El modelo cosmológico estándar

El Modelo Cosmológico Estándar constituye uno de los pilares de la física moderna. Gracias a la combinación de la Relatividad General y el Modelo Estándar de la Física de Partículas, es posible acomodar una larga lista de observaciones cosmológicas. Para ello, resulta necesario considerar un universo en expansión en el que encontramos ingredientes tan misteriosos como la materia y energía oscuras.

El hecho de que el Universo actual, tal y como lo observamos, procede de un estado en el que sus componentes estuvieron sometidas a altísimas densidades y temperaturas, está hoy en día contrastado experimentalmente. Para deleite de los físicos, todavía tiene sus retazos por coser, lo que significa que podemos seguir disfrutando, quebrándonos la cabeza en busca de esa teoría que abarque absolutamente todo, sin arrugas ni hilvanados. Pero lo cierto es que, hasta ahora, todos los datos experimentales están en sorprendente acuerdo con el Modelo Cosmológico Estándar, que explica la evolución del Universo desde este estado inimaginablemente concentrado hasta lo que vemos en la actualidad cuando nuestros telescopios apuntan al cielo.

¿A qué nos referimos, pues, cuando hablamos del Modelo Cosmológico Estándar? El ΛCDM, como también se conoce a este modelo y cuyas siglas explicaremos más adelante, nos dice qué ingredientes hay en el Universo y cómo han evolucionado con el tiempo. Al ser un modelo que pretende explicar el comportamiento de todo el Universo, es evidente que solo lo podrá hacer apoyándose en grandes teorías.

Como hablar del Universo es hablar de todo lo que existe, a veces olvidamos que esto engloba mucho más de lo que somos capaces de captar a través de nuestros sentidos. Mucho más. Tanto, que el Universo no es solo aquello que llena el espacio a través del tiempo, sino que también es el espacio-tiempo en sí mismo. Como primera clasificación, entonces, podríamos decir que el Universo se compone de: a) un conjunto de elementos y b) el propio recipiente que los contiene. Y todo ello está, por supuesto, entrelazado, de manera que lo que le ocurra al recipiente afecta a su contenido y viceversa. Esta relación se explica y estudia a partir de la conocida Teoría de la Relatividad General, obra maestra del físico alemán Albert Einstein.

Detengámonos a pensar un momento. Hemos definido el Universo como el conjunto de contenido y contenedor, y hemos afirmado que hay cierta relación entre ambos. ¿Significa esto que el espacio-tiempo, como recipiente del Cosmos, se ve afectado por las cosas que contiene? La
respuesta es, simple y llanamente, sí. De hecho, ¿quién no ha oído hoy en día aquello de que los objetos curvan el espacio debido a su masa, y que, precisamente debido a esta curvatura, los distintos objetos masivos se atraen? La gravedad no es más que una manifestación de esta
interacción entre recipiente y contenido. El Sol curva el espacio-tiempo debido a su masa y la Tierra orbita a su alrededor siguiendo esta curvatura.

No obstante, la relación que el espacio-tiempo y las distintas componentes del Universo tienen entre sí va más allá de la gravedad. Desde el Big Bang, el Universo se ha ido expandiendo, y el ritmo al que se produce esta expansión ha ido variando con el tiempo en función de qué componente ha sido la dominante en cada época cósmica. Para entender esto, debemos comprender que la expansión no significa simplemente, como cabría pensar, que los residuos de la “explosión” se alejan entre sí, haciendo que el horizonte del Universo quede cada vez más alejado. Razonemos por un momento, literalmente, fuera de la caja.

Visión esquemática de la historia del Universo. Créditos: Particle Data Group – Lawrence Berkely National Lab.

Imaginemos, pues, que somos capaces de “salir” del Universo, de situarnos como un observador externo, inmune a todas las restricciones que las leyes de la física nos imponen, omniscientes, capaces de ver todo lo que ocurre en el momento mismo que está ocurriendo. Y ahora, imaginemos que el Cosmos es un globo lleno de estrellas, de galaxias. ¿Qué significa que el Universo se expanda? Desde nuestro lugar privilegiado y gracias a nuestros momentáneos poderes divinos veríamos que esas estrellas, esas galaxias, realmente se alejan unas de otras; pero no porque mantengan el impulso inicial de una suerte de explosión que ocurriera hace catorce mil millones de años, sino porque el propio recipiente, el propio globo, el Cosmos, es el que se expande. Que el Universo se expanda significa, pues, que es el propio espacio el que se dilata, con un ritmo de dilatación dependiente de la componente dominante en cada momento.

Automáticamente nos viene a la cabeza una pregunta: ¿por qué no notamos que nos hacemos más grandes? Si el espacio se está dilatando, ¿por qué no tengo la impresión de que los átomos de mi cuerpo se alejan entre sí? ¿Por qué la distancia entre el Sol y la Tierra no es cada vez mayor? Esto se debe a dos motivos. El más importante es que la expansión actual del Universo sucede muy lentamente. ¡Nuestra altura apenas aumentaría un milímetro en el período de un millón de años! Y el segundo es que el efecto de las fuerzas electromagnéticas y nucleares que mantienen unido nuestro cuerpo contrarrestan con creces el producido por la expansión. Y lo mismo sucede con las fuerzas gravitatorias del Sistema Solar, suficientes para evitar una drástica separación de los planetas debido a la elongación del entramado espacial que los separa. Aun así, podemos saber que el Universo se expande porque las distancias intergalácticas son tan, tan gigantescas, que el efecto, si bien pequeño a nuestra escala, pasa a ser relevante a escala cósmica.

Si ya hemos sido capaces de desglosar el Universo en contenedor y contenido, pasemos ahora a una catalogación de las componentes que lo habitan. Dicha catalogación la haremos de manera muy general, centrándonos únicamente en los aspectos más importantes que se tienen en cuenta dentro del Modelo Cosmológico Estándar. De este modo, nos encontramos con tres tipos de componentes: radiación, materia y energía oscura. La radiación comprende todo aquello que se comporta, al igual que los fotones, de manera relativista. Es decir, son las partículas que se mueven a velocidades muy cercanas a la de la luz, incluyendo los propios fotones. La materia, al contrario, abarca a aquellas partículas y sus composiciones que se desplazan a pequeñas velocidades. Las estrellas, el polvo intergaláctico e incluso nosotros pertenecemos a esta categoría. Por último, la energía oscura es un ente esquivo, aunque podemos detectar su influencia en los experimentos, y es la responsable de que la expansión, hoy en día, se esté acelerando.

Además de la energía oscura, hay otra componente de la que también desconocemos su composición, pero cuya presencia reconocemos al contrastar ciertos datos experimentales. Se trata de una subcomponente muy importante de materia, que se conoce, debido a que no absorbe ni emite luz, como materia oscura. En las galaxias es la componente principal, y podemos comprobar su presencia, por ejemplo, al observar que el gas de la periferia gira a una velocidad superior a lo que esperaríamos a partir de la masa visible.

Composición del Universo cuando apenas tenía trescientos ochenta mil años (izquierda) y composición actual (derecha), en términos de la densidad de energía de sus principales componentes. Los átomos comprenden la materia visible, no oscura, y tanto fotones como neutrinos forman parte de la radiación en la figura de la izquierda.

De las tres componentes del Universo (radiación, materia y energía oscura), tanto la radiación como la materia normal se conocen en gran medida. Tanto es así, que su estudio ha dado forma a una de las teorías más exitosas de la física: el conocido Modelo Estándar de la Física de Partículas. Los detalles de esta teoría, no obstante, los dejaremos para otro momento. Lo importante para nosotros es que, de las componentes del Universo, solamente la energía oscura y la materia oscura permanecen sin una buena explicación teórica.

Llegados a este punto es cuando, por fin, podemos entender qué es el Modelo Cosmológico Estándar.

Hemos dividido el Universo en contenido y recipiente, y hemos mencionado que las principales características del recipiente, así como algunas de sus interacciones con el contenido, se explican dentro de la Teoría de la Relatividad General. Después, el contenido lo hemos subdividido en tres componentes, de las cuales la radiación y una parte de la materia (la materia normal) están explicadas en gran medida gracias al Modelo Estándar de la Física de Partículas. La energía oscura y la materia oscura, sin embargo, no están completamente determinadas de forma teórica, aunque la información experimental es suficiente para caracterizar algunas de sus propiedades generales. Esta caracterización es precisamente la que da lugar al Modelo Cosmológico Estándar.

Entre los experimentos que han arrojado cierta luz hacia el conocimiento de los elementos oscuros destacan los que estudian el ritmo de expansión del Universo, pues como la expansión se ve afectada de manera distinta por sus componentes, del mismo modo esta influencia cambia según las
propiedades que los ingredientes tengan. En concreto, de esta forma sabemos que la materia oscura es, mayormente, fría; lo que significa que sus velocidades no fueron demasiado altas en épocas tempranas del Universo. En inglés, materia oscura fría (cold dark matter) da lugar a las siglas CDM. Y el efecto de la energía oscura parece ser compatible con su expresión más sencilla, lo que se conoce como constante cosmológica y se expresa en las ecuaciones con la letra griega Λ. Es por ello que el Modelo Cosmológico Estándar, hoy en día, es también conocido como modelo ΛCDM, en referencia a la caracterización escogida para las dos componentes cuyas propiedades no están, aún, completamente fijadas.

En definitiva, el Modelo Cosmológico Estándar es el conjunto de las teorías y elecciones sobre los constituyentes no ligados teóricamente que explican, en mejor medida y de la manera más sencilla posible, la recopilación de los datos experimentales en el marco de un Universo en
expansión.

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Autor: Pablo Fernández de Salas

P. F. de Salas disfruta actualmente de un contrato predoctoral FPU en el IFIC (Valencia), donde estudia principalmente física de neutrinos y cosmología. Llegó a Valencia tras haberse licenciado en física por la Universidad de Sevilla.

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