El Universo para dummies

—Mira, papá, esa es la constelación de Orión, la del cazador. Se distinguen perfectamente el cinturón y el arco. Y un poco más arriba, aquella estrella que brilla tanto es Aldebarán. Está justo debajo de las Pléyades.

Es una de esas primeras noches el mes de julio en las que el calor intenta hacerse hueco entre la humedad y el frescor de la hierba todavía verde. La bóveda celeste sobre la campiña castellana parece una pantalla de alta definición en la que el brillo de las estrellas destaca con fuerza sobre el fondo oscuro del firmamento. Mi hijo, con tan solo diez años, no deja nunca de sorprenderme.

—¿Cómo sabes tanto de estrellas y constelaciones?

—Es por el Atlas del espacio que me compraste en el Planetario. ¡Mira!, allí está la Osa Mayor. La verdad, no sé por qué dicen que es una osa, si más bien parece un carro.

—La forma completa de la osa se aprecia sobre todo en las noches de finales del invierno y principio de la primavera, cuando la gente mira poco al cielo. Si alguna vez te esfuerzas en distinguirla verás que es espectacular.

—Fíjate en el lado inferior del carro y prolóngalo hacia la derecha. Tropezarás con aquella estrella solitaria de luz tenue. Es la Estrella Polar, la que nos señala el camino del norte.

¿Dónde están las estrellas?

—¿Estas estrellas que estamos viendo, están muy lejos?

—Están muy, muy lejos. Tanto que para manejar las distancias en Astronomía ha sido necesario crear una unidad de medida específica: el año-luz. Un año- luz es la distancia que recorre la luz en un año. Teniendo en cuenta que su velocidad es de 300.000 Km por segundo, en un año la luz recorrería casi diez billones de kilómetros.

Prácticamente la totalidad de las cinco o seis mil estrellas que ahora ves son las que tenemos más cerca y están solo a unas decenas de años-luz de nosotros. Como consecuencia de la distancia que nos separa de ellas, lo que estás viendo no es su imagen actual. Es la que tenían hace decenas de años, el tiempo que ha tardado la luz en llegar hasta aquí. Vamos, que alguna de esas estrellas podría desaparecer y seguiríamos viéndola durante varios años.

—¿Cómo se puede saber la distancia a la que están las estrellas?

—Pues la realidad es que se conocen las distancias en el espacio con bastante precisión. Y no solo cuando hablamos de estrellas que se pueden ver a simple vista, sino también de las que están al alcance de los más sofisticados telescopios. Evidentemente no es tan simple como desplegar una cinta métrica y medir, hay que recurrir al ingenio. El espacio nos da pistas y a partir de ellas tenemos que resolver el caso.

La primera pista que recibimos de las estrellas es su posición respecto a la Tierra. Fíjate, mira ese poste que está ahí enfrente. Extiende tu brazo derecho, levanta el dedo pulgar y, con el ojo izquierdo cerrado, haz coincidir el dedo con el poste. Ahora, manteniendo la posición del dedo, abre el ojo izquierdo y cierra el derecho. Ves que el dedo se ha separado del poste hacia la derecha unos centímetros. Repite la operación alejándote del poste. Verás que ahora el desplazamiento hacia la derecha es mayor. En definitiva, el mayor o menor desplazamiento a la derecha depende de la distancia a la que esté el poste. Midiendo este desplazamiento puedo calcular la distancia. Primero observo la estrella cuando la Tierra está en una posición determinada (equivaldría a la observación con el ojo izquierdo cerrado) y hago lo mismo seis meses después, cuando la Tierra está al otro lado del Sol (sería como la observación con el ojo derecho cerrado), el desplazamiento medido permite inducir la distancia a la estrella.

La segunda pista que nos dan las estrellas viene con su propia luz. La intensidad de la luz que percibimos está directamente relacionada con la distancia a la que se encuentran. Es como cuando un vehículo pasa cerca de nosotros y vemos como sus luces traseras se van atenuando a medida que se aleja. La relación entre distancia y brillo es conocida, así que de una se puede deducir la otra.

La tonalidad de la luz también encierra valiosa información sobre la distancia a la que se encuentra el astro. Y no solo eso, también nos dice de qué tipo de materia está hecho.

En definitiva, ahí tenemos las pistas. Solo nos queda llamar a Sherlock Holmes y…elemental, querido Watson.

La voz de una rana interrumpe por momentos el monótono canto de los grillos. Una estrella fugaz cruza el cielo dibujando un trazo brillante sobre el lienzo del firmamento.

¿De qué está hecha la materia?

—Dices que por la tonalidad de su luz podemos determinar cuál es el material de las estrellas. ¿De qué están hechas las estrellas?, ¿y el resto de las cosas?

—Vaya, estamos entrando en un campo complicado. A ver cómo te lo explico. Todo lo que vemos y podemos tocar está hecho de partículas. Si cogemos esta piedra y la vamos cortando en trocitos cada vez más pequeños llegaremos a tener en nuestras manos partículas de tamaño tan minúsculo que nunca alcanzaríamos a ver. Vamos a dejar de cortar la piedra cuando lleguemos a separar tres partículas fundamentales: electrón, protón y neutrón. Estas tres partículas se combinan entre sí formando átomos, los átomos, a su vez, se unen formando la materia que conocemos. Dependiendo de las combinaciones de estas tres partículas, los átomos resultantes son de un material u otro. Por ejemplo, esta piedra es de un material que se llama silicio, y está formado por millones de átomos que tienen cada uno de ellos 14 protones, 14 electrones y 14 neutrones.

Hay elementos más simples, como el hidrógeno, que es un material gaseoso y el que más abunda a nuestro alrededor; de hecho, tres cuartas partes del Universo es hidrógeno. El átomo de hidrógeno es el resultado de la combinación de un solo protón con un solo electrón y se representa con el símbolo H. El átomo de oxígeno, que es parte fundamental del aire que respiramos, tiene ocho protones, ocho electrones y ocho neutrones y su símbolo es O. En definitiva, las distintas combinaciones posibles de electrones, protones y neutrones dan lugar a todos los elementos que constituyen la materia conocida: hierro, carbono, cloro, oro, calcio… En total son 116 los elementos que existen en la naturaleza y podemos encontrarlos en ella bien como elementos individuales o combinados entre sí. Por ejemplo, el agua de esa charca está formada por millones de moléculas que han surgido de la combinación de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, de ahí que su nomenclatura química sea H₂O.

En definitiva, todo lo que vemos y podemos tocar no son sino distintas combinaciones de electrones, protones y neutrones.

Un vehículo pasa cerca de nosotros. El ruido de su motor se pierde poco a poco en la lejanía.

¡Hágase el Universo!

—¿Y de dónde salieron todas esas partículas y cómo se combinaron para formar la materia?

—Para contestar esa pregunta no tenemos más remedio que retroceder en el tiempo trece mil ochocientos millones de años atrás, cuando se creó el Universo. Hay que empezar diciendo que nadie sabe a ciencia cierta qué pasó justo en el momento de la creación y mucho menos qué había antes de ella. Son varias las teorías que quieren abrirse paso en la comunidad científica, pero al día de hoy no dejan de ser poco más que meras especulaciones. Parece que todo empezó con una especie de gran explosión (Big Bang) que creó un universo a temperatura más alta que la del núcleo del Sol, seguida de una rápida expansión que duplicó el tamaño de este universo recién nacido en menos de un segundo. Unos defienden que fue una sola explosión y otros especulan con que quizás se tratara de multitud de explosiones en distintos puntos de lo que ahora es el espacio conocido. Suponemos que tras ese Big Bang tenemos una gran cantidad de electrones, protones y neutrones chocando unos con otros e incapaces de combinarse para formar átomos debido a la altísima temperatura de su entorno. Hasta este punto todo es especulación, aunque el escenario que te he descrito concuerda bastante bien con la situación real a la que hemos llegado al día de hoy. Sin embargo, transcurridos  los primeros cuatrocientos mil años de existencia del Universo, empezamos a tener certeza de todo lo que pasó.

—¿Cómo es eso posible? ¿Si hablas de certeza es porque estamos totalmente seguros de lo que pasó a partir de ahí?

—Tú lo has dicho, estamos totalmente seguros. Y esto es así porque lo estamos viendo.

—No lo entiendo

—Estamos viendo día a día lo que pasó en el Universo desde que cumplió sus primeros cuatrocientos mil años de edad. Como si estuviéramos en el cine, en una butaca de primera fila.

Imagínate que miramos con un telescopio hacia una región del espacio situada  a una distancia de un año-luz. Como ya te he contado antes, en realidad estaríamos viendo esa región tal cual era hace un año, ya que este es el tiempo que la luz, es decir la imagen que ahora estamos contemplando, ha tardado en llegar desde allí  hasta nosotros. Si ahora miramos hacia una región distante trece mil ochocientos millones de años-luz, estaríamos viendo las imágenes de un lugar del espacio en el momento en que se creó el Universo. Desgraciadamente durante  los primeros cuatrocientos mil años el Universo era opaco, es decir no tenemos imágenes de él. Pero sí podemos verlo a partir de ese momento.

Sabemos con certeza que el Universo comenzó a enfriarse y las partículas empezaron a agruparse creando átomos, casi todos de hidrógeno, formándose algo así como una “sopa” de hidrógeno que radiaba una especie de “fluorescencia” en forma de ondas de radio, parecidas a las que recogen las antenas parabólicas que vemos en algunas estaciones de comunicaciones. Estas ondas, que se conocen como Fondo de Microondas, están llegando ahora hasta nosotros desde los puntos del espacio que están alejados una distancia de trece mil millones de años-luz, ofreciéndonos una imagen exacta de lo que pasó en aquellos lugares y en aquel momento.

Lo que nos dice el Fondo de Microondas es que esta “sopa” de hidrógeno se enfriaba paulatinamente y que su distribución en el espacio no era del todo uniforme. En algunos puntos había “grumos” o pequeñas acumulaciones de este plasma, donde en consecuencia se intensificaba también la acumulación de materia. Aparece entonces una de las fuerzas que más influencia tienen en la física del Universo: la gravedad. La fuerza de la gravedad tiene un origen misterioso que nadie ha sabido todavía explicar convincentemente. Es una fuerza que hace que las materias se atraigan entre sí con una intensidad proporcional a sus masas. Cuanta más masa tengan, mayor es la atracción que experimentan entre sí. Es la razón de que las cosas pesen y estén sujetas a la atracción de la Tierra o de que los planetas orbiten alrededor del Sol, manteniéndose atrapados dentro del alcance de su atracción.

Pues bien, la acumulación de masa en uno de esos “grumos” que decía antes, pone en marcha el mecanismo de atracción gravitatorio, atrayendo a su vez más materia gaseosa en un efecto acumulativo. Se forma así una bola de gas sometido a una altísima presión debido al efecto gravitatorio. La gravedad imprime una fuerza sobre toda esa materia acumulada que tiende a comprimirla hacia su centro, produciendo un fuerte incremento de la temperatura, como cuando hinchas la rueda de la bici y notas que al presionar el aire la bomba se calienta. Esta es la razón también por la que en el núcleo de la Tierra el material es incandescente y de vez en cuando salte al exterior en forma de lava de volcán.  La gran bola de gas sometida a una alta presión y temperatura se convierte en una especie de central nuclear. Acaba de nacer una estrella.

—O sea, que las estrellas están hechas de hidrógeno.

—En su mayor parte y en el origen de su existencia sí. Pero a lo largo de su vida se producen dentro de ella reacciones atómicas que recombinan los protones y electrones de los átomos de hidrógeno para formar otros elementos. De hecho la práctica totalidad de los 116 elementos que existen en la naturaleza se han formado dentro de las estrellas. El material de nuestros propios cuerpos se creó dentro de alguna estrella. El reconocido científico Stephen Hawking dice que somos “polvo de estrellas”.

Cuando la estrella muere, todos estos elementos saltan al espacio y  son el material con el que se forman los planetas.

¿Por qué giran los planetas?

—¿Por qué giran los planetas alrededor de sí mismos?

—Los planetas nacen por acumulación de esa materia residual que dejan las estrellas al morir. La concentración de materia es debido al efecto gravitatorio y se produce siguiendo una trayectoria rotatoria, como sucede con el agua que se escapa por del desagüe del lavabo. Esta tendencia al giro se ve a su vez favorecida por la propia gravedad, que tiende a apretar la masa del planeta hacia su centro, como cuando un patinador aprieta sus brazos contra el cuerpo para adquirir mayor velocidad de giro.

La forma esférica de los planetas tiene también mucho que ver con este movimiento de giro. Eso lo saben bien los pizzeros cuando hacen girar la masa de la pizza para que adquiera una forma redondeada.

—¿Y por qué giran los planetas alrededor del Sol?

—De nuevo, es debido al efecto que ejerce sobre ellos su gravedad. Si lanzas una piedra desde esta pequeña montaña en dirección paralela a la superficie del suelo, verás que la piedra cae atraída por la gravedad tras describir una trayectoria en forma de arco. Si repites el tiro lanzando con más fuerza la piedra, el resultado será el mismo, pero el arco descrito es ahora mayor. Si fueras Superman, podrías lanzar la piedra con una fuerza tal que el arco de su trayectoria sería infinito, es decir, la piedra nunca caería. Quedaría atrapada eternamente dando vueltas a la Tierra. Algo así sucede cuando la materia de un futuro planeta entra con una determinada velocidad en el campo gravitatorio del Sol. Si esa velocidad es suficientemente alta, el incipiente planeta quedará atrapado en ese campo gravitatorio, dando vueltas alrededor de él de forma permanente.

Energía y materia oscuras

—Los planetas ya existen, las estrellas también, unos giran establemente y en armonía alrededor de los otros… Todo parece funcionar como un reloj ¿Esto quiere decir que el Universo ha llegado ya a donde tenía que llegar?

—Ni mucho menos. El Universo está vivo y desconocemos cómo será en el futuro. Ahora mismo está expandiéndose y no sabemos hasta cuándo lo hará; si llegará a estacionarse o si en algún momento iniciará un proceso opuesto de contracción. Si siguiera expandiéndose, el vacío ocuparía todas las distancias entre galaxias y contemplaríamos un Universo frío y casi vacío. Si por el contrario comenzara a contraerse, toda la materia, favorecido por el efecto gravitatorio, se vería comprimida en un mínimo espacio y tendríamos un Universo minúsculo e incandescente. En cualquier caso, ninguno de nosotros será testigo de lo que vaya a pasar.

Sabemos con seguridad que las galaxias se están alejando unas de otras a velocidades de miles y decenas de miles de kilómetros por segundo. Así nos lo dice el análisis de las “tonalidades” de luz que recibimos de ellas. Cuando un cuerpo luminoso se acerca a nosotros, la “tonalidad” de su luz tiende al color azul, en tanto que si se aleja lo que predomina es el rojo. Se trata del mismo efecto que percibimos cuando una ambulancia se aproxima hacia nuestra posición. El sonido de su sirena nos parece entonces agudo, mientras que al alejarse nos suena más bien grave. La variación de tonalidades en medidas de luminosidad realizadas sobre las galaxias a lo largo del tiempo certifica que se están alejando y que lo hacen a una velocidad que es posible calcular con bastante precisión.

No obstante hay alguna excepción. Nuestra vecina Andrómeda se está acercando a nosotros y parece que en unos cuantos miles de millones de años nos alcanzará. ¡Qué mala suerte tenemos!

—Hay una cosa que no entiendo. Si toda la materia que existe tiende a atraerse entre sí debido a la gravedad, ¿cómo es posible que las galaxias se estén separando? Lo normal es que se estuvieran atrayendo y acercándose unas a otras, ¿no?

—Veo que no se te escapa una, ¿eh? Efectivamente, parece que el comportamiento del Universo es contradictorio con lo que hasta aquí nos dice nuestro conocimiento. La realidad es que el Universo no es ni mucho menos solo lo que podemos ver. Hay cosas en él que no podemos tocar ni observar, pero eso no quiere decir que no están ahí. Podemos sin embargo detectarlas, calcularlas y en algunos casos incluso medirlas. Uno de estos elementos “fantasmales” que forman parte del Universo es el culpable de su expansión; es la energía que hace que las galaxias se estén separando. Se trata de una forma de energía de origen desconocido que constituye casi el 70 % de todo lo que hay en el Universo y que se ha dado en llamar “energía oscura”. En contraposición a esta forma de energía se encuentra la gravedad de la materia, que ejerce una fuerza opuesta a la expansión del cosmos. Sin embargo en el balance entre energía oscura y gravedad, las cuentas no cuadran. Solo con la materia de las galaxias, frente a la energía oscura, el Universo sería muy distinto al que es. Por eso, los científicos se han esforzado en encontrar evidencias de otra forma de materia de origen desconocido, invisible para nuestros ojos, pero que nos envuelve sin que nos demos cuenta y que tiene efectos gravitatorios como la materia conocida. La han dado en denominar “materia oscura” y representa más del 80 % del total de la materia del Universo. Es decir, lo que podemos ver y tocar apenas supone el 20 % de la materia del Universo.

—¡Qué interesante! ¡Tienes que hablarme más de la energía y de la materia oscura!

—Sí, pero será otro día. Ya se ha hecho hora de ir a descansar

La reina Casiopea y el rey Cefeo, que por unos momentos se han sentido observados, parecen darnos las buenas noches.