visible-próximo infrarrojo (bandas fotométricas B, Vpara poder entender las formas del y z), con un tiempo de exposición de 11,3 días. Se puede comprobar que algunas galaxias tienenmundo de las galaxias. Y es que, dado formas clasificables dentro del esquema de Hubble, pero abundan las irregulares. Para poderque el Universo evoluciona, las discernir lo que corresponde a irregularidad intrínseca o lo que corresponde a efecto k, hay quepoblaciones de galaxias evolucionan determinar el valor de z para cada galaxia. En los insertos de la derecha se aprecia el detalle de la zona marcada en la imagen principal. Se aprecia, no sólo en la galaxia dominante en la imagen,también, de modo que las que se sino en las más pequeñas también, el cambio de aspecto según se observen en el dominio visible,encuentran más distantes, es decir, a en el infrarrojo próximo o en el infrarrojo lejano.mayores valores de z, son más jóvenesen promedio que las más próximas, traer la información. Así, para una No es de extrañar, pues, que elpuesto que estamos viéndolas en fases galaxia a una distancia de mil millones esquema de clasificación de Hubble,evolutivas anteriores. Como suele de años luz, la información que nos obtenido en el Universo local, tengadecirse, mirar más lejos en el espacio es llega corresponde a una etapa evolutiva algunas dificultades para describirmirar antes en el tiempo, debido a que anterior en mil millones de años a la adecuadamente la morfología de lasla luz tarda un tiempo determinado en nuestra. galaxias lejanas tales como las que nos 47
    • sigue siendo válido y útil en la actualidad. La razón es que permite sistematizar el estudio y su discusión y, sobre todo, que contiene valiosa información física, puesto que traduce el contenido estelar de las galaxias y, por ende, la historia evolutiva de ese contenido. Más aún, como vamos a ver, está íntimamente ligada a las condiciones de equilibrio dinámico, que es diferente para cada tipo de galaxia. Y, finalmente, nos informa también de las condiciones del entorno en que ha evolucionado, puesto que, como se ha determinado, existe una relación entre el tipo morfológico de una galaxia y la densidad de galaxias del entorno en que se encuentra, siendo las elípticasFigura 2.8. Galaxias de Las Antenas. Se más numerosas en entornos de altatrata de la colisión de dos galaxias, en revelan las imágenes más profundas densidad y las espirales, en entornosproceso de fusión. Las grandes colasvisibles en la imagen de la izquierda se han como la que acabamos de comentar. En de baja densidad, en el Universo local.producido en las primeras etapas de la esas épocas tempranas, las condiciones Estas constataciones, a partir delcolisión. En la imagen de la derecha, eran diferentes, una gran parte de la examen cualitativo de las imágenes, setomada por el Hubble Space Telescope, población de galaxias estaba aún en fueron confirmando a medida quepodemos apreciar la complejidad de lazona de choque (delimitada en la imagen proceso de formación y las condiciones se pudo disponer de datos de calidadde la izquierda por un polígono de color de equilibrio todavía no se habían suficiente. El análisis cuantitativo deverde), con zonas azules que corresponden alcanzado para muchas de ellas. Todo esos datos ha confirmado los aspectosa la formación actual de estrellas, y zonas lo cual, unido al efecto k que acabamos básicos del diagrama en diapasón deoscuras que corresponden a regiones conalto contenido en polvo y gas molecular, de describir, hace del estudio de la Hubble. En particular, que existen dosen donde con toda probabilidad se están evolución morfológica de las galaxias un tipos básicos de galaxias, unas que sonformando, y se formarán, estrellas difícil arte, aún no completamente esferoidales y otras que tienen unaposteriormente. desvelado. estructura característica en forma de De todas formas, y aun con todas disco. De hecho, lo que se constata es las precauciones necesarias, el esquema que existen dos componentes básicos, en diapasón de Hubble, con sus de los que ya hemos hablado por ser versiones y refinamientos posteriores, tan evidentes en las imágenes de las48
    • galaxias, que conforman todas esas encajarse dentro del esquema degalaxias: el bulbo (componente Hubble. En efecto, un simple examenesferoidal) y el disco. El hecho de catálogos de galaxias en interacción Figura 2.9. Galaxia IC1182, perteneciente alimportante es que cualquier galaxia a nos indica que las colisiones pueden cúmulo de Hércules. La imagen superior está tomada en la luz del continuo estelar. En la partelo largo de la secuencia de Hubble se generar una infinidad de formas central de la galaxia se aprecia un núcleo brillante,puede explicar como una diferentes, con fuertes asimetrías, redondeado y simétrico. La estructura circundantecombinación, en proporciones estructuras lineales como colas de presenta una hendidura en la distribución de luz,adecuadas, de bulbo y disco. En un marea, y modificar la tasa de a la derecha del núcleo, debida a la presencia de una enorme banda de polvo. Hacia la izquierdaextremo, las galaxias E masivas sólo formación estelar. En la figura 2.8 emerge una estructura lineal, cuya longitud estienen bulbo, mientras que, en el otro, mostramos la imagen tomada con el varias veces superior al tamaño del cuerpo de lalas I sólo tienen un disco apenas Hubble Space Telescope de la galaxia de galaxia. Juzgando por este aspecto, la galaxia fueorganizado (o incluso totalmente Las Antenas, así llamada por la forma clasificada como S0 peculiar. La imagen inferior está tomada en la luz de la línea de hidrógeno Hαausente en algunos casos de fusiones sugerente que tiene. Es obvio que la y traza el gas ionizado. En ella se aprecian lasrecientes, ver más abajo), sin presencia forma que presenta es debida a la estructuras de formas diferentes del gas, quede bulbo. Los demás tipos son una colisión entre dos galaxias, que se está revelan la existencia de un proceso violento. Lamezcla de ambos componentes, de desarrollando ante nuestros ojos. región central de la galaxia aparece ahora con estructura, con varios núcleos. El resultado delmodo que la importancia relativa del Los procesos de colisión producen, análisis permite concluir que se trata de la fusiónbulbo disminuye a lo largo de la mientras se desarrollan, violentas de dos galaxias, en fase muy avanzada. Mientrassecuencia de Hubble, desde las S0 a redistribuciones de las estrellas y del las estrellas de ambas galaxias ya han constituidolas Scd. gas de las galaxias que intervienen, un sistema único relajado, el gas aún mantiene la identidad inicial de las dos galaxias. Las Si bien la influencia del entorno que cobran apariencia de galaxias simulaciones indican que el sistema quedaráen la morfología de las galaxias, accidentadas. Sin embargo, definitivamente relajado, con forma esferoidaldebido en parte a colisiones e consideraciones de tipo general nos regular, en un plazo de tiempo relativamenteinteracciones entre ellas, está bien permiten concluir que esas formas son corto. Mientras, algunos de los nódulos que se ven en la estructura lineal emergente darán lugar aestablecida, es evidente que esos transitorias y que el resultado final galaxias enanas que se independizarán de laprocesos pueden dar lugar en será un sistema relajado, con forma progenitora.ocasiones a sistemas con formas que, regular esferoidal. La figura 2.9 nosal menos transitoriamente, no pueden muestra la Galaxia IC1182 en un 49
    • Figura 2.10. Simulación numérica del proceso de aproximación y colisión de dos galaxias espirales. Puede apreciarse cómo en las primeras fases se producen puentes de materia y, finalmente, colas de marea, como las que se aprecian en Las Antenas. En las últimas fases, las galaxias han perdido casi su identidad, para formar un solo sistema que, en fases posteriores, se convertirá en una galaxia relajada, elíptica. la figura 2.10. Estas simulaciones tal componente luminosa, con sus sugieren que el tiempo necesario para peculiaridades espectroscópicas, fue que la galaxia resultante tenga una puesta de manifiesto a mediados del morfología bien definida no es siglo pasado por K. Seyfert, con cuyo excesivamente largo y, en consecuencia, nombre se bautizaron este tipo deestado más avanzado de fusión que las el mecanismo ha podido ser operativo, galaxias. Su apariencia puede ser la deAntenas; de hecho, en los catálogos en particular en las épocas en las que la galaxias normales, pero las propiedadesaparece como una galaxia de tipo densidad del Universo era mucho de sus núcleos planteaban taleslenticular con la peculiaridad de la larga mayor que ahora. Cuando hablemos de problemas de balance energético quecola de marea que emerge hasta formación y evolución de galaxias, los hicieron entrar en la escena astrofísica adistancias considerables del centro de la procesos de colisión y fusión volverán los agujeros negros. Dado que la radiacióngalaxia. Un examen detallado del inevitablemente a ser los protagonistas observada en los núcleos de esos astros nocuerpo de la galaxia ha puesto de de la discusión. podía explicarse en términos de emisiónmanifiesto que se trata de dos espirales estelar, hubo que recurrir a esos objetosen los últimos estadios del proceso de masivos, capaces de acelerar la materiafusión. 2.2. Las fuentes nucleares que cae hacia ellos a velocidades La fusión de dos galaxias espirales de luz no estelar relativistas, lo que permite explicar sude masas similares puede, en origen y sus características.conclusión, producir como resultado Una importante novedad en cuanto a la Abandonamos así el terreno de launa galaxia regular con las propiedades distribución de luz en las galaxias es la radiación térmica, producida enfotométricas y dinámicas propias de de la existencia del fenómeno llamado situaciones de equilibrio, por la de launa S0 o una elíptica discoidal (en la Actividad Nuclear. Aunque revelado por radiación no-térmica, que pone deque la rotación aún es importante). Este el análisis espectroscópico, en los casos manifiesto lo que a veces se llamaresultado, que se ha supuesto para más notorios puede apreciarse en Universo violento, puesto que se produceexplicar la evolución morfológica, desde algunas galaxias un núcleo en procesos violentos, fuera de equilibrio.S hasta E de las galaxias, queda extraordinariamente luminoso, que Este descubrimiento adquirió sucorroborado por las simulaciones puede representar una fracción notable verdadera dimensión cuando años másnuméricas como las que se muestran en de la luminosidad total. La existencia de tarde se descubrieron los llamados50
    • Figura 2.11. Imágenes de los cuásares HE0450-2958 (izquierda) y HE1239-2426cuásares, castellanización del acrónimo todos esos astros, con apariencia estelar, (centro), obtenidas con el HST, y queinglés Quasi Stellar Objects (QSO), así eran en realidad los núcleos permiten estudiar las propiedades de las galaxias que los albergan. La imagen de lallamados porque en las imágenes de los extremadamente luminosos de galaxias, derecha es del cuásar PKS1700+514 en eltelescopios apenas se diferenciaban (o por otro lado, normales, en el sentido infrarrojo cercano, obtenida con elno se diferenciaban en absoluto) de las de tener morfologías relativamente telescopio CFHT en Hawai. La utilización deestrellas. La población extragaláctica se regulares y, sobre todo, estar formadas óptica adaptativa permitió obtener una imagen con resolución de 0,16 segundosincrementó de esa forma de manera por estrellas. Lo que se ha podido de arco, que permite detectar detallesespectacular, a la vez que se iban confirmar en la última década, gracias tanto de la galaxia que lo alberga, comointroduciendo clasificaciones en los al estudio sistemático de esas fuentes de la compañera (de aspecto similar a unatipos de Actividad y aparecían en la con telescopios espaciales o, desde espiral con un gran anillo), no distinguibles en las imágenes previas del HST.literatura científica nombres como BL tierra, usando técnicas que permitenLacs (por ser la estrella BL Lacertae, de liberarse del efecto emborronador de lahecho una galaxia E con un núcleo atmósfera y aumentarmuy activo, el prototipo), Blazars, etc., considerablemente la resolución (ópticaque suponen el extremo superior de la adaptativa). En la figura 2.11 seactividad nuclear en galaxias, con muestran imágenes de cuásares con esenúcleos tan extraordinariamente tipo de técnicas, que permiten poner deluminosos que dominarían el aspecto manifiesto la envoltura extensaglobal, dejando apenas perceptible la alrededor del núcleo brillante. Elgalaxia subyacente. análisis espectral de esa envoltura ha A pesar de ello, ya en los años permitido confirmar que se trata de unasetenta se avanzó la hipótesis de que galaxia de estrellas en todos los casos. 51
    • Las explicaciones que se dan del Newton, se puede obtener esa masa, fenómeno de la Actividad Nuclear se que resulta ser de tres millones de masas basan en admitir la presencia de un solares. Dada esa masa y el tamaño agujero negro masivo en el centro de máximo del objeto, se trata sin duda de esas galaxias. Si bien los detalles están un objeto masivo y compacto. La idea por elucidar, argumentos muy generales de que se trata de un agujero negro relacionados con la luminosidad y con (poco masivo en este caso) aparece, para las características espectrales de la muchos especialistas, como la más radiación que emiten esos núcleos de plausible. galaxias sugieren fuertemente que esa hipótesis es la más razonable. Hasta el punto de que hoy se admite como idea 2.3. Dinámica de galaxias. LaFigura 2.12. Imagen en JHK de las estrellasdel centro galáctico. plausible, apoyada por las masa oculta de las galaxias observaciones, que todas las galaxias podrían contener un agujero negro en A la pregunta obvia ¿de qué están su centro, tanto más masivo cuanto hechas las galaxias?, la respuesta que mayor sea el bulbo de la galaxia que lo venimos dando es de estrellas, polvo, alberga. El hecho que la Actividad gas… pero ¿eso es todo? Es cierto que el Nuclear sólo se manifieste en un Universo y sus componentes se nos pequeño porcentaje de las galaxias, manifiestan a través de la luz que podría deberse a que, en la mayor parte emiten, pero no hay ninguna de razón de los casos, está inactivo. Entre los para que todo su contenido sea resultados que avalan ese punto de vista luminoso. ¿Cómo averiguarlo? (aunque no todavía con la fuerza de Sólo hay una fuerza que afecta a una constatación irrefutable), cabe citar todas las formas de materia y energía, en lugar distinguido los que se refieren cualesquiera que sean sus propiedades y a los movimientos de las estrellas que se condiciones: la gravedad. Toda la materia observan en la proximidad del centro gravita, nos dice la ley universal de de la Vía Láctea. Newton; todo gravita nos dice la Gracias al esfuerzo constante y al Relatividad General de Einstein, incluso avance de las técnicas de observación, se la energía. De modo que sondeando los han podido establecer las órbitas de efectos de la gravedad, a través de su algunas de esas estrellas. Conocidas las influencia dinámica, podremos poner de órbitas, se puede establecer la masa del manifiesto todo el contenido material de objeto responsable de esos movimientos. un sistema, sea o no materia luminosa, La situación está ilustrada en la figura sea o no similar a la materia habitual de 2.12. De nuevo, aplicando las leyes de la que estamos hechos.52
    • velocidad orbital (km/s) 60 Figura 2.13. Rotación de un sistema material. En la parte superior se ilustra la disminución de Sistema Solar 50 Mercurio las velocidades orbitales de los planetas en función de la distancia al Sol, de acuerdo con las 40 Venus leyes de Kepler. En el centro, superpuesta a la imagen de una galaxia, se ilustra el resultado 30 Tierra esperado para la curva de rotación de una galaxia espiral. En la parte inferior se presentan 20 Marte Júpiter las curvas de rotación de varias galaxias de tipo S, que ponen de manifiesto un 10 Saturno Urano Neptuno Plutón comportamiento inesperado que se interpreta como debido a la presencia de una 0 0 10 20 30 40 distancia (U.A.) componente material no-luminosa. velocidad radio Volvamos ahora a las galaxias. Los Como nos enseña la ley de Newton,dos grandes grupos de galaxias, E y S, las masas de las galaxias pueden ser velocidad orbital (km/s) 300 NGC 4378del esquema de Hubble no sólo tienen determinadas a través de los NGC 3145 NGC 1620diferentes formas y contenido estelar, movimientos orbitales de sus estrellas o 200 NGC 7664sino que también tienen propiedades del gas. Empecemos por las elípticas en 100cinemáticas diferentes. Si nos centramos las que, según lo que acabamos de 5 10 15 20 25en las galaxias masivas, en las elípticas y indicar, es necesario medir la dispersión distancia al centro galáctico (kpc)en los bulbos de las grandes espirales, de velocidades de las estrellas paralos movimientos de sus estrellas que las poder determinar la masa. Cuando que del análisis de esas líneas se podráforman responden al campo de observamos un espectro de una galaxia obtener la medida de la dispersión deatracción gravitatoria de la propia E, cada una de las líneas de origen velocidades causante delgalaxia, es decir, a su distribución de estelar en ese espectro contiene la ensanchamiento. A partir de ahí,masa. Desde el punto de vista del contribución de cada una de las estrellas estimando previamente el tamañoequilibrio, podemos decir que la individuales que produce esa línea. La característico de la galaxia, y aplicandodispersión de velocidades de los situación física es la siguiente: cada las leyes de Newton, es posible estimarmovimientos de las estrellas compensa y estrella individual, de una determinada la masa de la galaxia. Naturalmente, eseequilibra el campo gravitatorio. En el población, producirá sus líneas ensanchamiento será mayor cuanto máscaso de las galaxias espirales, el material espectrales características. Los masiva sea la galaxia.en el disco gira ordenadamente alrededor movimientos de las estrellas hacen que En el caso de las galaxias S, que,del centro, respondiendo y equilibrando la contribución de cada una de ellas a la como dijimos, están en equilibrioal campo gravitatorio de la galaxia. Hay línea que apreciamos en el espectro de gracias a la rotación, habrá que observarque señalar que, sin modificar ese la galaxia se haga a longitudes de onda algún trazador adecuado (gas ionizado oesquema general, en muchos bulbos y ligeramente diferentes en función de su gas neutro, o estrellas) a diferentesen algunas galaxias elípticas menos velocidad (efecto Doppler). El distancias del centro de la galaxia y,masivas, en particular en las llamadas resultado, cuando se observa la utilizando las líneas espectrales paradiscoidales, se superponen el contribución sumada de todas las estimar las velocidades por efectomovimiento de rotación ordenado y el estrellas como es el caso, es una línea Doppler, determinar la curva dede dispersión de velocidades. ensanchada por ese efecto. De modo rotación. De nuevo, la aplicación de las 53
    • conocidas leyes de Newton nos la figura, con un crecimiento rápido muy frío, de planetas, de estrellaspermiten determinar las masas. La en la región central, seguido de una enanas marrones, o de agujeros negrosamplitud de la rotación será tanto zona en la que la velocidad de relativamente poco masivos. Nomayor cuanto más masiva sea la galaxia. rotación permanece prácticamente obstante, como se explicará másPara la Vía Láctea, esta velocidad de constante. Obviamente este tipo de adelante, hay motivos para pensar querotación, en la posición del Sol, comportamiento no puede explicarse la naturaleza física de la mayor partecorresponde a 270 km/s. si se considera que la distribución de de la materia oscura hay que buscarla En la figura 2.13 se presentan las masa en la galaxia es únicamente la en algún tipo de partícula no-curvas de rotación de varias galaxias S, contenida en las distintas bariónica (a veces se usa el adjetivojunto con las previsiones deducidas de componentes visibles (estrellas, polvo exótica), cuya naturaleza no se hala distribución de materia luminosa y y gas): la materia en las regiones determinado por el momento.los resultados para el Sistema Solar. La externas del disco gira mucho más En todos estos razonamientosfigura ilustra claramente el problema rápido de lo que se espera aplicando dinámicos se admite desde eldel que venimos hablando: tan sólo si las leyes de la gravitación de Newton a principio que las leyes de Newtonadmitimos la presencia dominante de este modelo. Es decir, la forma plana (en tanto que aproximación razonablemateria oscura se pueden interpretar los de las curvas de rotación indica la a la teoría de Einstein) son ciertas endatos sobre rotación de galaxias presencia de materia que no brilla en todas las escalas y en la mayoríaespirales. ninguna de las longitudes de onda de las circunstancias. Lo que no es Aunque ya había indicaciones sobre observadas, y cuya importancia de extrañar, por otro lado, dado elexistencia de materia oculta a partir de relativa con respecto a la materia grado de verificación de esa teoría enlos análisis dinámicos de cúmulos luminosa se incrementa a medida que escalas más pequeñas y de lasde galaxias por F. Zwicky, el resultado nos alejamos del centro. Esta materia indicaciones observacionales que,para las galaxias no dejó de ser oscura puede llegar a constituir hasta como luego iremos viendo, sesorprendente, ya que, hasta entonces, un 90% de la masa total de una acumulan en el dominio de lase suponía que el problema no se galaxia. Cosmología. Dada, sin embargo, lapresentaba a estas escalas, en las que, Nada nos dice este análisis, sin envergadura de las conclusiones a lasen principio, lo que se medía se podía embargo, sobre la posible naturaleza que conduce, como es en el caso de laexplicar por lo que se veía. Desde los de la materia oscura, pues sólo dinámica de galaxias, admitir laprimeros trabajos de sistematización tenemos indicación de su existencia a existencia de una componente materialdel estudio de curvas de rotación de través de sus efectos gravitatorios, que muy dominante sobre la que nogalaxias espirales de Vera Rubin y son indiscriminados. No puede tenemos ninguna otra indicación,colaboradores en los años setenta, descartarse en principio, por medio de pronto hubo quien propusieraquedaba patente que no declinaban argumentos dinámicos, que se trate de alternativas a la teoría de Newton, quecon la distancia al centro como la materia bariónica, es decir, similar a lograsen evitar esa conclusión. Entredistribución de materia luminosa las de las observaciones cotidianas y a otras, citamos aquí la Dinámica dehacía esperar, sino que la forma más la que constituye las estrellas por Newton Modificada (Modifiedhabitual es como la que se muestra en ejemplo. Podría tratarse de gas neutro Newtonian Dynamics, o MOND). Se54
    • MOND Materia oscura 50 V (Km/s)trata de una propuesta heurística, adhoc, que si bien es capaz de reproducircon precisión las curvas observadas degalaxias enanas (ver figura 2.14), no ha Newtoniano: estrellas y gaslogrado encontrar una explicaciónunificada para todas las situaciones querequieren la presencia de materia 0oscura en el marco newtoniano. 0 2 4 6 8 10Además, sólo recientemente se halogrado una formulación covariante R (kpc)de una teoría de tipo MOND, cuyasconsecuencias están por evaluar. Y, Figura 2.14. Curva de rotación de la galaxia de baja masa NGC1530. R (en kiloparsec) esaunque la hipótesis de validez de la la distancia al centro de la galaxia. Los datosteoría de Newton (como límite 2.4. Formación y evolución están representados con símbolos azules.de la Teoría de la Relatividad General de las galaxias La línea blanca es la predicción newtonianaaplicable a estas situaciones) y, por basada en la distribución de materia luminosa. La línea roja es el ajuste deltanto, la consecuencia de que existe Habiendo caracterizado las principales modelo con materia oscura. Finalmente, lamateria oscura constituye hoy el propiedades de las galaxias, e línea verde es el ajuste que puede hacerseestándar, el caso es que se mantiene identificado algunos hitos en su usando MOND.un saludable nivel de debate evolución, se traza la cuestión de sucientífico sobre esta cuestión, que formación. El problema se planteaimplica a astrónomos y a físicos necesariamente en el contextoteóricos. De manera fehaciente, el cosmológico, puesto que el ensambladoUniverso se ha convertido de las masas de las galaxias se produjo,definitivamente, y en la práctica según hoy se entiende, por crecimientocotidiana de la Ciencia, en el mayor de las perturbaciones de densidadlaboratorio imaginable para nuestras iniciales del fluido cósmico. Comoconcepciones y teorías. ocurre siempre en Cosmología, 55
    • cualquier análisis que se haga debe poblaciones estelares que son más azules elípticas, de tal forma que las galaxiasponerse en la perspectiva de la y jóvenes que el supuesto resultado de menos masivas tienen característicasevolución temporal de las condiciones su fusión. Para salvar el esquema de galaxias espirales. Estasen que se desarrollan los diferentes general habría que invocar mecanismos observaciones, entre otras, indican quefenómenos. Cuestiones como la de rejuvenecimiento del contenido en la Naturaleza puede haber otrasformación de las galaxias o su evolución estelar de esas galaxias poco masivas maneras posibles de formar galaxiasson cuestiones básicas de la Cosmología antes de agregarse, o explicar en elípticas sin pasar necesariamente porque, aunque los aspectos generales se términos de baja metalicidad en lugar una galaxia espiral o por fusión desuponen conocidos, carecen aún de de en términos de juventud. Ambas bloques pequeños, como se explicarespuesta detallada. posibilidades plantean a su vez más adelante, y que probablemente En términos generales, se viene dificultades, por lo que el problema no éstas sean las habituales en entornosadmitiendo que las galaxias se formaron está resuelto. densos.por agregación de bloques de materia La formación de galaxias Los resultados más recientes(predominantemente oscura) más esferoidales muy masivas presenta empiezan a indicar que, efectivamente,pequeños, en un proceso de abajo hacia dificultades. Como venimos de apuntar, las galaxias más masivas son realmentearriba, hasta que se van configurando es un hecho refrendado por las las más viejas, por lo que se formaronsistemas (o halos, como se les observaciones que, cuanto más masiva entre las primeras. Más aún, el procesodenomina) cada vez más masivos. A es una galaxia, más viejas son las de formación de galaxias masivas separtir de un cierto momento, la materia poblaciones de estrellas que contiene. habría detenido en épocas relativamentebariónica se acumula en las partes Se han observado recientemente tempranas de la evolución, de modocentrales de esos halos oscuros y acaba galaxias E muy masivas a alto redshift o, que, por decirlo un pocopor formar estrellas. Ha nacido una equivalentemente, en etapas tempranas esquemáticamente, la época degalaxia en el sentido habitual que de la evolución del Universo, cuyas formación de galaxias ha sido tanto másdamos a esa palabra, es decir, un gran estrellas eran ya viejas cuando se emitió corta (y más temprana) cuanto mássistema organizado de estrellas, gas y la luz que ahora observamos. Ahora masivas son. Estos recientes datos ypolvo. Después, por fusión de galaxias bien, esas poblaciones estelares son hallazgos nos indican claramente queu otros mecanismos se van formando mucho más viejas que las situadas en los paradigmas de formación ygalaxias de diferentes tipos. Si tenemos los discos de las galaxias S o en galaxias evolución están en un momento deen cuenta que, además de las menos masivas, por lo que difícilmente cambio inevitable para que puedandiscrepancias en forma y contenido podrían haberse formado, ya sea por integrar esos datos que se estánestelar, las galaxias S y E se diferencian fusión o por inestabilidad de una espiral produciendo en los últimos años.por su cinemática, no es difícil prever inducida por la presencia de una barra, Del estudio dinámico de las galaxiasque este simple esquema presente como algunos autores han propuesto, o se concluye que la materia luminosa esalgunos problemas. En particular, las por ensamblaje de galaxias más sólo una fracción minoritaria de lagalaxias de menor tamaño, esos bloques pequeñas. Por otra parte, se ha total. Y, en efecto, la formación deque al agregarse formarán galaxias de observado que existe un límite inferior galaxias, fenómeno puramentemayor masa y tamaño, tienen natural a la masa de las galaxias gravitatorio hasta que la materia está56
    • ensamblada, está dominada por la observadas. Por eso, muy a menudo se hoy observamos son las estrellas menosmateria oscura. Pero no quiere eso decir construye para galaxias de un cúmulo, masivas (y más rojas), que evolucionanque la materia bariónica, minoritaria, que se encuentran todas a la misma en escalas de tiempo muy largas. Por suno sea importante. En efecto, una vez distancia del observador. Los resultados parte, las espirales e irregulares han idoagregada toda esa materia que indican, como era de esperar, que hay formando estrellas a lo largo del tiempoconstituye la proto-galaxia, la proporcionalmente muy pocas galaxias con ritmo ligeramente descendente ocomponente oscura, que apenas de alta luminosidad, mientras que son incluso a ritmo constante. El color másinteractúa con el resto salvo tanto más abundantes cuanto más azul traduce la presencia de estrellasgravitatoriamente, pasa a tener un papel débiles. Hay que decir, sin embargo, jóvenes. También esa información estáen cierto modo pasivo. Es la materia que la contribución de esas galaxias contenida en el diagrama en diapasónbariónica la que irá modificando su luminosas al total es muy importante. de Hubble.distribución. Por ejemplo, en el caso de Y, en cuanto a la forma de esa La información que obtenemoslas galaxias espirales, se irán formando distribución, si bien la hipótesis de estudiando una galaxia determinada senubes moleculares y, al final, estrellas, partida es que, en el Universo local, refiere a un instante preciso de suconformando la galaxia tal y como es una función universal, esto no está evolución. Observamos las poblacionesaparece en las imágenes. La formación confirmado, en parte por las estelares que contiene en ese momento,estelar y, como resultado, la masa en dificultades intrínsecas que entraña pero no su historial. Para poderestrellas de una galaxia son elementos la determinación de la función de reconstruir esa historia, se admite queclave para entender la evolución de las luminosidad. En cuanto a la las estrellas se forman en proporcionesgalaxias. La materia luminosa está distribución de colores, se recupera la determinadas según su masa en cadacodificada en la luminosidad de cada información proporcionada por el brote de formación estelar. Es lagalaxia. Como ya dijimos, en cada análisis del diapasón de Hubble: hay llamada función inicial de masas, quebanda espectral obtenemos información una secuencia roja, cuyo contenido representa la fracción de estrellas que sesobre diferentes familias de estrellas, estelar está dominado por estrellas forma en cada intervalo de masa. Estade modo que habrá que analizar la viejas, constituida por galaxias elípticas función también se supone universal,luminosidad en diferentes bandas para masivas y lenticulares, y una secuencia si bien no es un hecho establecidoobtener una información completa. más azul, con contenidos estelares definitivamente. Así, de las estrellas queA partir de ahí, se puede determinar, a mucho más jóvenes, constituida por han sobrevivido hasta un instante dado,grandes rasgos al menos, cuál es la masa galaxias espirales e irregulares. podemos deducir cuántas se formaron.estelar y el ritmo de formación de Como consecuencia simple de esta Las conclusiones obtenidas de esosestrellas que ha tenido una galaxia. constatación, la tasa de formación estelar estudios se confirman, por los estudios Para construir la función de ha tenido que ser muy diferente para espectroscópicos, que permitenluminosidad, es decir, el número de ambas secuencias. Las E y S0 masivas identificar de manera más precisa lasgalaxias por intervalo de luminosidad, habrían formado casi todas las estrellas poblaciones estelares de las galaxias.se necesita conocer la distancia a cada inmediatamente, las estrellas más El estudio de la formación ygalaxia para poder deducir sus masivas y azules habrían desparecido en evolución de las galaxias en un marcopropiedades intrínsecas a partir de las tiempos relativamente cortos y lo que cosmológico definido pone de 57
    • manifiesto el papel fundamental que de galaxias a alto corrimiento hacia el la evolución, de modo que esadesempeña la tasa de formación estelar. rojo. Y aunque no hay una respuesta bimodalidad en la distribución de losSi bien no conocemos qué es lo que precisa todavía y, de hecho, han colores de las galaxias se mantiene aldetermina esa tasa, el esquema funciona aparecido algunas sorpresas, empezamos menos durante la segunda mitad de laadecuadamente. De modo que, a disponer de información como para vida del Universo. Con la particularidadpromediando para poder suavizar las esbozar ya un esquema evolutivo de que las galaxias rojas eran máspeculiaridades de cada galaxia (en concreto. brillantes en el pasado, mientras que susfunción de, entre otras, las condiciones Los resultados obtenidos hasta ahora masas estelares eran menores. Elde contorno), las galaxias serían tanto indican que las proporciones de galaxias problema está en que, si bien el primermás jóvenes cuanto más lejos las de diferentes morfologías cambiaría con aspecto podría explicarse como debidoobservamos. La cuestión inmediata es, el tiempo, tanto en los cúmulos de a la simple evolución de las estrellaspor consiguiente, ¿cómo son las galaxias galaxias como en el campo general. La formadas en la época inicial, con muylejanas, comparadas con otras más evolución sería en el sentido de disminuir poca o nula formación estelar adicionalpróximas? Ésta es una cuestión difícil de con el tiempo la proporción de (lo que se conoce como evoluciónresponder porque se requiere estudiar irregulares y espirales a favor de las pasiva), el segundo requiere lagrandes poblaciones de galaxias a grandes elípticas y lenticulares. El papel de la adquisición de más masa estelar pordistancias, es decir, muy débiles. Sólo interacción gravitatoria en esa evolución canibalismo de galaxias pequeñas rojas,recientemente, gracias a los grandes parece bien establecido. Sin embargo, incapaces ya de formar nuevas estrellas.telescopios operativos en tierra y a los este esquema, como apuntábamos, no Todo lo cual es indicativo de untelescopios espaciales, entre ellos el carece de problemas. Así, por ejemplo, desacoplo entre, por una parte, laHubble Space Telescope, se han podido tanto la secuencia azul como la roja, que formación de las estrellas queobtener datos sobre la morfología, se han establecido en el Universo constituyen hoy las galaxias elípticas y,luminosidad y distribución espectral de cercano, se observan a distancias que por otra parte, la acumulación de masaenergía en diferentes rangos espectrales corresponden a épocas muy anteriores en estelar.58
    • En síntesis, el esquema que parece posterior transformación en estrellas. Las un tema de investigación abierto y objetocapaz de contener la información posibles fusiones posteriores de estos de debates intensos de los que se esperanempírica de la que hoy disponemos discos estelares serían un camino posible resultados importantes en los próximosincluye la idea de que las galaxias más para la formación de galaxias elípticas años.masivas se formaron las primeras, que la con estructuras discoidales reminiscentes Habíamos comenzado de manera casiformación estelar en épocas remotas sería en primera instancia. Las inestabilidades ingenua inspeccionando visualmente lasla consecuencia de procesos de colapso de esas estructuras de disco darían lugar imágenes de las galaxias y construyendoy fusiones, que darían lugar a sistemas posteriormente a sistemas paulatinamente el diapasón de Hubble, para llegarmayoritariamente muy brillantes y con más parecidos a galaxias elípticas tales finalmente a uno de los problemasformas no relajadas, explicando así la como hoy las conocemos. candentes de la Astrofísica y de lamayor proporción de galaxias irregulares Éstas son diferentes sugerencias sobre Cosmología, de cómo se han formado yobservadas en estas épocas y la mayor los grandes rasgos, todavía incompletos, evolucionado las galaxias. El análisis de lafrecuencia de sistemas muy brillantes de los procesos que habrían determinado luz emitida por las galaxias cuando elobservados a alto corrimiento hacia el la formación y evolución de las galaxias. Universo era mucho más joven querojo. Según este esquema, serían las Es de señalar que diferentes estudios de ahora, que los avances tecnológicos estánestrellas que constituyen las galaxias simulación, tanto los que usan una haciendo posible, nos permitirá avanzarelípticas y, posiblemente también, los aproximación semianalítica como los en el conocimiento de esos problemas ybulbos de las galaxias espirales y puramente numéricos, indican que ese construir un cuadro coherente en el quelenticulares los primeros que se habrían esquema podría ser aceptable. No se integre el crecimiento de las pequeñasformado. Los discos de las espirales se obstante, el origen de la secuencia de irregularidades puestas de manifiestohabrían creado con posterioridad, por Hubble, con sus implicaciones en cuanto por el análisis de la radiación de fondoacrecimiento de gas que se organizaría, formas, contenido estelar y cinemática de microondas, como luegodebido a la conservación del momento y las conexiones evolutivas entre los discutiremos, hasta formar las galaxiasangular, como un disco plano, y su diferentes tipos de galaxias, sigue siendo que hoy observamos. 59
    • 3.Más allá de las galaxias. El Universo a gran escalaL as galaxias aisladas no son frecuentes. La gravedad las hace sociables y se agrupan muy a menudo en estructuras hoy disponibles nos permiten ya una buena caracterización de la distribución de galaxias. Y, aunque existen galaxias de diferentes tamaños y jerarquías. Si relativamente aisladas en el Universo, bien el mismo Hubble y sus una gran parte de ellas se encuentra colaboradores inmediatos pensaban que formando agregados a los que los esas galaxias que acababan de descubrir astrónomos se refieren con el nombre constituían las moléculas del fluido de grupos o cúmulos de galaxias. O, cosmológico, como ellos mismos decían incluso, estructuras todavía de mayor y, por tanto, admitían que su tamaño que se engloban en la llamada distribución debía ser homogénea e Estructura a Gran Escala de la isótropa, los datos que se iban distribución de galaxias. acumulando empezaron pronto a Los grupos contienen desde unas complicar este esquema. De hecho, el pocas galaxias hasta algunas decenas mismo Hubble advertía ya que podría (por ejemplo, los llamados Grupos haber dos irregularidades en la Compactos contienen típicamente entre distribución de galaxias, ambas no muy 4 y 6 galaxias), mientras que los alejadas de la dirección del polo norte cúmulos pueden albergan miles; no galáctico. Esas irregularidades obstante esa diferencia en contenido, el correspondían a lo que después se tamaño típico de grupos y cúmulos es conocería como cúmulos de la Coma similar en muchos casos: el diámetro de y de Virgo, respectivamente. Los datos los cúmulos es del orden de unos pocos 61
    • Mpc, mientras que el de los grupos veremos, se necesita la obtención de modo, construir grandes catálogos quepresenta un rango más amplio, espectros de miles de galaxias para posibiliten el estudio de esadesde 2 Mpc hasta 200 kpc, que es poder tener esa imagen tridimensional distribución en toda su magnitud, asíel valor mediano para los Grupos del Universo. Esto sólo ha sido posible como su evolución con el tiempoCompactos. A su vez, los cúmulos en las dos últimas décadas, gracias al cósmico, desde el pasado más remotode galaxias pueden organizarse uso de espectrógrafos especialmente hasta nuestros días.formando estructuras todavía diseñados, que permiten obtener datosmayores que se conocen como de muchos objetos simultáneamente.supercúmulos, cuya extensión De este modo, se han realizado 3.1. La vecindad de nuestrasupera las decenas de Mpc. En cartografiados que muestran las Galaxia. El Grupo Localdeterminadas regiones del Universo grandes estructuras en la distribuciónson observables estructuras todavía de galaxias. La instrumentación La mejor manera de ilustrar lamayores en forma de filamentos y astronómica actual permite medir tendencia al agrupamiento de lasparedes, que constituyen un tejido simultáneamente centenares de galaxias es empezar por el entorno máscósmico majestuoso, rodeando desplazamientos hacia el rojo, con lo próximo a nuestra propia Galaxia que,grandes vacíos en los que que los catálogos tridimensionales de por no ser una excepción, forma parteprácticamente no se observa materia galaxias han pasado de contener de diferentes estructuras según lasluminosa. centenares de objetos en la década de escalas que consideremos. Esta descripción de la los ochenta, a varios miles en la de los Nuestra Galaxia, la Vía Láctea,macroestructura cósmica es el noventa, y a centenares de miles en la es miembro de un pequeño gruporesultado de un esfuerzo actualidad. En cualquier caso, dado formado por una treintena de galaxiasobservacional considerable llevado a que la espectroscopia requiere tiempos (detectadas hasta la fecha) al quecabo por los astrónomos en los de exposición comparativamente conocemos como Grupo Local.últimos 30 años. Para valorarlo largos con telescopios grandes, esta Dominan el grupo tres galaxiasmejor hay que tener en cuenta que, acumulación ha evolucionado más espirales, la galaxia del Triángulohasta no hace mucho, tan sólo se lentamente de lo que los cosmólogos (M33), la Vía Láctea y Andrómedaconocía la posición de cada galaxia quisieran. Es más, por razones obvias, (M31). Andrómeda (figura 3.1), lasobre el plano del cielo, sin que la espectroscopia, para un telescopio y más masiva, es aproximadamente unpudiésemos asignarle una distancia detectores dados, nunca puede llegar 50% más luminosa que la Vía Láctea,fiable que la ubicase en el espacio tan profundo como la fotometría. Por siendo el objeto del cielo más lejanotridimensional. De modo que tan tanto, hemos visto cómo, en los visible a simple vista. M33 es lasólo podía analizarse la distribución últimos 20 años, se han desarrollado menor de las tres y su luminosidad esde galaxias proyectada sobre la esfera técnicas que usan la información el 20% de la luminosidad de nuestraceleste. Dado que la única forma de fotométrica para estimar los Galaxia. Los dos objetos másasignar razonablemente las desplazamientos al rojo, lo que está prominentes, la Vía Láctea ydistancias a las galaxias es a través de permitiendo sondear grandes Andrómeda, están separados 0,8 Mpcla ley de Hubble, como luego volúmenes de Universo y, de ese el uno del otro. Las masas del resto de62
    • Figura 3.1. Andrómeda (M31), situada a una distancia de 2,6 millones de años luz, es una galaxia espiral, algo mayor que la Vía Láctea, y el objetoceleste más lejano que podemos observar a simple vista. Hubble, en 1923, demostró que efectivamente estaba más allá de los límites de nuestra Galaxiay que, por tanto, se trataba de otra galaxia como la nuestra. Junto con la Vía Láctea domina el Grupo Local, formado por una treintena de miembros,la mayoría de ellos galaxias enanas. En la fotografía se observan dos de ellas, satélites de Andrómeda: M32 y M110. Cortesía de Vicent Peris y José LuisLamadrid, imagen de 5 horas de exposición tomada desde el Pico del Buitre en Javalambre (Teruel), con un telescopio reflector de 20 cm y cámarareflex digital. 63
    • las galaxias del grupo son, como mucho, unas diez veces menores que la de la Vía Láctea. El diámetro del Grupo Local es de 2 Mpc y se considera que es un grupo gravitacionalmente ligado, en el que sus miembros se mueven bajo la influencia de toda la masa del grupo. Por esta razón, Andrómeda y la Vía Láctea se están aproximando con una velocidad relativa de 130 km/s, lo que producirá que ambas galaxias eventualmente se fusionen dentro deFigura 3.2. En esta representación tridimensional vemos el Grupo Local, junto con otros gruposcercanos similares como el grupo de Maffei o el grupo de Sculptor. El primero queda detrás de las unos 4.000 millones de años.regiones centrales de la Vía Láctea y por eso, pese a su riqueza, su descubrimiento no fue fácil, ya Las galaxias del Grupo Local noque el polvo, el gas y las estrellas de nuestra Galaxia lo ocultan. El segundo definitivamente influye están distribuidas aleatoriamenteen la dinámica del Grupo Local debido a su cercanía. Es apreciable su estructura filamentosa. Las (figura 3.2): en torno a las galaxiasgalaxias están identificadas con una letra, en función del grupo al que pertenecen: M (Maffei), S(Sculptor), L (Local) y un número correlativo. L11 es Andrómeda y L37 es la Vía Láctea. El sistema de dominantes se sitúa un enjambre decoordenadas utilizado es el supergaláctico. La escala indicada en los ejes son kiloparsecs. El plano galaxias satélites. En el caso de la Víasupergaláctico está insinuado en gris y las distancias de algunas galaxias a este plano están Láctea cabe destacar las Nubes deindicadas con líneas verdes o azules, según estén situadas al norte o al sur del plano. Cortesía de Magallanes, dos pequeñas galaxiasRami T. F. Rekola, Tuorla Observatory. irregulares observables a simple vista desde el hemisferio sur, y que están situadas a unos 50 kpc de la nuestra. Alrededor de Andrómeda giran dos galaxias elípticas enanas M32 y M110 (visibles en la figura 3.1). El resto de los componentes del grupo64
    • son galaxias enanas irregulares (como galaxias espirales se sitúanNGC 6822, ilustrada en el capítulo fundamentalmente en el halo que rodeaanterior) o esferoidales muy difíciles el centro del cúmulo. Comode detectar por su escaso brillo consecuencia de la enorme masa quesuperficial, que orbitan en torno a contiene el cúmulo, muchas de lasM31, M33, la Vía Láctea, o bien en galaxias que lo constituyen se mueventorno al centro de masas del grupo. Es con grandes velocidades peculiares, queinteresante hacer notar la ausencia de pueden alcanzar los 1.500 km/s congalaxias elípticas de gran tamaño en respecto al centro de masas del cúmulo.nuestro entorno local. Este hecho produce que aquellas galaxias que se mueven en el seno del3.1.1. El cúmulo de Virgo cúmulo en dirección a la Tierray el Supercúmulo Local presenten desplazamiento hacia el azul, en lugar de hacia el rojo.En la década de 1930, comenzó la tarea El cúmulo de Virgo tiene una formade estudiar la distribución de galaxias. bastante irregular y ocupa la posición Figura 3.3. El cúmulo de Virgo ocupa unaEl procedimiento inicial fue fotografiar central del llamado Supercúmulo Local, amplia región del cielo. En este mosaico degrandes áreas del cielo con los del cual forma parte también nuestra 2ºx1,5º podemos observar la parte central del cúmulo, dominada por la galaxiatelescopios de mayor diámetro del Galaxia y todo el Grupo Local (aunque gigante M87 (la más brillante en el panelmomento y con tiempos de exposición ciertamente en la periferia). El izquierdo de la imagen), rodeada por unmuy largos. En 1932, Harlow Shapley supercúmulo, con un diámetro enjambre de pequeñas galaxias. A lay Adelaide Ames publicaron un aproximado de 30 Mpc (figura 3.4), derecha (oeste) podemos observar en la parte superior una cadena de galaxias,catálogo con las posiciones en el cielo está formado por miles de galaxias, pero conocida como cadena de Markarian, de lade 1.250 galaxias. Sus imágenes se puede afirmar que no es un sistema que las más brillantes son dos galaxiaspusieron en evidencia la existencia de gravitacionalmente ligado: se trata de lenticulares, M84 y M86. En la imagenregiones donde la concentración de una agrupación poco estructurada de pueden contarse cientos de galaxias, que pertenecen al cúmulo. Cortesía degalaxias era superior a la media. En diferentes grupos y cúmulos, junto a NOAO/AURA/NSF.particular, el cúmulo de Virgo es la regiones de más baja densidad.característica dominante de este Recientemente, hemos podidocatálogo. Se trata de una concentración comprobar que el propio Supercúmuloformada por aproximadamente 1.500 Local forma parte de una estructuragalaxias que cubre un área del cielo de aún mayor, dominada por una enorme10ºx10º. Se encuentra a una distancia concentración de masa que se ha venidode unos 20 Mpc y en su centro a llamar Gran Atractor, hacia la que elpredominan las galaxias elípticas, siendo supercúmulo está cayendo. SuM87 (ilustrada en el capítulo anterior), detección ha sido solo posible gracias alla mayor de todas (figura 3.3). Las estudio de los movimientos coherentes 65
    • imponente cartografiado del cielo con el telescopio Schmidt de 48 pulgadas de Monte Palomar. Fue, sin embargo, Cúmulo de George Abell, quien, siguiendo la Virgo estrategia de Shapley y Ames, hizo el primer estudio sistemático y publicó en 1958 un catálogo que contenía 2.712 cúmulos de galaxias. Ese resultado se obtuvo como conclusión del análisis de alrededor de 1.000 placas fotográficas de 6ºx6º, en las que Abell fue identificando las regiones en las que se ubicaban las concentraciones de galaxias Cúmulo de Centauro más sobresalientes, los cúmulos. Este método puede producir detecciones espurias, ya que por efecto de proyección se puede considerar que diferentes galaxias, situadas Cúmulo de 90 x 50 Mpc Hidra I aproximadamente en la misma línea visual, constituyen un cúmulo, aunFigura 3.4. El Supercúmulo Local, cuyo cuando estén realmente a diferentescentro se sitúa en el cúmulo de Virgo. Enesta representación cada galaxia se indica a gran escala de muchas galaxias, pues distancias y, por tanto, no sepor un punto, mientras que las superficies el centro de este enorme aglomerado encuentren ligadas físicamente. Abellsemitransparentes azules delimitan galáctico, que contiene 5x1016 masas era consciente de este efecto y fue muyregiones donde la densidad en la solares, está escondido detrás del velo meticuloso y exigente a la hora dedistribución de galaxias es mayor. Cortesíade Brent Tully (Universidad de Hawai). que produce el polvo del disco de considerar lo que debería ser un nuestra propia Galaxia. cúmulo. Los cúmulos de galaxias y el mundo de la estructura a gran escala entraban 3.2. Cúmulos de galaxias. así en escena. El catálogo de Abell Poblaciones galácticas y la permitió iniciar toda una serie de influencia del entorno estudios sobre las propiedades y características de estos inmensos Entre los primeros astrónomos que sistemas, clasificarlos según su riqueza avanzaron la idea de que las galaxias y su aspecto global, motivando los deberían presentarse asociadas en análisis dinámicos de cuyos resultados estructuras cabe citar a Zwicky y su vamos a hablar enseguida. Era toda una66
    • nueva etapa la que se abría a la entorno y las de las propias galaxias, mayor parte de la masa de los cúmulosAstrofísica y la Cosmología, que se debe ser consecuencia de la evolución de galaxias es no-luminosa. Peroveían impulsadas a tener que considerar cósmica. Por el momento los vayamos por partes.la agrupación de las galaxias a escalas astrónomos no se han puestoantes no imaginadas. Los cúmulos definitivamente de acuerdo sobre cómo 3.3.1. La masa luminosa. Galaxiasconducían de manera natural al estudio ha tenido lugar esta evolución: no está y gas caliente intracumularde supercúmulos, grandes filamentos y claro, por tanto, si la relación entrevacíos, es decir, al descubrimiento, morfología y densidad está asociada a La primera opción para determinar lacaracterización y estudio de la las fases iniciales de la formación de masa de un cúmulo es sin duda la deestructura a gran escala. estructuras, o es consecuencia de la sumar las masas de las galaxias que lo Ya hemos visto que existen evolución galáctica, condicionada por el componen. El proceso no es simple pordiferentes tipos de galaxias: espirales, entorno, en la que eventualmente las varias razones. En primer lugar, hay queelípticas, lenticulares, etc. El propio galaxias pueden transformarse de un determinar cuáles son las galaxias queHubble era ya consciente de que existía tipo morfológico a otro. pertenecen realmente al cúmulo. Comouna correlación entre el tipo ya hemos apuntado, determinar elmorfológico y la densidad del entorno desplazamiento hacia el rojo y, de ahí,cuando afirmaba que “en los cúmulos 3.3. Masa de los cúmulos. la distancia a cada galaxia es un trabajotodos los tipos de galaxias se encuentran Cómo pesar lo invisible muy costoso en tiempo de telescopio yrepresentados, pero, contrariamente a lo esfuerzo. De modo que en el mejor deque pasa en el campo, los tipos más En la medida en que los cúmulos los casos sólo se dispone de esatempranos y, especialmente, las galaxias de galaxias sean sistemas información para una fracción de laselípticas predominan”. Las gravitacionalmente acotados, su galaxias de un cúmulo dado. Paraobservaciones actuales no dejan dinámica traducirá directamente la obviar este problema se recurre aninguna duda acerca de que las zonas masa total que contienen. Ante los técnicas estadísticas que nos permitenmás densas en el interior de los primeros resultados, la discusión se obtener la población del cúmulo decúmulos tienden a albergar galaxias centró en primer lugar sobre su estado manera suficientemente precisa para loselípticas y lenticulares, como hemos dinámico, habiendo astrónomos que propósitos que perseguimos. Por lasvisto en el caso del cúmulo de Virgo cuestionaban su estabilidad. Dado que mismas razones, tampoco es posible(M84, M86, M87), mientras que las las conclusiones que se obtengan disponer de la masa de cada galaxia, degalaxias espirales se encuentran dependen precisamente de si están modo que hay que obtenerla de manerapreferentemente en regiones de más estabilizados o no, ése es un punto indirecta. El parámetro que suele usarsebaja densidad o en los grupos crucial. Finalmente, con la acumulación es la de la relación Masa-Luminosidad,pequeños, como hemos visto en el caso de datos que se ha ido produciendo, M/L. De los estudios individuales dedel Grupo Local (Andrómeda y la Vía queda patente que al menos las partes diferentes galaxias se puede obtenerLáctea). Esta segregación morfológica, centrales de los cúmulos están valores representativos de dichoque pone de manifiesto una estrecha estabilizadas y las consecuencias del parámetro para los diferentes tipos deinfluencia entre las propiedades del estudio dinámico son inapelables: la galaxias. De esa forma, al estudiar un 67
    • Z = 00.00 Z = 00.00Figura 3.5. Estas dos figuras muestran ladistribución de la materia oscura(izquierda) y el gas (derecha) en un cúmulode galaxias simulado numéricamente. Es cúmulo de galaxias, podemos total del gas caliente es muymuy apreciable la diferencia entre ambas transformar las luminosidades medidas importante. Pero para ello hubo quedistribuciones. Mientras que la materia en masas estimadas y obtener la masa esperar a los telescopios espacialesoscura presenta una gran subestructura, total del cúmulo. capaces, al evitar la atmósfera, decon miles de pequeños objetos del tamañode galaxias individuales, el gas se Motivado por los resultados de sus observar en esas longitudes de onda deldistribuye de forma difusa. Aquellos análisis (que veremos a continuación), espectro electromagnético.objetos que caen al cúmulo por efecto de Zwicky había conjeturado que la Las razones físicas que se dieron ensu atracción gravitatoria pierden su gas materia necesaria para poder explicar la aquel momento para prever la presenciaformando “colas de marea” comoconsecuencia de la presión que ejerce el dinámica de los cúmulos, si bien no era de gas caliente en los cúmulos degas que hay en el interior del cúmulo. El luminosa en las bandas espectrales en galaxias son relativamente directas y setamaño físico de la imagen es de unos 3 las que se había medido, podría quizás explican a continuación. Las galaxiasMpc. Cortesía de Yago Ascasíbar. manifestarse en otras regiones que forman un cúmulo están en un espectrales, por estar en condiciones medio de alta densidad, en el que las físicas muy diferentes. Podía estar en colisiones y las interacciones son forma de estrellas muy frías y polvo, frecuentes. En algunos casos se produce que se manifestarían en el infrarrojo, o una fusión, como vimos para IC1182 en forma de gas muy caliente, cuya (que pertenece al cúmulo de Hércules), emisión habría que buscar en la región y el gas de cada galaxia se convierte de los rayos X. Los datos ulteriores han muy rápidamente en estrellas. En mostrado que la contribución a la masa muchos otros, esa interacción arranca68
    • Star (?) 10 arcmin NGC 4860 NGC 4889 NGC 4858 NGC 4874 IC 4040 IC 4051 NGC 4921 QSO 1256+281QSO 1259-281 NGC 4839QSO 1258-280 AGC 221162 (?)NGC 4911 NGC 4827 Figura 3.6. En la imagen de la derecha podemos observar una imagen en el ópticograndes cantidades de gas de las contexto cosmológico, que incorporan del cúmulo de la Coma situado a unos 100 Mpc de nuestra Galaxia. Se trata de ungalaxias, que pasa al medio gas y sus procesos de calentamiento y cúmulo compacto con más de mil galaxias.intergaláctico dentro del cúmulo. Este enfriamiento, sugieren que el gas En la imagen de la izquierda se muestra ungas queda por su parte atrapado dentro caliente de los cúmulos sea, en su mosaico realizado a partir de 16 exposicionesdel campo gravitatorio del cúmulo, mayor parte, gas primordial calentado del telescopio espacial en rayos X, XMM Newton. Sobre esta imagen se ha situado uncalentándose a las temperaturas que por choques hidrodinámicos que siguen rectángulo que corresponde al campo de lacorresponden a la dispersión de al colapso y, en su caso, a las fusiones imagen en el óptico. Algunas fuentesvelocidades, es decir, decenas o que dieron lugar al cúmulo (figura 3.5). puntuales pueden ser detectadas, debido alcentenares de millones de grados. Este A esas temperaturas, los átomos más extraordinario poder colector del telescopio, e identificadas como galaxias del cúmulo. Latipo de argumentos llevan a concluir ligeros (como el hidrógeno y el helio) intensidad de la radiación X se haque debe existir una gran cantidad de están totalmente ionizados, es decir, representado con falsos colores, siendomateria a esas temperaturas en el han perdido todos sus electrones, mayor en el centro del cúmulo. La imagencúmulo y, más importante aún, que mientras que los átomos más pesados proporciona también una clara visión de la estructura del cúmulo, mostrando cómo lasdebe haber una gran cantidad de (magnesio, silicio, hierro, etc.) galaxias en torno a NGC4839, en la partemateria oculta que mantenga atrapado consiguen conservar alguno de los inferior derecha, se están moviendo hacia eleste gas tan caliente. En los últimos electrones más internos. centro del cúmulo. Cortesía de Jim Mistiaños, las simulaciones numéricas de El plasma que se forma en (óptico) y U. Briel, MPE Garching, y ESA (rayos X), MPE Garching, y ESA (rayos X).formación de cúmulos de galaxias en un el cúmulo emite intensamente en el 69
    • dominio de rayos X, tanto por el emitidos. Al conocer la presión, la del cúmulo, si somos capaces de medirfrenado de los abundantes electrones hipótesis de equilibrio hidrostático (que esas velocidades, podremos estimar esalibres que circulan por el medio a debe mantenerse en el cúmulo, ya que masa. Más exactamente, podemos decirelevadísimas velocidades al tropezarse en caso contrario se observarían grandes que la distribución de velocidades estácon los iones, como por las líneas de movimientos del gas, algo que no se ha relacionada con la energía cinética (K)emisión que emiten los átomos pesados detectado en 50 años de observaciones) y la masa total del cúmulo y sucuando uno de los escasos electrones nos permite obtener no solamente la distribución espacial con la energíaque han retenido cambia de nivel masa total del cúmulo, sino también la potencial (U), y en un sistemaenergético. En ambos casos se produce forma en la que está distribuida dentro gravitacionalmente ligado y enuna emisión de fotones muy energéticos del mismo. equilibrio, la relación entre ambas vieneen rayos X que permite tener una visión Como conclusión, hoy sabemos que determinada por el teorema del virialcompletamente diferente de los la mayor parte de la materia luminosa de (2K + U = 0). Conociendo la extensióncúmulos de galaxias: son áreas difusas y un cúmulo de galaxias se encuentra en del cúmulo y la dispersión deextensas en las que la emisión en rayos forma de gas caliente intracumular, velocidades —cantidad que nos diceX demuestra la existencia de grandes siendo la masa encerrada en las galaxias cuál es la rapidez media con la que senubes de gas caliente e ionizado, con una pequeña fracción tan sólo de la mueven las galaxias dentro deltemperaturas del orden de 107 K, misma. cúmulo— y aplicando el teorema delllenando el espacio que dejan las virial, podemos determinar la masagalaxias en el seno del cúmulo 3.3.2. La masa dinámica total del cúmulo.(figura 3.6). Como ya hemos apuntado Las características y distribución de Venimos repitiendo que la masa anteriormente, en la década de 1930,esa emisión reflejan las condiciones luminosa no es suficiente para explicar el astrónomo suizo Fritz Zwicky pudogenerales del cúmulo y, en particular, el estado de los cúmulos o, en otras determinar la dispersión de velocidadessu estado dinámico. En efecto, el palabras, que es inferior a la masa del cúmulo de la Coma, ilustrado en laplasma intracumular está en dinámica necesaria para mantenerlos en figura 3.6, situado a unos 100 Mpc,condiciones de equilibrio hidrostático, equilibrio. ¿Cómo se mide la masa de midiendo los desplazamientos hacia ello cual significa que su presión un cúmulo? Como ya apuntamos al rojo de 8 galaxias. Admitiendo que lascontrarresta la acción de la gravedad (al hablar de las galaxias elípticas, el galaxias están en un sistema enigual que ocurre en el interior de las equilibrio dinámico de un sistema equilibrio, la media de las velocidadesestrellas). Gracias a las técnicas de como un cúmulo requiere que las correspondientes a esos valores de zobservación en rayos X, los astrónomos galaxias se muevan como las abejas en representaría el sistema en su conjunto,han sido capaces de medir la presión un enjambre (como se ilustra en la mientras que las diferencias individualesdel gas en los cúmulos, combinando figura 3.7), compensando de ese modo con respecto a esa media darían lasla medida de su temperatura —reflejada el potencial gravitatorio. Puesto que las velocidades de cada galaxia en elen el espectro de emisión— y de la velocidades de las galaxias son sistema. De ese modo, se puede obtenerdensidad del gas que se deriva consecuencia de la influencia la dispersión de velocidades. El valorde la intensidad de los rayos X gravitatoria ejercida por toda la masa encontrado era 1.000 km/s. Por otro70
    • Elíptica Espiral Irregularlado, Zwicky razonó que la masa totaldel cúmulo sería, como antes dijimos,la suma de las masas de todas lasgalaxias, que estimó a partir de susluminosidades. Aplicando el teoremadel virial, encontró que esa masa, la Observación desdeluminosa, era muy inferior a la que se la Tierranecesitaría para mantener el sistema enequilibrio. De modo que, o había queabandonar la idea de que el cúmuloestuviese en equilibrio (lo cual planteamás problemas de los que resuelve) oera forzoso concluir que una gran partede la masa del cúmulo estaba, enpalabras de Zwicky, oculta. Desplazamiento hacia el azul Desplazamiento hacia el rojo Esta conclusión, con los reajustes No hay desplazamientonuméricos debidos al refinamiento delas medidas, se mantiene en toda suextensión: la masa luminosa de loscúmulos asociada a las galaxias es muy Figura 3.7. Un observador puede detectar la componente en la línea visual de las velocidadesinferior a la masa dinámica total, de la peculiares de las galaxias que forman parte de un cúmulo, midiendo los desplazamientos hacia el rojo de cada una de las galaxias individuales. Con ello podemos obtener una medida bastante fielque a lo sumo representa un 5%. de la dispersión de velocidades y estimar la masa total del cúmulo como hizo F. Zwicky. A partir deCuando se incluye también la masa una figura de E. Chaison y S. McMillan 2002, Astronomy Today, Prentice-Hall, Inc.luminosa en rayos X, es decir, la del gascaliente intracumular, que esmayoritaria, el resultado final es que lamasa luminosa del cúmulo no supera el20% de la masa total. El 80% restante 71
    • sabemos que los rayos de luz se desvían bajo la acción de la atracción gravitatoria Posición aparente de la estrella durante ejercida por un cuerpo. Esto es lo que se el eclipse solar conoce como el efecto lente gravitatoria. Einstein, con su teoría de la Posición real Relatividad General recién estrenada, (es la posición donde se puede calculó la desviación de la luz de una observar la estrella cuando no hay eclipse solar) estrella lejana producida por la masa del Sol cuando pasa cerca de su superficie. El ángulo de deflexión debería ser muy pequeño: 1,74 segundos de arco. Para El Sol durante un eclipse medirlo era necesario aprovechar un eclipse total de Sol y comparar la posición de las estrellas en torno alFigura 3.8. En este esquema se muestra limbo solar durante el eclipse con lacómo los rayos de luz de una estrelladistante se doblan cuando pasan por las constituye la llamada materia oscura posición de esas mismas estrellasproximidades del limbo solar. Esta que, como luego veremos, tiene que ser cuando el Sol no se encontraba en sudeflexión sólo podía observarse de naturaleza diferente a la bariónica. línea visual (figura 3.8). Unaaprovechando un eclipse total de Sol, en el expedición liderada por Arthurque la Luna oculta el disco solar. Durantelos minutos que dura el eclipse, la posición 3.3.3. Otra forma de medir las masas. Eddington a la Isla de Príncipe en lade la estrella se observa desplazada El efecto lente en cúmulos de galaxias costa oeste de África y a Sobral enrespecto a su posición cuando el Sol no Brasil para observar un eclipse total deestá presente. Existe otro método completamente Sol en 1919 sirvió para confirmar que diferente para estimar la masa total de la predicción de Einstein se cumplía. los cúmulos que está basado en el efecto Supuso el primer triunfo público de la producido por la acción gravitatoria Teoría de la Relatividad General. sobre los rayos luminosos. Además de En 1937 Zwicky fue de nuevo el afectar el movimiento de los cuerpos primero en predecir que este fenómeno materiales, la fuerza de la gravedad provocaría la amplificación y distorsión también influye en la trayectoria de los de la luz de galaxias lejanas al ser rayos de luz, algo que el propio Isaac observadas a través de un objeto Newton conjeturó en 1704 cuando se masivo, y en proponer la utilización preguntaba en su libro de Óptica: “¿No de este efecto para medir la masa de actúan los cuerpos sobre la luz a cúmulos y galaxias (figura 3.9). La distancia, y por esta acción tuercen sus fuerza de este método consiste en que rayos; y no es esta acción [...] más los rayos de luz de objetos lejanos fuerte a distancias menores?”. Hoy sienten la acción de toda masa72
    • Imágenes del Hubblecontenida en la lente, sea ésta oscura ovisible, y es, de hecho, la única formaque conocemos para medirdirectamente la masa total de un objetocósmico sin intermediarios. Los astrónomos tuvieron queesperar, sin embargo, casi medio siglopara observar el fenómeno predicho porZwicky. El fenómeno causado por laslentes gravitatorias ya había sido puestode manifiesto con el estudio deimágenes dobles de cuásares, y amediados de la década de 1980 se pudodemostrar fehacientemente que setrataba de imágenes múltiples de unmismo cuásar, mostrando cómo lascurvas de luz de ambas imágenes eranexactamente iguales pero desplazadas enel tiempo, debido a la diferencia decamino óptico entre ambas. Figura 3.9. En este esquema se muestra cómo actúa una lente gravitatoria, aquí representada porConfirmación en la que se participó un solo cuerpo, pero que ciertamente podría ser un cúmulo de galaxias. El efecto que produce la lente dependerá de la posición relativa entre lente, objeto y observador. A veces se producenactivamente desde el Observatorio de anillos, como el llamado anillo de Einstein, B1938+66, ilustrado en la imagen superior derecha (laCalar Alto. Hacia la misma época, el galaxia-lente es el disco brillante que se ve en el centro del anillo, imagen del HST). La imagenaumento extraordinario de sensibilidad del medio corresponde al caso de múltiples imágenes, cuatro en este caso, producido por la lenteque supuso el uso generalizado de G2237+030, conocido como la cruz de Einstein. Para que se produzca esta multiplicación de imágenes es necesario que la lente, el receptor y el emisor estén perfectamente alineados. Encámaras CCD en los grandes general se producen imágenes más complejas, en forma de arcos, como los que se observan en eltelescopios hizo posible que se caso de la deflexión producida por cúmulos de galaxias, como se ilustra en la imagen inferior.descubrieran varias estructuras Cortesía de ESA. 73
    • alargadas, con forma de arco, en la lente elíptica también perfectamente que contiene, e incluso la forma en laparte central de algunos cúmulos de alineada produce una cruz de Einstein, que está distribuida.galaxias masivos. Hubo una como se ilustra en la figura 3.9. La necesidad de resolución y calidadconsiderable polémica sobre su Hoy en día se han detectado cerca de imagen hacen del Hubble Spacenaturaleza hasta que los datos de un centenar de lentes gravitatorias, Telescope, sobre todo tras la instalaciónespectroscópicos probaron que estos y este efecto se ha convertido en una de la Advanced Camera for Surveysobjetos no pertenecían al cúmulo, sino herramienta fundamental para pesar e (ACS), el instrumento ideal paraque se trata de objetos lejanos, situados incluso medir la distribución de obtener los datos que requieren esosa distancias mucho mayores que la del materia en los cúmulos de galaxias, análisis. El HST ha proporcionadopropio cúmulo, cuyas imágenes están herramienta que también se aplica, imágenes de gran interés científico, edistorsionadas por el efecto lente con el mismo fin, a grupos de galaxias incluso de indudable valor estético, queproducido por el propio cúmulo. En o a galaxias elípticas individuales. han permitido a los astrónomos aplicarmuchos casos, las lentes gravitatorias Dado que el efecto es tanto mayor este método con grados de precisiónincrementan notablemente el brillo cuanto más grande y más concentrada probablemente nunca soñados ni por laaparente de las fuentes remotas, de está la materia de un cúmulo, los fértil imaginación de Zwicky (figuramanera semejante a como lo hace una candidatos ideales son aquellos más 3.10). Todos los análisis prueban, sinlente óptica, haciendo visibles objetos masivos. Una vez seleccionados, ninguna duda, la existencia de materiaque de otro modo no lo serían, debido deberemos buscar las imágenes oscura en la parte central de losa que son demasiado débiles para ser distorsionadas que corresponderán a cúmulos de galaxias.detectados. objetos situados muy lejos, detrás del Estos estudios, que en los últimos Si bien la detección y medida puede cúmulo. En la práctica requiere de años están en razonable acuerdo con losser muy difícil y compleja, la física del observaciones muy precisas y de alta obtenidos a través de la emisión deefecto lente es relativamente simple y, calidad. Desde el punto de vista del rayos X y de los estudios dinámicos,por lo tanto, la interpretación de las análisis, también se requieren métodos permiten afirmar que el perfil de masaobservaciones es relativamente directa. muy elaborados, ya que la lente observado de los cúmulos de galaxiasEs fácil imaginar que cuanto mayor es gravitatoria que desvía la luz está está en buen acuerdo con el modelola masa de la lente gravitatoria, mayor formada por todas las componentes de estándar de distribución de la materiaes el ángulo de deflexión de las masa del cúmulo, lo que puede oscura. Las masas estimadas por eltrayectorias de los rayos de luz. Por otro producir un resultado muy complejo método del efecto lente gravitatoria sonlado, la configuración objeto-lente- con imágenes múltiples de un mismo compatibles con las de los otrosobservador dará también lugar a objeto en muchas ocasiones. métodos y tiene la ventaja adicional quediferentes tipos de distorsiones y de Recomponiendo el rompecabezas que no hace ninguna hipótesis sobre elimágenes múltiples. Así, una lente suponen estas múltiples visiones de un estado del cúmulo y, además,esférica perfectamente alineada con el mismo objeto y estudiando la proporciona una estimación directa deobjeto emisor y el observador, produce distorsión de otros menos afectados la masa total del cúmulo ya estéuna estructura característica llamada por la masa del cúmulo, se puede constituida por galaxias, gas o materiaanillo de Einstein, mientras que una ponderar la cantidad total de masa oscura.74
    • Los cúmulos también nos permitenrealizar un importante test cosmológico:la medición de la cantidad de barionesen el Universo. La mayor parte de losbariones o materia normal, de la queestamos hechos nosotros y los objetosque nos rodean, se encuentra en formade gas caliente que emite en rayos X.Ésta supone, como máximo, alrededorde un 15-20% de la masa total delcúmulo. La masa en estrellas,incluyendo todas las contribucionesposibles, es menos de un 5%, y lasobservaciones parecen mostrar que lacantidad de gas difuso y frío que noemite en rayos X es muy pequeña,alrededor de un 0,1% de la masa total.En resumen, alrededor del 20% de lamasa del cúmulo está formada porbariones.3.4. El Universo a gran escala Figura 3.10. El cúmulo de galaxias Abell 1689 situado a unos 730 Mpc (z=0,18) visto3.4.1. Grandes estructuras: por la cámara ACS a bordo del Hubbleobservaciones 1986 contenía aproximadamente 1.000 Space Telescope. Los arcos que se observan galaxias en un ángulo sólido de 120º en entre los centenares de galaxias queComo se indicaba en la introducción de ascensión recta y 6º de declinación, con conforman el cúmulo son imágenes múltiples de galaxias individuales situadaseste capítulo, desde la década de 1980 una profundidad de unos 200 Mpc. Era mucho más lejos que el propio cúmulo. Suse han ido construyendo cartografiados el catálogo del Center for Astrophysics luz ha sido distorsionada y amplificada porde amplias regiones del cielo, midiendo de Harvard, que sorprendió a la toda la masa del cúmulo, actuando comolos desplazamientos al rojo de miles de comunidad astronómica por la una lente gravitatoria. Cortesía de NASA, N. Benítez (JHU), T. Broadhurst (The Hebrewgalaxias, creando así auténticos mapas presencia de estructuras (filamentos, University), H. Ford (JHU), M. Clampintridimensionales de la estructura a gran paredes y vacíos) casi tan grandes como (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworthescala del Universo trazada por la el propio volumen cartografiado (figura (UCO/Lick Observatory), el ACS Sciencedistribución de galaxias. La primera 3.11). Estos catálogos están limitados Team y ESA.“rebanada del Universo” publicada en en flujo, es decir, son completos en la 75
    • profundidad del orden de 1.000 Mpc, como en el caso del Two-Degee Field Galaxy Redshift Survey (2dFGRS), realizado con un espectrógrafo multifibra instalado en el telescopio anglo-australiano de 3,9 m y que ha medido el desplazamiento hacia el rojo de aproximadamente 250.000 galaxias, o en el del Sloan Digital Sky Survey NGC 4881 (SDSS), realizado con un telescopio de 2,5 m situado en Nuevo México y dedicado en exclusiva a este proyecto. Tierra Su objetivo es cubrir aproximadamente la mitad del cielo y al final contendrá cerca de 1.000.000 de galaxias con un desplazamiento al rojo de hasta 0,25. El tejido cósmico revelado por estos cartografiados nos muestra unaFigura 3.11. En este esquema vemos cómose realizan los cartografiados que muestran estructura filamentosa, en la quela distribución de galaxias a gran escala. La región del cielo que observan hasta una supercúmulos del tamaño de algunasgalaxia NGC4881, en el cúmulo de la Coma magnitud aparente límite, lo que implica decenas de Mpc se organizan en torno a(ver figura 3.6), presenta un que no son homogéneos con la regiones vacías, con un diámetro quedesplazamiento hacia el rojo de z = 0,024,que corresponde a una distancia de 100 profundidad: a grandes distancias, sólo puede alcanzar los 60 Mpc, en las queMpc. Obteniendo el desplazamiento hacia las galaxias intrínsecamente más brillantes la densidad de galaxias es muy bajael rojo de cada una de las galaxias pueden detectarse, lo que puede sin duda (figura 3.12). Los cúmulos de galaxiaspresentes en esta “rebanada” del Universo, introducir sesgos y extraños efectos en la más ricos se sitúan en los nodos de estaV. de Lapparent, M. Geller y J. Huchraobtuvieron en 1986 este mapa distribución observada. red cósmica, siendo éstos los lugares detridimensional de la distribución de A partir de este momento se mayor densidad, mucho mayor que lagalaxias. siguieron diferentes estrategias densidad en los filamentos, que observacionales para construir estos solamente son dos o tres veces más cartografiados cósmicos: o bien se densos que los propios “vacíos”. Las decidía cubrir una región amplia del estructuras mayores alcanzan un cielo y se sacrificaba la profundidad, o tamaño de 200 Mpc, mientras que a bien en una pequeña área del cielo se partir de esta escala el Universo empieza sondeaba hasta grandes distancias. Los a ser más homogéneo, en el sentido de proyectos más recientes han tratado de que volúmenes de este diámetro cubrir regiones amplias con una contienen porciones de Universo que76
    • son muy semejantes entre sí,independientemente de su ubicación(figura 3.13). Para caracterizar estadísticamentela distribución de galaxias se utilizandiferentes cantidades que describen latendencia al agrupamiento, la amplitudde las fluctuaciones de densidad adiferentes escalas, o la presencia dedeterminadas características Figura 3.12. Una región del catalogo 6dFmorfológicas en la estructura a gran marcada por la presencia de varios “vacíos” deescala como filamentos, paredes, etc. gran diámetro. Cortesía de A. Fairall.Uno de los estadísticos más utilizados esla función de correlación a dos puntos,ξ(r), que mide cómo se agrupan las al agrupamiento característica de lagalaxias reales en comparación con una macroestructura cósmica.distribución que fuese completamente Recientemente se ha detectado quealeatoria, de modo que ξ(r) > 0 indica a escalas de 140 Mpc la función deexceso, mientras que ξ(r) < 0 indica correlación presenta un marcado máximo Figura 3.13. La distribución de galaxias endefecto en el agrupamiento si se local, como una pequeña elevación que el catálogo 2dGRSF. La profundidad de esta muestra alcanza los 900 Mpc. En estascompara con una distribución aleatoria. rompe la tendencia marcada por la ley de dos rebanadas hay 250.000 galaxias. LaEl análisis de los catálogos potencias (figura 3.14). Este pico jerarquía de estructuras no continúa detridimensionales de galaxias ha corresponde a lo que se conoce como forma ininterrumpida, sino que a escalasmostrado que la función de correlación oscilaciones bariónicas, directamente suficientemente grandes los patrones que forman las macroestructuras cósmicas sonsigue una ley de potencias de la forma relacionadas con la correlación entre semejantes en cualquier parte del Universoξ(r) ∞ (r/8 Mpc)-1,8, para r < 30 Mpc. fluctuaciones de temperatura que se y la distribución de galaxias se haceEl denominador de la cantidad entre miden en la radiación cósmica de fondo, relativamente homogénea.paréntesis es la llamada longitud de de las que hablaremos en el capítulocorrelación, r0 = 8 Mpc. Su siguiente. Este nuevo dato de observacióninterpretación es la siguiente: a 8 Mpc concuerda con la teoría de formación dede una galaxia cualquiera, la densidad estructura cósmica y con la densidad dees, en promedio, el doble de la materia bariónica que se determina adensidad media de galaxias en el partir de los estudios de radiaciónUniverso. A escalas inferiores a esta cósmica de fondo y de la núcleo-síntesisdistancia, la densidad aumenta primordial, aportando así una nuevaconsiderablemente, siguiendo una ley fuente de estudio para caracterizar lasde potencias, atestiguando la tendencia propiedades del Universo. 77
    • Figura 3.14. La función de correlación a dos puntos de las galaxias del SDSS, mostrando el comportamiento de ley de potencias y el pico acústico bariónico a unos 140 Mpc (h es la constante de Hubble en unidades de 100 km/s Mpc-1 y su valor determinado observacionalmente es aproximadamente 0,72). densidad media del Universo, pero en modelo de Adhesión. Se trata el Universo primitivo el contraste de simplemente de añadir un término de densidad entre las regiones más densas viscosidad al popular modelo de y las menos densas era Zeldovich (incorrectamente llamado de extraordinariamente pequeño, como los pancakes), que actuaría sólo en las3.4.2. Grandes estructuras: reflejan los valores de las anisotropías en —inicialmente— pequeñas regionessimulaciones la radiación cósmica de fondo que donde hay grandes variaciones de estudiaremos en el próximo capítulo. velocidad en el fluido cósmico, o,Como ya se ha indicado anteriormente, Las teorías de formación de estructura equivalentemente, densidadesla formación de las galaxias y de los han de explicar cómo se ha pasado de extraordinariamente altas, que secúmulos se produce por amplificación una situación casi homogénea, con conocen como singularidades ogravitatoria de pequeñas fluctuaciones pequeñas perturbaciones en la cáusticas en lenguaje matemático. Estade densidad. Este escenario se conoce densidad, a la distribución de galaxias viscosidad evita el cruce de capascomo crecimiento por inestabilidad observada actualmente, con fuertes inherente al modelo de Zeldovich,gravitacional, en el cual las pequeñas contrastes. Para valores pequeños del produciendo la adherencia de la masaperturbaciones crecen por colapso contraste de densidad, podemos en torno a estas semillas de grangravitatorio atrayendo la materia perturbar las ecuaciones que gobiernan densidad. El modelo de Adhesióncircundante, en un proceso de un Universo homogéneo e isótropo y permite saber aproximadamente dóndeagrupamiento gravitacional en el calcular analíticamente su evolución. y cuándo van a aparecer las cáusticas,que se va formando una intrincada red Mediante ciertas aproximaciones, pero no permite saber nada acerca detridimensional de filamentos que podemos incluso adentrarnos en la distribución de masa dentro de losenlazan concentraciones de masa en contrates de densidad mayores, lo que objetos que se forman portorno a los futuros cúmulos de galaxias, técnicamente se conoce como el agrupamiento gravitatorio. El modelomientras que, al mismo tiempo, se régimen no lineal. Así, por ejemplo, la de Press-Schechter y susproduce evacuación de materia de los formación de la red tridimensional de modificaciones permite calcular, degrandes vacíos. filamentos con nodos masivos, forma probabilística, los perfiles La densidad en las galaxias es hoy mencionada en el párrafo anterior, se de densidad de masa de los cúmulos deen día miles de veces superior a la puede explicar en el marco del llamado galaxias si se asume simetría esférica.78
    • Para conocer la distribución de de algoritmos. Más tarde se todo a la aparición de discontinuidadesmasa en el régimen no lineal de una introdujeron métodos que combinaban u ondas de choque en el fluido. Graciasforma realista, incluyendo los las dos estrategias o que incluso al dramático desarrollo de la capacidadfilamentos y sus nodos o cúmulos, utilizaban mallados con celdas de de cálculo y memoria de loses necesario utilizar simulaciones diferentes tamaños, adaptándose a la ordenadores y sus nuevas arquitecturas,numéricas de N cuerpos. Estas densidad local, de manera que se así como al desarrollo de nuevossimulaciones nos permiten estudiar la utilizan mallas más finas en las regiones métodos para la integración de lasevolución de las perturbaciones de de mayor densidad. El progreso en la ecuaciones de la hidrodinámica (comodensidad y la formación de las grandes capacidad de computación y en la el llamado Smooth Particleestructuras observadas. adecuación de los algoritmos ha Hydrodynamics (SPH), o los basados en Los primeros métodos numéricos permitido que se elaboran modelos el algoritmo de Godunov), hoy resultaintegraban las ecuaciones de donde N se acerca al billón. factible realizar simulacionesmovimiento de N partículas, haciendo Queda claro que las simulaciones cosmológicas en grandes volúmenesuna suma directa de las fuerzas entre pueden proporcionarnos la distribución incorporando el gas.cada par, lo que resulta ser muy costoso de la materia que, como hemos visto El paso siguiente es analizar elcomputacionalmente cuando se ya, es fundamentalmente oscura. De comportamiento de la materia bariónicapretende utilizar valores grandes de N modo que el resultado de las para poder llegar a identificar laspara hacer las simulaciones más simulaciones no es en principio galaxias en nuestras simulaciones. Pararealistas. Por otro lado, dado que no comparable con los resultados extraídos obtener detalles de lo que ocurre apuede decirse que el Universo tiene una del análisis de los catálogos de galaxias, escalas menores, en las que la materiafrontera, las condiciones de contorno que sólo contienen información sobre la bariónica puede ya jugar un papeldeben formularse de manera adecuada. materia luminosa. Por otro lado, dado destacado, es necesario introducir otrosDe modo que en estas simulaciones se que la materia oscura se supone que procesos que son relevantes a esasusan condiciones de contorno sólo interacciona gravitatoriamente, escalas: la formación de estrellas y susperiódicas, lo que resulta difícil de podemos confiar en que las consecuencias energéticas y deprogramar con algoritmos de sumas simulaciones den una buena enriquecimiento químico del medio,directas de las fuerzas. En la década de representación de su distribución. Para mediante, por ejemplo, las explosioneslos ochenta, se introdujeron métodos comprender el origen y la dinámica del de supernovas y los vientos de lasbasados en mallas de puntos, de manera gas caliente observado, por su emisión estrellas masivas. La complejidad deque la evolución de la densidad se en rayos X, en los cúmulos de galaxias, estos mecanismos y fenómenos es talcalcula sobre los nodos de esa red. es preciso incorporar gas a las que por el momento la disciplina seEstos procedimientos son simulaciones y describir su evolución encuentra en estado que podríamoscomputacionalmente más eficientes y, mediante las ecuaciones de la llamar incipiente. La mayor parte delademás, en ellos las condiciones hidrodinámica y de la termodinámica, trabajo es, de hecho, un formidable retoperiódicas de contorno son fáciles de que permiten estudiar su calentamiento para el futuro inmediato. Laimplementar. El tamaño de la celda y enfriamiento. Esto complica importancia del problema y el progresolimita la resolución espacial en este tipo enormemente el cálculo, debido sobre creciente en la tecnología de los 79
    • 125 Mpc/h 125 Mpc/h adecuado (el rango de escalas sobre el que el método computa fiablemente las interacciones), y algunas ya incorporan gas en volúmenes enormes (figura 125 Mpc/h 125 Mpc/h 3.16). Existen diferentes técnicas para obtener catálogos simulados de galaxias a partir de las simulaciones cosmológicas (simulacros), que podemos comparar con las observaciones de la distribución de galaxias. Además, de esta maneraFigura 3.15. Estos cuatro paneles muestran la podemos también comprobar elevolución de una región del Universo obtenida funcionamiento de los métodos depor la simulación cosmológica conocida como ordenadores hacen que el campo de las análisis de las observaciones, ya que en“Milennium Run”. En la simulación completase han utilizado más de diez mil millones de llamadas simulaciones cosmológicas, los simulacros la informaciónpartículas para trazar la evolución de la capaces de acabar dando la verdadera disponible es completa: de cada galaxiadistribución de la materia en un volumen distribución no sólo de la materia conocemos todos los detalles, masa,cúbico de 625 Mpc de lado. La simulación oscura, sino también de las galaxias y posición, velocidad real, etc., mientrasestuvo ejecutándose durante un mes en elsuperordenador principal del Centro de del gas intracumular, esté en continua que esto no es así, como ya se haSupercomputación de la Sociedad Max Planck evolución. explicado, en las observaciones.en Garching (Alemania). Los diferentes paneles Las simulaciones cosmológicas Variando los parámetros cosmológicoscorresponden a diferentes épocas en la actuales, como las que se ilustran en la en las simulaciones y haciéndolasevolución del Universo. Las edades delUniverso en cada panel (de arriba a abajo y de figura 3.15, combinan muchos de los evolucionar, obtenemos diferentesizquierda a derecha) son 210, 1.000, 4.700 y aspectos deseables para que sean distribuciones de materia a gran escala.13.600 millones de años. consideradas realistas: se realizan en un La comparación de estas distribuciones volumen grande y con un elevado con las observaciones reales nos número de partículas, con una buena proporciona una valiosísima resolución y un rango dinámico información sobre los modelos80
    • cosmológicos que mejor explican losdatos observacionales. Las simulacioneshidrodinámicas son también muyadecuadas para comprender laestructura, formación y evolución delos cúmulos de galaxias en susdiferentes aspectos, así como lalocalización de los bariones noobservados por el momento, cuyapresencia en el Universo se deducedel análisis de las anisotropías delfondo cósmico de microondas y de lanúcleo-síntesis primordial.3.4.3. Distribución del gas en elmedio intergaláctico general Figura 3.16. Esta imagen muestra la distribución de gas a gran escala en el Universo. Se ha obtenido a partir de los datos de una de las simulaciones hidrodinámicas más grandes llevadas a cabo hasta la fecha. Para ello se simula la formación de estructuras en un volumen cúbico deLas simulaciones numéricas nos Universo de 500 Mpc de lado. La materia oscura y el gas son modelizados con más de 2 mil millonesmuestran que, en el proceso de de partículas y se consideran las fuerzas gravitatorias e hidrodinámicas que actúan sobre ellas. Laformación de galaxias y cúmulos, imagen representa la densidad de gas en una proyección de un corte del cubo total de unos 150una parte importante de la materia Mpc de profundidad. Se aprecian claramente las estructuras que constituyen el tejido cósmico a gran escala, trazado por la distribución subyacente de materia oscura. Los zonas brillantesbariónica queda fuera de las estructuras representan el gas en los cúmulos de galaxias, que se encuentra a una temperatura tan alta que esque se forman (galaxias, cúmulos, etc.). capaz de emitir rayos X. El gas en los filamentos está mucho más frío y solamente puede serEsto nos permite interpretar algo que detectado por las trazas que deja en el espectro de la luz que proviene de los objetos másdesde hace casi 40 años se ha estado primitivos (cuásares). Esta simulación recibe el nombre de MareNostrum Universe, por haber sido realizada en el superordenador MareNostrum del Centro Nacional de Supercomputación endetectando en el espectro de los Barcelona, y es el resultado de una colaboración internacional llamada MareNostrum Numericalcuásares lejanos: la presencia de Cosmology Project. Cortesía de Gustavo Yepes.deficiencia en la luz emitida en ciertas 81
    • partes del espectro, una especie de átomos de hidrógeno) nos llega millones de grados, siguiendo los“dentelladas” en la distribución desplazada al rojo, gracias a la filamentos en los que se distribuyeespectral de energía observada. La expansión del Universo y, por tanto, la también la materia oscura en elidea que emerge es que esas podemos observar en el rango óptico Universo. En estas circunstancias, y aldeficiencias son debidas a que parte con telescopios convencionales igual que ocurre en el interior de losde la luz emitida por esas fuentes (recordemos aquí el efecto de la cúmulos, el hidrógeno está totalmentelejanas es absorbida por gas, que se corrección k, presentado cuando ionizado y, por tanto, no deja líneas deencuentra entre la fuente y nosotros, hablábamos de galaxias). En ese absorción en el espectro de la luz queen la línea de visión. De este modo, Universo distante, las nubes de los atraviesa. Para detectar esa fracciónla luz que recibimos de los objetos absorción de hidrógeno tienen de gas intergaláctico tan caliente, serámás distantes en el Universo no nos temperaturas en el rango de los diez mil necesario buscar la absorción quetrae solamente información de lo grados. Sin embargo, gracias al Hubble producen otros elementos menosque ocurrió cuando esta luz se Space Telescope y otros observatorios abundantes (como el oxígeno) pero queemitió, sino de lo que le ha ocurrido que nos han permitido acceder a la mantienen algún electrón atrapado aa lo largo de su viaje por el espacio ventana ultravioleta del espectro de la esas temperaturas. Aunque se hahasta nosotros. luz, se ha podido verificar que el empezado tímidamente a detectar esta La mayor parte de estas líneas de número de estas nubes de gas componente perdida, habrá que esperarabsorción, que dejan su huella en el disminuye dramáticamente cuando nos a la próxima generación deespectro de los cuásares, están vamos acercando a nuestra era actual. espectrógrafos de rayos X.causadas por nubes de hidrógeno, Una parte de estas bolsas de átomosnada sorprendente ya que éste es el habrían sido capturadas por galaxias, 3.4.4. Sutiles distorsioneselemento químico más abundante pero la mayoría quizás siga libre. gravitatorias. Una nueva maneraen el Universo. Las absorciones más Aunque es materia de estudio y de sondear lo oscurointensas son atribuibles a galaxias debate todavía, podría ser que del totalenteras que se ven atravesadas por la de bariones que contiene el Universo, Como hemos visto anteriormente, losluz del cuásar que observamos, pero además de los que ya conocemos en las cúmulos de galaxias, las estructuras másla mayoría son mucho más débiles. galaxias y en el gas caliente masivas del Universo, estiran yLos astrónomos son capaces no sólo intracúmulo, una parte considerable retuercen la luz de galaxias lejanas hastade medir la cantidad de átomos que (¿hasta el 40%?) podría estar en tales generar fenómenos tan espectacularesha atravesado la luz en una de estas condiciones que no hemos podido como los arcos presentes en Abell 1689,nubes, sino que también pueden detectarlo. Sería la componente que ya mostramos en la figura 3.10.medir su temperatura. bariónica oscura, por contraste con la Hay, por otro lado, otro posible efectoParadójicamente, el Universo más no-bariónica. Se sospecha, nuevamente lente mucho más sutil y difícil dedistante está mejor estudiado en este gracias a las simulaciones numéricas, detectar pero que, sin embargo, puedetema, debido a que la luz que estos bariones perdidos están entre aportar una valiosísima informaciónultravioleta (donde se producen los las galaxias, pero con temperaturas que sobre la distribución de materia enfenómenos de absorción en los oscilan entre los cien mil y los diez nuestro Universo.82
    • La luz de las galaxias lejanas, en suviaje hasta nosotros, sufre lasdesviaciones en uno u otro sentido amedida que pasa por sistemas dediferentes masas en su camino hacia elobservador (figura 3.17). Esto setraduce finalmente, en el caso de lasgalaxias, en leves cambios en su forma,en distorsiones que provocan que suelipticidad se incremente en unpequeñísimo porcentaje. Los efectos encada galaxia son muy pequeños, pero,si se dispone de observaciones de Figura 3.17. En este esquema se muestra la distribución de materia oscura obtenida a partir de unacalidad para grandes cantidades de simulación cosmológica. El tamaño de la simulación es de aproximadamente 300 Mpc. La luz de lasgalaxias, se pueden estudiar. El galaxias remotas del fondo de la imagen viaja hasta el observador (en primer plano), siguiendo una trayectoria que es distorsionada por la acción gravitatoria de la materia. En ausencia de materia, elesfuerzo es rentable, puesto que esas camino seguiría una línea recta. Las imágenes de las galaxias, cuando llegan al observador, se hansutiles distorsiones contienen deformado. El análisis estadístico de estas deformaciones, en una muestra suficientementeinformación directa sobre la cantidad representativa, permite inferir cómo se distribuye la materia oscura, ya que, por ejemplo, sede materia atravesada por la luz y, por pueden observar orientaciones de las galaxias alineadas preferentemente en las direcciones de los filamentos de la estructura a gran escala. Cortesía de S. Colombi, IAP.tanto, sobre la densidad media de lamisma en el Universo. La variación dela intensidad de una línea de visión aotra está relacionada directamente con relación entre la luz de las galaxias que ondulaciones de la superficie, la luz delas fluctuaciones de materia en el observamos y su contenido en masa. las galaxias distantes se distorsionaUniverso, y nos permite medir su De la misma manera que al observar como consecuencia de su paso a travésespectro de potencias de una manera el embaldosado del fondo de una de una distribución no uniforme de ladirecta, sin tener que pasar por el piscina llena de agua, vemos las líneas materia oscura. El análisis de estaspeldaño intermedio de suponer una rectas distorsionadas por las distorsiones y elipticidades en una 83
    • Figura 3.18. Imagen de la distribución de materia oscura según el análisis del efecto de lente gravitatoria débil de observaciones realizadas con el Hubble Space Telescope. Se trata del sondeo más extenso realizado con este telescopio y recibe el nombre de COSMOS (Cosmic Evolution Survey). En la imagen de abajo, el mapa muestra la red intrincada de filamentos que traza la distribución de materia oscura en una región del Universo de 2,25 grados cuadrados. La distribución manifiesta un grado de agrupamiento mayor en el Universo cercano, correspondiendo a etapas más recientes hace 6.500 de la evolución cósmica. Arriba vemos tres cortes millones de años bidimensionales de esta distribución realizados en hace 5.000 millones de años tres tiempos cósmicos diferentes. La evolución del hace 3.500 millones de años grado de agrupamiento de las estructuras es también apreciable. Hay que notar que el área física de estos mapas (semejantes a una tomografía) crece con la distancia, pasando de 18 Mpc de lado en el corte más cercano a 30 Mpc en el más alejado. Cortesía de NASA, ESA i R. Massey (CalTech). de materia oscura en una región del Universo, que nos muestra algo así como el esqueleto de la distribución de materia. Pero es sólo el principio. La vía está abierta y en poco tiempo vamos a disponer de datos mucho más detallados que nos permitirán trazar con mucha más precisión el armazón muestra suficientemente representativa del Universo. Posteriormente, seremos del Universo permite obtener una capaces de entender cómo la estimación de la distribución de la distribución de la materia bariónica, en matera oscura, como recientemente ha su luminosa minoría, se acomoda realizado el grupo liderado por R. dentro de ese armazón. Todo un Massey (figura 3.18). Los resultados, programa que nos va a llevar, sin lugar una auténtica primicia, han a dudas, a una nueva y espléndida proporcionado el primer mapa directo época en la comprensión del Universo.84
    • 4. La Cosmología entra en escena El papel del conocimiento es explicar lo sus propias concepciones visible complejo por lo invisible simple. cosmológicas. Jean Perrin La Cosmología pretende abordar el estudio del Universo en su conjunto.El objetivo de la ciencia clásica quizás Pero, de hecho, no es fácil encontrarpodría resumirse con las palabras una definición precisa de la misma. Esanteriores de Jean Perrin. De la cierto que la idea de abandonar losdispersión y agitación que de la realidad detalles para abordar el estudio de lase perciben en primera instancia, se van estructura de lo que subyace quedadecantando las leyes que la rigen y que sugerida en ese tipo de definiciones,nos permiten una descripción pero, a fin de cuentas, se trata desistemática de la misma. No es, pues, enunciados tautológicos. En la práctica,de extrañar que todas las civilizaciones, el Universo objeto de ciencia se vafuese cual fuese su nivel de desarrollo construyendo a medida que avanzan loscientífico, hayan elaborado una visión conocimientos: de un Universo decosmológica que les permitiese una estrellas se pasó a otro de galaxias,comprensión unificada de la diversidad y ahora consideramos que estáque se observa, a la mayor escala conformado por aglomerados deposible. La nuestra no es una excepción galaxias, grandes estructuras… Loy sobre la acumulación de datos de extraordinario de este proceso en lo queobservación y de desarrollos teóricos, respecta a nuestra época, además de losque son de esta época, ha desarrollado descubrimientos, es que el aparato 85
    • teórico proporcionado por la no jueguen su papel en los a galaxias muy próximas y debido aRelatividad General haya sido capaz de correspondientes dominios y, en causas bien determinadas yacomodar en su seno los cambios de particular, en los primeros instantes del comprensibles, como dijimos al hablarescala que hemos conocido en menos Universo. Pero no para conformar el del cúmulo de Virgo), todas las galaxiasde un siglo. Universo a gran escala como hoy lo que se observan presentan sus líneas En el lado observacional, como conocemos. De modo que, salvo nuevos espectrales desplazadas hacia la parte rojavenimos insistiendo, el descubrimiento argumentos o datos de observación que del espectro. La interpretación de estede las galaxias por Hubble es lo que así lo impusieran en el futuro, nos basta resultado de observación en términos deabre la era contemporánea de la con la gravedad para poder entender el expansión del espacio-tiempo (es decir,Cosmología. En el teórico, ese papel lo Universo a gran escala. del Universo) es la piedra angular deha jugado la Teoría de la Relatividad de Dicho de otro modo, la todo el edificio cosmológico.Einstein, es decir, la nueva teoría de la Cosmología, en su lado teórico, es una Es de señalar que la primera versióngravedad. Y esto es así porque sólo las rama de la teoría de la gravedad y los del modelo en expansión, desarrolladafuerzas gravitatorias parecen capaces de modelos cosmológicos serán, por tanto, por Friedman en 1924, es anterior a lasactuar eficazmente a las escalas de soluciones de las ecuaciones que rigen conclusiones observacionales deinterés para la Cosmología. el comportamiento de dichas fuerzas. Hubble. La sistematización posterior de Como es bien sabido, se conocen La Cosmología, que comienza a esos modelos puso de manifiesto sucuatro tipos de fuerzas en la naturaleza: desarrollarse en las primeras décadas del estructura matemática y las restriccionesnucleares o fuertes, débiles, siglo XX, puede definirse como la que imponen a las ecuaciones deelectromagnéticas y gravitatorias. De las aplicación de la teoría de Einstein al Einstein, lo que permitió hacer unacuatro tan sólo las dos últimas tienen mundo de las galaxias, consideradas clasificación exhaustiva de los mismos.rangos de actuación suficientemente como las partículas de lo que puede La formulación de Friedman-grandes como para ser capaces de denominarse como fluido cósmico. Se Robertson-Walker sigue siendo hoy porinfluir a grandes escalas. En cuanto a la necesitan, sin embargo, algunas otras hoy la base conceptual de lasinteracción electromagnética, debemos constataciones-guía para poder elaboraciones cosmológicas.recordar que no es una fuerza universal, delimitar el problema y abordar su Admitir la expansión del Universo esen el sentido de que no actúa sobre solución. El paso fundamental, en este admitir su historicidad. El Universo quecualquier tipo de materia, puesto que sentido, lo constituye el se describe es un Universo evolutivosólo lo hace sobre la que tiene carga descubrimiento, también por Hubble, que, partiendo de una situación calificadaeléctrica. Dado que no parece que, a de la relación de proporcionalidad que como singular (popularizada con elgrandes escalas, el Universo contenga existe entre la distancia a la que se nombre de Big-Bang), va cambiando sussistemas materiales cargados, la encuentra una galaxia y el propiedades a medida que se expande, seconclusión a la que se llega es que, en el desplazamiento hacia el rojo (redshift, va enfriando, pasa por fases en las quedominio de la Cosmología, las únicas denotado por z) de sus líneas se sintetizan algunos elementos químicos,fuerzas relevantes son las gravitatorias. espectrales. La universalidad de este las irregularidades iniciales se vanEsto no significa que las otras fuerzas, fenómeno es inapelable: salvo unas amplificando por virtud de las fuerzaselectromagnéticas, débiles y nucleares, pocas excepciones (que corresponden gravitatorias, hasta que en un momento86
    • determinado ya no se puede mantener el reposa, sin embargo, sobre ingredientes determina la gravedad y, a la vez,equilibrio reinante hasta entonces entre cuya naturaleza se desconoce. La condiciona el comportamientomateria y radiación, que se separan y materia oscura y la energía oscura, dinámico de la materia-energía quesiguen caminos evolutivos inevitables para el encaje de las contiene, como se ilustra en la figuraindependientes. El Universo que hoy diferentes observaciones dentro del 4.1. O, leído en el otro sentido, lasobservamos sería el resultado de esa modelo, son absolutamente ecuaciones de Einstein nos dicen queevolución. desconocidas excepto por su acción el contenido energético-material Entre los triunfos de la Cosmología gravitatoria. No es de extrañar así que determina la estructura del espacio-moderna está, sin duda, el la revista Science catalogase como tiempo. Ha desaparecido pues ladescubrimiento de la radiación cósmica primer problema de toda la Ciencia la dualidad entre sistema que evoluciona yde microondas o radiación cósmica de elucidación de la naturaleza de las sustrato espacio-temporal en el que esafondo, testigo de aquella época remota componentes oscuras del Universo. evolución tiene lugar. En la teoría deen que materia y radiación estaban en Einstein el espacio-tiempo adquiereequilibrio. Como fósil de aquella carácter dinámico y puede evolucionar,situación física, contiene información 4.1. El reino de la Cosmología dependiendo de la materia-energía quesobre los fenómenos físicos que haya en el sistema.entonces ocurrieron. Sus minúsculas Para Newton, toda la materia gravita. Tras un largo proceso reflexivo,irregularidades son las antecesoras de La teoría de Einstein va más allá, puesto Einstein formuló la Relatividadnuestras galaxias y de los aglomerados que no sólo la materia gravita, sino General, la nueva teoría de la gravedad,de galaxias que ahora observamos. Y sus también cualquier forma de energía. en 1916. De manera sintética, laspropiedades nos revelan las propiedades Nada es pues ajeno a la gravedad. La ecuaciones de Einstein puedendel espacio-tiempo. Retrazar el hilo de Relatividad General reposa sobre el escribirse:la historia física del Universo se ha principio de equivalencia (igualdadconvertido así en parte esencial de la entre la masa inerte —la que siente las Geometría espacio-temporal materia-energía Gμν = κTμνCosmología y del estudio de su fuerzas dinámicas— y la masa gravecontenido. Y, por vía de necesidad, ha —la que siente la gravedad—) y sobre La expresión anterior quierehecho converger en su estudio a físicos la no-existencia de observadores significar que la geometría espacio-de diferentes disciplinas, que han privilegiados: las leyes de la Física son temporal determina el movimiento devisualizado en el Universo el mayor las mismas y tienen la misma la materia-energía y, viceversa, eselaboratorio imaginable. formulación sea cual sea el observador. contenido material y energético La coherencia de ese edificio, que de Sobre esas premisas, Einstein determina la geometría del espacio-forma tan extraordinaria se ha construyó una teoría en la que el tiempo. Los símbolos expresan elconstruido a lo largo del siglo XX y, en espacio-tiempo posee curvatura. Y es tensor1 de Einstein (Gμν) y el tensorparticular, en los tres últimos decenios, esa curvatura la que finalmente materia-energía (Tμν) y k es una1. Los tensores son entidades matemáticas que no varían al cambiar de coordenadas. Lo que equivale a decir que la descripción que se hace del sistema físico esla misma cualquiera que sea el observador. 87
    • la teoría de Newton. Se trata de la llamada constante cosmológica, denotada con la letra griega Λ, de la que después tendremos que hablar más en detalle. En la primera formulación de Einstein, dicha constante no aparecía. Como muchas veces se ha dicho, la introdujo a mano para hacer estable el modelo cosmológico estático que acababa de elaborar. Esta maniobra resultaba posible sin cambiar las bases de la teoría, aunque la motivación fuese circunstancial. Sin embargo, como másFigura 4.1. Ilustración gráfica de la idea deEinstein sobre la gravedad. Un cuerpo tarde se demostró, la formulaciónmasivo (digamos, el Sol) modifica a su constante de proporcionalidad completa de la teoría contiene esaalrededor la forma del espacio-tiempo, relacionada con la velocidad de la luz y constante necesariamente, lo querepresentado por la malla de líneas con la constante de Newton. Porque, después de todo justificaba la maniobracontinuas y, de esa forma, gobierna elmovimiento de otro cuerpo (la Tierra, por en efecto, la teoría de Einstein contiene de Einstein. De hecho, y desde esteejemplo) a lo largo de la órbita indicada a la de Newton como una punto de vista, lo arbitrario seríapor la flecha. aproximación para gravedad débil y asignarle el valor cero a priori. Bien es velocidades muy inferiores a la de la verdad que el éxito de los modelos luz. De esta forma, la Relatividad evolutivos la hizo innecesaria en esos General hereda los triunfos de la de momentos, puesto que los datos podían Newton, a la vez que la despoja de su interpretarse sin su ayuda. Pero, a defecto fundamental al convertirla en medida que la masa de datos una teoría de campos, y la proyecta aumentaba y las dificultades de hacia dominios a los que aquélla no interpretación aparecían, nuestra podía llegar. constante fue invocada tantas veces Bajo esa formulación compacta se como fuera necesario para encajar los esconden 10 ecuaciones diferenciales en datos dentro de los modelos. derivadas parciales de hasta segundo Finalmente, desde principios de los orden (de las que sólo 6 son años noventa, las observaciones la han independientes), de imposible solución impuesto de manera inevitable y forma analítica salvo en casos muy parte natural de la descripción del particulares. Conviene señalar desde Universo, a pesar de que no sepamos ahora que el tensor geométrico contiene todavía ni de qué se trata ni cuáles son una nueva constante, que no aparecía en sus propiedades, salvo que no se trata ni88
    • de materia ni de radiación tales como la base de interesantes consideraciones modelo. La métrica de Friedman-las conocemos. No es así de extrañar físicas y filosóficas, formularon su Robertson-Walker, que así se llama,que se haya convertido no sólo en el Modelo Estacionario. En este caso, la corresponde a un espacio-tiempo queproblema número uno de la Física, sino métrica evoluciona con el tiempo, pero puede, si se nos permite la expresión,en el de toda la Ciencia. las propiedades medias del Universo se rebanarse, de modo que en cada Los diferentes modelos mantienen. Esto significa en el caso de instante está representado por uncosmológicos son, como ya apuntamos, la densidad que, para contrarrestar el espacio 3-dimensional. Según lasoluciones de las ecuaciones de Einstein efecto de la expansión y mantenerla curvatura, ese espacio 3-dimensionalbajo ciertas restricciones razonables, que constante en el tiempo, se necesita un será equivalente a una esfera (curvaturase conocen como Principios proceso de creación continua de positiva), a un hiperboloide (curvaturaCosmológicos. El propio Einstein, al materia-energía. La ley de Hubble, por negativa) o a un espacio planoelaborar su modelo, impuso como un lado, y más tarde, el descubrimiento (curvatura nula). Todas esas seccionesrestricción que, a la escala apropiada de la radiación cósmica de fondo, que espaciales tienen la misma curvatura y,para que los efectos locales no sean ponía de manifiesto un Universo además, cualesquiera dos de entre ellas,relevantes, el Universo debía tener las evolutivo, acabaron con esos modelos correspondientes a dos instantesmismas propiedades siempre y en todo definitivamente. diferentes, tienen la propiedad de quelugar. Lo que se traduce, de manera La Cosmología avanzó desde el no se cortan. Cada una de ellas vienenecesaria, en que todas las variables, descubrimiento de la ley de Hubble por unívocamente caracterizada por elincluida la métrica espacio-temporal el camino de los modelos evolutivos. momento al que corresponde. De esaque define la geometría, deben ser las Éstos responden a consideraciones de forma, es posible ordenar esasmismas en cualquier lugar y momento. simetrías menos restrictivas que la rebanadas por el instante al queEsta restricción, ciertamente muy anterior. Se admite que el Universo corresponden y atribuir a ese instante elfuerte, es conocida como Principio tiene las mismas propiedades en carácter habitual que damos al tiempo.Cosmológico Perfecto. Su aplicación cualquier región espacial, para un Un aspecto esencial de esta métricasistemática permite construir otro instante dado. Pero no enuncia nada en es la presencia del parámetro de escalamodelo cosmológico, llamado el concreto sobre el comportamiento en el que corresponde, en cierto modo, alUniverso de De Sitter. Tanto éste como tiempo, de modo que esas propiedades tamaño del Universo. Su dependenciael de Einstein tienen propiedades que pueden cambiar de un instante a otro. temporal es la que da el carácterdifícilmente pueden corresponder al Es lo que se conocía como Principio dinámico y evolutivo a estos modelosUniverso observado, ya que el de Cosmológico Simple o, desde que se y es la base geométrica de nuestraEinstein no es estable, mientras que el impuso definitivamente, rebautizado Cosmología. La descripción básica delde De Sitter no contiene ni materia ni como Principio Cosmológico sin modelo, desde el punto de vistaenergía, está vacío. Ambos tienen una adjetivos. Desde el punto de vista geométrico, se hace, por tanto, en baseconstante cosmológica diferente de matemático, se demuestra que esa al parámetro de escala y a la curvaturacero. restricción es suficiente para determinar de las rebanadas espaciales. Más tarde, dentro de este mismo la forma de la métrica y, por tanto, el Hemos repetido varias veces que elcontexto, Bondi, Gold y Hoyle, sobre comportamiento espacial y temporal del dato fundamental de observación sobre 89
    • el que reposa la Cosmología actual es la va a permitir explicar tanto el que z no Diagrama de Hubble para supernovas tipo la ley de Hubble, que recoge el hecho dependa de la región espectral en que se 32,000 universal del desplazamiento hacia el mide, como su relación con la rojo y su relación directa con la distancia. Velocidad radial (km/s) 10,000 3,200 distancia. En la figura 4.2 De la fórmula anterior se desprende reproducimos esa relación tal y como se inmediatamente que, dependiendo de 1,000 mide en nuestros días para galaxias que a0 sea mayor, menor o igual que a1, 320 relativamente próximas. Debemos el valor de z sería positivo, negativo o 2.5 6.3 16 40 100 250 630 añadir que el valor del desplazamiento nulo. El modelo teórico nada dice sobre Distancia (Megaparsecs) hacia el rojo que se mide es cómo debe ser, pero las observacionesFigura 4.2. Diagrama de Hubble para independiente de la región espectral nos ayudan a fijarlo de manerasupernovas de tipo Ia en galaxiasrelativamente próximas (d < 500 Mpc). En que se considere, por lo que ese inequívoca: puesto que siempreordenadas se da el valor V = cz (en escala diagrama podría establecerse en observamos un desplazamiento hacia ellogarítmica). En abscisas se da la magnitud cualquier banda fotométrica. rojo, es decir, z > 0, necesariamente tieneaparente de la SN que, dado que todas La ley de Hubble es el hecho de que ser a0 > a1, lo que significa que eltienen una luminosidad intrínseca similar,indica directamente la distancia (también observación. ¿Cuál es la explicación de parámetro de escala (que, como dijimos,en escala logarítmica). la misma? La primera virtud de la está relacionado con el tamaño del métrica de Friedman-Robertson-Walker Universo) crece con el tiempo. Se concluye es, precisamente, que puede aportar de así que el Universo está en expansión. manera inmediata tal explicación a ese La expresión simple que acabamos fenómeno, gracias a la dependencia de escribir para el desplazamiento hacia temporal del parámetro de escala, que el rojo nos indica que, contrariamente a denominamos por a(t). Sin entrar en lo que suele decirse, éste no se debe a la los detalles, por otro lado sencillos, se velocidad de alejamiento de las galaxias, puede demostrar que, definiendo el sino al hecho de que el espacio-tiempo desplazamiento hacia el rojo z como el evoluciona de una manera determinada. desplazamiento espectral relativo de una Se trata de un concepto propio y línea cualquiera del espectro, se tiene: exclusivo de la Relatividad General. a0 Cierto es que el efecto Doppler, 1 + z = ––––– a1 producido por el desplazamiento relativo entre emisor y observador, en donde el subíndice 0 se refiere al presenta analogías con la expansión, momento de la observación, mientras pero no deben ser confundidos, pues que el subíndice 1 se refiere al son de naturaleza física diferente. momento de la emisión, necesariamente Una vez caracterizada la métrica anterior. Ésta es la relación básica de los de los modelos y sus principales modelos cosmológicos, puesto que nos propiedades, es necesario determinar el90
    • segundo miembro de las ecuaciones de proporcionar. Los parámetros más estados, y la expansión, que tiendeEinstein, el tensor materia-energía, para usados son: a disgregarlo todo en el espacio-completar el enunciado del problema. tiempo. Cuando ambos términos seEse tensor tiene que estar sujeto a las • La constante de Hubble, denotada igualan, se tendrá Ωm = 1 y lamismas restricciones que el tensor por H, que indica cómo va variando densidad del Universo se llamageométrico, a saber, homogeneidad el parámetro de escala, a(t), con el crítica, pues es el valor para el quee isotropía espaciales. Como ya tiempo. En otras palabras, mide la gravedad y expansión se igualanapuntamos antes, se considera que la tasa de expansión en cada momento. exactamente. Un valor Ωm > 1 nosparte energética-material se puede Es importante señalar que, aunque indica que la materia-energía esrepresentar como un fluido perfecto, se llama constante de Hubble, este suficiente para frenar y detener lalo que determina unívocamente sus parámetro varía con el tiempo. Así, expansión, y forzar un recolapso delpropiedades. El fluido vendrá cuando consideramos épocas cada Universo que, por esa razón, se dicecaracterizado por su densidad ρ(t) vez más próximas al Big-Bang (es que es cerrado. En el caso contrario,y presión p(t) (que dependerán del decir, cuando el factor de escala se la expansión acaba sobreponiéndosetiempo, pero no de la localización aproxima a 0), el valor de H crece a la gravedad de la materia-energíaespacial) con la ecuación de estado indefinidamente. De hecho, cada y el Universo se expandiríaque las liga. Así queda determinado tipo de modelo cosmológico se indefinidamente.el problema y podemos ya buscar las caracteriza por la forma en que H El parámetro de densidad varía consoluciones de las ecuaciones de varía con el tiempo. A pesar de ello, el tiempo, desde un valor inicial (enEinstein. se conserva la denominación de el Big-Bang) Ωm =1. Pero si el constante por razones históricas y Universo es abierto, siempre será porque, como le ocurre a todas las inferior a 1, y si es cerrado, siempre4.2. Los parámetros propiedades del modelo será superior a 1. En el caso crítico,cosmológicos cosmológico estándar, en un el valor Ωm =1 se mantiene a lo instante dado tiene el mismo valor largo de toda la evolución delNo es el lugar de plantear las 3 en todos los lugares. Su variación Universo.ecuaciones (más la de estado) sólo es apreciable a escalas de • Parámetro de curvatura, denotadoindependientes que rigen el modelo. tiempo muy largas, cosmológicas. por Ωk, que es una medida de laCon ellas se puede caracterizar la • Parámetro de densidad, denotado curvatura espacial. Se anula para elvariación de cualquier variable con el por Ωm, que mide la relación entre caso crítico, en que, además de Ωmtiempo y determinar el Universo- la densidad de materia-energía y la = 1, se tiene k = 0.modelo que resulta. Generalmente, esas expansión. Es un parámetro que, • Parámetro de constante cosmológica,ecuaciones se escriben en función de los intuitivamente, nos informa sobre la denotado por ΩΛ, que mide elllamados parámetros cosmológicos, no relación entre dos contrarios: la efecto de la nueva constante que lasólo por comodidad, sino porque nos atracción gravitatoria, relacionada teoría de Einstein proporciona o,conectan de manera más directa con con la cantidad de materia-energía cuando se generaliza el concepto, elmagnitudes que las medidas pueden que existe en todas sus formas y de la energía del vacío. Al igual que 91
    • los demás parámetros, varía con el interpretar: Si Ωm > 1 (expansión Puesto que conocemos con cierta tiempo. Comienza teniendo un seguida de contracción), la curvatura precisión la densidad actual del valor nulo en el Big-Bang y va debe ser positiva y el Universo es Universo y, con gran detalle la creciendo a medida que el Universo cerrado. En caso contrario (expansión temperatura de la radiación cósmica de se expande. En el modelo sin fin), la curvatura es negativa y el fondo que, por tratarse de un cuerpo actualmente aceptado, este Universo abierto. El argumento puede negro, determina todas sus propiedades, parámetro llega a ser dominante. repetirse en iguales términos si es un ejercicio trivial comprobar que el consideramos (Ωm + ΩΛ) frente al Universo, en el estado actual de También se define el llamado parámetro de curvatura. evolución, está totalmente dominadoparámetro de deceleración, que mide la El desarrollo de la Cosmología por la materia, siendo despreciable lavariación de H. Su nombre se debe a observacional puede asimilarse a la contribución de la radiación. Es más,que, en el caso en que Λ = 0, la búsqueda de los valores precisos de los conocemos que las galaxias se muevenexpansión sólo puede frenarse con el parámetros cosmológicos, que permitiesen con velocidades —excluida latiempo, debido a la acción gravitatoria determinar el modelo concreto que expansión—, que representan unade la materia. Como la descripción del corresponde a las medidas que nos pequeña fracción de la velocidad de lamodelo sólo requiere tres parámetros, proporcionan las observaciones. Ni que luz, lo que hace que la contribución delos que suelen usarse son los tres decir tiene que éste ha sido un camino la presión material sea tambiénúltimos que hemos definido que, largo y aún hoy subsisten incertidumbres despreciable. En definitiva, el Universorecordémoslo, contienen en su importantes respecto a los mismos. actual se puede representar como unexpresión a la constante de Hubble. fluido material con p = 0 como ecuación Usando esos parámetros, la de estado. Resuelta esta cuestión, laecuación que caracteriza el modelo 4.3. Cosmología física. ecuación entre los parámetros escritacosmológico viene dada por una simple Geometría y observaciones más arriba determina el problemarelación entre ellos, que se escribe completamente.2 Nos apresuramos a Poco hemos hablado hasta ahora del decir que no siempre fue así a lo largo Ωm + ΩΛ − 1 = Ωκ tensor materia-energía, salvo que debe de la evolución cósmica, como veremos corresponder a un fluido perfecto con más adelante. Pero esas consideracionesque expresa de nuevo que el contenido las propiedades que corresponden al se aplican a todo el Universo de galaxiasenergético-material, dado por el primer Principio Cosmológico. Como dijimos, accesible con nuestros telescopios.miembro, determina la curvatura este fluido queda caracterizado por su La métrica espacio-temporal nosespacial del Universo. En el caso en que presión y densidad, y por la ecuación de permite definir distancias, superficiesΛ = 0, la ecuación se reduce a una estado que las liga. La cuestión es, y volúmenes. Precisamente, a través derelación entre los parámetros de desde esta perspectiva, ¿cómo es ahora esas definiciones, se conecta el modelodensidad y curvatura muy sencilla de nuestro Universo? con las observaciones. Detengámonos2. Es de destacar que Sandage llegó a esta conclusión en 1961 (ApJ 133, 355), antes de que se hubiese descubierto la RCM, con brillantes argumentos indirectos.92
    • un momento en la cuestión de la de distancias, comenzando por nuestro distancias de hasta 15-20 Mpc. Eldistancia, que nos permitirá plantear la entorno próximo, y transportando los valor admitido hoy es H0 = 71ley de Hubble en función de los métodos cada vez más lejos. A km/s/Mpc. Sin embargo, el reanálisisparámetros cosmológicos y, por esa vía, principios del siglo XX el trabajo que de esas determinaciones, junto con lasconectar con los datos de observación. culminó Leavitt en 1912 estableció suyas propias, han llevadoPor el lado observacional, la medida una relación entre el periodo con el recientemente a Sandage yque obtenemos de la luminosidad de que varía la luz de las estrellas colaboradores a concluir que H0 = 63una galaxia depende obviamente de la Cefeidas (que es independiente de km/s/Mpc. Si bien la diferencia no esluminosidad intrínseca (emitida) de esa la distancia a la que se encuentran) y la demasiado grande, podría tenergalaxia y de la distancia a la que se luminosidad intrínseca de las mismas. implicaciones en cuanto a otrosencuentra. Cuanto más lejos esté, más Teníamos el primer calibrador de cálculos cosmológicos y al ajustedébil la observaremos, en proporción distancias. Si se conseguía detectar y global del modelo. De modo queinversa al cuadrado de la distancia. Ahora medir Cefeidas en otras galaxias, sería aunque el grado de convergencia esbien, el cálculo de esa distancia hace posible determinar sus distancias y importante y, de hecho, esos dosintervenir los parámetros cosmológicos, añadir peldaños a aquella escalera. valores no son, dentro de los errorescon lo cual queda patente que éstos Recordemos que fue con este método respectivos, incompatibles, el caminopueden, en principio, determinarse a como Hubble midió distancias a hacia la Cosmología de precisión nopartir de las observaciones. La varias nebulosas que resultaron ser está aún completamente despejado.complicación viene del hecho que galaxias, y que le permitió después, De entre las luminarias estándartenemos que conocer la luminosidad junto con las medidas de conocidas, las supernovas de tipo Ia,intrínseca para conocer la distancia, pero desplazamientos hacia el rojo, SNIa son las más prometedoras,sin la distancia, ¿cómo conocer la establecer la ley que lleva su nombre. puesto que, como ya dijimos al hablarluminosidad intrínseca? Aquí interviene El número de indicadores de de las estrellas, tienen propiedadesun principio de uniformidad que nos va distancia se ha ido multiplicando y muy similares entre ellas (pocaa permitir definir lo que se conoce como refinando, lo que ha permitido dispersión en la luminosidadluminarias estándar, es decir, astros que determinaciones precisas del valor de la intrínseca, primera condición para sertienen la misma luminosidad intrínseca. constante de Hubble actual, H0. Tras luminaria estándar) y son detectablesNaturalmente, esta afirmación debe largos debates que han durado décadas, a muy grandes distancias. De ahí sureposar sobre constataciones empíricas motivados en parte por los errores importancia para medir los parámetros(medidas de luminosidades de astros para sistemáticos de las medidas (debidos, a cosmológicos. De hecho, gracias a lalos que medimos directamente la su vez, al conocimiento parcial de acumulación de datos sobre SNIa endistancia) o teóricas (conocimiento algunos fenómenos), parece que se ha los últimos años se ha podidodetallado de los mecanismos de ido convergiendo en los últimos 10 establecer, como puede verse en laproducción de la luminosidad). años hacia un valor determinado. Una figura 4.3, que el modelo que mejor Conocido es cómo los astrónomos parte del esfuerzo del HST se ha ajusta corresponde a los parámetroshan ido construyendo, peldaño a dedicado a esta tarea, detectando y cosmológicos Ωm ≈ 0,3 y ΩΛ ≈ 0,7,peldaño, lo que se conoce como escalera midiendo Cefeidas en galaxias a poniéndose así de relieve que la 93
    • constante cosmológica no sería nula, parámetros y fijar el modelo óptimo lo que está significando una con precisión. revolución mayor en Cosmología y en Física Fundamental. Como ya dijimos en el capítulo 4.4. El Universo evolutivo anterior, el parámetro de densidad también se determina por métodos El Universo tiene historia. La especial dinámicos y haciendo uso del efecto estructura del espacio-tiempo del de lente gravitatoria. La condición modelo estándar (que, como dijimos, para que esas estimaciones tengan resulta de la aplicación del Principio carácter cosmológico es que los Cosmológico) hace posible definir un sistemas que se consideran sean tiempo cósmico, válido para toda la suficientemente grandes como para extensión espacial del Universo, que puedan considerarse representativos permite marcar los hitos de su del Universo a gran escala. Ése evolución. Dado, por otra parte, que es el caso de los cúmulos de galaxias el desplazamiento hacia el rojo, z,Figura 4.3. Panel superior. Módulo de y estructuras aún mayores. marca la evolución temporal deldistancia (m-M), de supernovas de tipo Ia, El resultado es que la densidad parámetro de escala, nos encontramosen función del valor del desplazamiento material por sí sola es claramente con una relación biunívoca entre esehacia el rojo (escala logarítmica). Para inferior al valor crítico. Los tiempo y z, por lo que esa historialuminarias estándar, como las SNIa, el valorde la magnitud absoluta M es el mismo resultados observacionales dan puede relatarse de manera equivalentepara todas, por lo que el módulo de 0,2 < Ωm < 0,3. en función del desplazamiento hacia eldistancia es una medida directa de la En resumen, las medidas rojo. Y, finalmente, dada la relacióndistancia. La gráfica muestra, por tanto, la relacionadas con el Universo actual, entre z y distancia, también se puedeley de Hubble para esos astros. Las líneasrepresentan las predicciones para distintos dominado por materia, nos relatar en función de ésta, lo que esvalores de los parámetros cosmológicos, proporcionan valores para la constante otra forma de decir que mirar mássegún la leyenda de la figura. Panel de Hubble, el parámetro lejos es mirar antes en la evolucióninferior. Residuos para el mejor ajuste. La de densidad y la constante del Universo.conclusión principal es que la contribucióndel término de constante cosmológica es cosmológica, que nos llevan a concluir Si, partiendo del Universo actualimportante y el Universo está en expansión que la expansión es acelerada debido dominado por materia, nosacelerada. al valor no nulo de la constante remontamos a lo largo de ese tiempo, cosmológica. Nada nos dicen, sin nos encontraremos con un sistema embargo, sobre el parámetro de cada vez más denso y más caliente. curvatura. Es el momento de indagar Mientras la densidad y la temperatura sobre la historia del Universo para no sean muy elevadas, podremos buscar nuevos datos y argumentos que seguir describiendo el Universo de la nos permitan acotar mejor esos misma forma que el actual. Ahora94
    • HISTORY OF THE UNIVERSEbien, dado que la densidad materialvaría como a(t)3, mientras que ladensidad de radiación varía como a(t)4,en algún momento del pasado ambasdensidades se igualaron, contribuyendopor igual al contenido energético-material del Universo (denominadoépoca de equipartición). De ahí haciaatrás el comportamiento del Universoestaba dominado por la radiación. Lahistoria de ese Universo de radiación esla que queremos caracterizar ahora.4.4.1. El Universo radiativo Figura 4.4. Ilustración de la historia del Universo. Se han delimitado las principales etapasPara ello, sigamos ahora el curso de evolutivas, codificada en términos de tiempo transcurrido desde el Big-Bang, con la temperaturalos acontecimientos. Dejando para y energía correspondientes. Tras el Big-Bang, se señala la época de inflación, que produce unluego el problema de las condiciones aumento extraordinario y casi instantáneo del tamaño del Universo, tras el cual la expansión recupera su ritmo. Los ingredientes iniciales se van combinando, produciendo otras partículasiniciales, después del Big-Bang, el compuestas, cuyo dominio va marcando las diferentes épocas. Llegado un cierto momento,Universo estaba en rápida expansión alrededor de 100.000 años tras el Big-Bang, se recombinan los protones y electrones, y el Universocon valores muy altos de la presión, se hace transparente a la radiación de fondo, que evoluciona enfriándose de manerala temperatura y la densidad. En toda independiente hasta nuestros días. Mientras, la materia irá formando estrellas y galaxias, produciendo las diferentes especies químicas y propiciando la eclosión de formas y composicionesesta fase de radiación la ecuación de que hoy observamos.estado es también simple, puestoque la contribución al tensormateria-energía de la presión es untercio de la contribución de laenergía de radiación. El Universo 95
    • progresivamente se enfría conforme mientras que otros comenzaron a ser De momento, la tecnología dese expande y esto tiene un efecto significativos. Cada vez que ese tipo detección de neutrinos, que tanimportante sobre los constituyentes de de transición ocurre, el modelo predice satisfactoriamente ha permitidola materia y sobre las interacciones que la formación de un fósil de la época investigar los generados en el interiorrigen su comportamiento. precedente que ha podido sobrevivir del Sol o, incluso, los que se generaron Los constituyentes esenciales de la hasta nuestros días. Son tres los en la explosión de la Supernova 1987A,materia ordinaria en el Universo son los principales: el fondo primordial no está, sin embargo, suficientementeelectrones, los neutrinos y los quarks de neutrinos, los elementos ligeros desarrollada para lograr la detección de(estos últimos forman los protones y (hidrógeno, deuterio, helio-4 y los neutrinos primordiales, muchísimoneutrones). Todas estas partículas litio-7) y la radiación cósmica de menos energéticos. Revelar suelementales fueron descubiertas a lo microondas. Cada uno de estos fósiles existencia, que es una predicción fuertelargo del pasado siglo (el último tipo se origina en etapas sucesivas de nuestra Cosmología, es un reto quede quark fue descubierto en 1995) y cronológicamente y responde a los quizás algún día no muy lejanoconfiguran hoy día los pilares del cambios que sufren los componentes podamos abordar.Modelo Estándar de la Física de de la materia y radiación en elPartículas. En los instantes cercanos al Universo entre las primeras La producción de elementos ligerosorigen del Universo, después de la cienmilésimas de segundo y los Como vimos en el primer capítulo, lasépoca inflacionaria (que luego primeros cientos de miles de años. estrellas son hornos termonucleares enpresentaremos), estas partículas los que, a partir del hidrógeno, seelementales y los fotones se El fondo cósmico de neutrinos sintetizan los elementos químicos enencontraban en perfecto equilibrio Cuando la temperatura del Universo procesos bien conocidos. Y latermodinámico, formando lo que decreció a menos de mil millones de abundancia de cada especie reflejallamamos el plasma primordial. grados, el ritmo de las reacciones en las precisamente esos procesos y laPartiendo de una situación de densidad que participaban los neutrinos estabilidad de los núcleos. Sin embargo,y temperatura extremas, con la (interacciones débiles) se hizo mucho también indicamos que hay unexpansión del Universo, el plasma se va más lento que el ritmo de expansión del problema con algunos elementos comoenfriando pasando por varias Universo, por lo que dejaron de el D, He y Li que, por una u otratransiciones de fase. La primera, que da interaccionar con los demás razón, no son producidos en las estrellascomo resultado el confinamiento de los componentes. A partir de ahí el gas de o en el medio interestelar en la cantidadquarks en protones y neutrones, neutrinos primordiales evolucionó que se observa. La solución a estetermina aproximadamente cuando independientemente, por lo que tan problema, y ése es otro de los éxitos delel Universo tiene una edad de una sólo ha disminuido su temperatura por modelo cosmológico estándar, está en eldiezmilésima de segundo. Cuando la efecto de la expansión (se estima que comportamiento del Universo calientetemperatura disminuyó aún más, los actualmente es de unos 2 K), sin que su del que procedemos. En efecto, aprocesos que mantienen en equilibrio distribución haya cambiado. La medida que el Universo se va enfriandoa los electrones, neutrinos, protones y densidad se estima en varios cientos por desde las extremas temperaturasneutrones dejaron de ser eficientes, centímetro cúbico. iniciales, hay un momento determinado96
    • 10-1 4He Densidad crítica para H0=65 km/s/Mpc 10-2 D 10-3 3He 10-4 ABUNDANCIAS 10-5 10-6en que las condiciones son adecuadas resulta poco relevante al calcular la 10-7para que actúen las reacciones producción de He-4. Esas predicciones,termonucleares y se fusionen núcleos de en función de la densidad bariónica, el 10-8 7Lihidrógeno para producir helio y los único parámetro libre en los cálculos, se 10-9demás elementos ligeros. presentan en la figura 4.5. Los primeros cálculos asociados a ¿Qué dicen las medidas 10-10estas predicciones fueron realizados por astronómicas al respecto? ¿Cómo se .001 .01 .1 1Gamow, Alpher y Bethe en los años puede medir la composición química de Ωbh2cuarenta. Sus predicciones originales se la materia que emergió de esos procesos? Figura 4.5. Predicciones cosmológicas de lashan refinado notablemente al Obviamente el problema potencial es la abundancias de elementos ligeros y datos deincorporar las últimas medidas de contaminación de esos valores observación. En ordenadas se indican laslaboratorio sobre la eficiencia de las primordiales por los procesos que abundancias de 4He, D, 3He y 7Li relativas a núcleos de hidrógeno (en fracción de masa). Enreacciones nucleares involucradas, la sabemos que ocurren en las estrellas y el eje horizontal inferior se indica el parámetrovida media del neutrón y el número de que van variando la composición de densidad bariónica que corresponde a cadafamilias de neutrinos. Los resultados no química de esos sistemas. De modo que, caso, normalizada con el parámetro h =han cambiado esencialmente las para minimizar esos efectos, hay que H0/100. Las curvas predichas para el 4He asumen una vida media del neutrón de 10,6predicciones sobre la síntesis de identificar objetos muy antiguos, cuyas minutos y tres familias de neutrinos. La franjaelementos que pudo haber tenido lugar características permitan suponer que o no vertical muestra la zona de concordancia deen los tres primeros minutos del han sido alterados en su composición todas las medidas obtenidas, siendo la másUniverso, cuando aquellas condiciones química original, o que el cambio ha sido oscura la de mayor probabilidad. Se constata inmediatamente que el valor que se obtiene denecesarias se alcanzaron. La densidad de mínimo, o que podemos determinar esas esa comparación para la densidad bariónica esnucleones en el Universo es el único contribuciones locales. Después, se ha de muy bajo, sensiblemente inferior al valorparámetro del que depende esta buscar la huella de los elementos crítico para un valor de la constante de Hubbleproducción ahora que sabemos, por químicos en los que estamos interesados similar al que dan las medidas e inferior a las medidas de densidad material que se obtieneexperimentos en el CERN, que el en el espectro de la radiación que emiten. de análisis dinámicos. Lo que viene a significarnúmero de familias de neutrinos es tres Las medidas de las abundancias de que sólo una pequeña fracción de la materiay que la incertidumbre sobre la vida esos elementos son delicadas tanto del Universo es de naturaleza bariónica.media del neutrón es tan pequeña que técnicamente como por la 97
    • contaminación de la que hablamos. En que la mayor parte de la materia del En cuanto a la materia, observamoscuanto al helio-4, se ha hecho un gran Universo es materia oscura, de hoy cuál fue su destino: formaresfuerzo para medirlo en galaxias en las naturaleza no-bariónica. estrellas, galaxias y aglomerados,que los elementos más pesados, llamados distribuirse en el medio intergaláctico,genéricamente metales en Astrofísica, La radiación cósmica de fondo configurar el Universo que nos vanson muy poco abundantes. La idea Durante todo el tiempo en que el mostrando los telescopios y que lossubyacente es que esa baja metalicidad se comportamiento del Universo estaba análisis dinámicos nos revelan. ¿Y quédebería a que son sistemas químicamente dominado por la radiación, la materia fue de aquella radiación?jóvenes y, por lo tanto, sin se encontraba en equilibrio Dada la rapidez de los procesos decontaminación apreciable por su propia termodinámico con ella. Cuando la desacoplo y recombinación, esaevolución. Las incertidumbres sobre la temperatura del Universo bajó hasta radiación emergió conservando suevolución de esos objetos permanece sin unos 3.000 K (que corresponde a unos espectro de cuerpo negro. Desdeembargo y lo que ha podido obtenerse es 380.000 años tras el Big-Bang), las entonces se ha ido enfriandoun valor con una cierta dispersión, como reacciones necesarias para mantener el progresivamente conservando, y éste esse representa en la citada figura 4.5. equilibrio ya no eran capaces de un aspecto clave, su espectro Para los demás elementos, la mantener el ritmo adecuado, por lo que planckiano. La razón es que, en el casosituación no es muy diferente, la materia y la radiación comenzaron a de expansión que contempla el modeloprecisamente por la posibilidad de que separarse. La atracción coulombiana cosmológico estándar, la temperaturaocurran procesos de formación o entre protones y electrones empieza a de esa radiación cambia solamente endestrucción que alteren sensiblemente imponerse a la agitación térmica y se función de la época, es decir, del valorsus valores primordiales. Mención produce la recombinación, proceso que del desplazamiento hacia el rojo, deespecial merece el caso del Litio-7, denota la formación masiva de átomos manera simple: Tz = T0 (1+z). Depuesto que la predicción es bivaluada. de hidrógeno por captura de los modo que hoy sigue manteniendo elEn cualquier caso, las abundancias que electrones que quedan atrapados en carácter de radiación de cuerpo negro,se derivan de todas estas observaciones órbitas alrededor de los protones. La a muy baja temperatura.encajan dentro de las predicciones del materia del Universo pasa a un estado Las primeras predicciones sobre lamodelo estándar. Como corolario no eléctricamente neutro, cuya principal existencia de esa radiación y sumenos importante, y a pesar de esas componente (bariónica) son esos temperatura actual fueron hechas porincertidumbres, permiten también átomos de hidrógeno. Como Gamow y colaboradores. Ya en los añosacotar el valor de la densidad de materia consecuencia del proceso de sesenta del siglo XX, mientras enbariónica, que resulta ser unas veinte recombinación, los electrones ya no Princeton un grupo de científicosveces menor que la densidad crítica y pueden afectar a los fotones, que ahora estaba ultimando la preparación devarias veces menor que la densidad total pueden moverse sin ser apenas instrumentos específicos para medir esaobtenida por métodos dinámicos o atenuados o desviados: desde ese radiación, Penzias y Wilson, queusando el efecto lente gravitatoria. Una momento, el Universo se hizo trabajaban para la compañía Bellvez más, y por un camino radicalmente transparente a esa radiación que siguió Telephone tratando de caracterizar eldiferente, se impone la conclusión de su evolución de manera independiente. comportamiento de una antena, se98
    • encontraron con un extraño ruido que primordiales en la materia, y de manerano lograban reducir y que resultó ser la correspondiente en cuanto a laradiación cósmica de microondas. Desde amplitud de las mismas. En otrasentonces se han hecho muchas medidas palabras, el análisis de la variacióny se ha caracterizado exhaustivamente. espacial de la intensidad de la radiaciónEn la figura 4.6 mostramos el espectro de fondo debería poner de manifiestode esa radiación medido con precisión irregularidades compatibles con las queextraordinaria por el satélite COBE en puede suponerse que presentaba lalos años noventa. distribución de materia cuando ambas Esa radiación de fondo corresponde estaban en equilibrio.a un cuerpo negro perfecto a la Ya desde los primeros años setenta Figura 4.6. Distribución espectral detemperatura de 2,73 K. Basta ese dato del siglo XX, se diseñaron instrumentos energía del fondo cósmico de microondaspara caracterizar las propiedades y experimentos para medirlas, pero sin medido por el satélite COBE. Las distorsiones están por debajo de 1,5x10-5intrínsecas de la radiación. En los resultados esperados. Lo que causó para cualquier frecuencia.particular, eso significa que hay en el no poca sorpresa, puesto que laUniverso actual unos 400 fotones por sensibilidad instrumental era suficientecentímetro cúbico, cuyo origen hay que para medir las irregularidades que sebuscarlo en los procesos que ocurrieron preveían. En efecto, dado que secuando el Universo era un plasma aceptaba entonces que toda la materiacaliente y denso. Pero no se agota ahí la era bariónica, las fluctuacionesinformación que esa radiación contiene. primordiales de la materia podían Una constatación inmediata de las calcularse a partir de las fluctuacionesobservaciones, como ya hemos de densidad que observamos en elcomentado antes, es la distribución en mundo de las galaxias, rehaciendo elaglomerados y grandes estructuras que proceso de crecimiento hacia atrás. Lapresenta la materia. Estas grandes radiación de fondo debería mostrar elirregularidades en la distribución de mismo nivel de fluctuaciones, quemateria, que han ido formándose por el resultaba ser del orden de una parte enjuego de las fuerzas gravitatorias, tienen mil. Pero no se encontraron. O, porque haber tenido su correlato en etapas mejor expresarlo, se encontraron peroanteriores del Universo, incluidas las con la distribución que corresponde almás tempranas. De otra forma no dipolo creado por el movimiento delpodrían haberse generado. De modo observador respecto a la radiación deque la radiación, que estuvo en fondo. Una vez tenida en cuenta ésta,equilibrio con la materia en esas etapas las cotas superiores que se establecieronanteriores del Universo, debería mostrar eran muy inferiores a aquellos valorestambién la huella de esas irregularidades esperados. 99
    • Este resultado se reconsideró desde temperatura del fondo cósmico de materia oscura continuaron creciendoentonces como un indicio de la microondas detectadas por estos y ésta fue aglomerándose y formandoexistencia de materia oscura, experimentos a escalas espaciales de 5 a sistemas cada vez más densos; pero esteno-bariónica, cuyo comportamiento 8 grados tienen un origen cosmológico comportamiento ya no podía alterar ladiferenciado del de la materia bariónica que nos transporta a etapas muy radiación, puesto que ya eranpudiese explicar esas discrepancias entre primitivas del Universo. El experimento independientes. Mientras, la materialos esperado y lo medido. de Tenerife sobre el fondo de bariónica siguió en equilibrio con la El primer experimento que midió la microondas, tras confirmar el resultado radiación, sin que se produjesenintensidad de esas irregularidades en la de COBE, localizó las primeras huellas mayores irregularidades. Cuando éstasradiación cósmica de fondo fue COBE. cosmológicas (directas, no estadísticas) se separaron, la radiación mantenía lasEn primer lugar, los datos reflejaban a principios de 1994. pequeñas fluctuaciones queque la intensidad de esta radiación Aquí se impone un pequeño inciso. corresponden a la época en que estaba(medida por su temperatura) era mayor Hemos dicho que las fluctuaciones que en equilibrio con la materia oscura,que el promedio en una cierta región de se esperarían en la radiación cósmica de mientras que la materia bariónica fuela bóveda celeste e inferior al promedio fondo para que correspondiesen a las acumulándose rápidamente en las zonasen otra. La amplitud de esta variación irregularidades en la densidad de la de atracción creadas por la materiaa gran escala, que corresponde a la materia bariónica serían unas 100 veces oscura tras su propio desacoplo. Deanisotropía dipolar que acabamos de superiores a las que se observan. ¿Cómo modo que las fluctuaciones de la partemencionar, es tan sólo de unas 3 es entonces posible que se puedan bariónica crecieron muy deprisa,milésimas de grado, y refleja explicar los contrastes de densidad que incluso más de lo que lo habían hechoesencialmente el movimiento de nuestra se observan en el mundo de las galaxias? las de la materia oscura, debido a queGalaxia en el medio intergaláctico. El papel de la materia oscura es, como los bariones están sujetos a procesosAnisotropía que no es de origen hemos apuntado, esencial y, de hecho, disipativos. De ese modo se puedecosmológico, sino local, y que había constituyó un argumento mayor entender que las fluctuaciones en lasido ya determinada por los primeros mientras aún no se disponía de datos radiación de fondo sean pequeñas y losexperimentos que se hicieron a partir de directos. El razonamiento es contrastes de densidad en la materialos años setenta del siglo XX. La gran relativamente simple. La mayor parte bariónica, muy grandes.novedad que aportan los datos de de la materia es de naturaleza no- Volviendo a las propiedades de laCOBE es la detección de anisotropías bariónica y, por tanto, tiene otras radiación cósmica de fondo, COBEde origen cosmológico en el fondo condiciones de equilibrio con la mostró el camino para profundizar encósmico de microondas, a menores radiación. Si esa materia oscura se el conocimiento de sus fluctuacionesescalas angulares, con un nivel desacopló de la radiación antes que la y para extraer la información queaproximado de una parte en cien mil bariónica, en un momento en que las contiene. Ese primer experimento traía(figura 4.7). Este descubrimiento fue fluctuaciones habían crecido poco, información sobre escalas espacialespronto corroborado por experimentos las irregularidades que dejaron eran grandes (varios grados). Los pasosdesde tierra y, hoy día, no hay duda de correspondientemente pequeñas. Una siguientes tenían que dirigirse, ademásque las fluctuaciones espaciales de la vez desacoplada, las fluctuaciones de de a mejorar la sensibilidad, a sondear100
    • DMR 53 GHz Maps T = 2.728 Kescalas cada vez menores. A partir de la pico acústico en el espectro desegunda mitad de los años noventa, se potencias. Los resultados del análisis depusieron en marcha varios experimentos los datos se muestran en la figura 4.8.a bordo de globos estratosféricos como Datos como los que mostramos enBOOMERANG y MAXIMA, que han la figura encierran información sobre ΔT = 3.353 mKmostrado que la amplitud de las las principales características delfluctuaciones presenta, efectivamente, Universo. La posición y amplitud de losuna fuerte modulación dependiendo de picos acústicos es sensible a la densidadla escala angular de la observación —en total de energía y materia y a cada unaperfecta consonancia con las de las componentes materiales (materiapredicciones de algunas teorías de oscura, bariónica, neutrinos) y al ΔT = 18 μKformación de estructura en el término de constante cosmológica. EnUniverso— y alcanza un máximo a particular, la posición del primer pico Figura 4.7. Mapas del fondo cósmico deescalas angulares de 1 grado. En el año permite determinar la densidad total. microondas. El superior muestra la2003, el satélite WMAP (Wilkinson Dentro de las incertidumbres de la uniformidad. Estos mapas muestran la uniformidad de dicho fondo en primeraMicrowave Anisotropy Probe, de NASA) medida, el valor que se encuentra es aproximación. En el mapa del medio sehacía públicas medidas de alta precisión Ωm + ΩΛ = 1. Comparando este muestra la componente dipolar de lade los dos primeros picos en el espectro resultado con la ecuación que dimos distribución de irregularidades. Estade potencias angulares de las antes, que describe la estructura global componente revela el movimiento del observador. En el inferior se muestran lasfluctuaciones del fondo cósmico de del Universo, llegamos a la conclusión fluctuaciones intrínsecas y la emisión delmicroondas y de la función de que Ωk = 0, ó lo que es equivalente, plano de nuestra Galaxia. Como se indica,correlación entre temperaturas y k = 0. Esto significa que las secciones la intensidad de esas fluctuaciones es de 18polarización de la radiación. Las más espaciales del espacio-tiempo son millonésimas de grado.recientes observaciones de los planas. También significa que laexperimentos interferométricos VSA densidad correspondiente es la crítica,(en Tenerife), CBI y equivalente a 0,9x10-29 g/cm3. LaBOOMERANG03 ponen también de densidad de materia bariónica coincide,manifiesto la existencia de un tercer dentro de las incertidumbres, con la 101
    • que aludíamos en el capítulo anterior (ver figura 3.14), corresponde 8.000 precisamente a la escala proporcionada VSA por el primer pico en el espectro de WMAP 6.000 OBI Mosaic potencias de las fluctuaciones de la ACBAR radiación de fondo.l (l+1)Cl/2π (μK) El problema cosmológico queda así 4.000 acotado. Este modelo con k = 0 tiene la notable propiedad, como ya dijimos, 2.000 que la condición Ωm + ΩΛ = 1 se mantiene a lo largo de toda su evolución, desde las épocas más 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 tempranas hasta las más alejadas en el Multipole, l futuro. De modo que de esa simpleFigura 4.8. Espectro de potencias de las relación se puede ya conjeturar cómo sefluctuaciones del fondo cósmico de comporta el Universo, globalmente,microondas medido por varios obtenida del análisis de la núcleo- a lo largo de su evolución. Así, en lasexperimentos: WMAP, VSA (mostrado endos agrupamientos de datos), CBI y ACBAR. síntesis primordial y las abundancias de etapas más tempranas, el término deSe puede apreciar los tres primeros picos elementos ligeros. Se deduce que la constante cosmológica es despreciable yen el espectro de potencias, resultado de componente de materia oscura es la radiación domina completamente eseoscilaciones acústicas en el plasma aproximadamente unas cinco veces comportamiento. Desde el Big-Bang, laprimordial. La amplitud, anchura y posiciónde estos picos permite restringir un superior a ésta. Las próximas misiones expansión fue decelerándose hasta elelevado número de parámetros espaciales, Planck en particular, van a momento en que el término de lacosmológicos. aportar datos de superior calidad y constante cosmológica comenzó a tener precisión, a escalas angulares todavía importancia. También se va enfriando menores, que, sin duda, permitirán y la radiación comienza a perder su avanzar significativamente en el preponderancia, pasando la materia a conocimiento del Universo temprano. gobernar, junto con la constante Por otro lado, esos picos en las cosmológica, el comportamiento global fluctuaciones de la radiación de fondo del Universo. Finalmente, hay un deben tener su correlato en la momento en que el término dominante distribución de la materia bariónica, las es el de la constante cosmológica. Según galaxias, a la escala correspondiente al los datos que se desprenden tanto del cambio de tamaño del Universo desde análisis de la radiación de fondo como que se desacopló de la radiación hasta de la ley de Hubble, esa fase ya hoy. El pico en la distribución de comenzó, de modo que en la época galaxias a escala de unos 140 Mpc, al actual la expansión se acelera por102
    • influencia de esa constante Planteado en términos algo problema del horizonte. La idea escosmológica. Las ecuaciones del modelo diferentes, el problema es el siguiente: relativamente simple, aunque sunos dicen que esa tendencia ya no dadas las propiedades generales del implementación sea complicada. Sepuede alterarse, de modo que la modelo, dos zonas cualesquiera trata de explorar la posibilidad de que elexpansión continuará acelerándose del Universo que hoy observamos, se Universo, en sus primeras etapasindefinidamente. En ese sentido, por encontraban en horizontes disjuntos, evolutivas, haya pasado por una fase enanalogía con la fase de inflación es decir, sin posibilidad de contacto que su tamaño haya aumentado mástemprana que ahora describiremos, se causal, en algún momento anterior. deprisa que el del horizonte. De ahí elpuede decir que hemos entrado en la Entonces ¿cómo es posible que cuando nombre de inflación. La causa de estafase de inflación inevitable y definitiva. medimos una propiedad del Universo hiper-expansión sería la evolución de en esas dos regiones, por ejemplo la un cierto campo material, cuya4.4.2. El Universo primitivo. La etapa temperatura de la radiación de fondo, existencia y propiedades son por elde inflación encontremos el mismo valor? ¿Cómo momento hipotéticas. La violenta conoce una región el valor en las otras expansión que cambiaría el tamaño delEl esquema que hemos ido presentando regiones? El tamaño del horizonte Universo exponencialmente en eltiene algunas dificultades de fondo que cuando la radiación de fondo comenzó pequeñísimo intervalo de tiempo quese han ido planteando con el tiempo y su evolución independiente equivale a va entre 10-43 y 10-30 segundos despuésque demandan soluciones que, aunque unos 2 grados en el Universo actual. Si de la singularidad inicial habríamucho se ha avanzado, todavía no se medimos T en dos zonas separadas por producido el contacto causal de todashan logrado. El problema central es más de dos grados, los valores tendrían las regiones del Universo hasta entoncesprecisamente el de las condiciones que ser totalmente independientes. Pero desconectadas, y uniformizado lasiniciales, el punto de partida de este no lo son. Es más, dos regiones con propiedades.Universo. horizontes disjuntos en algún momento La idea de la inflación ha motivado Como ya planteó Weyl en los años siempre estuvieron en horizontes una importante cantidad de trabajosveinte del siglo pasado, la única disjuntos en el pasado, puesto que el que exploran diferentes formulacionesposibilidad de que las diferentes partes tamaño del horizonte aumenta más en busca de la más adecuada. Losde un Universo evolutivo, como el que deprisa que el tamaño del Universo. resultados son, en cierto modo,estamos considerando, hayan estado en Dos sistemas no relacionados satisfactorios, aunque todavía no se hacontacto físico en el pasado es que causalmente en un momento dado encontrado la que resuelva todos lostengan un origen común. Ese origen siempre estuvieron causalmente problemas, en gran medida porque nocomún es lo que después fue bautizado desconectados. ¿Cómo es entonces pueden ser sino planteamientospor Hoyle como Big-Bang. Este posible que encontremos el mismo heurísticos mientras no se tenga unaplanteamiento es un simple postulado o valor de T (o cualquier otra propiedad teoría de la gravedad cuántica. Pero estáprincipio (que durante algunos años se global) cualquiera que sea la región del claro que la idea permite plantear unconoció como principio de Weyl), que cielo en que la midamos? contexto físico en el que los problemasno soluciona el problema físico antes La idea de la inflación fue ligados con las condiciones inicialesmencionado. introducida para resolver, entre otros, el puedan encontrar una explicación. 103
    • de ellas sin preocuparnos por su origen. La inflación permite plantear una respuesta. En efecto, el campo material responsable de la inflación está, por su naturaleza cuántica, sujeto a fluctuaciones intrínsecas. Esas fluctuaciones serían las semillas de las galaxias que andábamos buscando. Se ha podido calcular, bajo ciertas hipótesis, algunas de las características de esas fluctuaciones. El espectro que se predice es plano (es decir, no se privilegia ninguna escala), que es lo que los análisis de la radiación cósmica de fondo permiten concluir. En cuanto a las amplitudes, aunque pueden predecirse con el valor apropiado, requieren sin embargo de ajustes finos no totalmente satisfactorios. El cuadro general que emerge del estudio del Universo temprano, incluyendo la inflación, es de armonía. Se puede comprender el origen de la homogeneidad e isotropía a gran escala, pero también el origen de las fluctuaciones a partir de las que se han generado las estructuras que observamos. Se puede comprender el origen y propiedades de la radiación de fondo y las abundancias de los elementos ligeros, D, He, Li. Y se puede concluir que el Universo es del Además, el planteamiento de la tipo k = 0, y que la constante inflación permite también abordar el cosmológica ha empezado ya a dominar problema del origen de las fluctuaciones la expansión, acelerándola para siempre. que después dieron lugar a las galaxias y Pero no sin costo en hipótesis, que estructuras. Hasta ahora hemos hablado vamos a discutir a continuación.104
    • 4.4.3. El Universo acelerado. De laconstante cosmológica a la energíaoscuraEntre las grandes novedades que elavance de la Cosmología en los últimos15 años nos ha aportado está, sin duda,el que actualmente, la expansión delUniverso es acelerada. Dado el carácteratractivo de las fuerzas gravitatorias que,en consecuencia, tienden a frenar esaexpansión, tan sólo el término deconstante cosmológica puede causar tal de expansión no es monótono. A una Hasta ahora venimos hablando de laaceleración y, como hemos dicho, sólo fase inicial de desaceleración, debido al constante cosmológica. En nuestrasa partir de un cierto momento en la efecto contrario de la atracción consideraciones así la hemos usado y, enevolución del Universo. gravitatoria, sigue una fase en que la efecto, puede causar los efectos que se Los valores que se obtienen para el expansión se acelera indefinidamente. están observando. En la teoría detérmino tanto del análisis de la relación de Aceleración cuya causa hay que Einstein aparece como una constante deHubble como del análisis de la radiación buscarla en la constante cosmológica o, integración, sin que haya ningunacósmica de fondo son coincidentes dentro en términos más generales, en la indicación sobre su posible valor, nide los errores de medida y lo fijan en 0,7 energía oscura. Dado que, siempre siquiera sobre si es positiva o negativa.aproximadamente. Hay que señalar dentro del modelo estándar, la Por otro lado, desde el punto de vistatambién que, dado que k = 0, el valor que transición entre la fase de observacional, tan sólo en el dominiocorresponde a Ωm es 0,3, de acuerdo con desaceleración y la de aceleración de la Cosmología puede serlo que se deduce de la dinámica de los ya habría ocurrido, estaríamos ya en discernible.cúmulos de galaxias. esa fase de expansión cada vez más La constante cosmológica ha sido Esos parámetros determinan un rápida que se asemeja a una nueva también considerada desde otro puntomodelo de Universo en el que el ritmo inflación, final. de vista. El término se puede separar 105
    • del resto del tensor geométrico y de estado anterior puede generalizarse de los años ochenta, ante tal situación,añadirlo al segundo miembro, como para tomar la forma p ∝ wr, en donde Weinberg escribiera que es elsi se tratase de una contribución el coeficiente w puede tomar un valor problema más grave de la Física.energético-material más. Si ahora entre 0 (caso Λ = 0) y -1 (corresponde Y se comprende también que laconsideramos el caso en que no hay al de la constante cosmológica). Esa revista Science, como ya dijimos, lomás aportaciones al tensor materia- relación anterior se conoce como proclamase como el primer problemaenergía que la de la constante ecuación de estado del Universo y de la Ciencia.cosmológica, podría considerarse que Λ constituye uno de los objetivos Siempre se ha considerado elcorresponde a la densidad de energía del principales de los esfuerzos Universo como un inmenso,vacío. Esta idea es la que motiva el observacionales que se están insuperable, laboratorio, aunque nocambio de denominación a energía planificando, y de los teóricos. pocas veces no pasase de ser unoscura. Analizada en términos de un En efecto, también en el campo de planteamiento algo retórico. Hoy, afluido, correspondería al caso en que la la Física Teórica plantea la constante principios del siglo XXI, la Astrofísicaecuación de estado es p ∝ -r, es decir, cosmológica problemas formidables. y la Cosmología lo han revelado comouna tensión en lugar de una presión. Considerada como energía del vacío, su el único laboratorio en donde losDe ahí que su efecto gravitatorio sea valor debería poder fijarse por componentes básicos puedan revelarsecontrario al de atracción de la materia- argumentos relativamente directos sobre y ser ponderados y analizados. Sujetasenergía ordinaria. El efecto de la energía los campos materiales y su contribución a las condiciones y a las precaucionesoscura es el de una repulsión. a la misma. Pero el valor mínimo que propias de una ciencia observacionalDe ahí que sea capaz de acelerar la de esa forma se puede encontrar para como son aquéllas, su progreso nos haexpansión. esa densidad es extraordinariamente mostrado que lo que vemos por su luz Por otro lado, para que haya una superior, nada menos que 120 órdenes y entendemos con nuestras teoríasaceleración basta con que haya una de magnitud, al valor máximo que las no sería, a día de hoy, sino unacomponente que se comporte como observaciones astrofísicas más básicas ínfima parte de lo que conforma eluna tensión, de modo que la ecuación permiten. Se comprende que ya al final Universo.106
    • Epílogo. A modode conclusiones Si no se espera, no se encontrará lo inesperado; puesto que lo inesperado es difícil y arduo. HeráclitoLo que acabamos de relatar nos lleva a concluir que el Universo se expandecon un ritmo que hoy es, dentro de los errores de medida, de 71 km/s/Mpc.Que esta expansión comenzó hace unos 14 mil millones de años, que generófluctuaciones que fueron creciendo hasta formar las galaxias y aglomeradosque hoy vemos. También nos dice que la radiación de fondo que observamosa 2,73 K es el residuo fósil de la radiación que existió en el pasado cuando lamateria y la radiación estaban aún en equilibrio. Y que las abundancias quemedimos de algunos elementos como D, He y Li son también la prueba delpasado caliente y denso del Universo que pudo formarlos cuando las condicioneseran apropiadas. Este modelo nos dice que el Universo tiene una historia y que las galaxias máslejanas están, en términos generales, en fases evolutivas anteriores a las máspróximas; y que el grado de estructuración de la materia que vemos en el Universopróximo es muy superior al que debió de existir en etapas anteriores. Una gran cantidad de datos de observación puede hacerse encajar en eseesquema. El modelo está asentado (a veces se le ha denominado ModeloCosmológico de Consenso) y estaríamos en el inicio de la Cosmología de precisión,de ajustar los detalles. 107
    • Pero ¿de qué está hecho el Universo? Hemos comenzado con las estrellas, las galaxias y sus agregados… Materia ordinaria que participa en la producción de luz, principalmente a través de las reacciones termonucleares que tienen lugar en los interiores estelares. Cierto es que si examinamos, por ejemplo, el Sistema Solar, nos encontramos con cuerpos que no producen luz, los planetas, asteroides… Pero el Sol representa más del 99% de la masa total, de modo que es una buena aproximación decir que la masa del sistema viene dada por la de la estrella central. Se puede pensar que haya cuerpos de masas tan inferiores a la del Sol, desde estrellas enanas marrones a planetas similares a Júpiter, que no se alcancen en su interior las condiciones necesarias para iniciar el proceso termonuclear. También existe gas en diferentes fases, polvo..., pero no contribuyen entre todos esos componentes de manera significativa a la masa total que representan las estrellas. De modo que admitir que la masa en estrellas, la masa luminosa, no es muy inferior a la total era un punto de partida históricamente razonable. No sabemos si porque, como recomendaba Heráclito, los astrónomos han estado siempre atentos a lo inesperado o simplemente por la fuerza de los datos de observación, las sorpresas se han presentado de manera contundente. La primera de ellas, firmemente apuntada desde los primeros estudios dinámicos de cúmulos de galaxias y de galaxias individuales, es que la materia luminosa estelar sólo representa una pequeña fracción de la masa luminosa total. El análisis de detalle de las propiedades de los cúmulos de galaxias reveladas por su emisión en el dominio de los rayos X prueban que, en el sentido extendido del término luminoso que aquí utilizamos para abarcar cualquier rango del espectro electromagnético, la mayor parte de la materia luminosa, bariónica, no está en las estrellas, sino en forma de plasma caliente en el medio intergaláctico de los cúmulos o, incluso, entre los cúmulos. La segunda sorpresa es que la masa dinámica es muy superior a la masa luminosa total. La mayor parte de la materia que existe es oscura. Como ya dijimos antes, esta componente ha sido puesta de manifiesto por sus efectos gravitatorios y, en ese sentido, ha sido descubierta. Es un resultado de la Astrofísica, independiente de cualquier consideración cosmológica, que se sustenta tan sólo en nuestras concepciones sobre la gravedad. Pero ¿cuál es su naturaleza? Para responder a esta cuestión tenemos que utilizar argumentos que vienen de la Cosmología. En el marco del modelo estándar hemos visto que las abundancias de los elementos ligeros ponen cotas a la densidad bariónica del Universo, puesto que de otra forma no se podrían explicar los valores medidos de esas abundancias. Aun teniendo en cuenta las incertidumbres de las medidas, la conclusión es que la cantidad de materia bariónica permitida por la Cosmología es muy inferior a la masa total dinámica. La108
    • conclusión final es, en consecuencia, que la mayor parte de la materia del Universoes no solamente no-luminosa, sino que es de naturaleza diferente a la materiabariónica. Más aún, debería estar constituida por partículas que interaccionan muydébilmente con las demás, salvo por la acción universal de la gravedad, lo que haceextremadamente difícil su detección. No conocemos todavía qué es la materiaoscura, pero sabemos lo que no puede ser. La última sorpresa, por ahora, es la constatación que la expansión es acelerada y,por lo tanto, existe una componente en el Universo que se comporta de forma diferentea la de la materia y que constituye la mayor parte del contenido energético-material delUniverso. Que se trate de la constante cosmológica o de energía oscura es algo quetendrá que dilucidarse con nuevos datos y elaboraciones teóricas. Pero, comodecíamos antes para la materia oscura, puede decirse que ya ha sido descubierta porsus efectos (anti) gravitatorios. En términos cuantitativos, la situación que nos presentan los datos existentes esque el balance global viene dado Ωm + ΩΛ = 1 (recordemos que aunque ambascomponentes varían a lo largo del tiempo, la ecuación es válida para cualquier etapaevolutiva del Universo). Con los valores hoy admitidos para los diferentesparámetros cosmológicos, incluida la constante de Hubble, la importancia relativade los mismos es la que damos en el cuadro resumen final. La composición y naturaleza de la materia y energía oscuras es uno de losdesafíos más importantes con que se enfrenta no sólo la moderna Cosmología sinola Física. Las partículas que podrían constituir la materia oscura son objeto debúsqueda directa desde hace ya algunos años con experimentos sofisticados y,gracias a las técnicas de detección, con observaciones de los rayos γ que seproducirían en el proceso de aniquilación de las mismas. Las teorías, por su parte,intentan poner cotas a las propiedades que podrían tener esas partículas paraorientar los experimentos. En cuanto a la energía oscura, dado que sus efectos son sólo apreciables en eldominio cosmológico, determinar su naturaleza, establecer si se trata de unaconstante o de una nueva componente del Universo exigen un esfuerzo de talcalibre que sólo será abordable en el marco de grandes colaboraciones, que ataquenel problema desde diferentes perspectivas y con métodos diferentes, que pongan encomún medios poderosos de observación, capacidad de análisis de datos yflexibilidad teórica para poder interpretarlos. Aquí casi sólo cabe esperar loinesperado. El problema de la energía oscura plantea un reto formidable a la Física. Comoya dijimos, la Física de partículas no ha podido explicar cómo el valor que hoy 109
    • observamos de la constante cosmológica es tan pequeño (más de 120 órdenes de magnitud) con respecto a sus predicciones más básicas. Nadie descarta en este momento que el avance en la caracterización empírica del problema pueda forzar cambios drásticos en alguna de nuestras concepciones teóricas, particularmente en el dominio de la gravedad, como se dice en el citado informe sobre la energía oscura y como se reconoce en todos los ámbitos científicos. Cuadro resumen de la composición del Universo ΩΛ = 0,73. La energía oscura, de naturaleza desconocida, domina la evolución del Universo a partir de cierto momento, por el que el Universo ya habría pasado. La expansión se acelerará indefinidamente en el futuro Ωm = 0,27. La materia-radiación dominó en el pasado, pero ya no es el caso. En el futuro su importancia irá decreciendo paulatinamente. Este término tiene varias componentes: Ωm~ 0,06. La componente bariónica es minoritaria. Tiene a su vez dos componentes, Ωm ~ 0,012. Contenida en las estrellas Ωm ~ 0,048. En forma de plasma en los cúmulos de galaxias Ωm ~ 0,21. Es la materia oscura, el mayor contribuyente a Ωm, cuya naturaleza es hoy desconocida110
    • COLECCIÓNDIVULGACIÓN Claroscuro del UniversoClaroscurodel Universo COLECCIÓNDIVULGACIÓN ClaroscuroNuestra principal guía para conocer el Universo es el análisis de la luzque nos llega de los astros, pero lo visible nos ha llevadorápidamente, con los avances de los últimos años, hacia aquello que MARIANO MOLES VILLAMATE COORDINADOR •no vemos, la materia que sabemos que existe por su efecto en losmovimientos de los cuerpos que forman parte del mismo sistema.Su naturaleza es diferente a la que constituyen las estrellas, los planetaso a nosotros mismos: es la Materia Oscura. del UniversoLa estructura básica del Universo se ha ido determinandopaulatinamente, usando fuentes cada vez más lejanas y que permitenuna mejor separación entre las predicciones de los diferentes modelos. MARIANO MOLES VILLAMATECon la capacidad de medidas cada vez más precisas ha llegado una COORDINADORgran sorpresa: la expansión del Universo es acelerada. Dado que lapresencia de materia y energía, cualquiera que sea su naturaleza, sólopuede frenar la expansión por sus efectos gravitatorios…, se deduceque debe haber un nuevo componente que sea responsable de esaaceleración de la expansión.Para explicar este nuevo componente, Einstein incluyó entre susteorías la llamada Constante Cosmológica, que no tuvo buena prensa CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICASal principio, pero que nunca desapareció de la escena cosmológica.Su estatus como ingrediente necesario para comprender la expansiónacelerada es relativamente reciente, y con la novedad de que suconcepción se ha ensanchado para abarcar la posibilidad de que se tratede una entidad física, totalmente desconocida por el momento y queevoluciona con el tiempo. Estamos hablando de la Energía Oscura. ISBN: 978-84-00-08536-0 9 788400 085360