caliente fueron sus predicciones sobre la formación de estructu- ra en el Universo; es decir, sus predicciones sobre la formación de galaxias, cúmulos de galaxias, supercúmulos de galaxias, etc., que son observados en el Universo. A fines de los años setenta, un grupo de científicos, entre los que destacan John Peebles en Estados Unidos y Yakov Zeldovich en la Unión Soviética, des- arrollaron un modelo sobre la formación de estos colosos del Universo. Vamos a explicar en qué consiste este modelo.
Como se sabe, debido a su masa la fuerza entre dos cuerpos es siempre de atracción. La idea fundamental de la formación de estructura consiste entonces en observar que si en algún mo- mento y por alguna razón, como por ejemplo después de la época de inflación, existiera una “fluctuación” de materia en el 60
Universo, es decir, una zona de mayor densidad que la promedio, ésta actuaría como imán para atraer más y más materia de sus alrededores. Imagínense una porción del Universo con un gas distribuido casi homogéneamente; supongamos que en ese gas hay zonas con una densidad mayor que en otra zona vecina y que esta densidad es mayor a la densidad promedio del gas. A la zona que tiene una mayor densidad que la promedio se le cono- ce como la fluctuación. Debido a que en el gas hay zonas con mayor densidad que la promedio habrá, por consiguiente, zonas con densidad menor que la promedio. Como la masa del gas es atractiva, las zonas con mayor densidad, es decir, con mayor masa por volumen, atraerán con mayor fuerza la materia que se encuentra a su alrededor. Si hubiera otra fluctuación, digamos, menos densa en alguna parte de sus alrededores, la fluctuación más densa atraería más y más masa, ganando a su vecina menos densa, la que tiene menos masa por volumen (véase la figura 17). Sucede lo mismo en las clases sociales: los ricos ganan más y más dinero porque, con su dinero, hacen negocios con los que ganan más dinero. Y los pobres, que no tienen dinero, son cada vez más y más pobres. El dinero y la riqueza se concentran cada vez más en los que más tienen. Por lo tanto, en el caso del gas, el proceso des- crito hace crecer de manera natural una fluctuación de materia en el gas original. Después de algún tiempo la materia se concen- trará en las regiones en donde se encontraban las fluctuaciones más grandes, dejando a las regiones menos densas sin materia, creando regiones casi vacías. Ésta es la forma de transformar un gas más o menos homogéneo, pero en donde actúa la fuerza gravitacional en un gas con regiones totalmente densas y otras regiones casi vacías.
También es la forma moderna de erigir imperios poderosos. La fuerza militar ya no es necesaria, sólo debe producirse lo que necesitan los demás y vendérselos al precio más alto para concen- trar más la riqueza y poder invertir en la mejora y abaratamiento de los productos. En este esquema, una fluctuación sería un pro- ducto nuevo, algo que se descubriera en algún laboratorio cien- tífico y que los demás necesitaran. Claro, en la actualidad, para descubrir algo nuevo e interesante se necesita hacer una inver- 61
Figura 17. Si una fluctuación de la densidad media del Universo existe en algún momento; debido a su fuerza gravitacional, la fluctuación crecerá quitando materia de los alrededores.
sión inicial en la ciencia básica. Después de esto, es necesario hacer una nueva inversión para llevar al producto al proceso de producción. Estos dos puntos serían equivalentes a la fluctuación primordial. Como es un producto nuevo, que los demás no pro- ducen, traerá concentración del capital poco a poco, haciéndolo crecer más y más. Esta concentración de capital servirá entonces para invertir en más y más innovaciones tecnológicas y más cien- cia básica. (Es tan simple y los políticos no lo entienden.)
Un proceso semejante debió de haber sucedido con el gas pri- mordial. Algún tiempo después del big bang, toda la materia del Universo se parecía a un gas como el que describimos arriba. Era un gas casi homogéneo, es decir, con densidades iguales en todas partes, pero contenía algunas fluctuaciones. Estas fluc- tuaciones primordiales son las que nos proporciona la época inflacionaria y que crecieron a lo largo de los años debido a su interacción gravitacional, formando las galaxias, los cúmulos de galaxias, etc., y crecieron más y más formando la estructura que ahora observamos en el Universo. Ésta es la idea básica de la formación de estructura. Sin embargo, no fue tan fácil hacer que este mecanismo funcionara para darnos una explicación de lo que vemos en el Universo. Veamos por qué.
Como ya se mencionó, el Universo ha ido enfriándose poco a poco desde la gran explosión. Sin embargo, antes de la re- combinación era muy difícil que las fluctuaciones existentes pudieran crecer. La razón es la siguiente. Antes de la recombi- nación, la energía de choque de la radiación con las partícu- las destruía todo intento de crecimiento de las fluctuaciones primordiales. La materia está formada por partículas de un espectro muy amplio de masas. Por ejemplo, los electrones tie- nen una masa que es 1 000 veces más ligera que la de los pro- tones y los neutrones. A muy altas temperaturas, la radiación, es decir, los fotones del Universo, tenían la capacidad de interac- tuar con las partículas. La radiación se mueve a la velocidad de la luz. Las interacciones con la materia de estos fotones muy energéticos provocarán entonces una fuerza contraria al colap- so de la materia, evitando que las fluctuaciones existentes crez- can. Como la materia está en interacción debido a los choques 63
de estas partículas con los fotones, esta interacción evitará que las partículas pesadas logren colapsarse. Los choques tan ener- géticos de fotones con la materia evitarán que las partículas materiales logren agruparse, actuando en contra de la fuerza gravitacional atractiva. Esto quiere decir que sólo las fluctua- ciones que crecieron después del desacople de materia con radiación podrán crecer para formar la estructura que ahora observamos.
Sin embargo, hay un tipo de fluctuaciones que logra sobrevi- vir y crecer incluso en la época antes de la recombinación. Las fluctuaciones que fueron muy grandes, tan grandes que dos re- giones de la fluctuación no estuvieran en contacto causal, po- drían crecer (véase la figura 18). ¿Qué significa esto? Cuando ha- blamos con una persona, la comunicación (o la interacción con la persona) se da a través de los sonidos que emitimos, tanto por la persona con la que platicamos como por nosotros mismos. El sonido viaja a una velocidad fija, más o menos a 280 m/segundo. Entonces podemos hablar continuamente con la persona, pues la interacción entre nosotros se da a la velocidad del sonido. Podemos entablar una conversación larga e ininterrumpida, pero si la persona con la que hablamos estuviera a muchos me- tros de distancia, digamos a un kilómetro, debemos esperar a que llegue el sonido. A veces vemos cómo una persona que se encuentra muy lejos, a cientos de metros, mueve los labios, y tiempo después nos llega el sonido de las palabras. O, a la distan- cia, vemos la explosión de un cohete en una fiesta de pueblo y tiempo después nos llega el sonido; o vemos un relámpago y tiempo después escuchamos el trueno. Esto se debe a que el sonido tarda en llegar hasta nosotros. Lo mismo pasa con la luz, pero como su velocidad es de 300 000 km/segundo, la dis- tancia para observar este tipo de fenómenos debe ser mucho mayor. Es por eso que la luz de las estrellas o galaxias lejanas nos llega mucho tiempo después de que salieron de su origen. A las estrellas o galaxias de las que ahora recibimos su luz, las vemos realmente como eran hace miles de años, o tal vez ya ni estén realmente donde las vemos, o ya desaparecieron. Es más, la luz de los astros que observamos ahora proviene del pasado; 64
Figura 18. Fluctuaciones pequeñas se comunican rápido entre sí, entrando en contacto causal desde muy temprano. En cam- bio, fluctuaciones grandes, como la que se aprecia abajo, tardan más tiempo en comunicarse entre sí; es decir, tardan más tiempo en entrar en contacto causal.
entre más lejos podamos ver, más posible será ver el Universo en el pasado. Es por eso que necesitamos telescopios cada vez más potentes, ya que con ellos podemos percibir la historia del Universo.
¿Y esto qué tiene que ver con las fluctuaciones gigantes? El punto es que, como nada viaja más rápido que la luz, tampoco la interacción que destruye la fluctuación viaja más rápido que esta velocidad. Por consiguiente, a una región dentro de la fluctuación que está a millones de kilómetros de otra región den- tro de la misma fluctuación, le toma un tiempo para saber que la fluctuación está siendo destruida, tanto porque no le llegará instantáneamente ni la luz ni la fuerza de los choques entre partículas. Esto provoca que en fluctuaciones muy grandes, que ya estuvieran formadas, las interacciones que destruyen el crecimiento de la fluctuación tarden un tiempo en llegar, por lo que fluctuaciones muy grandes podrán seguir desarrollán- dose continuamente sin ser destruidas por la radiación, aun antes de la recombinación. Entonces la radiación no podrá destruir fluctuaciones que sean suficientemente grandes, tan grandes que su materia no se vea entre sí, es decir, que no esté en contacto causal.
Por otro lado, la expansión del Universo también actúa en contra del crecimiento de las fluctuaciones. La expansión del Universo es una fuerza que trata de separar todos los objetos del Universo, en contra del crecimiento de las fluctuaciones. Este efecto es importante y tiene que tomarse en cuenta; es más, es de fundamental importancia para explicar la estructura observada del Universo. En síntesis, lo que tenemos es que las fluctuaciones crecieron sólo después del desacople de materia con radiación. Antes de la recombinación, sólo fluctuaciones muy grandes, en las que regiones diferentes de la fluctuación no pudieran estar en contacto causal, podrían crecer y desarrollarse. Cabe entonces preguntarnos si éste esquema es suficiente para poder explicar la estructura que vemos tal y como la vemos. La respuesta es ¡No! Es necesario cambiar nuestro paradigma de cuál es el con- tenido de materia del Universo para poder explicar la forma- ción de estructura. Fue necesario postular dos nuevas formas 66
de materia, que hasta ahora nadie sabe qué ni cómo son, ni de dónde vienen. Pero, como veremos, su existencia se puede com- probar mediante varios métodos. Estas materias son las llama- das materia oscura y energía oscura. Pero, ¿qué fue lo que falló en el paradigma normal?
Lo que falló fue que no existe una coincidencia entre lo que se ve y se mide y lo que se predice usando el modelo que aca- bamos de describir. Si tomamos ingenuamente un telescopio y contamos la cantidad de materia que vemos, es decir, si conta- mos cuántas estrellas hay en cada galaxia y después cuántas galaxias hay, etc., el resultado es que hay muy poca materia en el Universo. Por ejemplo, en una galaxia hay regularmente cientos de miles de millones de estrellas. Como las estrellas son muy masivas, se sabe que representan la masa mayor del sistema estelar, así que si contamos las estrellas y a cada estrella le asocia- mos una masa, si no tomamos en cuenta sus planetas, asteroi- des etc., por lo general no cometemos un gran error. En nuestro Sistema Solar, por ejemplo, el Sol tiene una masa que es 329 390 veces más grande que la masa de la Tierra. Comparar a la Tie- rra con el Sol es como comparar un kilo de harina (la Tierra) con un edificio de 329 toneladas (el Sol). Júpiter, el planeta más grande del sistema solar, tiene una masa que es sólo 318 veces más grande que la masa terrestre. Esto es, Júpiter tiene una masa que es más de 1 000 veces más pequeña que la masa del Sol. Comparar a Júpiter con el Sol, es lo mismo que comparar un kilo de harina con un auto de más de una tonelada. Es como si alguien nos preguntara el peso de un trailer y nosotros res- pondiéramos preguntándole: ¿lo quieres con o sin chofer? Para el peso del trailer, el peso del chofer no representa casi nada, tal vez lo de una llanta. Entonces, contamos todas las estrellas de la galaxia, les asociamos sus masas según su luminosidad y con eso sabremos más o menos bien cuál es la masa de la galaxia. Ahora buscamos en una región de un volumen determinado todas las galaxias que hay, contamos las estrellas de cada galaxia y les asignamos una masa, pero como ya conocemos la masa y el tamaño totales de la región, podemos conocer su densidad, es decir, el cociente de la masa entre el volumen. Lo que se 67
acostumbra es comparar esta densidad con alguna densidad conocida en cosmología. En este caso se usa la densidad críti- ca del Universo. La densidad crítica es muy importante en cos- mología porque determina la densidad justa para la cual, si el Universo es más denso que esta densidad, el Universo va a ex- pandirse durante un tiempo, pero llegará un momento en que la fuerza de atracción gravitacional de toda la materia del Universo lo obligue de nuevo a colapsarse. Si la densidad de masa del Uni- verso es menor que la densidad crítica, entonces el Universo se ex- pandirá por siempre. Por eso se le llama densidad crítica. Su valor es del orden de 10 átomos de hidrógeno por cada metro cúbico. Es aparentemente pequeña, ya que las dimensiones del Univer- so son enormes. Una galaxia como la nuestra mide aproxima- damente 30 000 años luz; es decir, si viajamos a la velocidad de la luz, tardaríamos 30 000 años en recorrer la galaxia (algo así como desde el tiempo en que llegó el hombre primitivo a América hasta nuestro días). Eso es una gran distancia. Sólo para comparar, si viajamos de aquí al Sol a la velocidad de la luz, tar- daríamos sólo 8 minutos. Si viajáramos de la ciudad de México a la ciudad de Morelia, que está a unos 300 km de distancia, a la velocidad de la luz podríamos ir unas 1 000 veces en un segun- do. Pero recorrer la galaxia a la velocidad de la luz (si eso fuera posible) nos tomaría tanto tiempo como 15 veces el tiempo des- de que nació Jesucristo hasta nuestros días.
Ahora comparemos la densidad de la materia que vemos al contar las estrellas del firmamento, una por una, con todas sus galaxias, una por una, y las juntamos todas en una región. Toma- mos el cociente de la masa total que vemos, entre el volumen en el que hicimos el conteo. El resultado es que esta densidad es del orden de 0.3% de la densidad crítica del Universo. Según esto, el espacio del cosmos está realmente casi vacío. Si ahora intentamos, con nuestro modelo teórico de formación de estruc- tura, formar la estructura del Universo utilizando sólo la materia que observamos, no lograremos nada. Lo que los investigadores hicieron entonces fue agregar materia a sus modelos teóricos, la suficiente como para obtener la estructura que observamos. En la lámina 17 se aprecia una de las más precisas simulaciones 68
por computadora de formación del Universo. Estas simulaciones se asemejan mucho a los mapas galácticos. A esta materia que se agregó artificialmente a los modelos teóricos para que funcio- naran se le llamó materia oscura, porque no se podía ver; es realmente invisible. Las preguntas que surgieron inmediata- mente fueron si esta materia oscura realmente podía existir y si había algún indicio de que esta materia era real. La respuesta fue sorprendente: ¡Sí!