Segunda parte de Cosmología: Hasta el momento, sólo hemos descrito el modelo del Big Bang en términos generales: A mayores escalas podemos observar que el universo parece casi uniforme, está expandiéndose actualmente y existe una gran evidencia de que fue más caliente y denso en el pasado.

Ahora nos gustaría conocer las respuestas a unas preguntas más específicas:

· ¿Qué tipos de materia y de energía llenan el universo? ¿Cuánto de cada cosa?

· ¿Cuán rápidamente se expande el universo hoy?

· ¿Cuál es la edad actual del universo?

· ¿Cuál es la forma global total del universo? ¿Abierto, plano, cerrado, de otra manera?

· ¿Cómo cambia la expansión con el tiempo?

· ¿Cuál es el destino final del universo?

En las siguientes páginas, se irá respondiendo por turno a cada una de estas preguntas, haciendo un resumen de las observaciones que conforman cada una de ellas. Existen muchas indagaciones útiles respecto de la naturaleza del universo, cada una de las cuales impone uno o más aspectos particulares del modelo del Big Bang y de nuestra comprensión respecto de la estructura de formación del mismo. De hecho, la próxima década está siendo bautizada como la era de la precisión en cosmología a medida que las observaciones de súper novas, galaxias y cúmulos, la radiación de microondas cósmicas de fondo y la abundancia de los elementos ligeros maduran en nuestros estudios. Tomados en conjunto, estos datos formarán el modelo de nuestro universo y pueden aún apuntar a la necesidad de tener que repensarnos nuestra comprensión de la cosmología.

¿De qué esta hecho?

Protones, neutrones y electrones. La esencia de la vida

Ustedes, este ordenador, el aire que respiramos y las lejanas estrellas están todos formados de protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están unidos formando un núcleo y los átomos son núcleos rodeados por todo un complemento de electrones. El hidrógeno esta compuesto de un protón y un electrón. El helio esta compuesto por dos protones, dos neutrones y dos electrones. El carbono esta formado de seis protones, seis neutrones y seis electrones. Los elementos más pesados como el hierro, plomo y uranio, contienen mayores cantidades de protones, neutrones y electrones. A los astrónomos les gusta llamar a todo el material formado por protones, neutrones y electrones, "materia bariónica".
Hasta hace unos veinte años, los astrónomos pensaban que el universo estaba compuesto casi completamente de este "material bariónico". Sin embargo, en la última década, ha surgido más evidencia acumulándose que sugiere que existe algo en el universo que no podemos ver, quizá una nueva forma de materia.


El misterio de la materia oscura

Mediante la medición de los movimientos de las estrellas y del gas, los astrónomos pueden "pesar" las galaxias. En nuestro propio sistema solar, podemos utilizar la velocidad de la Tierra alrededor del Sol para medir la masa del Sol. La Tierra se mueve alrededor del Sol a 30 kilómetros por segundo (a grosso modo seis mil millas por hora) Si el Sol tuviese cuatro veces mayor masa entonces la Tierra tendría que moverse alrededor del Sol a 60 kilómetros por segundo para poder mantenerse en la misma órbita. El Sol se mueve alrededor de la Vía Láctea a 225 kilómetros por segundo. Podemos usar esta velocidad - y la de otras estrellas - para medir la masa de nuestra Galaxia. De manera similar, las observaciones de radio y ópticas del gas y estrellas en galaxias lejanas les permiten a los astrónomos determinar la distribución de masa en estos sistemas.

La masa que los astrónomos deducen para las galaxias incluida la nuestra es aproximadamente diez veces mayor que la masa que puede estar asociada con las estrellas, gas y polvo en una galaxia. Esta discrepancia en masa ha sido confirmada por lentes gravitatorias, la desviación de la luz por la gravedad, tal y como predijo Einstein en su teoría general de la relatividad.

HST Imagen de un lente gravitatorio

Esta imagen del telescopio Hubble de un cúmulo de galaxias denominado Abel 2218 es un ejemplo espectacular de la desviación óptica gravitatoria. El patrón en forma de arco disperso por la foto como una red de tela de araña es una ilusión ocasionada por el campo gravitatorio del cúmulo. Este cúmulo de galaxias tiene tal cantidad de masa y está tan compacto que los rayos de luz que pasan a través de él son desviados por su enorme campo gravitatorio, muy similar a como un lente de una cámara dobla la luz para formar una imagen. Este fenómeno amplifica, da más luz y distorsiona las imágenes de esos objetos lejanos, proporcionando un poderoso "lente de aumento" para ver las galaxias que están tan lejos que de manera normal no podrían ser observadas por los mayores telescopios. Crédito: W.Couch (Universidad de New South Wales), R. Ellis (Cambridge University) y NASA

Midiendo como se distorsionan las galaxias del fondo por el cúmulo en el primer plano, los astrónomos pueden medir la masa en el cúmulo. La masa en el cúmulo es más de 5 veces mayor que la masa deducida en las estrellas visibles, gas y polvo.

Candidatos para la materia oscura

¿Cuál es la naturaleza de la "materia oscura", ese misterioso material que ejerce un jalón gravitatorio, pero que no emite ni absorbe luz? Los astrónomos no lo saben.
Existe un posible número de especulaciones creíbles sobre la naturaleza de la materia oscura:

· Enanas marrones: Si la masa de una estrella es menor de una veinteava parte de nuestro Sol, su núcleo no es lo suficientemente caliente para quemar hidrógeno o deuterio, de modo que brilla solo por virtud de su contracción gravitatoria. Estos objetos oscuros, intermedios entre estrellas y planetas, no son lo suficientemente luminosos para ser detectados por nuestros telescopios. A las enanas marrones y objetos similares las denominan MACHOs, los astrónomos. Estos MACHOs son potencialmente visibles mediante experimentos con lentes gravitatorios. Si la materia oscura está compuesta de MACHOs, entonces es posible que el material bariónico forme la mayor parte de la masa del universo.

· Agujeros negros de súper masa: Se cree que dan la energía a las quásares distantes. Algunos astrónomos hacen especulaciones respecto de la posibilidad que pudiera existir un gran número de agujeros negros comprendidos dentro de la materia oscura. Estos agujeros negros también son detectables, potencialmente, por sus efectos de desviación de la luz.

· Nuevas formas de materia: Los físicos de partículas, aquellos que trabajan para entender las fuerzas fundamentales de la naturaleza y la composición de la materia, han especulado que pudieran existir nuevas fuerzas y nuevos tipos de partículas. Una de las principales motivaciones por construir los "súper colisionadores" es tratar de reproducir esta materia en el laboratorio. Desde los momentos en que el universo era muy denso y muy caliente, en los momentos iniciales del Big Bang, el propio universo era un maravilloso acelerador de partículas. Los cosmólogos especulan que la materia oscura puede estar formada por partículas producidas poco después del Big Bang. Estas partículas serían muy diferentes de la materia ordinaria "bariónica". Los cosmólogos denominan a estas hipotéticas partículas WIMPs o "materia no bariónica".

El WMAP y la materia oscura

Mediante la obtención de mediciones exactas en las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas, el WMAP es capaz de medir los parámetros básicos del modelo del Big Bang incluida la densidad y composición del universo. El WMAP mide la densidad de la materia bariónica y no bariónica con una exactitud mejor de un 5%. También es capaz de determinar algunas de las propiedades de la materia no bariónica: Las interacciones de la materia no bariónica consigo misma, su masa y sus interacciones con la materia ordinaria, afecta todo ello los detalles de la fluctuación del espectro de microondas del fondo cósmico.
WMAP determinó que el universo es plano, de lo cual se deduce que la principal densidad de energía en el universo es igual a la densidad crítica (dentro de un 2% de margen de error) Esto es equivalente a una densidad de masa de 9.9 x 10^-30g/cm³, lo cual es equivalente a tan solo 5.9 protones por metro cúbico. De esta densidad total, ahora sabemos que se desglosa de la siguiente manera:

· 4% Átomos, 23% Materia oscura fría, 73% Energía oscura. Por lo tanto el 96% de la densidad de energía en el universo es una forma que nunca ha sido detectada directamente en el laboratorio. La densidad real de átomos es equivalente a más o menos 1 protón por 4 metros cúbicos.

· Los neutrinos de movimiento rápido, no juegan mayor papel en el rol de evolución de la estructura del universo. Habrían podido impedir el apelotonamiento de gas inicial en el universo, retrasando el surgimiento de las primeras estrellas, en conflicto con los nuevos datos del WMAP.

· Los datos imponen nuevas restricciones sobre la Energía oscura. Se parece más a una "constante cosmológica" que a un campo de energía de presión negativa denominada "quintaesencia". Pero esta quintaesencia no se descarta.

La WMAP fue denominada así por el Dr David Wilkinson, miembro del equipo científico y pionero en el estudio de la radiación del fondo cósmico.

Para ver más sobre el WMAP ver:

¿Vivimos en un universo embudo?

Sobre el telescopio James Web, o relacionado, leer más en:

Misión MIRI
Un nuevo telescopio espacial infrarrojo
Acercándonos al amanecer cósmico
Enanas marrones detectadas

Para leer el primer capítulo, ver: Cosmología, estudio del universo

Artículo de - WMAP Mission -
Aportación de Liberto