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Biografía del Universo 15: La sinfonía del Universo I




a lo largo de los primeros 380.000 años

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. La radiación seguía dominando su dinámica, haciendo que continuara expandiéndose a un ritmo proporcional a la raíz cuadrada del tiempo, por lo 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 estas condiciones, el plasma de núcleos ligeros, electrones, fotones, neutrinos y algunas partículas de otros sabores que formaba la esencia del Universo, era como un gas. Podemos imaginar a la materia de ese gas como un mar profundo que se movía meciéndose convulsivamente dibujando un patrón de ondas causadas por la gran alteración inflacionaria primigenia. Y al igual que el sonido es un vaivén en las moléculas del gas de la atmósfera, el plasma del Universo estaba también repleto de resonancias sonoras.

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)

Podemos compararlo a una sala de conciertos, quizás escuchando la Octava Sinfonía de Beethoven, la Pequeña Sinfonía, con un ambiente que 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. Montadas en las ondas fundamentales de cada instrumento se encuentran además cientos de armónicos, que dan colorido y cuerpo a la música de la sinfonía. Curiosamente, de la misma manera a como los armónicos de las ondas de presión en el plasma del Universo apuntalaban el futuro dibujo de la materia.

La pregunta es: ¿cómo se generaron estas ondas de presión? Porque, a fin de cuentas, una onda sonora es exactamente una onda de presión que apelmaza y relaja la densidad de las partículas de la materia mientras va viajando por el espacio. Luego… empecemos por la materia.

Sabemos que en el plasma del Universo se había quedado dibujado el patrón de fluctuaciones cuánticas que se habían generado durante las primeras fases expansivas provocadas por el campo inflatón.[2] La tremenda aceleración hizo que estas fluctuaciones se extendieran por todo el Universo de una forma prácticamente homogénea. Y ya sabemos también que desde el mismo momento en que se frenó la energía expansiva del proceso y se transformó en materia distribuida homogéneamente por el Universo, ésta heredó el barniz de las fluctuaciones cuánticas iniciales. El tejido espacio-temporal del Cosmos había quedado como un mosaico de zonas con distintas densidades de materia, aunque bien es verdad que la diferencia entre unos y otros lugares era tan escasa que podemos imaginar al plasma primigenio como casi perfectamente homogéneo.

Si hacemos zoom sobre una cualquiera de estas zonas 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 de materia bariónica y de la oscura iban diluyéndose cada vez más en la menguante densidad del plasma. Cada vez les costaba más encontrarse e interactuar entre ellas, aunque eso no quería decir que no lo hicieran. Veamos lo que le sucedía a la bariónica.

Sus principales actores, los protones y electrones, junto con los fotones de la radiación que los bañaba, 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 en las cercanías se movían separados, intercambiando cómplices guiños 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. Aunque con la que tenían les sobraba como para interactuar con los electrones a través de choques dispersivos del tipo Thomson, tras los que el fotón salía en una dirección distinta a la que traía antes de la colisión, con la misma frecuencia pero habiendo 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.

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)

Con la materia oscura la vida era más tranquila, ya que, como hemos mencionado, tiene una propiedad particular, y es que no interactúa con el campo electromagnético: los fotones son incapaces de verla. De forma que este tipo de materia era transparente para la componente de radiación del plasma. El conjunto hacía que el plasma del Universo, durante una larga etapa, se comportara como una niebla espesa y opaca a la luz, con unos fotones cambiando continuamente de dirección choque tras choque. Algo muy parecido les pasa a los fotones generados en el interior del Sol, que tardan entre un mínimo de diez mil y un máximo de ciento setenta mil años en poder acercarse a la superficie de la estrella y escapar definitivamente de la materia.[4] 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.

La gravedad estaba, desde luego, 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 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 dominar y contrarrestar a la gravedad, iniciándose un proceso expansivo de la materia y la radiación acumulada. Como resultado de este proceso, se descomprimía la zona y se relajaba su densidad de materia. El proceso sólo afectaba a la materia bariónica, que era la que formaba la onda fugitiva, ya que, como hemos dicho, la materia oscura era transparente a los fotones. Podemos imaginar este proceso como semejante a lo que sucede en nuestra piscina cuando sumergimos una pelota y la soltamos: la pelota -la materia bariónica y la radiación- empieza a subir y bajar mientras se van propagando una serie de ondas concéntricas por la superficie del agua -el plasma que formaba el Universo-.

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. Por la imagen parece que el fenómeno fuera cíclico, aunque sólo intenta representar armónicos de diversas frecuencias (Imagen: Wayne Hu, Universidad de Chicago, fair use)

Motorizado por la expansión del Universo, un frente de onda esférico de materia bariónica se alejaba del punto inicial donde se había generado arrastrando con sus protones y electrones a una radiación muy caliente. En el centro 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 siguiente. Cada una 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, cosa que explicaremos con detalle en otra entrada.

Evolución de la onda sonora del plasma a través del tiempo. Z es el corrimiento al rojo y 480 Mly (millones de años luz) el tamaño final actual de la burbuja conocido como horizonte acústico (de todo ello hablaremos con más detalle en otro momento de esta serie). Con respecto al eje horizontal, el tamaño relativo de las curvas indica el radio de la burbuja en cada momento. En el eje vertical se indica la densidad de la perturbación (Imagen: Daniel Eisenstein, fair use)

En la figura anterior se pueden ver cuatro estadios temporales diferentes de una onda sonora esférica correspondiente a la zona particular de una fluctuación cuántica inicial, cargada en origen con materia oscura y bariónica. Vemos cómo a los 14.000 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.

Esto sucedía en mayor o menor grado en todos los puntos del plasma. Dependiendo de sus densidades particulares, resultado de las condiciones de la fluctuación cuántica que allí se había producido durante la inflación, cada una de las ondas generadas de partículas bariónicas y de radiación esclava presentaban su propio patrón. Todas ellas coincidían acopladas en 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 veces la segunda. Y todo esto incansablemente a lo largo de 380.000 años, momento que entenderemos su porqué en el siguiente capítulo.

Como resultado de la dinámica anterior podemos imaginar que cada punto de nuestro Universo, según sus características de densidad y temperatura, se comportaba como un oscilador resultado de los procesos de compresión y descompresión. Lo podemos imaginar como algo semejante a lo que sucede en la superficie del agua cuando se tira una piedra: las moléculas se apelmazan y distienden a medida que la onda va extendiéndose en circunferencias concéntricas. Y cada punto se comporta como un oscilador, acumulando y relajando energía. Lo mismo pasa con el aire cuando se produce un grito que lo comprime: el fenómeno es exacto al descrito para el agua, aunque en este caso las ondas no se ven y sólo se escuchan cuando llegan al oscilador de nuestro oído.

Es lo que hemos llamado ya tantas veces antes de ahora, a lo largo de estas entradas, las ondas sonoras del Universo primigenio.

            

Las imágenes animadas anteriores[5] (haz clic sobre ellas si no se mueven) nos permiten 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“. La animación de la izquierda corresponde a la de una sola burbuja generada en un particular punto del plasma, mientras que en la segunda se simulan los vaivenes del conjunto de ellas en todo el espacio.

Creo 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,[6] 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 . []
  2. Podéis repasar el tema releyendo la entrada Inflando el Universo II” de esta serie. []
  3. Como veremos en una futura entrada, 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. Podéis leer al respecto en este artículo de la NASA. []
  5. Extraídas de este artículo de Scienceblogs. []
  6. 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, explica qué hizo para obtenerlo y por qué lo hizo. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 5 } Comentarios

  1. Gravatar Dino | 28/09/2017 at 01:36 | Permalink

    “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 dominar y contrarrestar a la gravedad”, esto me recuerda los procesos estelares en que ambas fuerzas luchan por imponerse y el resultado es una esfera de plasma en equilibrio hidrostático que conocemos como una estrella …. un gran trabajo Jreguart , hombree , ya te mereces un premio a la divulgación científica por tu constante y variada producción ( una biografía de la vida y del universo , tamaña empresa , y no tan fácil de abordar) , tu permanente mención a las fuentes ( buenas fuentes) y todo esto además apoyado por imágenes y animaciones . en fin , se hace muy grata la lectura así y con tu estilo lo haces más ameno . no me caracterizo por opinar mucho , pero te sigo desde hace años ….Gracias por todo .

  2. Gravatar jreguart | 28/09/2017 at 02:48 | Permalink

    Hola, Dino,

    muchas gracias por tus amables palabras y por tu paciencia por “pero te sigo desde hace años”. Tienes toda la razón, el juego provocador de las ondas sonoras primordiales es el mismo de la lucha titánica dentro de las estrellas, energía de gravedad vs. energía de radiación. Mi afición a compartir lo que escribo es menos altruista de lo que parece. Busco respuestas a los temas que creo fundamentales para situarme en lo que soy y lo que es mi entorno de donde salgo. El Universo, la Vida, el cerebro, la consciencia… y poco más. Lo he comentado otras veces… mi memoria es frágil y tomo notas, muchas notas, que luego milagrosamente e inesperadamente se van ensamblando unas con otras y piden un hilo conductor, con lo que al final, con lo que me gusta el lenguaje y el escribir, sale un relato.

    Antes de entrar en la comunidad escritora de El Cedazo me lo cuestioné mucho, pues mis escritos no dejan de ser un acta notarial de lo que he leído, contado con más o menos fortuna y siempre con un poco más de barroquismo de lo que me gustaría. Pero pensé que publicar sería una buena forma de pulir y ampliar mi conocimiento. Como así ha sido.

    Publicar me ha hecho reflexionar gracias a los comentarios externos de los que leéis e internos de mis inigualables editores. No hay más misterio… como ves mi afán comunicador tiene un bastante mucho de factor egoísta. La experiencia es muy enriquecedora, lo que me da pie para animar a cualquiera que quiera poner en común sus conocimientos. A mí me encantaría un valiente geólogo que nos contara la historia de las piedras. Un botánico o biólogo que nos contara las maravillas de la vida vegetal de la que tan poco sabemos el público en general. Un experto en Bellas Artes que nos enseñara a diseccionar, valor y saber porqué admirar una obra de arte o una maravilla arquitectónica, al estilo de como Mac nos entusiasma con la música. Sobre todo agradezco a Pedro de El Tamiz con sus series sobre el sistema solar, las partículas, las estrellas, la cuántica, la relatividad…

    ¡Venga Cedaceros, ANIMO y al ruedo!

    Perdona por el panfleto en que se ha ido convirtiendo mi respuesta a tu opinión, pero… ¡ANIMO CEDACEROS!

  3. Gravatar Baldo WT | 12/10/2017 at 05:12 | Permalink

    Jreguart, si se afirma que los fotones son finalmente materia por la famosa ecuación de Einstein , quiere decir entonces que aquellos que viajan por el universo desde los inicios y que no interactúan con nada , ¿simplemente es materia perdida ? que no retorna? (disculpa lo básico de mi argumentación) es que estoy con aquello de la conservación de la energía y cuando pienso en el sol , puedo lograr explicarme el destino de la materia bariónica (electrones , protones ) , pero esa energía electromagnética y el calor expedidos simplemente me da la sensación que no se recupera jamás y se nos acaba la materia… lo único que se me ocurre es que los electrones y otras partículas masivas al final del día no pierden una pizca de masa , siguen siendo los mismos (aquello me tranquiliza) ahora no se si siga la misma cantidad de materia de los inicios . puede que a efectos locales aparentemente se pierda , pero en el global queda todo igual . gracias por tu paciencia y te felicito por tan interesante blog.

  4. Gravatar jreguart | 13/10/2017 at 08:58 | Permalink

    Hola Baldo WT,

    no sé si te interpreto bien. Creo que lo que quieres decir es que la energía de los fotones que nunca van a interaccionar con los elementos de la materia -átomos, moléculas- nunca va a ser recuperada como materia -como sería si se da el caso de la interacción de dos fotones dando otras partículas másicas-. Siendo eso así, la verdad es que el balance que tienes que hacer es con la energía en todas sus formas (incluye la masa). La materia perdida en forma de energía sigue siendo parte del Universo. Qué cada vez esta energía, en sentido einsteniano, estará más en forma de energía pura que de materia bariónica puede que sea lo más cierto y es lo que postula la hipótesis de un fin del Universo del “big freeze”, cuando las partículas de la materia se hayan transformado en infinidad de fotones de amplísima longitud de onda -dada la inconmensurable expansión alcanzada por el Universo en sus finales- lo que quiere decir de muy baja energía, de muy baja temperatura. La entropía habrá hecho bien su trabajo.

    De todas formas nuestro estado del conocimiento cosmológico permite hacer pensar a los expertos que puede que la energía se pierda, que no sea constante. Ponen ejemplos como que si los fotones de fondo, con la expansión del universo, van perdiendo su energía al tener longitudes de onda mayores ¿dónde se va esta energía perdida? O bien ¿de donde nace la energía oscura cada vez más abundante con la expansión? O también, si la expansión del espacio separa a dos galaxias ¿donde se queda la energía potencial del sistema que se pierde al estar cada vez la materia más separada? Algunos lo explican como que hay un intercambio de cromos entre la energía “material” y la energía negativa gravitacional materializada en curvatura del espacio tiempo.

  5. Gravatar Dino | 13/10/2017 at 10:51 | Permalink

    Yo siempre he tenido las mismas dudas con respecto al tema . Hay mucha materia convertida en energía (colisión materia y antimateria por ejemplo) , y no toda es devuelta de igual forma , la que no lo es , y no interactúa con el medio , sigue su camino como una onda estirándose junto con el espacio . el cual tiene la última palabra con respecto a su destino . No debemos olvidarnos que en la biografía del universo también se postula la creación del universo desde la nada , y por lo tanto al final todo el ejercicio de sumas y restas debe dar cero , o sea nada .

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