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Biografía del Universo 21: La era de la gran oscuridad




de 380 mil a unos 200 millones de años desde el inicio

En la entrada anterior de esta serie sobre la Biografía del Universo nos habíamos quedado en el momento del paso a un Universo dominado claramente por la materia, cuando se liberaron los fotones. La foto de aquel momento de la radiación de fondo nos dio pie a hablar de su estructura y de cómo hay más cosas que la materia visible y los neutrinos y fotones primigenios. Evidentemente, estas “más cosas” tuvieron que ejercer un papel muy importante en el proceso. En especial la materia oscura con su más que significativo efecto gravitatorio, ya que era cinco o seis veces más abundante que la materia bariónica, la “normal”. Seguimos aún en el mundo “oscuro” tras la recombinación, sin galaxias ni estrellas. Aunque todo está a punto de cambiar. La teoría es lo que vas a leer en este capítulo y el siguiente. Y es que de aquella época no sabemos nada de forma directa.

(Imagen elaborada a partir de varias de NASA, wikimedia, dominio público)

Gracias al telescopio Hubble, y desde 2022 con el James Webb, se ha podido observar en lo más profundo del Universo lo que parecen ser pequeñas galaxias, las más claras a una distancia temporal equivalente a unos 900 millones de años tras el Big Bang, e incluso anteriores, a los 700 millones de años, pero de luminosidad más débil y en menor cantidad.[1] Sus formas no son las “convencionales” y están muy lejos de las de las galaxias espiral o elípticas que vemos hoy en día. Estas extrañas galaxias son la crónica de un período cuando el universo era más errático y fundacional. Son fotos realmente muy antiguas, lo que nos permite asegurar que la estructura del Universo se inició muy pronto. Y si de esas estructuras la materia oscura fue el alma fundamental y la materia bariónica su cuerpo visible, tendremos que convenir que ambos actores tenían que haber comenzado su trabajo en un momento muy temprano.

Lo podemos disfrutar contemplando la imagen anterior que corresponde a una doble ampliación extraída del campo ultra profundo (derecha). A partir de [A] una pequeña mancha de luz en la esquina superior izquierda se ha ampliado [B] de forma que ahora se ve un minúsculo punto rojo. La segunda ampliación [C] da idea del sutil halo de luz que proviene de tal galaxia: UDFy-38135539, la más profunda conocida por Hubble en un corrimiento al rojo Z de 8,6, lo que corresponde a una edad aproximada de 650 millones de años

Se cree que aún antes de la recombinación, cuando todavía no se habían juntado los electrones y los protones formando los primeros núcleos atómicos, ya se estaba gestando la semilla de lo que luego ha sido la estructura fantasmagórica de la materia oscura. Eran momentos plasmáticos en los que materia oscura y materia luminosa -la bariónica- debían estar entrelazadas por la gravedad, de forma que así se mantuvieron tras la recombinación. Esta íntima unión entre ambas materias tuvo de algún modo su reflejo en la foto inaugural de los fotones que constituyen la radiación de fondo de microondas. Ya desde aquellos momentos, y a partir del esquema que dejaron las ondas sonoras del plasma, empezó a trabajar la materia oscura modelando lo que iba a ser la arquitectura futura del Universo, hasta la actual. Lo comentábamos al final del capítulo anterior. Por su gran abundancia la materia oscura tuvo que ser la primera a la que la gravedad obligó a formar agrupaciones arrastrando a su lado a la materia bariónica. Además, como no le afectaba la radiación pudo compactarse sin ser empujada por las ondas de presión que generaban los fotones, aunque no lo tuvo del todo fácil ya que la aleatoriedad de su propia dinámica interna sí tenía que ejercer una cierta traba frente a una posible compactación ad infinitum. Tras la recombinación, materia y radiación conjuntamente empezaron a amplificar aquellas pequeñas heterogeneidades que veíamos en la foto de la radiación de fondo y que comparábamos con inapreciables ondulaciones de una piscina.

En la serie de gráficos de abajo podemos apreciar con más detalle este despliegue inicial. Cada una de las curvas dibuja la evolución de materia y radiación correspondiente a una burbuja de inestabilidad cuántica primigenia en un momento determinado -en millones de años, Myrs- para un corrimiento al rojo determinado -z-. Las unidades del radio, o avance de onda, son comóviles, es decir, no incorporan la dilatación producida por la expansión. Para pasar a las de la época correspondiente bastará dividirlas por la z del momento. El extremo último del horizonte acústico está situado más o menos sobre el radio 150 Mpc.[2] Vemos cómo la materia oscura prácticamente se quedó anclada en su pozo gravitatorio próximo al del punto de partida, desde donde había empujado a los bariones a los confines del horizonte acústico. También podemos observar cómo el gas bariónico deja de estar acoplado con la radiación de fotones cayendo de nuevo, con el tiempo, en brazos de la materia oscura. Próxima la edad a los 500 millones de años ambas materias estarían prácticamente ensambladas, mientras que la presencia de fotones y neutrinos se fue disolviendo, con el tiempo, siguiendo la expansión del Universo. Es el resultado de la dinámica de lo que más tarde en este escrito llamaremos halos. A pesar de ser el resultado de una simulación, así creemos que comenzó el espectáculo de lo que vemos en nuestro cielo nocturno.

Evolución radial teórica, tras la recombinación, de los perfiles de materia y radiación que corresponde al interior de una burbuja de inestabilidad cuántica en donde se generó un horizonte acústico. Son la continuación cronológica de los perfiles que vimos en el capítulo 15 (Imagen a partir de D. J. Eisenstein et al. [3] fair use)

Pero no adelantemos los acontecimientos.

Nos movemos en los tiempos que hemos llamado de la “gran oscuridad” porque los fotones salidos de la recombinación tenían unas frecuencias alejadas de las que hoy conceptuamos como visibles o luminosas, las que “cazan” nuestros laboriosos cerebros. Entre los componentes que formaban la materia bariónica poco a poco iba ganando presencia el hidrógeno neutro, un protón con un electrón “en órbita”. Aunque, como ya hemos comentado en el capítulo 17, también había poblaciones de núcleos de hidrógeno y electrones libres aún no recombinados. Realmente esas partículas “libres” representaban una proporción muy baja dentro de cada una de sus poblaciones particulares, del orden de 10-4 a 10-6, perototalmente decisivas como veremos más tarde.

El tejido espacio/temporal de fondo se estaba agrandando por efecto del empujón de la energía oscura. Y esto era lo más alejado a lo que pudiera ser una ayuda para la condensación de las grandes masas de materia como las que observamos hoy en día. De todas formas, en donde había acumulaciones de materia, tanto visible como oscura, los efectos de la expansión quedaban parcialmente sujetos gracias al efecto gravitatorio atractivo que provocaba sus masas, las cuales debían deformar fuertemente el tejido del Universo. Inicialmente conseguían muy poco ya que el factor de expansión era muy superior al de contracción. El tejido espacio/temporal soporte se expandía en un factor x mientras que la gravedad, en aquellos lugares donde había materia, le debía recortar una pequeña porción de esta x. El tiempo marcado por el reloj de Hubble fue superado por el de Newton de forma que, lentamente, unos lugares iban diferenciando su densidad de materia con respecto a otros, se iban expandiendo menos que el tejido espacio/temporal que las rodeaba. Para decirlo de forma intuitiva supongamos que la expansión del espacio estuviera siguiendo un factor temporal de escala k: cada unidad de tiempo se hace k veces más grande. Y supongamos también que en las zonas con mayor densidad de materia, debido a la contracción gravitatoria, el factor equivalente fuera menor, por ejemplo k/x.

Con estas premisas en mente pongámonos a imaginar una zona cualquiera del Cosmos con una región en la que hay materia. Podremos decir que, al cabo de una unidad de tiempo, el volumen del Cosmos sin materia se incrementó en k3, mientras que su zona con materia lo haría en k3/x3. Un factor 1/x3 menos. O lo que es exactamente lo mismo, su densidad de masa gravitatoria habría pasado a ser un 1/x3 mayor que la de la mayoría de su entorno en el Universo ¿Eso es mucho o es poco? Pensemos en una x pequeña, por ejemplo 1,001. En este caso y haciendo unos sencillos cálculos, en una unidad de tiempo -la que define k- la zona con materia será un tres por mil más densa que la mayoría del espacio circundante.[3] La rapidez del proceso depende del parámetro x que acompaña a la materia y de la unidad de tiempo definida. Y los tiempos del Universo son inconmensurables para nuestra vara de medir humana.

El efecto realmente importante es que en estas zonas especiales la materia iba paulatinamente aumentando su densidad. Podemos imaginar que al cabo de mucho tiempo, cientos de miles de años, la densidad de la materia se habría hecho inmensa en determinadas zonas comparada con la “densidad” de la expansión. En el Universo iba surgiendo un fantasmal escenario de grumos de materia, unos más grandes que otros, unos más densos que otros, lo que podríamos llamar semilla de proto cúmulos de materia, en donde la gravedad podía hacer valer su poder y que, a la larga, iban a ser las piezas fundamentales de las estructuras del Universo. Su principal componente era la materia oscura, cinco o seis veces más abundante que la bariónica,[4] la cual se veía irremisiblemente arrastrada hacia los pozos gravitatorios de la oscura.

Por fin los tirones gravitatorios conjuntos fueron de tal calibre que los grumos más densos de materia se pudieron desacoplar de la expansión general del Cosmos. La expansión general del Universo se iba desacelerando, aunque la energía oscura seguiría dispuesta a ganar en la batalla de la expansión, que es lo que pasa hoy en día. Como resultado de ello en el espacio habían quedado regiones de materia con libertad como para iniciar su compactación gravitatoria definitiva. En ellas ya se pudo empezar a apreciar la formación de la estructura del Universo, se cree que en corrimientos al rojo de z = 30~15, es decir entre 100 y 270 millones de años tras el Big Bang.

A los 100 millones de años ya se podían encontrar nubes de materia oscura comprimida, aun no muy grandes en dimensión puesto que serían como el sistema solar, con la mayor parte de su materia en el centro. Poco a poco, en un proceso que se conceptúa como jerarquizado, se fueron agrupando más y más de esas nubes para formar halos en los que también la mayoría de la materia estaría en su centro. Podemos imaginar cómo la intensidad del potencial gravitatorio que se generaba debía ser cada vez más potente a medida que más y más materia caía en el pozo. Se cree que ese potencial podía estar reforzada por agujeros negros producidos por esa misma materia oscura, cuyas semillas se habrían gestado en la época de la nucleosíntesis y que ahora se encontraban en el centro de los cúmulos.[5] Quizás algunos de ellos forzaron la creación de los cuásares, una especie de ávidas galaxias que ya estaban activas en los primeros millones de años tras el Big Bang. Hasta ahora entre los más alejados de nosotros en espacio y tiempo que hemos podido detectar tenemos a ULAS J1120+0641, que se encuentra a 13.000 millones de años luz. Es decir, las ondas de radio que nos llegan ahora desde ellos ya las había lanzado a los 800 millones de años del Big Bang. Algo aún más antiguo es la galaxia GL-z13 que lucía unos 550 millones de años antes… ¡prácticamente tras la recombinación!

¿Quieres ver algo realmente joven-joven, de hace mucho mucho tiempo? Aquí tienes a la galaxia GN-z11, que en esta imagen era prácticamente contemporánea de los fotones de la radiación de fondo (Wikimedia, NASA Hubble site, dominio público)

La época de la gran compactación, cuando la importancia de la expansión del tejido espacio/temporal parecía haber quedado en un segundo plano, se nos puede antojar convulsa y apocalíptica. Algo así como cuando vemos avecinarse una tormenta una tarde veraniega en las grandes montañas. Pero, aunque la actividad era ciertamente intensa en determinadas zonas, en promedio el momento debió ser tranquilo como corresponde a un mundo de gas con una densidad de un protón por centímetro cúbico,[6] protón que formaba el núcleo de un átomo de hidrógeno con un radio del orden de los 10-8 centímetros. Algo así como cerezas separadas por 1.000 kilómetros de vacío. La física en aquellos momentos debía ser bastante simple comparada con la posterior. Aun no se habían generado elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, por lo que no había polvo cósmico que complicara la existencia de los procesos. Los campos magnéticos tan condicionantes en la dinámica de los intervinientes solo estarán presentes tras la irrupción de las primeras estrellas. Y por la misma razón no habría radiación ultravioleta tan trascendental para la química y la dinámica de calentamiento y evaporación del gas primordial. En palabras del astrónomo Volker Bromm, “…la física en la formación de las primeras estrellas estaba gobernada principalmente [y solamente] por la gravedad, la presión de la temperatura y los momentos angulares de las partículas.[7] Así que realmente el gas intergaláctico debía ocupar un lugar muy plácido al no tener fuentes de turbulencias a su alrededor.

En ese estable mundo la materia oscura no lo tendría del todo fácil. Podríamos imaginar que en el interior de los cúmulos de materia oscura más bariónica que se iban formando, los procesos de compresión debieron ocurrir de forma homogénea en todos sus puntos. Pero en la realidad creemos que todo fue bastante diferente, aunque aún no seamos capaces de observarlo.

Como decimos, todo comenzaría por la concentración de halos de materia oscura, aquí y allá según la distribución e intensidad de las inestabilidades cuánticas primigenias, hacia donde se veía arrastrada la materia bariónica de los alrededores (ver imagen siguiente). Si había suficiente materia oscura disponible los halos irían creciendo y compactándose, posiblemente, y con matices, con forma de esferas,[8] aun cabalgando el ritmo expansivo base de Hubble (fase1).  No obstante, durante este crecimiento la materia oscura de los alrededores menos densos seguiría cayendo sin pauta en el pozo gravitatorio del halo. Si la velocidad de acreción se hace superior a la velocidad de Hubble llegará un momento en el que se alcance una densidad superior a la del promedio del entorno, lo que hace que la gravedad comience a dominar a la expansión, permitiendo que la esfera de materia oscura rebote iniciando la senda de un auténtico colapso (fases 2 y 3).

A pesar de que se considere a la materia oscura como “fría” y por tanto sujeta a débiles influencias de presión, lo que permitiría un colapso continuo hasta tamaños incluso nulos, las anisotropías iniciales y los momentos angulares de las partículas lo van a impedir. Las simulaciones nos dicen que cuando en esa última compactación la sobredensidad alcanza un valor del orden de las decenas de la que provocó el rebote, el halo llega a un equilibrio sin contraerse ni expandirse. La dinámica interna lo conserva -presión vs gravedad- alcanzando una temperatura promedio característica de la situación que se produce justo cuando la energía potencial del halo se hace el doble de su energía cinética. En ese momento la velocidad centrípeta de compactación queda igualada por la velocidad centrífuga de la onda de presión. Decimos que el halo se ha virializado (fase 4).[9]

¿Con cuánta masa gravitatoria se inicia el colapso del halo? Según veremos en el capítulo siguiente, para que la compactación sea potente hace falta congregar una masa mínima que conocemos como masa de Jeans. Si sólo hubiera materia oscura con poca inclinación a la interactuación, incluso consigo misma, la masa de Jeans sería despreciable, aunque no nula, ya que ese tipo de materia no es susceptible de verse afectada por la presión centrífuga de la radiación. Como ya hemos comentado, las anisotropías y momentos angulares propios supondrían un freno a una compactación sin límites. Se cree que aquella edad los halos con masas entre la de Júpiter y la de 105 soles, prácticamente eran de materia oscura con muy pocos bariones.

Los halos de materia oscura no estaban solos y, por tanto, estaban sujetos a la posibilidad de fusionarse dos o más de ellos, cosa que va a ser importante en el camino futuro hacia la formación de galaxias. Las fusiones daban como resultado a otro nuevo y mayor halo con propiedades quizás muy diferentes a la de los progenitores. La dinámica de cascadas de fusiones se conoce como de “crecimiento jerárquico” en el sentido de que los halos grandes provienen de la fusión de múltiples halos más pequeños como está esquematizado en el esquema siguiente que es la representación esquemática de un árbol de fusión jerárquica de halos de materia oscura para progresivos desplazamientos al rojo. Los halos crecen por acumulación de halos vecinos más pequeños (A, B, C, D), que se convierten en subhalos en el momento en que cruzan por primera vez el radio virial del halo anfitrión. La rama principal del árbol representa la evolución del progenitor principal (mostrado en azul). Dado que este proceso ocurre en toda la jerarquía de estructuras, hay subhalos dentro de los subhalos (como a, b, c en el sistema D) y así sucesivamente.

(Imagen a partir de “The Substructure Hierarchy in Dark Matter Haloes”, figura 1, Carlo Giocoli et al., 2010, fair use)

La fusión de dos halos de masas parecidas es muy violenta lo que hace que rápidamente la energía orbital de los progenitores se transforme en energía de unión interna del halo resultante, que así puede alcanzar rápidamente un estado próximo a la estabilidad y equilibrio. Si los dos halos que se fusionan tienen muy diferente masa los procesos dinámicos son menos violentos. El sistema más pequeño, el satélite, orbita dentro del halo principal durante un período prolongado a lo largo del cual compiten dos circunstancias que determinan su destino final. Su tamaño y la fricción dinámica con el halo principal. Esta última hace que el halo más pequeño gire en espiral hacia adentro, mientras va eliminando masa de sus regiones exteriores por efecto de las mareas gravitacionales, con lo que, eventualmente, pueden llegar a deshacerse por completo. Lógicamente esa fricción dinámica es más efectiva cuando los satélites son más masivos. Pero si la proporción de masa de los halos iniciales es lo suficientemente grande, el objeto más pequeño, un subhalo, puede mantener su identidad durante mucho tiempo orbitando dentro del pozo de potencial de su anfitrión.

Y si tras ese relato sentís como os ronda por la cabeza una especie de nube de tormenta veraniega, imagen próxima al escenario de fusiones y cúmulos de halos de materia oscura, podéis seguir con ella ahora contemplado con vuestros propios ojos en la imagen siguiente los espectaculares resultados de una simulación,[10] que corresponde a un campo de materia oscura, en donde resalta lo que claramente podemos conceptuar como un particular “Grupo Local”. Se distinguen un par de sistemas de halos de materia oscura separados un megapársec, en cuyo interior destacan grandes halos con unas masas viriales de aproximadamente 1012 masas solares, rodeados por un conjunto de subhalos de 106 masas solares. La escala de grises representa la densidad local de la materia con una resolución que nos permite visualizar hasta más de 2.000 halos satélites de materia oscura.

Estos primeros halos de materia oscura conforman la unidad fundamental en la formación de los objetos astronómicos. En los tiempos iniciales la mayoría de la materia oscura estaba en halos de pequeña masa que continuaron acreando materia y fusionándose con el tiempo formando entonces, ya sí, halos de gran masa. Los primero, más pequeños y abundantes, los podemos encontrar más aislados en halos tenues ya que si no hubiera sido así se los hubiera tragado algún halo mayor. Por contra los grandes y más masivos vivían en vecindarios con densidades de materia potentes, en donde apenas vemos ya halos pequeños independientes porque han sido deglutidos por los mayores como subhalos de ellos.

Radio virial de los halos, según masas, en función del momento cosmológico z (Imagen de “The first Galaxies in the Universe”, Loeb y Furlanetto, figura 3.5, fair use)

Ese sesgo hacia halos mayores con el paso del tiempo lo podemos ver en la figura anterior que dibuja el tamaño del radio del halo en su momento virial calculado para diversos corrimientos al rojo y diversas masas. La línea roja que corresponde al momento actual, z=0, claramente se posiciona por encima de las equivalentes de tiempos anteriores, marcando la tendencia hacia halos mayores y menos densos.

Ahora que tenemos una idea de cuan grandes podían ser los halos que colapsaban nos podemos preguntar cuántos existieron a través del tiempo y con que sesgo con respecto a sus masas. Esta predicción es un paso importante para inferir la abundancia de galaxias y de cúmulos de galaxias. Los cosmólogos están en disposición de proponer modelos analíticos que por ser teóricos no se ajustarán completamente a la realidad, pero sí les permiten reflexionar acerca de los fundamentos de lo que estaba pasando.

La figura anterior,resultado de un cálculo analítico, aporta un nuevo matiz al respecto.Tiene que ver con la representación de lo que se conoce como la función de distribución de masas ξ(M) que conceptualmente se refiere a la distribución poblacional de todos los halos que se han formado a la vez, en relación con sus masa. No debe asustarnos la variable del eje vertical: simplemente expresa, para cada masa Mi, que número de halos nos vamos a encontrar en un pequeñísimo intervalo de masas alrededor de Mi. Todo ello para varios desplazamientos al rojo y dentro de un volumen comóvil a lo largo de la expansión de un megapársec.[11][12]

En general se observa que (i) a medida que se incrementan las masas de los halos el número que vamos encontrando en el entorno de ese valor es cada vez menor, lo que nos indica su menor abundancia en relación con la de los pequeños. Y, a la inversa, cuanto más pequeñas son las masas el número de halos en el intervalo es mayor, su número dentro de un mismo volumen debe ser mayor. También se deduce que (ii) para una masa de halo determinada Mi, el número de halos en el intervalo crece al disminuir el corrimiento al rojo, que es lo mismo que decir que a medida que pasa el tiempo hay más. Con una excepción para las masas más pequeñas, en las que la abundancia de halos en z=0 es menor que en z’s mayores: (iii) el número de halos pequeños parecen disminuir en nuestra época cósmica de forma que incluso es igual que cuando dominaban en z’s más altas.

La figura siguiente nos va a ayudar a dar un paso más. Por ahora hemos seguido al halo de materia oscura en su camino hacia el colapso, hasta que llegaba a su estado de equilibrio viral mientras su población se distribuía entre diversos tamaños. Pero ahí no solamente había materia oscura, sino que también se manejaba la materia bariónica, la cual seguía a la oscura bajo la batuta del pozo gravitatorio de esta última. En la curva vemos en qué proporción participaba la población bariónica[13] y como esa participación evolucionaba con el paso del tiempo, en cada momento cosmológico z, y en halos con temperaturas viriales mayores a 104 K. Esta temperatura corresponde a una situación de enfriamiento del halo muy particular, como veremos en el próximo capítulo.

 

En los primeros momentos su presencia era escasa dentro de los halos, tan sólo un 10-6 de la población bariónica estaban en el juego en z=40 a los 65 millones de años. Pero vemos cómo se van haciendo más participativos al movernos hacia corrimientos al rojo más actuales siendo del 1% en z=20 a los 180 millones de años. De todas formas, lo que más puede sorprender es saber que a lo largo de la vida del Universo una gran mayoría de la población bariónica seguía libre como parte del gas intergaláctico.

Esos personajes sí interactuaban con la radiación, al contrario de la oscura, por lo que en su presencia la onda de presión que mantenía virializado al halo se veía muy reforzada. Gracias a ello se podía acrear mucha más materia bariónica, más gas, que progresivamente y gracias a su momento angular iba adoptando la forma de un disco que giraba alrededor del centro durante mucho tiempo y que, eventualmente, tendía a romperse en un conjunto de nubes densas que a su vez se fragmentarían más tarde en cúmulos de gases que, si sobrepasaban sus particulares masas de Jeans, acabarían gestando cada uno una estrella. ¿Por qué puede romperse el disco de gas? Muy sencillo. Porque puede enfriarse a diferencia de lo que le pasa a la materia oscura que se manifiesta muy poco activa interactuando -con la excepción de la gravedad- incluso con ella misma y que por ello no encuentra un franco camino para frenar a sus partículas y bajar su temperatura. Pero los bariones SÍ. Y al enfriarse disminuye la intensidad de sus locales ondas de presión y con ello alteran las necesarias masas de Jeans, por lo que pueden compactarse más y más a medida que se enfrían.

Eso lo consiguen principalmente siguiendo varios caminos que explicaremos también en el siguiente capítulo. Aquí adelanto algunos, quizás los principales: desexcitación de los electrones del átomo de hidrógeno y desexcitación de los momentos vibracionales y angulares de las moléculas existentes. En cada subhalo se hará a su manera y así nacerán las estrellas.

Representación gráfica del proceso de compactación gravitatoria inicial de la materia dirigida por la oscura. A la derecha un esquema que pretende dibujar la realidad en el espacio (Imagen del libro “Astronomy today“,pag 706, Eric Chaisson y Steve McMillan, fair use)

Es fácil hacernos una imagen de cómo iba siendo engullida la materia bariónica por el pozo que la materia oscura había creado al deformar el tejido espacio-temporal, proceso que podemos seguir gráficamente en la imagen de más arriba. En ella se explica la interrelación entre ambos tipos de materia y cómo el pozo gravitatorio de la oscura fue dirigiendo el proceso. Representan tres momentos en la historia del Universo. El primero, muy metido en la sopa del plasma inicial, cuando la fuerza nuclear débil entró en combate dejando a los neutrinos que camparan a sus anchas. Era cuando rayaba el primer segundo de vida del Universo. La segunda imagen corresponde al plasma en estado “transitorio”, podíamos decir. Era la época del equilibrio termodinámico y de las ondas de sonido rielando el plasma primordial. Mil años tras el inicio y conformándose el patrón del horizonte sonoro. En la tercera, el Universo a los cien millones de años, en la plenitud de la época que estamos tratando en esta entrada, cuando la materia oscura estaba construyendo grandes estructuras -en el esquema un par de picos de alta densidad- dentro de los que la materia bariónica caía para formar las galaxias que vemos a día de hoy. A la derecha una imagen espacial de como andarían de revueltos materia oscura y bariones. Los primeros consiguen formar los halos y en su interior los bariones encendiéndose como luminosas estrellas.

Como esto se alarga, vamos a sentarnos en nuestro sillón favorito contemplando a estos embriones de lo que serán cúmulos galácticos, porque en realidad la historia se complica. Saboreando la merecida cerveza sólo me queda emplazaros: ¡Hasta la siguiente entrada!

  1. Distancia en años luz y edad es equivalente. La edad la determinamos a partir de la del Universo hoy en día -unos 13.800 millones de años luz- y del corrimiento al rojo que tiene la luz de esta galaxia que detectamos. Como veremos en otro capítulo, el corrimiento al rojo, conocido como el parámetro z, nos indica cuán lejos de nosotros está el foco emisor de la luz. Por simple resta con la edad total del Universo sabemos cuál es la edad de la galaxia. Edad = 13.800 – Función[z]. En el momento de la recombinación z era igual a 1.100. Aquí dejo el enlace a una calculadora cosmológica para jugar con los valores de z y de las edades. []
  2. Un megapársec, Mpc, es igual a 3,26 millones de años luz. Por lo que el horizonte acústico de hoy en día mide unos 480 millones de años luz y, como sabemos, es el patrón estándar de la dispersión de las galaxias. []
  3. En nuestro ejemplo supongamos que k=10. El tejido espacio/temporal en una unidad de tiempo se ha incrementado en 1000 mientras que la región con materia lo ha hecho en 997. Lo que quiere decir que la materia se ha compactado con relación a su entorno. []
  4. La materia bariónica es, como sabéis, la que forma las galaxias y los cúmulos luminosos que podemos observar. []
  5. La existencia de agujeros negros primordiales es muy controvertida y, posiblemente, exige una nueva física desconocida por nosotros. Si existen o existieron, quizás se pudieron producir durante algún cambio de estado del Universo: al final de la inflación, en la ruptura de simetría electrodébil, durante la formación de los nucleones o en cualquiera otra transición de fase.

    No obstante, si quieres formar un agujero negro primordial, no puedes hacerlo recreciendo una pequeña semilla. Es preciso comenzar con una semilla enorme: algo que tenga aproximadamente un 68% más de densidad que la promedio del Universo. Cuando comparas lo que vemos con variaciones a gran escala de aproximadamente el 0,003%, y que, además, disminuye lentamente a medida que avanzamos a escalas más pequeñas, simplemente parece imposible admitir la creación de agujeros negros primordiales. []

  6. Esta sería la presencia media de la materia en la época de la formación de las primeras galaxias, particularizada para un corrimiento al rojo de z=100. En ese momento el valor de la densidad media era inferior a la densidad de la atmósfera terrestre a nivel de mar en un factor de 108. []
  7. De la publicación “The formation of the first stars. 1. The primordial star forming cloud”, apartado I., Volker Bromm et al., 1999. []
  8. Si bien describimos en el texto la forma de los halos como esférica hay simulaciones de formación de estructuras que han demostrado que los halos son en realidad estructuras triaxiales donde las superficies de isodensidad pueden ser descriptas por elipsoides, cada uno caracterizado por la longitud de sus semiejes. Algunos autores encuentran una correlación inversa entre la masa y la esfericidad de los halos, en el sentido de que los halos menos masivos son más esféricos como consecuencia de que los más masivos son en general los que han sufrido fusiones más recientes y no han tenido tiempo suficiente aun para alcanzar nuevamente el estado de equilibrio final. Además, parece que hay una fuerte tendencia a que los ejes menores se dispongan perpendiculares a los filamentos de la distribución de la materia en las grandes escalas. Esta alineación es más clara en los halos más masivos, mostrando que la forma de los halos de materia oscura dibuja, a nivel de la gran escala, el campo de mareas gravitatorias donde están inmersos. []
  9. En mecánica clásica, el teorema del virial es una ecuación general que relaciona la energía cinética total promedio {\displaystyle \left\langle T\right\rangle }de un sistema con su energía potencial promedio.{\displaystyle \left\langle V\right\rangle } En el caso de que la fuerza de interacción entre dos partículas cualesquiera del sistema es debida a un potencial del tipo V(r)=αr n que es proporcional a alguna potencia n de la distancia entre partículas r, el teorema del virial adopta la forma 2[Ecinética] = n [Epotencial]. La palabra “virial” tiene su origen en vis, la palabra en latín para “fuerza” o “energía”. []
  10. De la publicación “The dark matter crisis”, figura 1, Ben Moore, 2001 []
  11. Ver “First light”, figura 19, Abraham Loeb, 2006. []
  12. En astronomía la función de masa es una función analítica o empírica que describe la distribución de masas para una población de objetos astronómicos. Normalmente se acepta que la función de distribución de masas ξ(M) es una función exponencial de la forma ξ(M) ∝ M−α siendo M la masa. Entenderemos su sentido si la presentamos de otra manera, en donde n es el número de halos, dn = ξ(M).dM, es decir, es el nexo entre el número poblacional y la masa. Estamos ahora en condiciones de analizar la curva anterior. La variable del eje vertical, dn/dlogM, indica el número de halos que se encuentran en un intervalo de masa comprendido entre Mi y Mi+dM. Cantidad que está correlacionada con la masa Mi  en el eje horizontal (que realmente está referenciada al  correspondiente exponente de 10). []
  13. Misma fuente que en la nota 10, figura 13, fair use. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar León Tm | 08/12/2017 at 07:09 | Permalink

    Creo entender de acuerdo a lo he leído en otros blogs y ahora que llego a éste – muy interesante por lo de más – que los fotones del electromagnetismo sólo existen cuando los bariones adquieren energía cinética . En el caso de encontrarse a 0 Kelvin éstas partículas elementales tienen energía sólo para vibrar en su retículo sin emitir ningún fotón . Es posible concluir entonces que el espacio y las cargas de dichos corpusculos son los que generan el movimiento necesario para sacar de esa eterna quietud y oscuridad a estos bariones en el universo ?

  2. Gravatar blady | 09/12/2017 at 12:16 | Permalink

    “Es fácil hacernos una imagen de cómo iba siendo engullida la materia bariónica por el pozo que la materia oscura había creado al deformar el tejido espacio-temporal”. ahora entiendo cuando dices que sin la materia oscura no se podrían haber formado las galaxias . la bariónica al ser 5 veces menos no habría podido aglutinar nada enfrentada a la creciente expansión del espacio – tiempo comandada por la energía oscura 25 veces más presente en el cosmos .

  3. Gravatar jreguart | 09/12/2017 at 02:47 | Permalink

    Hola León Tm,

    desgraciadamente no puedo contestar a tu comentario con el rigor que se merece. No soy físico. Es claro que a 0K (cero Kelvin) las partículas y toda la materia estaría en estado de reposo y posiblemente no habría interacciones electromagnéticas entre ellas. De hecho es lo que sucede en los materiales superconductores cuando les bajas a temperaturas muy muy bajas. Aunque si la cuántica dice la verdad, y por ahora no parece que no la diga, siempre habrá una energía posible que nazca del vacío cuántico. Luego supongo que podrán existir partículas virtuales, incluso fotones.

    Dicho lo anterior paso a dar mi opinión sobre tu pregunta. Por lo que sabemos hay cuatro fuerzas fundamentales que mueven la física de nuestro Universo actual. Una es el electromagnetismo… pero también existe la gravedad y las fuerzas nucleares. En principio todas ellas “mueven” a la materia-energía, no solo el electromagnetismo. De hecho, por ejemplo, los neutrinos son partículas casi relativistas y no interactúan mediante fotones. Aunque la realidad no es que hayan unas partículas esperando ser activadas… la historia -física- nos dice que estas partículas surgen en el momento en que el nivel energético global del Universo las hace posibles. Es la energía primigenia del Big Bang y la físca más básica las que mueve al Universo, aún ahora. Nunca se ha dado la situación del cero absoluto aunque la radiación de fondo está muy cerca. La flecha de la biografía del Universo nos lleva desde altas energías, altas velocidades en las partículas, hacia un Universo frio y compuesto exclusivamente por radiación cada vez menos energética.

    No sé si te ha dado algo de luz mi respuesta o estás aún más liado. Espero que sea más de lo primero que de lo segundo. Y gracias por tus amables palabras.

  4. Gravatar jreguart | 09/12/2017 at 02:51 | Permalink

    Así creemos que fue Blady. Un abrazo.

  5. Gravatar Galo | 11/12/2017 at 12:33 | Permalink

    León Tm, nada impide que algunos núcleos atómicos a 0 Kelvin emitan fotones producto de su inestabilidad , lo que tu quieres decir (según entiendo) es ¿que hizo que las partículas con masa adquirieran energía cinética para así emitir fotones? y por lo que se , al principio los bariones no existían (solo había partículas a velocidades relativistas con altísima energía ) posterior a ello el campo de Higgs le entregó masa a los bariones y estos no se encontraron con un mundo frío y estático como bien se explica aquí en este blog , además la materia oscura curvó el espacio y se llevó consigo en grandes masas a estos bariones , nunca tuvieron paz por lo que se ve , sin embargo me imagino que no existiría calor ni luz ni vida si no fuera por la energía cinética que consiguen las partículas ya sea por la atracción y repulsión dada por sus cargas o por la curvatura espacio-temporal que fue la otra forma que los hizo moverse .

  6. Gravatar Alonso | 15/12/2017 at 11:28 | Permalink

    al leer en estas entradas acerca del estiramiento que han experimentado las ondas desde el big bang , algo así como que la distancia entre las crestas de las ondas ha aumentado , producto de la expansión que ha sufrido el tejido espacial . me pregunto entonces si la materia a nivel macro y micro también viaja a lomos de éste tejido indetectable ? por lo cual no existe realmente el salto en el vacío como tal . mirado rigurosamente es posible pensarlo así ? . Jaime, gracias por divulgar ciencia con la seriedad que tu lo haces . felicitaciones.

  7. Gravatar jreguart | 16/12/2017 at 10:08 | Permalink

    Hola Alonso,

    Lo primero, gracias por tus amables palabras.

    Ciertamente todo lo que hay en el Universo cabalga sobre el tejido espacio-temporal que se está expandiendo. Lo cual no quiere decir que también todas esas cosas, incluidos nosotros, estemos también “ensanchando”. La “fuerza” expansiva del Universo es una interacción más de su física (de la que no tenemos ni idea lo que pueda ser). Además están las cuatro fuerzas fundamentales -gravitatoria, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil- que con mucho ahora mismo son más fuertes que la que podemos “imaginar” está generando la expansión. Así que en nuestro mundo humano, estelar, galáctico o incluso más, las cuatro fuerzas dominan a la expansión y por eso nuestro cuerpo no es cada día más voluminoso. Gracias a dios, podríamos decir, porque si no podrían pasar cosas tan terribles como, por ejemplo, que los electrones se separaran tanto de los protones que la fuerza electromagnética no fuera capaz de unir a los átomos. Todo se convertiría en un mundo de átomos ¡Imagínate cuando las fuerzas nucleares no pudieran actuar! Hoy podemos estar tranquilos a nuestras escalas, pero si la expansión del universo sigue acelerando, como creemos que lo hará, llegará un momento en que la “fuerza” de la expansión será la más potente… y entonces comenzará el camino hacia la nada. Bueno, hacia un mundo en donde todo se habrá convertido otra vez en pura energía, ínfima si la pensamos como energía local promedio.

    Siento mucho no poder responderte según lo que esperas a tu pregunta ya que no sé si entiendo tu frase “…el salto en el vacío como tal…” ¿Te refieres a la inestabilidad cuántica inicial por la que todo surge de la energía del vacío? Todo esto del “borboteo cuántico”, de la “espuma de base” no deja de ser una explicación elegante que nos permite buscar respuestas coherentes a lo que experimentamos. Aunque nadie sabe nada de nada al respecto. Pero, y está es una pregunta personal mía, ¿hay un sustrato espacio-temporal infinito de donde pueden nacer universos? ¿Este sustrato nace con la excursión cuántica inicial de cada Universo? ¡Quién sabe! Al final siempre me queda un horror vacui que quiero pensar es el resultado de nuestro precario conocimiento sobre los inicios.

  8. Gravatar Alonso | 16/12/2017 at 08:04 | Permalink

    Jreguart, Gracias por tu respuesta . ( siempre tan gentil ) a lo que me refiero es más simple : por ejemplo , un átomo viajando por el vacío interestelar está permanentemente en contacto con el vacío cuántico, por lo tanto nunca está absolutamente sólo – eso está claro – Yo me refiero a que si circula por la carretera del tejido espacial – como creo suponer – jamás saltará en el vacío , ya que de alguna forma irá interactuando con los hipotéticos gravitones . Sucede que me impresionó de tu relato esas ondas que se vienen estirando desde los inicios y deduje que si las partículas con masa no les sucede lo que a las ondas (estirarse) , entonces nunca se deben despegar de la red espacial , así lo imaginé , y de ahí viene aquello del salto imposible en el absoluto vacío .

  9. Gravatar jreguart | 17/12/2017 at 12:35 | Permalink

    Hola Alonso,

    no sabemos muy bien lo que pueda ser el tejido espacio-temporal. La mejor aproximación intuitiva es que es un escenario en donde los campos cuánticos existen e interaccionan (quizás el tejido espacio-temporal sea otro tipo de campo). En cada punto de un campo se está continuamente produciendo excitaciones energética (manda la incertidumbre) que se transforman en partículas. En su mayoría virtuales. Porque si la excursión de energía es la adecuada aparece la partícula propia del campo con una determinada longitud de onda, aunque tenga masa. Estamos hablando exclusivamente de los fermiones elementales -cuarks, electrones, neutrinos- y de los bossones -fotones, gluones…-. Te tengo que decir que como todos, los que andan libres por el Universo, como fotones y también neutrinos (estos últimos tienen masa), son a la vez ondas y partícula, se ven afectados por la expansión y por tanto sus longitudes de onda se alargan con el tiempo. Entre todos a veces logran conformar estructuras más complejas como los protones, los neutrones, los átomos o las moléculas. Los cuales también siguen las leyes cuánticas aunque su ecuación de estado nos dice que la probabilidad de encontrarlos se estrecha hacia un punto cada vez más determinado. Todo ello sucede en el espacio-tiempo.

    Una vez consolidadas estas ondas-partículas en el espacio-tiempo, su masa-energía permanece en el espacio-tiempo, no vuelve al vacío cuántico. Y no es porque la gravedad las ate al espacio-tiempo sino que por ellas misma tienen la masa-energía suficiente como para permanecer (cumplen E=mc*2). Su vida es permanecer para siempre, o interactuar con otras partículas y transformar su masa-energía en otras partículas, que seguirán por el Cosmos también libres o interactuando. Con la expansión del Universo y el tiempo se piensa que al final quedarán partículas subatómicas disgregadas por todo el espacio, casi estáticas, sin poder interactuar. O bien un Universo lleno de fotones de pobrísima energía. Pero la energía total que surgió tras el Big Bang no volverá al vacío. O sí, porque los físicos no tienen ni idea de cual pueda ser la física en un Cosmos a temperaturas casi iguales al cero absoluto Kelvin. Incluso no tienen ni idea de cual pueda ser el final del Universo.

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