a lo largo de los primeros 380.000 años

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A estas alturas de nuestra serie, y ya lo veníamos advirtiendo en anteriores entradas, sabemos que el Universo había emprendido un largo camino de monotonía que iba a durar casi cuatrocientos mil años. Como dijimos en el capítulo 3, tras la inflación el universo pasó de tener un tamaño algo menor que un protón reducido en un factor de 10^-20, al de una “esfera” de 10 centímetros. Muchas veces se habla del tamaño de una naranja, pero ahora apuesto por la metáfora de una granada, repleta de multitud de infinitesimales granos jugosos preñados de una inestabilidad cuántica surgida durante la inflación exponencial. Ya veremos el porqué de la comparación.

Primero la radiación y luego la materia fueron los que iban manipulando su dinámica al fijar las tasas de expansión, por la que progresivamente disminuía la densidad del plasma que rellenaba el Universo. Pasó por un momento en que tuvo la del agua, luego atravesó el nivel de la del aire y no paró, pues se encaminaba hacia un estado en el que cada centímetro cúbico iba a tener tan sólo unos 10³ átomos.^[1]

En un primer plano la representación artística de como debía moverse el plasma inicial del Universo impulsando unas ondas sonoras. En el horizonte lejano se proyecta nuestra época, en donde algunas galaxias lucen como congeladas luminarias de este sonido cósmico. A lo largo de estas entradas iremos explicando su trasfondo. (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

Durante la inflación las pequeñas fluctuaciones cuánticas iniciales comenzaron a hacerse relevantes de forma que, al terminar, se convirtieron en las bases de las estructuras de materia. Se había generado un plasma de núcleos ligeros, electrones, fotones, neutrinos y algunas partículas de otros sabores que, menos los “libres” neutrinos, se encontraban en equilibrio térmico completamente ligados como si se tratara de un gas, inmersos en “océanos” de una materia oscura indiferente a la influencia electromagnética. Las cargas de protones y electrones se cortejaban mientras los fotones de la radiación permanecían atrapados en constantes interacciones Thomson con los electrones, manteniéndose acoplados al plasma hasta el momento que dejarían de estarlo mucho tiempo después. Podemos hacernos una imagen 2D terriblemente simple e intuitiva del espacio post inflación, viéndolo como una lámina elástica que se iba estirando mientras las zonas donde la materia estaba más concentrada lo deforman dejando aquí y allá, a lo largo de 380.000 años de expansión, diversos “cuencos” gravitatorios.

En ese mundo de granulado gravitatorio la materia bariónica no solo interactuaba con la radiación, sino que también se veía influida por la gravedad dominada en gran medida por la materia oscura. Esta última situada mayoritariamente en aquellos “cuencos” gravitatorios que habíamos mencionado, favorecía el que la materia bariónica se fuera acumulando en ellos. La progresiva densificación en esas zonas hacía que su temperatura aumentase hasta un momento en que la presión de la radiación, cada vez más intensa con la compactación de la materia, fuera frenando la caída de materia densidad, incluso induciendo un rebote. Como consecuencia la materia volvía a expandirse, disminuía su densidad decayendo también la presión del plasma, hasta que la materia oscura volvía a recuperar la capacidad de contraer de nuevo el plasma de la región, aumentando así la densidad… con lo que el ciclo comenzaba de nuevo. Cada una de esas zonas hijas de la inestabilidad cuántica conforman lo que hemos acordado llamar un grano de nuestra imaginaria granada cósmica.

Podemos imaginarlo como si alguien en el centro de una palangana, un recipiente circular con agua, hubiera dado una palmada, un ¡plash! seco, que indujera una dinámica oscilante y caótica que rápidamente muta a un perfil de ondas concéntricas que se trasladan hacia los bordes mientras localmente se apelmazan, y suben, y se relajan, y bajan. Un movimiento que se comporta como la suma de unas ondas estacionarias resultado de la competencia entre la presión de la palmada y la gravedad.

Esquema de una onda estacionaria (en negro) resultado de la superposición resonante de las ondas roja y azul que se desplazan a la misma velocidad, aunque en sentidos contrarios.

La dinámica de las ondas estacionarias es interesante. Para comprenderlo mejor, pensad en la cuerda de una guitarra constreñida entre sus dos extremos. Cuando la pulsamos, se genera una onda que rebota en los extremos y crea un patrón de cumbres y valles, típico de una onda estacionaria. En el plasma primordial sucedía algo similar, aunque en un medio tridimensional: las ondas estacionarias respondían a fluctuaciones periódicas de densidad y presión, vibrando arriba y abajo y trasladando el efecto de estas pulsaciones longitudinalmente a lo largo del espacio. Estas oscilaciones dejaron una huella imborrable en el universo, visible aun hoy en el fondo cósmico de microondas.

En cada punto del plasma alterado por las fluctuaciones cuánticas iniciales, los “granos” de la granada experimentaban una presión que oscilaba en tres dimensiones, desde el centro hacia el exterior. La compresión y rarefacción se propagaban hacia afuera desde las sobredensidades primigenias, transportando las oscilaciones de densidad y presión hacia nuevas regiones dentro de los límites espaciales de cada “grano”, que a su vez se expandían conforme el universo crecía. Esto implicaba que las partículas del plasma, tanto bariones como fotones, se desplazaran físicamente hacia afuera desde el centro de las sobredensidades iniciales, formando una “cáscara” en expansión. Así que, de manera similar a cómo el sonido se propaga en el aire o las olas en el mar, el plasma primordial del universo se llenaba de resonancias sonoras. Era como si el universo temprano estuviera compuesto por una red de vóxeles “esféricos” en cuyo interior la presión latiera como un corazón configurando una onda estacionaria cargada de armónicos desplazándose hacia sus fronteras.^[2] Este movimiento quedaba superpuesto al de expansión cósmica pero no pensemos aun en él.

¿Cómo se define la dimensión de los granos? Esta claro que por definición los podemos considerar como espacios gravitatorios autónomos e independientes. Su dinámica la define la propia materia y radiación internas. ¿Hasta donde llegará la influencia gravitatoria del ¡plash! inicial que define su frontera? Si pensamos que las perturbaciones gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz podemos calcular la distancia al borde en cada instante. Lo que pasa es que el plasma de base no es el vacío donde la luz se desplaza a la velocidad conocida de 300.000 km/seg, sino que se ve ralentizada con un factor de atenuación proporcional que a la postre tiene que ver con la relación radiación/bariones de cada momento. Cuanta mayor radiación mayor empuje, cuantos más bariones mayor resistencia. En los primeros instantes, debido a la gran incidencia de la presión de la radiación, la velocidad era de 0,577 c y al final del periodo de aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz. Con esos datos y sabiendo que la recombinación se produjo en el entorno del año 380.000, se llega a la conclusión de que el radio máximo al que pudo llegar cada grano de granada, lo que conocemos como horizonte acústico, en la recombinación fue de unos 150 mil años luz o aproximadamente 480 millones de años luz en el universo actual al considerar la expansión posterior. En el capítulo 17 veremos que es eso de la recombinación. Al comportarse los granos como una unidad gravitatoria, se van a conformar como el ladrillo básico para la formación de la estructura a gran escala del universo. Como veremos también más tarde.

Todas las ondas acústicas en los granos cósmicos, junto con sus armónicos, comenzaron simultáneamente tras el recalentamiento posterior al Big Bang, sincronizadas por el origen común de las fluctuaciones iniciales. Aunque las características individuales de cada grano, como la profundidad de sus pozos gravitatorios, podían alterar la intensidad de sus oscilaciones, todas compartían este inicio al unísono. Algunas ondas mostraban una superposición parcial, pero la mayoría permaneció confinada dentro de sus respectivos granos sin tiempo para interactuar entre si antes de la recombinación. En el fondo cada grano de granada sería como una sala de conciertos, quizás escuchando la Octava de Beethoven, la Pequeña Sinfonía, en un auditorio cuyo entorno está repleto de sones, muchos de ellos ondas en el rango de frecuencias audibles para el hombre. Unas provendrán de los violines o las trompetas, y serán más agudas, mientras que otras las habrán emitido los contrabajos o los trombones y serán más graves. Montados en las ondas fundamentales de cada instrumento se encuentran además cientos de armónicos, que dan colorido y cuerpo a la música de la sinfonía. De la misma manera los armónicos de las ondas de presión en el plasma del Universo apuntalaban los matices del futuro dibujo de la materia. La gran diferencia con el símil musical es que las ondas del plasma primordial tenían amplitudes de ¡cientos de miles de años luz!

Si hacemos zum sobre una cualquiera de las zonas del mosaico que era el Cosmos en aquellos momentos, un grano de la granada, veremos dos tipos de materia: la bariónica, formada básicamente por protones, neutrones, electrones y neutrinos, y la materia oscura, que no sabemos realmente lo que es pero que abulta como cinco veces la bariónica. Realmente hay mucha materia oscura^[3] Gracias a la incesante expansión, las partículas con dinámicas entrelazadas en el gas de materia bariónica, así como las de la oscura, iban diluyéndose cada vez más en la menguante densidad del plasma. Por ello cada vez les costaba más encontrarse e interactuar entre ellas, aunque, CIERTAMENTE, eso no quiere decir que no lo hicieran.

Esquema de lo que sucedería en una burbuja de inestabilidad cuántica en el plasma primigenio mientras el Universo se expandía. Protones y electrones unidos por la fuerzas de Coulomb mientras la radiación interfería a través de dispersiones de tipo Thomson (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

Veamos lo que le sucedía a la bariónica. Sus principales actores, los protones y electrones, junto con los fotones de la ubicua radiación, seguían yendo forzosamente de la mano ya que no podían ir muy lejos unos de otros. Los protones de carga eléctrica positiva y los electrones negativos, aunque cercanos, se movían separados intercambiando cómplices aproximaciones gracias a sus cargas opuestas. Los fotones que constituían la radiación del plasma aún tenían energía suficiente como para, al chocar con ellos, impedir la unión definitiva de cargas opuestas. Con la energía que tenían les sobraba como para interactuar con los electrones, menos masivos que los protones, a través de choques elásticos dispersivos del tipo Thomson (ver imagen anterior), tras los que el fotón salía en una dirección distinta a la que traía antes de la colisión, con la misma frecuencia y sin haber perdido energía. Así, la radiación y la materia bariónica, unidas por el pegamento de los electrones, vivían un escenario de continuos choques y dispersiones, de forma que la primera -la radiación- era incapaz de volar libre e independiente.

Con la materia oscura la vida era más tranquila ya que no interactúa con el campo electromagnético: los fotones son incapaces de “verla”. De forma que en aquellos momentos este tipo de materia era transparente para la componente de radiación del plasma.

Dentro de ese plasma de protones, electrones y fotones pasaban además otras cosas curiosas que pudieron condicionar la evolución del Universo y sus estructuras. Protones y electrones son “fantasmas” eléctricos, cargas positivas y negativas, que como acabamos de comentar se movían independientemente. Las cargas eléctricas en movimiento inducen campos magnéticos. Y aunque las separaciones entre cargas y las corrientes creadas por la transferencia de cantidad de movimiento en las interacciones con los fotones eran muy pequeñas, fueron de gran importancia para la generación de campos magnéticos en los primeros tiempos. Una vez que surge un campo magnético es como una “semilla” que puede volverse más grande y fuerte al alinear con él a otros campos más débiles. En palabras del astrofísico teórico del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Torsten Enßlin: “El magnetismo es un poco como un organismo vivo, porque los campos magnéticos aprovechan cada fuente de energía libre que pueden retener y crecer. Pueden propagarse y afectar con su presencia a otras áreas, donde también crecen.” Los campos magnéticos primordiales que estaban presentes en el plasma en aquellos momentos y que, como hemos insinuado, eran las semillas iniciales de los potentes campos magnéticos cósmicos que vemos hoy en día,^[4] estarían induciendo también fluctuaciones a pequeña escala en la densidad bariónica del plasma primordial. Estas faltas de homogeneidad van a tener su importancia más tarde durante la fase que conocemos como recombinación, cuando el Universo cumplía los 380.000 años y los electrones comenzaban a unirse a los núcleos atómicos. Esos campos magnéticos primordiales hacían que la recombinación no fuera perfectamente homogénea, lo que alteró los picos y las alturas de las anisotropías a gran escala en la radiación del fondo cósmico de microondas. Pero quizás nos hemos adelantado. Prosigamos con nuestro hilo argumental.

La burbuja de materia y radiación es comprimida por la gravedad para pasar luego a ser expandida por la presión que la radiación interior producía al haberse incrementado en el proceso de compactación. . Ello era lo que generaba la dinámica oscilatoria que se comenta en el texto. A la par la burbuja se expandía con el Universo.   (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

 Sobre el fondo de materia oscura, la bariónica se comportaba como una niebla espesa y opaca a la luz, con unos fotones cambiando continuamente de dirección choque tras choque. Algo muy parecido a lo que les pasa a los fotones generados en el interior del Sol, que tardan entre diez mil y ciento setenta mil años en poder acercarse a la superficie de la estrella y escapar definitivamente de la materia.^[5] Si hubiera habido forma de ver a aquel plasma desde fuera, cosa imposible pues fuera del Universo se postula que no hay nada, no hubiéramos sido capaz de penetrar sus brumas y saber cómo era en su interior.

Y aunque la materia oscura no se viera afectada por el electromagnetismo, la gravedad estaba presente y ejercía su acción compactando las partículas de materia incluidas las de la materia oscura. En los puntos de la niebla de nuestro plasma-gas, que como resultado de las fluctuaciones cuánticas iniciales habían quedado más densos en materia, la gravedad actuaba aglomerándola aún más, incluso absorbiendo el plasma-gas de sus alrededores. Lo cual hacía que en estas zonas especiales la densidad aumentara, las partículas se aceleraran y la temperatura se incrementara. Como consecuencia, la presión interna de la radiación allí presente se iba haciendo mayor al irse recalentando por la creciente compresión gravitatoria, hasta que llegaba a ser tan intensa que podía dominar y contrarrestar a la gravedad, iniciándose una onda de presión ¡nuestra onda sonora! que arrastraba a la materia y la radiación acumulada y que hacía que la zona se descomprimiese relajando su densidad de materia. Hasta un momento en el que la gravedad volvía a dominar… ciclos de compresión-expansión, algo parecido a lo que decíamos al principio del capítulo acerca de pulsar una cuerda de guitarra que vibra sinusoidalmente a lo largo de su longitud. A pesar de que el proceso lo inicia la atracción gravitatoria de la materia oscura, el “pulsado” definitivo de la cuerda lo produce la radiación, por lo que el proceso siguiente de expansión sólo afectaría a la materia bariónica ya que, como se ha dicho, la oscura era transparente a los fotones.

Evolución de la onda sonora del plasma a través del tiempo. Z es el corrimiento al rojo y 480 Mly (millones de años luz) la distancia máxima a la que pudo elongar su longitud antes de que la recombinación la “congelara”, distancia conocida como como horizonte acústico (de todo ello hablaremos con más detalle en otro capítulo). El eje horizontal indica el radio de la burbuja en cada momento, normalizado en cada cuadro de acuerdo a la idea de escala comóvil. En el eje vertical se indica el exceso de densidad de la perturbación sobre la media del plasma (Imagen: Daniel Eisenstein, fair use)

Como consecuencia de esa dinámica en el centro más o menos relajado quedaba una materia oscura que seguía comprimiéndose gracias a su propia gravedad y una radiación menos energética, más fría. El proceso general queda reflejado en la secuencia de imágenes anterior en la que cada cuadro representa la situación de la burbuja en un momento determinado de la vida del Universo, con la distribución de materia y energía que habría en su interior. Acaba en el año 380.000 que es cuando la radiación se evade finalmente de la materia, proceso y fotograma que explicaremos con detalle en otro capítulo. En el cuadro b. vemos cómo a los 14.433 años ya se habían desacoplado ambos tipos de materia, iniciando la bariónica la cresta de la onda esférica. Con el tiempo se va estabilizando hacia su máximo alcance -horizonte acústico-, indicado con la barra vertical de trazos grises. El efecto gravitatorio de la materia bariónica afecta a la materia oscura que había quedado en el centro de la perturbación inicial y arrastra a la última en cierta medida hacia fuera. Mientras, se ve cómo los fotones van acompañando al frente de onda bariónico y sólo empiezan a desacoplarse cuando llega la edad de 380.000 años.

Como hemos dicho repetidamente, esto sucedía en mayor o menor grado, dependiendo de sus densidades particulares, en todos los puntos del plasma que habían experimentado una fluctuación cuántica durante la inflación. Como no todas las fluctuaciones fueron iguales, aunque muy muy similares, cada una de las ondas generadas de partículas bariónicas y de radiación asociada presentaban su propio patrón. Muchas de ellas tendrían que coincidir sobre el tejido del espacio/tiempo, por lo que al interferir espacialmente unas con otras hacían del plasma un mar embravecido cruzado por un patrón de ondas heterogéneo. Crestas elevadas de materia oscura y otras menores de materia bariónica. No en vano la primera era en masa unas cinco o seis veces la segunda. Y todo esto incansablemente a lo largo de 380.000 años, momento del que entenderemos su singularidad en el siguiente capítulo.

Las imágenes artísticas animadas anteriores^[6] (haz clic sobre ellas si no se mueven) pueden permitirnos imaginar bastante bien el proceso que un poco más arriba nos habíamos atrevido a describir como “…un mar embravecido cruzado por un patrón de ondas heterogéneo”. Las dos de arriba hay que verlas de forma correlativa como un inicio del pico de onda que con el tiempo se va extendiendo hacia afuera del centro donde se originó, lo que corresponde a la de una sola burbuja generada en un particular punto del plasma, un grano de la granada. Intentan modelar tridimensionalmente las curvas 2-D de evolución presentadas más arriba. Realmente hay infinitud de burbujas pisándose parcialmente unas a otras, con el resultado para la evolución del Universo que intenta representar la imagen inferior.

Supongo que ahora podemos entender bien la analogía que hacía con una obra musical. En ella cada instrumento, con su timbre y color característico, genera su patrón de ondas y frecuencias, generando con su dinámica conjunta una fantástica armonía. El Cosmos también tiene sus instrumentos en la diversidad local de la densidad de su plasma: cada uno de los puntos que habían emitido su particular onda de materia bariónica era uno de ellos, que al sonar acoplados generaron un vaivén musical,^[7] quizás cacofónico para nuestros gustos, pero que no deja de ser su melodía.

En este punto en que nos acabamos de encontrar con el susurrar de la música primordial del Universo primitivo vamos a hacer un intermedio. El reposo nos ayudará a asimilar el concepto antes de avanzar en su teoría. Que será en la próxima entrada.

1. Eso sería al final de esos 380.000 años. Añado aquí un sencillo cálculo para que nos hagamos idea: Sabemos que la composición de átomos en aquel momento era básicamente de 75% de hidrógeno y 25% de helio 4, por lo que un átomo medio pesaría [0,75 x 1 + 0,25 x 4]= 1,75 unidades de masa atómica (uma). Cada uma equivale a 1,7 x 10^-27 kilogramos, luego la densidad sería 1,75 uma/cm³ x 1,7 x 10^-27 kg/uma x 10³ gr/kg x 10³ átomos ≈ 3 x 10^-21 gramos/ cm³. Por comparar: en condiciones normales la densidad del agua es de 1 gramo/ cm³ y la del aire, 1,4 x 10^-3 gramos/ cm³ . Llevada esta cifra a día de hoy, tras una dilatación espacial de 1.100 veces, lo que hizo que el cm³ inicial se convirtiera a más o menos 10¹⁰ cm³, la densidad bariónica ha pasado a ser más o menos 10^-31 gramos/ cm³, del orden del % de la masa critica del universo que es del orden de magnitud 10^-29 gramos/ cm³. [↩]
2. La onda estacionaria no es tan sencilla como la del ejemplo empleado en el texto que hemos dibujado como una sinusoide perfecta de modo 2, dos longitudes de onda. Nuestra onda estacionaria cósmica es la suma de infinitos armónicos, sus modos, desde el fundamental de una sola longitud de onda, modo 1, hasta los que os queráis imaginar. [↩]
3. Como veremos en un futuro capítulo, esa realidad no es una entelequia, y aunque no interactúa con el campo electromagnético, y por tanto no la podemos ver, sí que la hemos sabido medir por métodos indirectos. [↩]
4. El espacio interestelar está lleno de partículas/polvo cargados que tienen sus propios campos magnéticos debidos a sus propios momentos dipolares o inducidos por el movimiento de las cargas. Cuando un campo magnético más grande y global influye sobre estas pequeñas cargas, muy a menudo ocurre una alineación (por ejemplo, el dipolo de las partículas se alineará con el campo más grande, o el movimiento cambiará repentinamente para moverse a lo largo de la línea de campo). Esto hace que estos campos más pequeños se sumen al campo más grande, haciéndolo aún más grande. [↩]
5. Podéis leer al respecto el siguiente artículode la NASA. [↩]
6. Extraídas de este artículo de Scienceblogs. [↩]
7. Recreación del eco de la sinfonía del Universo tras la emancipación de los fotones a los 380.000 años de vida. John G, Cramer, profesor de la Universidad de Washington, explicaqué hizo para obtenerlo y por qué lo hizo. De todas formas aviso lo dicho ya en el texto: la longitud de onda de esos “ruidos” podía ser de hasta un millón de años luz. Como podéis comprender nuestro oído no está diseñado para recoger tamañas amplitudes. Para una temperatura de aire de 20ºC donde la velocidad del sonido es 344 m/s, las ondas de sonido audible, tienen longitudes de onda desde 0,0172 a 17,2 metros. [↩]

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