¿Por qué se expande (exactamente) el universo?

El universo que habitamos está en constante expansión. Las galaxias que nos rodean se alejan de la Tierra y lo hacen más rápido cuanto más lejos están, como venimos sabiendo desde hace más de un siglo. Pero, ¿qué provoca todo esto?

 

El universo se expande, eso es un hecho. Pero, ¿cómo lo sabemos? Y, ¿qué provoca esa expansión exactamente? Hace ya más de un siglo, que venimos encontrando pruebas de que nuestro universo está en expansión, que sus escalas parecen estar creciendo o estirándose. Fue Vesto Slipher, un astrónomo estadounidense el primer en observar, allá por el año 1912, que algunas galaxias mostraban un desplazamiento al rojo de su luz.

Es decir, mostraban una luz más rojiza de lo que podríamos esperar. Maticemos esto. Por supuesto desde una galaxia lejana no tenemos porqué saber qué luz vamos a recibir, dependerá de qué estrellas, nebulosas, supernovas, nubes de gases y etc contenga dicha galaxia. Sin embargo, hay algunos procesos que emiten siempre la misma luz, sin importar en qué parte del universo tengan lugar.

Cuando los electrones que orbitan ciertos átomos saltan entre niveles energéticos (tras absorber algo de luz, por ejemplo), siempre emiten la misma luz. Esto es lo que se conoce como el espectro de emisión de cada uno de estos átomos. Estos espectros son únicos para cada átomo y son idénticos sin importar dónde esté dicho átomo o qué procesos esté sufriendo. Pues bien, si ahora observamos un espectro atómico que tiene la forma de, digamos, el espectro del hidrógeno, pero que tiene toda su luz desplazada a energías inferiores sabremos que ese átomo de hidrógeno se estaba moviendo con respecto a nosotros cuando emitió su luz. Esto viene dado por el efecto Doppler, el mismo efecto que cambia el tono de una ambulancia o el pitido de un coche o un tren cuando se acercan o se alejan de nuestra posición.

Esto mismo observó Slipher, que algunas galaxias lejanas emitían espectros atómicos conocidos, pero que estos espectros estaban desplazados hacia energías inferiores (hacia el rojo, por ser el color rojo el menos energético de los colores del arcoiris). Más tarde se dedujo que esto significaba que dichas galaxias se alejaban de la Tierra. En la década siguiente fueron astrónomos como el sueco Knut Lundmark y el estadounidense Edwin Hubble, usando medidas propias y de otros como Henrietta Leavitt, observaron que la velocidad con la que se alejaban las galaxias aumentaba cuanto más lejos se encontraba cada galaxia. Esto indicaba que el universo debía estar expandiéndose en su conjunto y eso era lo que alejaba a todas las galaxias.

Para entender esto suele hablarse de un globo o un pastel con pasas y sobre cómo se hinchan. Imagina un globo deshinchado, sobre el que dibujamos algunos puntos, representando distintas galaxias. Antes de hincharlo tendremos una distancia concreta entre cada galaxia. Si ahora hinchamos el globo al máximo, veremos que esa distancia ha aumentado. No solo eso, sino que la distancia a las “galaxias” más lejanas ha aumentado más que la de las más cercanas. Además, podemos ver también que ninguna galaxia ocupa un lugar privilegiado: todas ven como las demás galaxias se alejan más rápido cuanto más lejos estén. Algo así le ocurre al universo y así lo descubrimos.

El por qué de esta expansión es más complicado. Sabemos, precisamente porque el universo lleva expandiéndose miles de millones de años, que todo empezó en un estado increíblemente denso, caliente y diminuto. A este estado se le conoce como una singularidad y a lo que vino después, el Big Bang. El universo se expandió y al hacerlo se enfrió. Aquella expansión fue tal que aún a día de hoy seguimos sintiendo sus efectos. Se ha propuesto la existencia de un periodo en los primeros instantes del universo, en las primeras diez mil sextillonésimas (10-32 segundos tras el Big Bang) durante el cual el universo sufrió una increíble expansión, creciendo tanto como si expandiéramos una molécula de ADN hasta que ocupara varios años luz de distancia. A este periodo se le conoce como inflación.

A pesar de ser una explicación perfecta para muchísimas cuestiones que el modelo del Big Bang no conseguía explicar y a pesar de cuadrar con lo que observamos a día de hoy, aún no se ha encontrado una evidencia directa del campo necesario para dar lugar a dicha inflación.

Sin embargo, aunque el Big Bang y el periodo de inflación posterior pusieran en marcha la expansión del universo, esta debería haberse frenado desde entonces, a causa de la gravedad que ejercen entre sí las distintas galaxias y objetos del universo. Esto fue así, hasta hace unos 4 000 millones de años, cuando la expansión del universo comenzó a acelerarse de nuevo. Esto se ha descubierto más recientemente, desde la década de los 90, con observaciones aún más precisas del desplazamiento al rojo de la luz proveniente de supernovas y otros fenómenos increíblemente lejanos en el espacio y en el tiempo.

Esta reciente aceleración de la expansión se explica recurriendo al concepto de energía oscura. Esta energía tendría, globalmente, un efecto contrario al de la gravedad, repeliendo todo y por tanto acelerando la expansión del universo. Sin embargo localmente no sería igual pero opuesta a la gravedad, pues esta energía parece provenir del propio estado fundamental del espaciotiempo. En la actualidad desconocemos exactamente qué da lugar a esta energía oscura, si una partícula, un campo u otra cosa, aunque sí sabemos con certeza que es un elemento más de nuestro universo.

A veces ocurre que, ante la incapacidad de la ciencia de explicar en detalle algún fenómeno, la pseudociencia ataca cuestionando completamente la validez de la ciencia o al menos de las teorías concretas. Lo que sabemos, lo sabemos muy bien. Y lo que no sabemos no es síntoma de que la ciencia sea incapaz, sino de que es un problema complejo que requiere más trabajo. Cualquier nueva teoría que pretenda sustituir a la actual, deberá ofrecer una mejor explicación de todo lo que conocemos hasta ahora y no simplemente una explicación mística y sin fundamentos, como suele ocurrir desde las pseudociencias.

Referencia:

I. Steer, 2012, Who discovered Universe expansion?. Nature 490, https://doi.org/10.1038/490176c

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

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