Por normal general, para la ciencia,
las preguntas más simples suelen ser las más difíciles de responder.
Preguntas como "¿cómo comenzó el universo?".
De hecho, hasta hace relativamente poco, la ciencia no poseía las herramientas
para empezar a responder preguntas sobre el origen del universo.
Pero durante los últimos cien años, hombres y mujeres han llevado a cabo
una serie de avances.
A través de la observación, la tenacidad e incluso por pura suerte,
fueron capaces de resolver este gran misterio cósmico.
Era puro oro astronómico.
Voy a reproducir sus descubrimientos más famosos
y a realizar sus mayores experimentos...
Treinta mil kilómetros por segundo.
...que nos llevan de los objetos más grandes del universo
a los infinitesimalmente pequeños.
Hasta que alcance los límites del conocimiento, viajando al pasado,
para reproducir el origen del universo.
Justo una millonésima de segundo después de que el universo cobrara existencia.
En este momento, la misma materia
aún no tiene una forma que nos sea reconocible.
Es lo más cerca que podemos estar de la creación.
Del origen del tiempo.
Del origen mismo del universo.
Es un hecho notable que la ciencia tardara cientos de años
en desarrollar una teoría que explicara el origen del universo.
Lo cual es muy sorprendente
dado que es una pregunta simple y fundamental.
Hay algo inherentemente humano en preguntarse a uno mismo
"¿de dónde viene todo esto?".
Quizá porque es una versión más profunda y fundamental
de "¿de dónde vengo?".
Pero durante la mayor parte de la historia,
las respuestas a una pregunta en apariencia tan sencilla
solo podía intentar darlas la religión.
No fue hasta mediados del siglo XX
cuando la ciencia ideó su propio relato coherente y convincente sobre la creación.
Era un relato basado en teorías, predicciones y observación.
El relato que por fin podría explicar
qué pasó en el mismo origen del tiempo.
El origen mismo del universo.
Hace poco más de cien años,
si los científicos se planteaban siquiera la vida del universo,
la consideraban eterna, infinita y estable.
Sin origen ni final.
Por lo tanto, incluso preguntar
por el origen del universo era imposible,
pero a comienzos del siglo XX eso comenzó a cambiar.
Los nuevos descubrimientos sacudieron las viejas certezas
y allanaron el camino a preguntas sobre de dónde procede el universo.
Una observación cambió nuestra idea de la verdadera escala del universo.
Comenzó con un misterio en el cielo.
A principios del siglo XX,
ya era bien sabido que nuestro sistema solar forma parte de una galaxia,
la Vía Láctea.
Todas las estrellas que podemos ver en el cielo a simple vista
están en nuestra galaxia.
Y hasta la década de 1920, todas estas estrellas,
esta única galaxia, eran la extensión total de todo el universo.
Más allá, solo había un vacío.
Pero ahí arriba también había algunos objetos enigmáticos,
discernibles a simple vista,
que parecían diferentes.
Uno de los más notables es Andrómeda.
Puedes ver Andrómeda si sabes dónde mirar.
Se empieza por Casiopea,
esas cinco estrellas que parecen una M de lado.
Si miras entre los puntos de la parte de arriba de la M,
un poco por encima es donde está.
Voy a usar los prismáticos para ayudarme.
Para empezar...
Y si ahora...
...me fijo por encima, ahí está.
Se ve que no es una estrella.
Básicamente es un manchón borroso
metido entre esas dos estrellas.
Eso está ahí arriba.
Es la M31, la gran nebulosa de Andrómeda.
Las llamaron nebulosas
porque tenían ese aspecto indefinido y como nuboso.
De hecho, la palabra "nebulosa" viene de la palabra latina para "nube".
Estos objetos indefinidos se encontraban esparcidos
por todo el cielo nocturno.
Los telescopios revelaron que muchas de estas nebulosas
eran mucho más complejas que simples nubes de gases interestelares.
Parecían ser una gran acumulación de estrellas,
y eso dio pie a dos posibilidades fascinantes.
¿Se trataba de viveros estelares donde nacen las estrellas
y que, por tanto, estaban en nuestra galaxia?
O algo más profundo,
¿estos bellos objetos enigmáticos eran galaxias en sí mismas
que estaban fuera de la Vía Láctea?
Las implicaciones de la segunda posibilidad eran tremendas.
De ser cierto, cambiaría en un instante y por completo nuestra idea
del tamaño del universo.
Era una gran oportunidad
para un astrónomo ambicioso
de forjarse un nombre,
quizá alguien que tuviera un telescopio muy grande.
Y aquí entra este hombre.
Edwin Hubble, un señor de Misuri.
Aunque, de haberlo conocido, ni lo habríais imaginado,
porque se creó un personaje raro que fumaba en pipa y bebía té
y tenía un acento muy marcado de aristócrata inglés.
Hubble es, probablemente, el astrónomo más famoso de la historia,
no solo por su consumado don para la autopromoción,
sino también por las increíbles mediciones que realizaría.
En la época de Hubble, a la hora de observar
y de hacer descubrimientos, el tamaño importaba.
Hoy día, este es el telescopio óptico más potente del mundo:
el GTC.
Con un espejo primario de más de diez metros,
o de 400 pulgadas, de diámetro.
Mucho más grande que lo que Hubble pudiera tener.
En septiembre de 1923,
Hubble trabajaba en el que entonces era el telescopio más grande del mundo.
El telescopio Hooker de dos metros y medio del Observatorio del Monte Wilson,
situado en la cima de Sierra Nevada,
con vistas a Los Ángeles y California.
Usaba el telescopio
para estudiar una de las nebulosas más destacadas del cielo:
la nebulosa de Andrómeda.
La misma nebulosa que he contemplado antes.
Y mientras la observaba,
una estrella muy especial captó la atención de Hubble,
una que podría revelar la verdadera naturaleza de Andrómeda,
y voy a usar este telescopio para encontrarla ahora.
Esta es la sala de control del GTC.
Esta noche han apuntado el telescopio hacia Andrómeda
y van a sacarle una foto.
¿Hace falta un minuto de exposición para obtener una imagen lo bastante clara?
- Exacto, se tarda eso, sí. - Vale.
Ya se ha terminado la foto, así que vamos a abrirla.
Vale, esto es Andrómeda.
Eso es Andrómeda, exacto.
Esta es la imagen original de Hubble.
- Sí. - Vale, la estrella de Hubble
está en esta esquina.
¿Puedes situarla en tu imagen?
Sí. Si cogemos la imagen y la comparamos,
verás que no lo vemos tan bien, lo que vemos es el borde de la galaxia,
así que...
Tenemos que alejarnos más.
Ya veo. ¿Todo esto es solo el borde?
Es el borde.
Pensaba que era el centro de la galaxia.
No.
Sirve para demostrar cuánta resolución
- alcanza vuestro telescopio. - Sí.
Y ¿podemos ver esa estrella en concreto?
Sí, para encontrar esa en concreto, como es tan tenue,
tenemos que buscar referencias más brillantes.
En este caso, aquí hay cuatro estrellas,
que son estas cuatro de aquí,
y la que encontró Hubble será esta de aquí.
- Esa es, la de Hubble. - Esa estrellita
es la que encontró Hubble.
Es increíble.
¿Y puedes decirme la magnitud de esa estrella?
Sí, hay que procesar un poco la imagen,
- pero podemos sacarla. - Vale.
Hubble había encontrado su estrella.
Sabía que era especial porque comparó su imagen
con otras tomadas en noches previas
y vio que su estrella cambiaba de intensidad.
Algunas noches brillaba más y otras, brillaba menos.
Se dio cuenta de que era una estrella variable
y vio la importancia que tenía.
Pudo ver que esto era puro oro astronómico.
La suya era una estrella variable cefeida.
En el repertorio estelar, las estrellas variables cefeidas
ocupan un sitio muy especial.
Porque estudiando cómo cambia su brillo,
los astrónomos pueden calcular a qué distancia se encuentran.
La cefeida de Hubble fue la primera descubierta en una nebulosa,
así que Hubble sabía que si podía determinar su periodo,
podría calcular a qué distancia está de nosotros.
Por tanto, Hubble se dispuso a medir meticulosamente
cómo variaba la luminosidad de su estrella.
No es difícil imaginar lo emocionante que esto debió resultarle a Hubble.
Tenía a su alcance la oportunidad
de resolver una pregunta fundamental pero sencilla:
¿esta nebulosa estaba dentro de la Vía Láctea o fuera de ella?
La respuesta cambiaría todo el conocimiento sobre el universo.
Hubble midió la luminosidad o brillo de su estrella
durante muchas noches y dibujó esta curva de aquí.
Cuando la hemos medido nosotros hoy, hemos visto que tenía un valor de 18,6.
Y como anoche la midieron y era algo más tenue,
sé que se sitúa en este lado de la curva.
Pero el periodo es más importante,
la duración en días desde el pico de más brillo hasta el siguiente.
Hubble calculó que eran 31,415 días.
Esta es la medición crucial.
Armado con esto, y con su brillo aparente,
Hubble calculó la distancia hasta la nebulosa de Andrómeda.
Era aparente de inmediato que esta estrella está muy lejos,
pero cuando Hubble lo calculó,
averiguó que estaba a 900 000 años luz de distancia,
haciendo de esta estrella el objeto más lejano que se hubiera registrado.
Solo podía significar una cosa:
Andrómeda no solo es una galaxia por derecho propio,
sino que también se encuentra más allá de la Vía Láctea,
y la miríada de otras nebulosas elípticas y en espiral
también estaba formada por lejanas galaxias individuales.
Fue un momento en la consciencia humana
en que el universo había aumentado de tamaño
de forma repentina y drástica.
Con esta observación,
Hubble había redibujado el universo observable.
Puede que no desafiara directamente la idea de un universo estable,
pero desmontó creencias largamente establecidas
y abrió la posibilidad de otros grandes secretos,
como el del origen del universo.
Por este cosmos profundamente expandido
se abrió paso alguien que, sin darse cuenta,
nos dio herramientas para desentrañar ese secreto.
Este hombre.
Un relato tan importante como el que explica el origen del universo
no hubiera estado bien del todo sin involucrar a un científico
tan grande como Albert Einstein,
así que, por supuesto, lo hace,
porque fue Einstein quien proporcionó las bases teóricas necesarias
para estudiar el universo
y crear debidamente la ciencia de la cosmología.
Hace cien años, propuso su teoría general de la relatividad.
Puso la física del revés
y nos dio una comprensión del mundo completamente nueva.
Propuso que la gravedad
se creaba por la curvatura o pliegue del espacio-tiempo
que provocan objetos enormes como los planetas y las estrellas.
Sus teorías fueron revolucionarias.
Einstein era un rebelde que ignoraba lo convencional
para seguir su extraordinario instinto.
Uno de sus profesores le dijo una vez:
"Es un chico listo, Einstein, un chico muy listo.
Pero tiene un gran fallo,
no permite que le enseñen nada".
Por supuesto, fue esta misma cualidad la que le permitiría
cambiar el mundo de la física
y, por supuesto, destacar como uno de los grandes pensadores
del siglo XX.
Y en 1917, cogió su teoría general de la relatividad
y se la aplicó al universo entero.
Siguiendo la lógica de su teoría, descubrió algo bastante inquietante:
la atracción conjunta de la gravedad de toda la materia del universo
haría que se juntaran todos los objetos del cosmos,
empezando despacio, pero acelerando gradualmente
hasta...
La gravedad al final llevaría de forma inevitable
al colapso del mismo universo.
Pero Einstein creía, como prácticamente todos los demás,
que el universo era eterno y estático
y que ciertamente no era inestable ni era factible que fuera a contraerse.
Pero sus ecuaciones parecían demostrar lo contrario.
Para prevenir la desaparición del universo
y que todo fuera equilibrado,
añadió esto a su ecuación: lambda o la constante cosmológica.
Es una especie de fuerza antigravitatoria inventada
que actúa contra la gravedad normal.
No tenía ninguna prueba de ello,
pero le ayudó a que sus ecuaciones describieran un universo estable.
Tenía a su alcance el secreto del origen del universo,
pero Einstein no pudo o no quiso aceptar
lo que implicaban sus propias ecuaciones.
En retrospectiva, parece extraordinario que Einstein hiciera esto.
Es decir, era un hombre que había revolucionado la ciencia
al rechazar el conocimiento convencional,
pero no era capaz de confiar en su propia teoría.
Se sintió obligado a modificar su ecuación para encajarla en la visión tradicional.
Hasta admitió que la constante cosmológica era necesaria
solo para que la distribución de la materia fuera casi estática,
básicamente, para que las cosas siguieran como estaban.
Fueran cuales fueran sus razones,
esta pequeña letra, lambda,
volvería para atormentarlo.
Porque aunque evitó que Einstein entendiera las implicaciones,
sus ideas abrieron camino para que otra persona propusiera
una teoría sobre el origen del universo.
Era un joven profesor universitario a tiempo parcial
de física teórica.
Su idea fue muy radical, sacudió el mundo de la física
y dividió a la comunidad científica.
Comenzó un debate que no se resolvería en medio siglo.
Se llamaba Georges Lemaître.
Quien tenga buena vista, verá el alzacuellos.
De hecho, era tanto un físico como un sacerdote al uso.
Sobre este papel doble aparentemente curioso,
Lemaître dijo: "Hay dos formas de buscar la verdad,
yo decidí seguir ambas".
Usó la teoría de Einstein para desarrollar sus propios modelos cosmológicos.
El modelo de Lemaître describía un universo que, lejos de ser estático,
en realidad se expandía y sus galaxias se alejaban entre ellas.
Además, Lemaître vio las implicaciones que esto tenía.
Retrocediendo en el tiempo,
dedujo que tuvo que haber un momento
en el que el universo entero estaba comprimido en un volumen minúsculo,
algo que él llamó "el átomo primigenio".
Esta fue básicamente la primera descripción
de lo que se conoció como la teoría del Big Bang:
el momento en que se creó el universo.
Eran ideas revolucionarias, así que las publicó
en los Anales de la Sociedad Científica de Bruselas,
donde fueron rápidamente ignoradas por la comunidad científica.
Así que viajó a Bruselas para intentar recabar apoyos para su idea.
En 1927, la Conferencia Solvay, celebrada aquí, en Bruselas,
fue probablemente la reunión de mentes más grande y famosa
jamás organizada.
Pero para nuestra historia, el encuentro más significativo
no tuvo lugar aquí,
no se planeó y tuvo lugar lejos de la conferencia.
Tuvo lugar aquí.
PARQUE DE LEOPOLDO: BRUSELAS
En este parque, un desconocido Lemaître se acercó al científico más famoso
y agasajado del mundo: Albert Einstein.
Por fin tenía la oportunidad de explicar su idea de un universo en expansión
a la misma persona cuya teoría había usado para inferirla.
Podéis imaginar el nerviosismo de Lemaître según se acercaba a él.
Si Einstein apoyaba su idea radical, seguramente sería aceptada.
Seguramente esta mente brillante, este titán de la física,
este profundo pensador original vería los méritos de su teoría.
Pero, tras una breve conversación, Einstein rechazó su idea de plano.
Según Lemaître, le dijo: "Sus cálculos son correctos,
pero su física es abominable".
Por lo que respectaba a Einstein, sus cálculos podían ser correctos,
pero su entendimiento de cómo funcionaba el mundo real
era, bueno, abominable.
Una vez más, Einstein desechó la idea de un universo dinámico.
El artículo de Lemaître debía haber soliviantado a la ciencia,
pero sin el apoyo de una figura tan grande e influyente como Einstein,
su idea revolucionaria estaba condenada a caer en silencio en el olvido,
a no ser que apareciera alguna observación o prueba para apoyar la idea
de un universo en expansión.
Edwin Hubble era muy popular tras su descubrimiento
que demostraba que había galaxias fuera de la nuestra.
Lo agasajaban celebridades de Hollywood, era invitado de honor en los Óscar
y tenía acceso al telescopio más potente del mundo,
estaba listo para el siguiente desafío.
Había oído de algunas observaciones poco comunes
sobre cómo muchas galaxias parecían estar alejándose de nosotros.
Nadie podía entender a qué podía deberse.
TELESCOPIO NACIONAL GALILEO: LA PALMA
Así que en 1928, el astrónomo más famoso del mundo
centró su atención en este nuevo misterio cósmico
y comenzó a calcular la velocidad
a la que estas galaxias se movían en relación con la Tierra.
Para medir a qué velocidad se alejaba una galaxia de nosotros,
Hubble usó algo llamado "desplazamiento al rojo".
Esto no es una analogía perfecta,
pero el efecto es similar al de un sonido que casi todos conocemos bien,
el tono de un motor de coche según se nos acerca
es más agudo porque las ondas sonoras están comprimidas,
pero el tono va haciéndose más grave según se aleja el coche
porque las ondas sonoras están más espaciadas.
El efecto es similar con las ondas de luz. Según se nos acerca la fuente de luz,
la longitud de onda observable se comprime
hacia el extremo morado o azul del espectro.
Pero si la fuente se aleja de nosotros, la longitud de onda se estira
hacia el extremo rojo del espectro, o se desplaza al rojo
en palabras de los astrónomos,
y cuanto mayor sea la velocidad a la que se aleja el objeto,
mayor el desplazamiento al rojo.
Con su ayudante, Milton Humason, Hubble se pasó el año siguiente
midiendo con cuidado el desplazamiento al rojo de las galaxias.
Y ahora yo tengo la oportunidad de hacer lo mismo
usando este telescopio.
Bueno, Massimo, ¿me has encontrado una galaxia?
Sí, te he encontrado esta galaxia.
¿A qué distancia está?
Está aproximadamente a unos 430 megapársecs.
Si lo pasamos a años luz son 430 por 3,26,
así que está como a una distancia de unos 1500 millones de años luz.
Sí.
Sí. Vale.
Hubble necesitaba medir la luz que emitía de media esa galaxia
para conseguir un espectro y poder así calcular el desplazamiento al rojo.
Humason lo llevó a cabo exponiendo una placa fotográfica
y tardó una semana entera
en recibir suficiente luz para conseguir el espectro.
Pero aquí, en el TNG, el telescopio Galileo,
usan un chip muy sensible
que puede hacer todo esto mucho más rápido.
¿Cuánto tiempo tardáis en conseguir el espectro?
Aproximadamente unos diez o 15 minutos, creo yo.
Son diez o 15 minutos de exposición comparados con una semana
en la época de Hubble.
Es mucho más potente que cualquier cosa que tuvieran por entonces.
- Ya está. - El espectro es muy bueno,
aquí se ve...
Vale, este es el espectro en bruto que...
- Sí. - ...que habéis tomado.
¿Hay alguna línea concreta de emisión que uséis
como referencia para medir el desplazamiento al rojo?
Sí, aquí, por ejemplo.
Hay una línea de emisión, pero para lograr el espectro real
hay que limpiarlo para obtener el espectro final.
Esto es la versión clara de eso.
Sí, de eso.
Así que estas son las líneas que emite esa galaxia.
Las líneas de emisión, sí.
Y esta de abajo, supongo que es la referencia.
La referencia, correcto, de una galaxia con desplazamiento al rojo de cero.
Vale, de una que no se aleja en relación a nosotros.
- Sí. - Así que aquí está claro,
si comparas la de arriba con esta,
- que los picos están desplazados. - Sí.
Desplazados al rojo, la referencia, por ejemplo, es H-alfa,
y de ahí puedes calcular el desplazamiento al rojo de esta galaxia.
¿Y con esto se puede calcular
a qué velocidad se aleja de nosotros la galaxia?
En principio, puedes obtener esto.
Vale, ¿cuál es la fórmula?
La fórmula es la diferencia entre
la longitud de onda del desplazamiento al rojo y la de la observada,
dividida por la longitud de referencia y multiplicada por la velocidad de la luz,
es el efecto Doppler.
A ver si lo hacemos en bruto.
- Sí. - Vale.
Así que esto son unos...
Siete, dos, cero, cero, aproximadamente.
- Vale. - Menos...
- Menos seis, cinco. - Cinco, seis, tres. Seis, tres.
- Vale. - Entre...
Seis, cinco, seis, tres.
Y esa es la fracción de la velocidad de la luz.
- Sí. - Vale, voy a hacerlo yo mismo.
Debería usar la calculadora, pero...
Son siete, dos, cero, cero. Seis, cinco, seis, tres.
Así que son siete, tres...
Seis...
Y esto lo dividimos por seis,
cinco, seis, tres. Y es aproximadamente...
...0,1 la velocidad de la luz.
0,1 C.
Entonces son unos 30 000 kilómetros por segundo, ¿no?
- Correcto. - Gracias.
Vale, estoy muy contento con mis cálculos
porque estaba bajo presión.
Así que esta galaxia está
a 1500 millones de años luz de distancia
de la Vía Láctea
y está, por el desplazamiento al rojo que hemos calculado,
alejándose de nosotros a una décima parte de la velocidad de la luz,
lo cual significa que se aleja de nosotros a tres...
Perdón, a 30 000 kilómetros por segundo.
Ciencia.
Una vez hubo calculado la velocidad de la galaxia,
Hubble midió a qué distancia se encontraba.
Cuando Hubble tuvo ambas mediciones, pudo empezar a dibujarlas
en una gráfica de velocidad frente a distancia.
Hizo 46 mediciones diferentes y,
cuando las dibujó en una gráfica, vio que había un patrón.
Podía trazar una línea entre todos esos puntos.
Cada uno de ellos es una galaxia diferente.
Vio que había una relación entre la velocidad
y la distancia de la galaxia.
De hecho, cuanto más lejos estaba, más deprisa se alejaba de nosotros.
En un universo estable,
la velocidad de las galaxias debería parecer aleatoria.
Uno no esperaría una relación clara
entre la distancia de la galaxia y su velocidad.
La gráfica de Hubble mostraba que el universo se expandía,
lo cual tuvo implicaciones profundas para la idea
de que el universo tuvo un origen.
Esto significa que no solo
todas las galaxias se alejan cada vez más deprisa de nosotros y entre ellas,
sino que si pudiéramos retroceder en el tiempo,
habría habido un momento en el que todas estarían comprimidas
en el mismo sitio.
Por fin aparecía la primera observación, la primera prueba
de que la idea de Lemaître de que hubo una creación,
de que el universo proviene del Big Bang, podría ser correcta.
Gracias al trabajo de Hubble,
Georges Lemaître, el desconocido clérigo belga,
el teórico sin las credenciales internacionales adecuadas,
el hombre cuya física Einstein definió como "abominable",
fue tardía pero justamente reconocido
por su valiente teoría.
Y lo que es más importante,
el mayor nombre de la física cambió de opinión sobre esta idea revolucionaria.
En 1931, durante una visita al observatorio de Hubble,
Einstein apoyó públicamente el modelo del universo en expansión por el Big Bang.
"El desplazamiento al rojo de nebulosas distantes
ha aplastado mi antigua creación como un martillazo", dijo.
Einstein abandonó la constante cosmológica.
Incluso le escribió a Lemaître:
"Desde que introduje el término,
me ha pesado sobre la conciencia.
Soy incapaz de creer que algo tan feo
tenga lugar en la naturaleza".
Debió de ser toda una absolución para Lemaître,
tras casi haber sido expulsado al páramo de la ciencia,
ahora se encontraba en pleno centro de una revolución cosmológica.
La idea del Big Bang por fin cobraba fuerza.
Pero a pesar de tener la aprobación de Einstein y de las observaciones de Hubble,
el debate estaba lejos de terminar.
Aún había grandes objeciones
a si la idea del Big Bang debía de ser ampliamente aceptada.
Una teoría científica de la creación
no consiste solo en explicar la expansión del universo.
Hay cuestiones más profundas que resolver.
El problema era
que el Big Bang creaba tantas preguntas como las que respondía.
Como la de "si el universo ha surgido de un solo punto,
¿de dónde proviene la materia?"
Para ir más allá, la teoría del Big Bang debía explicar
cómo se había formado la materia en sí.
Pero antes de poder responder a eso,
necesitamos saber de qué está hecho en realidad el universo.
Los ladrillos elementales.
Y eso lo averiguó con una grandísima perspicacia
una mujer extraordinaria:
Cecilia Payne.
Estudió en la universidad de Cambridge
pero no obtuvo el título porque, bueno, era una mujer.
Y para seguir con sus estudios,
debía ir a un sitio más ilustrado.
Se fue de Inglaterra a Estados Unidos,
y allí fue donde reveló la composición del universo.
Si le hubiéramos preguntado a alguien cuáles eran los elementos más comunes,
un científico atmosférico habría dicho que el nitrógeno.
Después de todo, compone más de tres cuartos de la atmósfera.
Los geólogos habrían nombrado el sílice, el hierro o el oxígeno,
que parecen pintorescos y muy terrestres
y, la verdad, bastante provincianos.
Así que los astrónomos pensaron que era mejor fijarse en el Sol.
Lo cual tiene sentido dado que la mayor parte de lo que vemos
cuando miramos al cosmos son estrellas.
Los primeros intentos de analizar la composición del Sol
se hicieron con algo parecido a esto.
Bueno, no exactamente igual.
Esto es un innovador telescopio solar del siglo XXI.
Pero la idea básica era exactamente la misma.
TELESCOPIO SOLAR DE TORRE A VACÍO: TENERIFE
La idea básica es muy sencilla.
La luz del Sol se refleja desde este espejo de aquí
a este segundo espejo de arriba.
Desde donde rebota y baja desde la cima de la torre
hasta llegar al fondo, diez pisos de altura,
donde se enfoca, se divide en un espectro
y se analiza.
Esta es la sala de control del telescopio solar.
La base del telescopio está por allí.
Aquí tengo una imagen en directo del Sol.
Y lo que tengo aquí arriba es una sección ampliada
del espectro de la luz que proviene del Sol.
Está en blanco y negro,
pero en realidad corresponde a la zona verde del espectro.
Estas dos gruesas líneas oscuras corresponden al elemento del hierro.
Nos dicen que hay hierro en el Sol.
Aquí tengo el espectro mucho más detallado
y estas dos líneas
corresponden a estas dos caídas del espectro de absorción
en longitudes de onda muy específicas.
Esto es hierro.
Si miro otras partes del espectro,
también puedo ver otros elementos.
Esta gran caída de aquí es hidrógeno.
Estas dos caídas representan el oxígeno
y esta caída corresponde al elemento del magnesio.
Todas estas caídas y líneas del espectro
indican la presencia de estos elementos en la atmósfera del Sol.
Es, en efecto, un plano de la composición del Sol.
A un geólogo, estos elementos le resultan muy conocidos.
Parece, a primera vista,
que el Sol se compone de lo mismo que la Tierra,
que el Sol es solo una roca muy caliente.
Y eso hubiera sido todo
de no ser por la perspicacia de Cecilia Payne.
Se dio cuenta de que los espectrógrafos se veían afectados por procesos
de la atmósfera solar.
Estos procesos distorsionarían la aparente abundancia de elementos
que componen el Sol.
Así que recalculó la presencia relativa de los elementos
y descubrió que el Sol está compuesto casi en exclusiva de solo dos elementos:
hidrógeno y helio.
El resto de elementos, carbono, oxígeno, sodio, hierro,
que hacían al Sol tan parecido a la Tierra,
eran solo una diminuta fracción de su composición.
Cuando presentó por primera vez este resultado,
lo consideraron imposible.
De hecho, cuando puso por escrito su trabajo,
la persuadieron para añadir el comentario
de que "la cantidad calculada de hidrógeno y helio
difícilmente puede ser cierta".
La idea solo se aceptó unos cuatro años después,
cuando el director de un prestigioso observatorio
llegó exactamente a la misma conclusión por un camino diferente.
Irónicamente, este director era el mismo hombre
que inicialmente desechó el trabajo de Payne por considerarlo imposible.
La revelación de Payne sobre la proporción de hidrógeno y helio
resultó ser extraordinariamente congruente en casi todas las estrellas de la galaxia.
Eso llevó a una gran conclusión:
el universo está dominado por tan solo dos elementos.
Los elementos más sencillos y ligeros:
el hidrógeno y el helio.
Juntos componen más del 98 % de toda la materia del universo.
El resto de elementos que nos resultan tan importantes,
como el carbono, el oxígeno o el hierro, son una cantidad inferior al 2 %.
Así que ahora el reto para los seguidores de la teoría del Big Bang
era muy claro y sencillo:
¿podría explicar la teoría del Big Bang
la creación y la proporción de hidrógeno y helio observada en las estrellas?
Pero para responder a eso,
se requeriría un cambio de enfoque fundamental.
En lugar de considerar la amplitud casi infinita del universo,
era necesario considerar
el mundo infinitesimalmente pequeño del átomo,
lo cual no requeriría de un astrónomo,
sino de una clase de físico completamente diferente.
George Gamow fue un físico nuclear ruso,
gran defensor y entusiasta de la idea del Big Bang.
Fijó su atención en los primeros momentos del universo.
Creía que ahí residía la respuesta a la composición del universo.
Creía que ahí se forjaron por primera vez el hidrógeno y el helio
y propuso que habría sido muy poco después
de que el universo naciera.
Se puso a construir un modelo matemático de las primeras etapas del universo.
Pensaba en el universo en términos de segundos y de minutos
en lugar de en miles de millones de años.
Y reclutó a un joven protegido,
a este hombre, Ralph Alpher, para que lo ayudara.
Después de años de duro trabajo, algunos de los cuales, según Alpher,
se soportaron bebiendo mucho en el bar,
presentaron su idea.
Al hacer retroceder el universo,
para ellos estaba claro que hubo un momento
en que el universo primigenio era increíblemente denso y caliente.
En esta etapa,
que ellos calcularon que fue tan solo tres minutos después del Big Bang,
el universo habría estado tan caliente que ni los mismos átomos podrían existir,
solo sus componentes.
Una especie de sopa primordial superardiente
de protones, neutrones y electrones.
Hasta le dieron el gran nombre de "Ylem", que es "materia" en anglosajón.
Y llegó el momento crucial.
Un momento en que se dieron las condiciones adecuadas
para que se forjara el núcleo de los primeros elementos.
En un breve periodo de tiempo,
que ellos estimaron que fue de menos de 50 minutos,
los protones de los núcleos del hidrógeno se unieron
para formar helio a través de la fusión nuclear.
Además, las proporciones de hidrógeno y de helio
que predijo su modelo coincidían con las ya medidas en las estrellas.
Anunciaron sus resultados en un artículo publicado en 1948.
Sin embargo, Gamow añadió otro autor al artículo.
El famoso físico nuclear Hans Bethe, quien no tuvo nada que ver con el trabajo.
Gamow añadió el nombre como una broma.
Creyó que sería un gran chiste científico
porque los autores del artículo ahora eran Alpher, Bethe y Gamow.
Al joven Alpher, sin embargo,
no le hacía tanta gracia compartir méritos con alguien que no había colaborado.
Para reconciliarse, según dice la historia,
Gamow le regaló a Alpher una botella de Cointreau
con la etiqueta cambiada a "Ylem".
La habilidad para hacer cálculos
que explicaran el origen de la materia en los primeros minutos tras el Big Bang
era extraordinaria en sí misma.
Pero hubo una predicción muy significativa
que surgió de su trabajo.
Una predicción que tenía la capacidad de aportar pruebas
de que el universo había comenzado con el Big Bang.
Alpher continuó estudiando la evolución del universo primigenio
centrándose en lo que pasó después.
Se imaginó el universo en esta etapa como una neblina incandescente
de electrones libres y núcleos atómicos.
Luego, su temperatura bajó a un punto crítico,
lo bastante fría para que los electrones
se enlazaran con los núcleos de hidrógeno y de helio.
En ese preciso instante, se liberó luz y pudo viajar libremente por el universo.
La primera luz de la creación.
Esto podría haber quedado en una mera anécdota académica
de no ser por la perspicacia de Alpher.
Se percató de que esta luz del origen del universo
aún debería alcanzarnos,
después de miles de millones de años.
Muy débil y muy tenue, pero observable en todas direcciones.
Calculó que la expansión del universo
debería estar ampliando la longitud de onda de esta luz
más allá del espectro visible,
y que ahora nos llegaría como una radiación microondas.
Si se encontrara este antiguo rastro de microondas que se predijo,
se demostraría no solo la teoría de la evolución primigenia del universo,
sino también toda la teoría del Big Bang.
Muy sencillo.
El problema era que estaban a finales de la década de 1940
y nadie tenía forma de detectar una señal tan débil.
La prueba definitiva cayó en el olvido.
Los seguidores del Big Bang ahora tenían la predicción y la observación
de un universo en expansión.
Y una teoría de cómo los elementos se forjaron durante los primeros minutos
después del Big Bang.
Pero sin tener una prueba concluyente,
el debate sobre si la teoría del Big Bang era correcta
siguió retumbando.
Los opositores del Big Bang
retocaban y ajustaban continuamente sus teorías
para que su idea de un universo eterno e infinito
encajara con las nuevas observaciones.
La comunidad científica todavía seguía dividida por igual.
Las pruebas concluyentes de la teoría del Big Bang
al final aparecerían unos 15 años después.
Fueron descubiertas de forma muy inesperada
por dos jóvenes ingenieros de radio.
En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson,
Penzias es el de la derecha,
descubrieron algo tan crucial que ganaron el Premio Nobel.
Este telescopio se dedica a estudiar su descubrimiento fortuito.
En 1964, Penzias y Wilson trabajaban en los Laboratorios Bell, en EE. UU.
Allí les dieron esto:
un equipo estrambótico y obsoleto con el que jugar.
A todo el mundo le parece una trompetilla enorme.
Pero cuando encendieron su telescopio,
descubrieron que el cielo estaba saturado de radiación microondas.
Todos los cuerpos cálidos emiten radiación microondas,
ya provenga de la atmósfera o del mismo instrumento
y, por supuesto, las comunicaciones móviles actuales inundan el cielo de ella.
Así que antes de poder realizar mediciones útiles,
tuvieron que calibrar su antena de bocina para intentar reducir ese ruido.
Incluso después de tener en cuenta la atmósfera y los instrumentos,
y entonces no había teléfonos móviles de los que preocuparse,
seguían teniendo un ruido de fondo muy persistente e irritante.
Quedaba registrado en sus instrumentos
como una radiación con una temperatura constante de 3 grados sobre cero absoluto,
un susurro de microondas
del que no podían librarse por mucho que lo intentaran.
E incluso era más molesto aún
que parecía estar en cualquier parte
a la que dirigieran su trompetilla celeste.
Estaban a punto de rendirse cuando Penzias acudió a un encuentro
en el que mencionó por casualidad esta molestia a un colega.
Unas semanas más tarde, ese colega lo llamó por teléfono
y le dijo que conocía a unos investigadores de Princeton
que estaban buscando justo esa señal.
Sin querer, Penzias y Wilson habían tropezado con la radiación predicha,
con la explosión de luz de Alpher de la evolución primigenia del universo.
Por fin había una prueba de la teoría del Big Bang.
Es extraordinario pensar que esta radiación microondas
ha viajado por los confines más lejanos del espacio
desde hace 13 800 millones de años
cuando se liberó esa primera luz con el Big Bang.
Como dijo el propio Penzias: "Cuando sales fuera
recibes un poco de calidez del Big Bang en la cabeza".
Y sí, probablemente yo la noto más que la mayoría.
Casi 40 años después de que Lemaître la postulara por primera vez,
la idea del Big Bang
por fin se había hecho hueco en la ciencia ordinaria.
Pero el descubrimiento de esta radiación cósmica de fondo de microondas,
o CMB, y la prueba de la propia teoría del Big Bang
no son el fin de esta historia.
Hemos indagado en los primeros minutos después del Big Bang...
...y más adelante hay una nueva frontera para el conocimiento.
Todavía quedan grandes preguntas que resolver
sobre el origen del universo.
Preguntas como "¿de dónde provino la materia?"
o "¿cómo se obtiene algo de la nada?".
Las respuestas a estas preguntas se hallan mucho más atrás,
ocultas tras el telón de la CMB.
Su secreto reside en el universo primordial,
en el mismísimo primer segundo de su existencia.
Aquí es donde reside ahora el límite de nuestra comprensión
y aquí es donde los científicos centran sus esfuerzos.
No mirando al cielo, sino aquí,
en la frontera entre Suiza y Francia,
más en concreto, en el CERN,
con el acelerador de partículas más grande del mundo,
el gran colisionador de hadrones, o LHC.
Os preguntaréis qué tiene que ver un acelerador de partículas
con el universo primigenio,
porque la relación entre ambos no es nada obvia.
Hay que recordar que cuando el universo era muy joven,
era mucho más pequeño.
Y por tanto, toda la materia, todo lo que compone las estrellas,
las galaxias o los agujeros negros, todo tenía que estar confinado
en un espacio mucho más pequeño.
En esa etapa, el universo estaba increíblemente caliente
y más importante, su densidad de energía era muy alta.
Fue entonces cuando la primera materia cobró existencia.
El LHC aún no puede reproducir ese proceso,
pero nos permite estudiar las propiedades
de esas partículas fundamentales.
Una vez al año, el LHC cesa su actividad normal
de colisionar haces de protones
y en su lugar usa partículas mucho más grandes
para crear colisiones con una energía más de 80 veces superior
a la que producen dos protones.
Lo logran acelerando átomos de plomo,
a los que han quitado los electrones,
a velocidades cercanas a la de la luz y los hacen chocar entre ellos,
lo cual nos deja ver algo muy especial.
Las colisiones son tan intensas
que durante un momento crearán algo único:
no un mundo de átomos, ni siquiera de neutrones y protones,
sino de quarks, gluones y leptones,
partículas con nombres exóticos que se unieron para formar átomos
en la primera millonésima de segundo después del Big Bang
y que han permanecido atrapadas desde entonces.
Ahí abajo, bajo esa protección de plomo,
se está reproduciendo una etapa de la evolución del universo
llamada "plasma de quarks-gluones".
Es el momento justo después de que los gluones atraparan a los quarks
para crear protones y neutrones,
que a su vez se unen para crear el núcleo de los átomos.
La frase grandilocuente que usamos es "el confinamiento de los quarks".
Para crear la energía necesaria,
los núcleos de plomo pasan por una serie de aceleradores más pequeños
que van aumentando la energía gradualmente
hasta que al final se introducen en el acelerador más grande de la Tierra:
el LHC.
La energía máxima que puede lograr un haz
está directamente relacionada con el tamaño del acelerador,
y el LHC tiene una circunferencia de 27 kilómetros.
Eso significa que aquí los haces
pueden alcanzar una energía de mil teraelectronvoltios.
La verdad es que es menos de lo que podéis imaginar
porque es el equivalente a la energía con que una mosca choca con un cristal,
pero aquí la gran diferencia es que la energía está concentrada.
La densidad de la energía es lo que importa.
El LHC puede comprimir toda esa energía
en un espacio inferior a una billonésima del tamaño de un único átomo.
Esto es algo que no puede darse en ninguna otra parte del universo conocido.
Los dos haces de núcleos de plomo viajan por el anillo
en direcciones opuestas.
Se encuentran muy abajo, bajo esta sala de control, en el detector.
Podemos ver imágenes en directo del detector en esa pantalla.
Los tenemos debajo viajando
a un 99,9998 % de la velocidad de la luz.
Por tanto, recorren la extensión de 27 km de circunferencia del anillo
más de 11 000 veces por segundo.
Cuando los haces alcanzan la energía máxima,
ahí podemos ver que pone "Física de iones: haces estables",
significa que pueden cruzarse,
igual que en Los cazafantasmas.
En ese momento, una pequeña fracción de los núcleos de plomo colisionará
y creará una bola de fuego superdensa y supercaliente
con una temperatura 400 000 veces más caliente que la del centro del Sol
y una densidad que sería el equivalente a comprimir
el Mont Blanc entero al tamaño de una uva.
Eso de ahí es una imagen fantástica, ¿puedes decirme qué estamos viendo?
La verdad es que es increíble, ¿no?
Se trata, literalmente, de decenas de miles
de partículas y de partículas de antimateria volando.
- Las consecuencias de la explosión. - Muy bien.
Los rastros coloreados de partículas que se ven no son los quarks y gluones,
sino la evidencia del plasma de quarks-gluones creado por la colisión.
Debemos inferir sus propiedades mirando los restos que salen volando.
Es un poco como averiguar cómo funciona un avión
mirando los restos de un accidente,
eso es lo que vemos.
Me parece asombroso que aquí
se intente recrear ese momento del universo primigenio
en el que los quarks y gluones eran libres de flotar por ahí
porque la energía era muy alta, y entonces se enfrió y se quedaron unidos.
Aquí, hacéis lo contrario, empezáis con materia normal,
la chocáis entre sí
y vuelve a ese estado de liberación, a ese plasma.
Sí. Me gusta verlo como una máquina del tiempo,
estamos viajando al pasado
y este es el único modo de estudiar las propiedades de los quarks libres
porque han estado atrapados dentro de partículas como protones y neutrones
durante 13 800 millones de años.
Es algo increíble, ¿no?
Por fin, tras 13 800 millones de años, podéis liberar estos quarks,
aunque sea brevemente.
Sí.
Aunque aún no sabemos cómo llegó a crearse la materia,
estudiar estas colisiones nos permite
dar unos primeros pasos para intentar realizar ese descubrimiento.
Acabamos de ser testigos de una de las primeras etapas del universo
que nadie, en ningún lugar, haya podido observar.
Es lo más cerca que podemos estar del momento del Big Bang
y, la verdad, no está nada mal,
una millonésima de segundo después del mismo Big Bang.
Pero incluso retroceder tanto en el tiempo
sigue dejando a la física con preguntas sin respuesta.
Más allá es donde se ocultan algunos de los misterios
más profundos del universo:
cómo las cuatro fuerzas fundamentales que unen la materia,
la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares,
están interconectadas,
cómo las partículas que forman la propia materia
salieron de la condensación de una neblina de energía,
cómo se genera la masa gracias a la fuerza que une a los protones y los neutrones
y cómo el propio universo
sufrió una expansión superacelerada
en una billonésima de billonésima de billonésima de billonésima de segundo
para crear la estructura del cosmos.
De momento, no tenemos forma alguna de observar ninguno de estos fenómenos.
Es el terreno de la teoría abstracta y de la especulación.
Si alguna vez vamos a reproducir esta etapa temprana
de la evolución del universo,
vamos a necesitar crear cantidades de energía mucho más altas.
Francamente, tendremos que construir un colisionador más grande
y eso es un problema, no solo por el gasto,
aunque sería un gasto demencialmente caro.
No, es más una cuestión de encontrar dónde construirlo.
¿Recordáis que dije que la energía
tenía relación con la circunferencia del acelerador?
Pues el LHC que tengo debajo
tiene una circunferencia de 27 kilómetros.
Pasa por debajo del macizo de Jura
y se extiende por Francia y Suiza.
Para poder retrotraernos y observar el universo en su etapa más temprana,
hay que construir un acelerador
con una circunferencia más grande que la órbita de Plutón.
Traducido por: Irene Díaz Hernández