Durante miles de años, los humanos han observado las estrellas y se han preguntado cómo se formó el universo. Pero no fue hasta los años de la Primera Guerra Mundial que los investigadores desarrollaron los primeros instrumentos de observación y herramientas teóricas para transformar esas grandes preguntas en uncampo de estudio preciso: cosmología.
"Pienso en la cosmología como uno de los temas más antiguos de interés humano, pero como una de las ciencias más nuevas", dijo Paul Steinhardt, cosmólogo de la Universidad de Princeton que estudia si el tiempo tiene un comienzo.
La cosmología, en pocas palabras, estudia el cosmos como una entidad, en lugar de analizar por separado las estrellas, los agujeros negros y las galaxias que lo llenan. Este campo plantea grandes preguntas: ¿De dónde vino el universo? ¿Por qué tiene estrellas, galaxias?¿Y cúmulos de galaxias? ¿Qué va a pasar después? "La cosmología está intentando hacer una imagen a gran escala de la naturaleza del universo", dijo Glennys Farrar, físico de partículas de la Universidad de Nueva York.
Debido a que esta disciplina se enfrenta a muchos fenómenos, desde partículas en el vacío hasta la estructura del espacio y el tiempo, la cosmología se basa en gran medida en muchos campos, incluida la astronomía, la astrofísica y, cada vez más, la física de partículas.
"La cosmología tiene partes que están completamente en física, partes que están completamente en astrofísica y partes que van y vienen", dijo Steinhardt. "Eso es parte de la emoción".
Una historia de la historia del universo
La naturaleza interdisciplinaria del campo ayuda a explicar su comienzo comparativamente tardío. Nuestra imagen moderna del universo comenzó a reunirse solo en la década de 1920, poco después de que Albert Einstein desarrolló el teoría de la relatividad general, un marco matemático que describe la gravedad como consecuencia de la flexión del espacio y el tiempo.
"Antes de comprender la naturaleza de la gravedad, no se puede hacer una teoría de por qué las cosas son como son", dijo Steinhardt. Otras fuerzas tienen mayores efectos sobre las partículas, pero la gravedad es el actor principal en la arena deplanetas, estrellas y galaxias. La descripción de la gravedad de Isaac Newton a menudo también funciona en ese ámbito, pero trata el espacio y el tiempo como un telón de fondo rígido e inmutable contra el cual medir los eventos. El trabajo de Einstein demostró que el espacio mismo podría expandirse y contraerse, cambiandoel universo desde el escenario hasta el actor y poniéndolo en juego como un objeto dinámico para estudiar.
A mediados de la década de 1920, el astrónomo Edwin Hubble hizo observaciones desde el telescopio Hooker de 100 pulgadas 254 centímetros recientemente construido en el Observatorio Mount Wilson en California. Estaba tratando de resolver un debate sobre la ubicación de ciertas nubes en el espacio queLos astrónomos podían ver. Hubble demostró que estas "nebulosas" no eran pequeñas nubes locales, sino que eran cúmulos estelares vastos y distantes similares a nuestra propia Vía Láctea, "universos insulares" en el lenguaje de la época. Hoy en día, las llamamos galaxiasy saber que ellos número en billones .
Los mayores trastornos en la perspectiva cósmica estaban por llegar. El trabajo de Hubble a fines de la década de 1920 sugirió que las galaxias en todas direcciones se están alejando de nosotros, lo que desencadenó décadas de más debate. Mediciones eventuales de fondo cósmico de microondas CMB - la luz que quedó de los primeros años del universo y desde entonces se extendió a las microondas - en la década de 1960 demostró que la realidad coincidía con una de las posibilidades sugeridas por la relatividad general: comenzando pequeño y caliente, el universo se ha vuelto más grande y más fríodesde entonces. El concepto se conoció como la teoría del Big Bang , y sacudió a los cosmólogos porque implicaba que incluso el universo podría tener un principio y un final.
Pero al menos esos astrónomos pudieron ver el movimiento de las galaxias en sus telescopios. Uno de los cambios más sísmicos de la cosmología, dijo Farrar, es la idea de que la gran mayoría de las cosas están hechas de algo más, algo completamente invisible.El material que podemos ver equivale a poco más que un error de redondeo cósmico: solo alrededor del 5% de todo en el universo.
El primer habitante del otro 95% del universo, lo que se conoce como el "sector oscuro", asomó la cabeza en la década de 1970. En ese entonces, la astrónoma Vera Rubin se dio cuenta de que las galaxias giraban tan rápido que deberían separarse . Más que una materia difícil de ver, dijo Farrar, las cosas que mantienen unidas a las galaxias tenían que ser algo totalmente desconocido para los físicos, algo que, a excepción de su atracción gravitacional, ignora por completo la materia ordinaria y la luz. El mapeo posterior reveló que elLas galaxias que vemos son simplemente núcleos en el centro de colosales esferas de "materia oscura". Los filamentos de materia visible que se extienden por el universo cuelgan de un marco oscuro que pesa cinco a uno más que las partículas visibles.
El telescopio espacial Hubble luego descubrió signos de una variedad inesperada de energía, que los cosmólogos ahora dicen que representa el 70% restante del universo después de tener en cuenta la materia oscura 25% y la materia visible 5%, en la década de 1990,cuando marcó la expansión del universo como acelerando como un tren fuera de control . "Energía oscura", posiblemente un tipo de energía inherente al propio espacio , está separando el universo más rápido de lo que la gravedad puede unir el cosmos. En un billón de años, cualquier astrónomo que quede en la Vía Láctea se encontrará en un verdadero universo insular, envuelto por la oscuridad.
"Estamos en un punto de transición en la historia del universo, desde donde está dominado por la materia hasta donde está dominado por una nueva forma de energía", dijo Steinhardt. "La materia oscura determinó nuestro pasado. La energía oscura determinará nuestro futuro. "
Cosmología moderna y futura
La cosmología actual incluye estos descubrimientos históricos en su logro supremo, el modelo Lambda-CDM . A veces llamado el modelo estándar de cosmología, este conjunto de ecuaciones describe el universo desde aproximadamente su primer segundo en adelante. El modelo asume una cierta cantidad de energía oscura lambda, para su representación en la relatividad general y materia oscura fría CDM y hace conjeturas similares sobre la cantidad de materia visible, la forma del universo y otras características, todas determinadas por experimentos y observaciones.
Reproduzca esa película del universo bebé 13.800 millones de años, y los cosmólogos obtienen una instantánea que "estadísticamente tiene todo lo que podemos medir hasta cierto punto", dijo Steinhardt. Este modelo representa el objetivo a vencer a medida que los cosmólogos avanzan en sus descripciones de launiverso más profundo en el pasado y en el futuro.
Tan exitoso como ha sido Lambda-CDM, todavía tiene muchos problemas que deben resolverse. Los cosmólogos obtienen resultados contradictorios cuando intentan estudiar la expansión actual del universo, dependiendo de si la miden directamente en galaxias cercanas o la infieren del CMB. Este modelo tampoco dice nada sobre la composición de la materia oscura o la energía.
Luego está ese problemático primer segundo de existencia, cuando el universo presumiblemente pasó de una mota infinitesimal a una burbuja relativistamente bien comportada ". inflación "es una teoría popular que trata de manejar este período, explicando cómo un breve momento de expansión aún más rápida hizo estallar variaciones primordiales minúsculas en la desigualdad a gran escala de las galaxias actuales, así como cómo las entradas de Lambda-CDM obtuvieron sus valores.
Sin embargo, nadie sabe en detalle cómo funcionó la inflación o por qué se detuvo donde presumiblemente lo hizo. Steinhardt dijo que la inflación debería haber continuado en muchas regiones del espacio, lo que implica que nuestro universo está solo una porción de un "multiverso" que contiene todas las realidades físicas posibles, una idea incontestable que a muchos experimentadores les resulta inquietante.
Para avanzar en preguntas como estas, los cosmólogos buscan mediciones de precisión de telescopios espaciales como el telescopio espacial Hubble y el próximo telescopio espacial James Webb, así como experimentos en el campo emergente de la astronomía de ondas gravitacionales, como el NationalObservatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser de la Science Foundation. Los cosmólogos también se unen físicos de partículas y astrofísicos en una carrera interdisciplinaria para detectar partículas de materia oscura.
Así como la cosmología no pudo comenzar hasta que otras ramas de la física hubieran madurado, no podrá terminar de revelar la historia del universo hasta que otras áreas estén más completas ". Para aclarar la historia, debes resolveresencialmente todas las leyes de la física en todas las escalas de energía y en todas las condiciones ", dijo Steinhardt." Y un cambio en cualquiera de ellas podría cambiar radicalmente la historia cosmológica ".
Farrar dijo que no sabe si eso sucederá, pero se maravilla de que la gente haya captado las complejidades del universo tanto como ellos. "Es asombroso que el cerebro humano haya evolucionado hasta el punto de que estas preguntas aparentemente pueden ser respondidas.", dijo." Al menos algunos de ellos ".
adicional recursos :
- cosmólogo Sean Carroll corrige sus conceptos erróneos comunes sobre el universo.
- leer sobre la misión de la NASA para descubrir el sector oscuro .
- Ver "Space Time" de PBS explica una crisis en el modelo estándar de cosmología.