Cosmología

En este artículo, vamos a repasar qué es la cosmología y por qué es necesario desarrollar una teoría de la cosmología y comprender los factores históricos que condujeron a su desarrollo. También vamos a estudiar un par de ejemplos en los que la astronomía y la cosmología cooperan estrechamente.

¿Qué es la cosmología?

En esta sección vamos a centrarnos en la definición de cosmología y en algunos de sus principales objetivos y características.

Para empezar con la definición, la cosmología es la rama de la astrofísica dedicada al estudio de la evolución del universo con el fin de determinar su pasado y su futuro. Es principalmente una disciplina teórica pero, como todas las ramas científicas, se basa en gran medida en pruebas observacionales.

He aquí algunas de las principales características de la cosmología:

• Se basa en mediciones realizadas a pequeña y gran escala, pero se utiliza principalmente para predecir el comportamiento de las estructuras a gran escala.

• Puesto que la cosmología es una rama de la física, no nos permite sondear las etapas más tempranas del universo, ya que las teorías modernas afirman que la física no describe esas etapas tempranas.

• Como la cosmología se ocupa de fenómenos a gran escala, aplica un tratamiento profundamente simplificado del universo. Por ejemplo, trata las galaxias como una entidad de masa, en lugar de definir cada estrella, planeta, etc. que forma la galaxia.

• Puesto que la cosmología primitiva implica el examen del universo en condiciones críticas, necesita la física cuántica para describir esas primeras etapas. De ello se encarga una disciplina llamada cosmología cuántica.

• La cosmología describe la evolución del universo. Además de que la cosmología describe en última instancia la geometría del universo, también se basa en gran medida en la teoría de la relatividad general de Einstein, porque la fuerza principal a escala interplanetaria es la gravedad.

Desplazamiento al rojo cosmológico: El efecto Doppler

El efecto Doppler es el cambio de frecuencia de una onda percibida por un observador con respecto a su frecuencia real debido al movimiento de su fuente. Un buen ejemplo es el sonido de una ambulancia: a medida que se acerca a nosotros, se vuelve gradualmente más agudo pero, en cuanto pasa a nuestro lado, vuelve a ser gradualmente más grave.

Al considerar la radiación luminosa, el efecto Doppler dice que cuando un objeto que emite luz se mueve hacia nosotros, su espectro se volverá más azul y cuando se aleja de nosotros, su espectro se volverá más rojo.

El efecto Doppler se mide mediante una cantidad denominada "desplazamiento al rojo", que se define mediante la siguiente fórmula

\[z = \frac{\Delta f}{f} = -\frac{\Delta \lambda}{\lambda}\].

Aquí z es el desplazamiento al rojo, es la frecuencia, Δf es el cambio en la frecuencia percibida, λ es la longitud de onda y Δλ es el cambio en la longitud de onda percibida.

La ley de Hubble y el principio cosmológico

En el siglo XX se realizaron dos series de mediciones relevantes. La primera fue la medición de la densidad de estrellas en distintas regiones del cielo. Resultó ser la misma en todas las regiones excepto hacia la Vía Láctea. Una vez comprendido que la Vía Láctea, compuesta por muchas estrellas muy próximas a la Tierra, constituye una excepción, se llegó a la conclusión de que la densidad de estrellas era la misma en todas las direcciones. Esto sentó las bases para la formulación del principio cosmológico: a escalas suficientemente grandes, el universo tiene el mismo aspecto en todas las direcciones.

El otro conjunto de mediciones fue realizado por Edwin Hubble, quien, en 1929, publicó la observación de que, de 24 nebulosas extragalácticas, la mayoría mostraban un desplazamiento al rojo del espectro, lo que significaba que se alejaban de la Tierra. Esto sugería que la mayoría de los cuerpos astronómicos se alejaban de nosotros y, tras considerar muchas teorías y explicaciones, incluida la aportación de la relatividad general, la hipótesis ampliamente aceptada llegó a ser que el universo se está expandiendo.

Hubble propuso entonces lo que se conoce como ley de Hubble, que afirma que la velocidad a la que las galaxias se alejan de la Tierra, debido a la expansión del universo, es proporcional a la distancia de la Tierra a éste. La fórmula es

\v = H_0 \cdot d\]

Aquí v es la velocidad a la que un cuerpo se aleja de la Tierra, d es su distancia a la Tierra y _H0 es la constante de Hubble, cuyo valor real se aproxima a 70 [km / s - Mpc].

Si este nivel de expansión ha sido aproximadamente el mismo a lo largo del tiempo (lo que creemos que ha sido así), significa que el universo comenzó una vez como una pequeña entidad que se ha estado expandiendo desde entonces, lo que conduce a la conocida noción del Big Bang.

Otra consecuencia interesante de la expansión del universo es la siguiente: puesto que la luz es la entidad que viaja más rápidamente en el universo, con una velocidad que es finita, medir la radiación luminosa de un cuerpo equivale a recibir información de su pasado, especialmente a escalas astronómicas. Un ejemplo bien conocido es el Sol: la luz tarda unos ocho minutos en recorrer la distancia entre el Sol y la Tierra, lo que significa que, si el Sol se volviera verde de repente, no nos daríamos cuenta hasta pasados ocho minutos.

Esta noción de la luz como información sobre el pasado está muy relacionada con el corrimiento al rojo. Puesto que, debido a la ley de Hubble, los objetos lejanos se alejan más deprisa, tienen un mayor corrimiento al rojo, y el tiempo que tarda su radiación en llegar hasta nosotros es mayor. En otras palabras, cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, más antigua (en la historia del universo) es la información que recibimos de ese objeto. Así, nos encontramos con que los astrofísicos que buscan objetos de alto desplazamiento al rojo equivalen a los astrofísicos que intentan sondear las primeras etapas del universo.

Ejemplos relacionados con la cosmología y la astronomía

Vamos a considerar ahora un par de ejemplos de objetos astronómicos, los cuásares y los exoplanetas, cuya detección y mediciones están íntimamente relacionadas con la cosmología.

Cuásares

Los cuásares son objetos muy brillantes que se descubrieron en el siglo XX. Dado su intenso brillo, se creía que eran estrellas muy masivas pero, en cuanto dispusimos de mejores mediciones, se descubrió que eran objetos astronómicos diferentes. El nombre "cuásar" es una abreviatura del término "cuasiestelar", es decir, casi una estrella. Vamos a explorar sus características principales y el papel que desempeñan en la cosmología.

• Los cuásares son objetos muy brillantes que tienen una luminosidad superior a la de galaxias enteras. Éste fue el primer descubrimiento que sugirió que no se trataba de estrellas.
• Por otra parte, los cuásares son objetos relativamente pequeños, dada su luminosidad. Normalmente, el tamaño de una galaxia es unas 100.000 veces mayor que el de un cuásar.
• Lo más interesante es que los espectros de los cuásares presentan un desplazamiento al rojo extremo. Como ya hemos comentado, esto significa que son objetos de los que podemos extraer información sobre el universo primitivo.

Sus propiedades especiales y otras características de emisión, como ser una enorme fuente de emisión de radio, han intrigado a la comunidad científica durante décadas. Ahora se cree que estos objetos son núcleos de galaxias que, muy probablemente, están alimentados por agujeros negros supermasivos. Su estudio proporciona mucha información sobre las condiciones del universo primitivo que permitieron la creación de estos extraños objetos.

Exoplanetas

Aunque no constituyen un pilar básico de la cosmología, los astrofísicos y astrónomos buscan constantemente exoplanetas como posibles lugares donde podríamos encontrar formas de vida fuera de la Tierra. Aparte de investigar la presencia de agua, la atmósfera, la proximidad a una estrella, etc., una gran dificultad reside en el hecho de que los planetas no son tan brillantes como las estrellas. Esto hace que la detección de exoplanetas sea extremadamente difícil.

Sin embargo, se han desarrollado algunos métodos con los que cada año se detectan cientos y miles de exoplanetas. Estos métodos utilizan técnicas similares a las empleadas por los cosmólogos, y son de nuevo laboratorios de experimentación para sondear el universo primitivo. Dos de estos métodos de detección son

• El método de la velocidad radial: se basa esencialmente en el hecho de que el espectro de una estrella puede estar distorsionado por la ligera atracción de un planeta cercano. De nuevo, hay que analizar el espectro de emisión, tener en cuenta el efecto Doppler, etc.
• El método del tránsito: este método tiene un cierto sesgo, pero aun así ha demostrado ser bastante útil. Al analizar la emisión de una estrella, se pueden observar algunas variaciones de intensidad, que pueden deberse a que un planeta la orbita y se interpone entre la estrella y el telescopio que realiza las mediciones. Por tanto, midiendo y estudiando con precisión los patrones de variación de la estrella, podremos detectar la presencia de un exoplaneta.