El espacio no siempre fue un lugar grande
El Universo en expansión, lleno de galaxias y de la compleja estructura que observamos hoy, surgió de un estado… más pequeño, caliente, denso y uniforme. Pero incluso ese estado inicial tuvo sus orígenes, con la inflación cósmica como principal candidata a la procedencia de todo ello.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Hay pocas cosas que podamos concebir que sean tan alucinantemente grandes como el espacio. Nuestro Universo observable, hasta los más profundos recovecos del espacio que podemos ver, nos lleva a unos 46.000 millones de años luz en todas las direcciones. Desde el Big Bang hasta ahora, nuestro Universo se ha expandido y gravitado al mismo tiempo, dando lugar a estrellas y galaxias repartidas por la extensión del espacio exterior. En total, hay actualmente unos 2 billones de galaxias presentes en él.
Y, sin embargo, si retrocedemos en el tiempo, aprendemos que nuestro Universo no sólo era un lugar mucho más pequeño, sino que en las primeras etapas, no era impresionantemente grande en absoluto. Puede que el espacio no haya sido siempre un lugar grande, y es sólo el hecho de que nuestro Universo se haya expandido de forma tan completa e implacable lo que hace que hoy lo veamos tan grande y vacío.
El Universo lejano, tal y como se ve aquí a través del plano de la Vía Láctea, está formado por estrellas y… galaxias, así como por gas y polvo opacos, que se remontan hasta donde podemos ver. Pero sabemos que no lo estamos viendo todo, no importa cómo miremos.
Two Micron All Sky Survey (2MASS)
Si miramos el Universo hoy, no se puede negar la enormidad de su escala. Nuestra Vía Láctea, que contiene alrededor de 400.000 millones de estrellas, se extiende a lo largo de más de 100.000 años luz de diámetro. Las distancias entre las estrellas son enormes, y la estrella más cercana a nuestro Sol (Próxima Centauri) se encuentra a unos 4,24 años luz: más de 40 billones de kilómetros de distancia.
Si bien algunas estrellas están agrupadas, ya sea en sistemas multiestelares o en cúmulos estelares de diversos tipos, la mayoría son como nuestro Sol: estrellas individuales que están relativamente aisladas de todas las demás dentro de una galaxia. Y una vez que se va más allá de nuestra propia galaxia, el Universo se convierte en un lugar mucho más escaso, ya que sólo una pequeña fracción del volumen del Universo contiene galaxias. La mayor parte del Universo, por lo que podemos decir, carece por completo de estrellas y galaxias.
El Universo es un lugar asombroso, y la forma en que llegó a ser hoy es algo por lo que vale la pena estar… agradecido. Aunque nuestras imágenes más espectaculares del espacio son ricas en galaxias, la mayor parte del volumen del Universo carece por completo de materia, galaxias y luz.
NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee
Nuestro Grupo Local, por ejemplo, contiene otra gran galaxia: Andrómeda, situada a 2,5 millones de años luz de nosotros. También hay un número de galaxias significativamente más pequeñas, incluyendo la galaxia Triangulum (la tercera más grande del Grupo Local), la Gran Nube de Magallanes (#4), y alrededor de otras 60 galaxias mucho más pequeñas, todas ellas contenidas en un radio de unos 3 millones de años luz de nosotros.
Más allá de eso, las galaxias se encuentran agrupadas y aglutinadas en todo el Universo, con una red cósmica que consiste en grandes cúmulos de galaxias conectadas por filamentos punteados de galaxias. El Universo llegó a ser así porque no sólo se expandió y se enfrió, sino porque también gravitó. Las regiones inicialmente sobredensas atrajeron preferentemente la materia y dieron lugar a las estructuras que vemos; las regiones poco densas cedieron su materia a las más densas, convirtiéndose en los grandes vacíos cósmicos que dominan la mayor parte del volumen del Universo.
El crecimiento de la red cósmica y de la estructura a gran escala en el Universo, que se muestra aquí con la… expansión propiamente dicha a escala, da como resultado que el Universo se vuelva más aglomerado y más tosco a medida que pasa el tiempo. Inicialmente, las pequeñas fluctuaciones de densidad crecerán hasta formar una red cósmica con grandes vacíos que las separan, pero lo que parecen ser las mayores estructuras parecidas a muros y supercúmulos pueden no ser verdaderas estructuras ligadas después de todo.
Volker Springel
En definitiva, nuestro Universo observable es realmente enorme hoy en día. Centrado en cualquier observador -incluidos nosotros mismos- podemos encontrar objetos tan lejanos como 46.100 millones de años luz en cualquier dirección. Si lo sumamos todo, eso equivale a un volumen de 4,1 × 1032 años-luz cúbicos. Con incluso dos trillones de galaxias en el Universo, eso significa que cada galaxia, por término medio, tiene unos 2 × 1020 años-luz cúbicos de volumen para sí misma.
Si las galaxias estuvieran todas uniformemente espaciadas en el Universo, y definitivamente no lo están, se podría poner el dedo sobre una galaxia y dibujar una esfera alrededor de ella de aproximadamente 6 millones de años-luz de radio y nunca chocar con otra galaxia. Nuestra ubicación en el Universo tiene cientos de veces la densidad de galaxias que esperamos en promedio. Entre los grupos y cúmulos de galaxias del Universo se encuentra la mayor parte de su volumen, y es en su mayoría espacio vacío.
Un mapa de más de un millón de galaxias en el Universo, donde cada punto es su propia galaxia. Los… diversos colores representan las distancias, siendo los más rojos los más lejanos. A pesar de lo que se podría suponer en esta imagen, la mayor parte del Universo es espacio intergaláctico vacío.
Daniel Eisenstein y la colaboración SDSS-III
Pero la razón por la que el Universo es tan grande hoy en día es porque se ha expandido y enfriado hasta llegar a este punto. Incluso hoy en día, el Universo sigue expandiéndose a un ritmo tremendo: aproximadamente 70 km/s/Mpc. En el extremo más lejano del Universo, a 46.100 millones de años luz de distancia, la cantidad de Universo que podemos observar crece en 6,5 años luz adicionales con cada año que pasa.
Eso significa que si extrapolamos en la dirección opuesta en el tiempo -mirando tan lejos como queramos en el pasado- encontraremos el Universo como era cuando era más joven, más caliente y más pequeño. En la actualidad, el Universo se extiende a lo largo de 46.000 millones de años luz en todas las direcciones, pero eso es porque han pasado 13.800 millones de años desde el Big Bang, y nuestro Universo contiene una mezcla específica de energía oscura, materia y radiación en diversas formas.
Si nos remontáramos a cuando el Universo tenía sólo 3.000 millones de años (alrededor del 20% de su edad actual), encontraríamos que sólo tenía unos 9.000 millones de años luz de radio (sólo el 0,7% de su volumen actual).
Una selección de algunas de las galaxias más lejanas del Universo observable, del Hubble Ultra… Campo profundo. Cuando observamos el Universo a grandes distancias, lo estamos viendo como era en un pasado lejano: más pequeño, más denso, más caliente y menos evolucionado.
NASA, ESA y N. Pirzkal (Agencia Espacial Europea/STScI)
Y no tenemos problema en mirar hacia atrás para ver galaxias y cúmulos de galaxias cuando el Universo era así de joven; el telescopio espacial Hubble, entre otros, nos ha llevado mucho más atrás. En esta época, las galaxias eran más pequeñas, más azules, de menor masa y menos evolucionadas, en promedio, ya que el Universo no había tenido tiempo suficiente para formar las estructuras más grandes y masivas de todas.
El Universo, en esta etapa temprana, es mucho más denso en general que en la actualidad. El número de partículas de materia sigue siendo el mismo a lo largo del tiempo, incluso a medida que el Universo se expande, lo que significa que el Universo a una edad de ~3.000 millones de años es unas 150 veces más denso que el Universo actual, a una edad de ~13.800 millones de años. En lugar de un protón de masa por metro cúbico, hay cerca de 100 protones. Sin embargo, podemos remontarnos a épocas mucho más tempranas y encontrar un Universo no sólo más pequeño y denso, sino también dramáticamente diferente.
Las primeras estrellas del Universo estarán rodeadas de átomos neutros de gas (en su mayoría) hidrógeno, que… absorbe la luz de las estrellas. El hidrógeno hace que el Universo sea opaco a la luz visible, ultravioleta y a una gran fracción de la luz infrarroja cercana, pero es posible que las longitudes de onda más largas aún sean observables y visibles para los observatorios del futuro próximo. La temperatura durante esta época no era de 3K, sino lo suficientemente caliente como para hervir nitrógeno líquido, y el Universo era decenas de miles de veces más denso de lo que es hoy en promedio a gran escala.
Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Si nos remontamos a cuando el Universo tenía sólo 100 millones de años -menos del 1% de su edad actual- las cosas empiezan a ser dramáticamente diferentes. Las primeras estrellas habían empezado a formarse hace poco, pero aún no había galaxias, ni siquiera una. El Universo tiene en ese momento un 3% de su escala actual, lo que significa que sólo tiene un 0,003% de su volumen actual y 40.000 veces su densidad actual. El Fondo Cósmico de Microondas es lo suficientemente caliente, en este momento, como para hervir nitrógeno líquido.
Pero podemos ir mucho más atrás en el tiempo, y descubrir un Universo aún más pequeño. La luz del Fondo Cósmico de Microondas que vemos fue emitida cuando el Universo tenía sólo 380.000 años: cuando era más de mil millones de veces más denso que hoy. Si dibujaras un círculo alrededor de nuestro supercúmulo local hoy en día, Laniakea, encapsularía un volumen mucho mayor que el de todo el Universo observable en aquellas primeras etapas calientes y densas.
A las altas temperaturas alcanzadas en el Universo muy joven, no sólo pueden crearse espontáneamente partículas y fotones, dada la suficiente energía, sino también antipartículas y partículas inestables, dando lugar a una sopa primordial de partículas y antipartículas. Sin embargo, incluso con estas condiciones, sólo pueden surgir unos pocos estados específicos, o partículas, y para cuando han pasado unos segundos, el Universo es mucho más grande de lo que era en las primeras etapas.
Laboratorio Nacional de Brookhaven
Significa que si volviéramos a una época en la que el Universo tuviera aproximadamente una década de antigüedad, diez años después de que se produjera el Big Bang por primera vez, todo el Universo observable -que contiene toda la materia que tenemos formando 2 billones de galaxias (y más) en la actualidad- no sería más grande que la Vía Láctea.
Significa que si volviéramos a un momento en el que sólo hubiera pasado un segundo desde el Big Bang, cuando la última antimateria del Universo primitivo (en forma de positrones) se estaba aniquilando, todo el Universo observable sólo tendría unos 100 años luz de diámetro.
Y esto significa que en las primeras etapas del Universo, cuando sólo había pasado un picosegundo (10-12 segundos) desde el Big Bang, todo el Universo observable podía caber dentro de una esfera no mayor que el tamaño de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Todo el Universo observable, en las primeras etapas del Big Bang, era más pequeño que el tamaño de nuestro Sistema Solar.
El tamaño del Universo, en años luz, frente a la cantidad de tiempo que ha pasado desde el Big… Bang. Esto se presenta en una escala logarítmica, con una serie de eventos trascendentales anotados para mayor claridad. Esto sólo se aplica al Universo observable.
E. Siegel
Se podría pensar que se podría llevar el Universo hasta una singularidad: hasta un punto de temperatura y densidad infinitas, donde toda su masa y energía se concentraron en una singularidad. Pero sabemos que esa no es una descripción exacta de nuestro Universo. En su lugar, un período de inflación cósmica debe haber precedido y establecido el Big Bang.
A partir de la evidencia en el Fondo Cósmico de Microondas actual, podemos concluir que debe haber habido una temperatura máxima que el Universo alcanzó durante el caliente Big Bang: no más de unos 5 × 1029 K. Aunque ese número es enorme, no sólo es finito, sino que está muy por debajo de la escala de Planck. Cuando se calculan las matemáticas, se encuentra un diámetro mínimo para el Universo al comienzo del Big Bang caliente: unos 20 centímetros (8″), o alrededor del tamaño de un balón de fútbol.
Las líneas azules y rojas representan un escenario de Big Bang «tradicional», en el que todo comienza en el tiempo t=0,… incluyendo el propio espaciotiempo. Pero en un escenario inflacionario (amarillo), nunca se llega a una singularidad, donde el espacio pasa a un estado singular; en cambio, sólo puede hacerse arbitrariamente pequeño en el pasado, mientras el tiempo sigue retrocediendo para siempre. Sólo la última fracción minúscula de un segundo, desde el final de la inflación, se imprime en nuestro Universo observable de hoy. El tamaño de nuestro Universo observable hoy en día al final de la inflación debe haber sido al menos del tamaño de un balón de fútbol, no más pequeño.
E. Siegel
Es cierto que no sabemos cuán grande es realmente la parte inobservable del Universo; puede ser infinita. También es cierto que no sabemos cuánto tiempo duró la inflación ni qué, si es que hubo algo, la precedió. Pero sí sabemos que cuando comenzó el caliente Big Bang, toda la materia y la energía que vemos hoy en nuestro Universo visible, todo lo que se extiende a lo largo de 46.100 millones de años luz en todas las direcciones, debió de concentrarse en un volumen de aproximadamente el tamaño de un balón de fútbol.
Durante al menos un breve período de tiempo, la vasta extensión del espacio que miramos y observamos hoy era cualquier cosa menos grande. Toda la materia que compone galaxias masivas enteras habría cabido en una región del espacio más pequeña que el borrador de un lápiz. Y, sin embargo, a través de 13.800 millones de años de expansión, enfriamiento y gravitación, llegamos al vasto Universo del que hoy ocupamos un diminuto rincón. Puede que el espacio sea lo más grande que conocemos, pero el tamaño de nuestro Universo observable es un logro reciente. El espacio no siempre fue tan grande, y las pruebas están escritas en el Universo para que todos las veamos.