Durante miles de años, los humanos han observado las estrellas y se han preguntado cómo surgió 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 un campo de estudio preciso: la 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 hace grandes preguntas: ¿De dónde vino el universo? ¿Por qué tiene estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias? ¿Qué va a pasar después? "La cosmología está tratando de hacer una imagen a gran escala de la naturaleza del universo", dijo Glennys Farrar, físico de partículas en la Universidad de Nueva York.
Debido a que esta disciplina lidia con 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 inicio relativamente tardío. Nuestra imagen moderna del universo comenzó a reunirse solo en la década de 1920, poco después de que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad general, un marco matemático que describe la gravedad como consecuencia de la curvatura 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 jugador principal en la arena de planetas, 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 fondo rígido e inmutable contra el cual medir los eventos. El trabajo de Einstein mostró que el espacio en sí podría expandirse y contraerse, cambiando el universo del escenario al actor y llevándolo a la refriega como un objeto dinámico para estudiar.
A mediados de la década de 1920, el astrónomo Edwin Hubble hizo observaciones desde el recientemente construido telescopio Hooker de 100 pulgadas (254 centímetros) en el Observatorio Mount Wilson en California. Intentaba resolver un debate sobre la ubicación de ciertas nubes en el espacio que los astrónomos podían ver. Hubble demostró que estas "nebulosas" no eran pequeñas nubes locales, sino que eran grandes y distantes cúmulos de estrellas similares a nuestra propia Vía Láctea - "universos isleños" en el lenguaje de la época. Hoy, los llamamos galaxias y sabemos que suman miles de millones.
Los mayores trastornos en la perspectiva cósmica aún estaban por llegar. El trabajo del Hubble a fines de la década de 1920 sugirió que las galaxias en todas las direcciones se alejan de nosotros, provocando décadas de debate adicional. Las mediciones eventuales del fondo cósmico de microondas (CMB), la luz que quedó de los primeros años del universo y desde entonces se extendió en 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 tiene ha sido cada vez más grande y más frío desde 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 fin.
Pero al menos esos astrónomos podían 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 otra cosa, 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 ciudadano del otro 95% del universo, lo que se conoce como el "sector oscuro", apareció en la década de 1970. En aquel entonces, la astrónoma Vera Rubin se dio cuenta de que las galaxias giraban tan rápido que deberían separarse. Farrar dijo que más que una materia difícil de ver, las cosas que mantienen unidas las galaxias tenían que ser algo totalmente desconocido para los físicos, algo que, excepto por su atracción gravitacional, ignora por completo la materia y la luz ordinarias. El mapeo posterior reveló que las galaxias que vemos son simplemente núcleos en el centro de esferas colosales de "materia oscura". Los filamentos de materia visible que se extienden a través del universo cuelgan de un marco oscuro que supera las partículas visibles de cinco a uno.
El telescopio espacial Hubble descubrió signos de una inesperada variedad de energía, que según los cosmólogos ahora 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 registraron la expansión del universo como acelerando como un tren fuera de control. La "energía oscura", posiblemente un tipo de energía inherente al espacio mismo, 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 isleño, 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 empaqueta estos descubrimientos históricos en su mayor logro, el modelo Lambda-CDM. A veces llamado el modelo estándar de cosmología, este paquete de ecuaciones describe el universo desde aproximadamente su primer segundo en adelante. El modelo asume una cierta cantidad de energía oscura (lambda, por su representación en relatividad general) y materia oscura fría (MDL) y hace suposiciones similares sobre la cantidad de materia visible, la forma del universo y otras características, todo determinado por experimentos y observaciones.
Reproduzca esa película del universo del 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 batir a medida que los cosmólogos empujan sus descripciones del universo más profundamente en el pasado y en el futuro.
Por exitoso que haya 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 mancha infinitesimal a una burbuja de comportamiento relativamente relativista. La "inflación" es una teoría popular que trata de manejar este período, explicando cómo un breve momento de expansión aún más rápida explotó variaciones primordiales minúsculas en la desigualdad a gran escala de las galaxias de hoy, así como cómo las entradas Lambda-CDM obtuvieron sus valores .
Sin embargo, nadie sabe cómo funcionó la inflación en detalle, 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 es solo una porción de un "multiverso" que contiene todas las realidades físicas posibles, una idea incontestable que muchos experimentadores encuentran inquietante.
Para avanzar en preguntas como estas, los cosmólogos buscan mediciones de precisión desde telescopios espaciales como el Hubble Space Telescope y el próximo James Webb Space Telescope, así como experimentos en el campo emergente de la astronomía de ondas gravitacionales, como el National Science Foundation's Observatorio láser de interferómetro de ondas gravitacionales. Los cosmólogos también se unen a físicos de partículas y astrofísicos en una carrera interdisciplinaria para detectar partículas de materia oscura.
Así como la cosmología no puede comenzar hasta que otras ramas de la física hayan madurado, no podrá terminar de revelar la historia del universo hasta que otras áreas estén más completas ". Para entender la historia, tienes que resolver esencialmente las leyes de la física en todas las escalas de energía y en todas las condiciones ", dijo Steinhardt. "Y un cambio en cualquiera de esos 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 sorprendente que el cerebro humano haya evolucionado hasta el punto de que estas preguntas aparentemente pueden ser respondidas", dijo. "Algunos de ellos, al menos."
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