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LEYES DEL UNIVERSO

LEYES DE KEPLER

Se trata de tres leyes acerca de los movimientos de los planetas formuladas por el astrónomo alemán Johannes Kepler a principios del siglo XVII. Kepler basó sus leyes en los datos planetarios reunidos por el astrónomo danés Tycho Brahe, de quien fue ayudante. Sus propuestas rompieron con una vieja creencia de siglos de que los planetas se movían en órbitas circulares.

Primera ley: Los planetas giran alrededor del Sol en órbitas elípticas en las que el Sol ocupa uno de los focos de la elipse.

Segunda ley: Las áreas barridas por el segmento que une al Sol con el planeta (radio vector) son proporcionales a los tiempos empleados para describirlas. Como consecuencia, cuánto más cerca está el planeta del Sol con más rapidez se mueve.

Tercera ley: Los cuadrados de los periodos siderales de revolución de los planetas alrededor del Sol son proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de sus órbitas elípticas. Esto permite deducir que los planetas más lejanos al Sol orbitan a menor velocidad que los cercanos; dice que el período de revolución depende de la distancia al Sol. Estas leyes desempeñaron un papel importante en el trabajo del astrónomo, matemático y físico inglés del siglo XVII Isaac Newton, y son fundamentales para comprender las trayectorias orbitales de la Luna y de los satélites artificiales.

GRAVITACIÓN UNIVERSAL

La gravitación es la propiedad de atracción mutua que poseen todos los objetos compuestos de materia. A veces se usa como el término "gravedad", aunque este se refiere únicamente a la fuerza gravitacional que ejerce la Tierra

La interacción gravitatoria es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza, junto al electromagnetismo, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil. A diferencia de las fuerzas nucleares y a semejanza del electromagnetismo, actúa a grandes distancias. Sin embargo, al contrario que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de tipo atractiva aunque existen casos particulares en que las geodésicas temporales pueden expandirse en ciertas regiones del espacio-tiempo, lo cual hace aparecer a la gravedad como una fuerza repulsiva, por ejemplo la energía oscura. Este es el motivo de que la gravedad sea la fuerza más importante a la hora de explicar los movimientos celestes.

Mecánica clásica: Ley de la Gravitación Universal de Newton

La Ley de la Gravitación Universal de Newton establece que la fuerza que ejerce una partícula puntual con masa m₁ sobre otra con masa m₂ es directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:

donde es el vector unitario que dirigido de la partícula 1 a la 2, esto es, en la dirección del vector , y es la constante de gravitación universal, siendo su valor aproximadamente 6,674 × 10^–11 N·m²/kg².

Por ejemplo, usando la ley de la Gravitación Universal, podemos calcular la fuerza de atracción entre la Tierra y un cuerpo de 50 kg. La masa de la Tierra es 5,974 × 10²⁴ kg y la distancia entre el centro de gravedad de la Tierra (centro de la tierra) y el centro de gravedad del cuerpo es 6378,14 km (igual a 6378140 m, y suponiendo que el cuerpo se encuentre sobre la línea del Ecuador). Entonces, la fuerza es:

La fuerza con que se atraen la Tierra y el cuerpo de 50 kg es 490,062 N, lo que representa 50 kgf, como cabía esperar, por lo que decimos simplemente que el cuerpo pesa 50 kg.

Dentro de esta ley empírica, tenemos estas importantes conclusiones:

• Las fuerzas gravitatorias son siempre atractivas. El hecho de que los planetas describan una órbita cerrada alrededor del Sol indica este hecho. Una fuerza atractiva puede producir también órbitas abiertas pero una fuerza repulsiva nunca podrá producir órbitas cerradas.
• Tienen alcance infinito. Dos cuerpos, por muy alejados que se encuentren, experimentan esta fuerza.
• La fuerza asociada con la interacción gravitatoria es central.

A pesar de los siglos, hoy sigue utilizándose cotidianamente esta ley en el ámbito del movimiento de cuerpos incluso a la escala del Sistema Solar, aunque esté desfasada teóricamente. Para estudiar el fenómeno en su completitud hay que recurrir a la teoría de la Relatividad general.

Intensidad del campo gravitatorio

Según las leyes de Newton, toda fuerza ejercida sobre un cuerpo le imprime una aceleración. En presencia de un campo gravitatorio, todo cuerpo se ve sometido a la fuerza gravitatoria, y la aceleración que imprime esta fuerza, o aceleración en cada punto del campo, se denomina intensidad del campo gravitatorio o aceleración de la gravedad. Para la superficie de la Tierra, la aceleración de la gravedad es de aproximadamente 9,81 m/s². Este valor de g es considerado como el valor estándar y, así, se habla de naves o vehículos que aceleran a varios g. En virtud del principio de equivalencia, un cuerpo que se mueva con una aceleración dada experimenta los mismos efectos que si estuviese sometido a un campo gravitatorio cuya aceleración gravitatoria tuviese ese mismo valor.

Antes de Galileo Galilei se creía que un cuerpo pesado cae más deprisa que otro de menos peso. Según cuenta una leyenda, Galileo subió a la torre inclinada de Pisa y arrojó dos objetos de masa diferente para demostrar que el tiempo de caída libre era, virtualmente, el mismo para ambos.

Problema de los tres cuerpos

Movimiento caótico de tres cuerpos en un campo de fuerzas aislado.

De acuerdo con la descripción newtoniana, cuando se mueven tres cuerpos bajo la acción de su campo gravitatorio mutuo, como el sistema Sol-Tierra-Luna, la fuerza sobre cada cuerpo es justamente la suma vectorial de las fuerzas gravitatorias ejercidas por los otros dos. Así las ecuaciones de movimiento son fáciles de escribir pero difíciles de resolver ya que no son lineales. De hecho, es bien conocido que la dinámica del problema de los tres cuerpos de la mecánica clásica es una dinámica caótica.

Desde la época de Newton se ha intentado hallar soluciones matemáticamente exactas del problema de los tres cuerpos, hasta que a finales del siglo XIX Henri Poincaré demostró en un célebre trabajo que era imposible una solución general analítica (sin embargo, se mostró también que por medio de series infinitas convergentes se podía solucionar el problema). Sólo en algunas circunstancias son posibles ciertas soluciones sencillas. Por ejemplo, si la masa de uno de los tres cuerpos es mucho menor que la de los otros dos (problema conocido como problema restringido de los tres cuerpos), el sistema puede ser reducido a un problema de dos cuerpos más otros problema de un sólo cuerpo.

Mecánica relativista: Teoría general de la relatividad

Representación esquemática bidimensional de la deformación del espacio-tiempo en el entorno de la Tierra.

Albert Einstein revisó la teoría newtoniana en su teoría de la relatividad general, describiendo la interacción gravitatoria como una deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto de la masa de los cuerpos; el espacio y el tiempo asumen un papel dinámico.

Según Einstein, no existe el empuje gravitatorio; dicha fuerza es una ilusión, un efecto de la geometría. Así, la Tierra deforma el espacio-tiempo de nuestro entorno, de manera que el propio espacio nos empuja hacia el suelo. Una hormiga, al caminar sobre un papel arrugado, tendrá la sensación de que hay fuerzas misteriosas que la empujan hacia diferentes direcciones, pero lo único que existe son pliegues en el papel, su geometría.

La deformación geométrica viene caracterizada por el tensor métrico que satisface las ecuaciones de campo de Einstein. La "fuerza de la gravedad" newtoniana es sólo un efecto asociado al hecho de que un observador en reposo respecto a la fuente del campo no es un observador inercial y por tanto al tratar de aplicar el equivalente relativista de las leyes de Newton mide fuerzas ficticias dadas por los símbolos de Christoffel de la métrica del espacio tiempo.

Ondas gravitatorias

Además, la relatividad general predice la propagación de ondas gravitatorias. Estas ondas sólo podrían ser medibles si las originan fenómenos astrofísicos violentos, como el choque de dos estrellas masivas o remanentes del Big Bang. Estas ondas han sido detectadas de forma indirecta en la variación del periodo de rotación de púlsares dobles. Por otro lado, las teorías cuánticas actuales apuntan a una "unidad de medida de la gravedad", el gravitón, como partícula que provoca dicha "fuerza", es decir, como partícula asociada al campo gravitatorio.

Efectos gravitatorios

Con la ayuda de esta nueva teoría, se pueden observar y estudiar una nueva serie de sucesos antes no explicables o no observados:

• Desviación gravitatoria de luz hacia el rojo en presencia de campos con intensa gravedad: la frecuencia de la luz decrece al pasar por una región de elevada gravedad. Confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959).
• Dilatación gravitatoria del tiempo: los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés). También, aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general.
• Efecto Shapiro (dilatación gravitatoria de desfases temporales): diferentes señales atravesando un campo gravitatorio intenso necesitan mayor tiempo para hacerlo.
• Decaimiento orbital debido a la emisión de radiación gravitatoria. Observado en púlsares binarios.
• Precesión geodésica: debido a la curvatura del espacio-tiempo, la orientación de un giroscopio en rotación cambiará con el tiempo. Esto está siendo puesto a prueba por el satélite Gravity Probe B.

Mecánica cuántica: Buscando una teoría unificada

Todavía no disponemos de una auténtica descripción cuántica de la gravedad. Todos los intentos por construir una teoría física que satisfaga simultáneamente los principios cuánticos y a grandes escalas coincida con la teoría de Einstein de la gravitación, han encontrado grandes dificultades. En la actualidad existen algunos enfoques prometedores como la Gravedad cuántica de bucles, la teoría de supercuerdas o la teoría de twistores, pero ninguno de ellos es un modelo completo que pueda suministrar predicciones suficientemente precisas. Además se han ensayado un buen número de aproximaciones semiclásicas que han sugerido nuevos efectos que debería predecir una teoría cuántica de la gravedad. Por ejemplo, Stephen Hawking usando uno de estos últimos enfoques sugirió que un agujero negro debería emitir cierta cantidad de radiación, efecto que se llamó radiación de Hawking y que aún no ha sido verificado empíricamente.

Representación visual de una variedad de Calabi-Yau. Se postula que las dimensiones extras de la teoría de supercuerdas tienen esta forma.

Las razones de las dificultades de una teoría unificada son varias. La mayor de ellas es que en el resto de teorías cuánticas de campos la estructura del espacio-tiempo es fija totalmente independiente de la materia, pero en cambio, en una teoría cuántica de la gravedad el propio espacio-tiempo debe estar sujeto a principios probabilistas, pero no sabemos cómo describir un espacio de Hilbert para los diversos estados cuánticos del propio espacio-tiempo. Así La unificación de la fuerza gravitatoria con las otras fuerzas fundamentales sigue resistiéndose a los físicos. La aparición en el Universo de materia oscura o una aceleración de la expansión del Universo hace pensar que todavía falta una teoría satisfactoria de las interacciones gravitatorias completas de las partículas con masa.

Otro punto difícil, es que de acuerdo con los principios cuánticos, el campo gravitatorio debería manifestarse en "cuantos" o partículas bosónicas transmisoras de la influencia gravitatoria. Dadas las características del campo gravitatorio, la supuesta partícula que transmitiría la interacción gravitatoria, llamada provisionalmente gravitón, debería ser una partícula sin masa (o con una masa muy pequeña) y un espín de . Sin embargo, los experimentos de detección de ondas gravitatorias todavía no han encontrado evidencia de la existencia del gravitón, por lo que de momento no es más que una conjetura física que podría no corresponderse con la realidad.

EL EFECTO DOPPLER

La variación de la longitud de onda de la luz, radiación electromagnética y sonido de los cuerpos informa sobre su movimiento.

Cuando un vehículo se acerca oímos su motor más agudo que cuando se aleja. Igualmente, cuando una estrella o una galaxia se acercan, su espectro se desplaza hacia el azul y, si se alejan, hacia el rojo.

De momento, todas las galaxias observadas se desplazan hacia el rojo, es decir, se alejan de aquí.

EL DESPLAZAMIENTO AL ROJO

Cuando obtenemos los espectros de galaxias lejanas observamos que las líneas espectrales están desplazadas con respecto a las observadas en los laboratorios terrestres.

 

Definimos el desplazamiento al rojo z de una línea espectral como la diferencia entre las longitudes de onda observada (lo) y emitida (le) en unidades de la longitud de onda emitida.

1 + z = lo/le

Es habitual convertir el desplazamiento al rojo en velocidad mediante la relación

v = c z

siendo c la velocidad de la luz, que es un aproximación para velocidades mucho menores que c y que coincide con la interpretación Doppler al desplazamiento al rojo en ese caso de velocidades pequeñas.

 Así, midiendo la cantidad de desplazamiento se puede determinar que la galaxia más brillante de la figura anterior se mueve a 1% de la velocidad de la luz (3,000 km/s) puesto que las líneas del espectro están desplazadas un 1% hacia el rojo (z = 0.01) si interpretamos esta velocidad como debida a efecto Doppler.

Pero hay un problema. Existen galaxias y quásares con desplazamientos al rojo mayores que uno. Si sustituimos en la relación anterior obtenemos velocidades mayores que la velocidad de la luz y nos metemos en algunos problemas. Por ello es mejor ver las velocidades obtenidas con la relación anterior como meras etiquetas de desplazamientos al rojo, que es la magnitud cuya interpretación está más clara.
 

Por  tanto es importante tener en cuenta que la interpretación Doppler para el desplazamiento al rojo no es válida en general y es sólo una buena aproximación cuando z es significativamente menor que la unidad.

Muchos autores quieren solucionar este asunto apelando a la fórmula relativista para el efecto Doppler

v = c (1- (1+z)^-2)^1/2

válida para cualquier desplazamiento al rojo. Sin embargo, esto no es correcto. El universo en expansión está descrito por la Teoría General de la Relatividad y no por la Teoría Especial de la Relatividad.

La interpretación más sencilla y válida para cualquier desplazamiento al rojo es que el alargamiento de la longitud de onda de la luz se debe al cambio de escala en las distancias debida a la expansión del universo. En términos más precisos debe cumplirse:

1+z = a(t₀)/a(t)

donde a(t₀) es el parámetro de expansión o factor de escala en el momento actual y a(t) en el momento en que la galaxia a desplazamiento al rojo z emitió su luz. El factor de escala puede entenderse como un número que etiqueta arbitrariamente escalas de distancias medidas en tiempos diferentes. Es habitual etiquetar a(t₀) = 1, de tal manera que en un tiempo pasado la misma escala de distancia (como por ejemplo la distancia entre dos galaxias lejanas dadas) disminuye en un factor dado por a(t). En otras palabras, si el desplazamiento al rojo medio en una galaxia lejana fuera z = 1 significaría que a(t) = ½ y por tanto que dicha galaxia y la nuestra se encontraban, en el momento en que fue emitida la luz, a la mitad de distancia de lo que están hoy en día.

Analogía del globo. Para dos instantes diferentes de la expansión del universo. Los puntos amarillos representan galaxias o cúmulos de galaxias (en general estructuras ligadas gravitatoriamente). Se puede observar la analogía de las ondas de luz (en azul) estirándose debido a la expansión del universo (en rojo) como interpretación estándar del desplazamiento al rojo. La distancia entre dos galaxias aumenta en un factor a(t0)/a(t). Figura adaptada de Ned Wright's Cosmology Tutorial

LEY DE HUBBLE

La cosmología científica nació con la ley de Hubble, la primera observación con significado puramente cosmológico. Hubble obtuvo una relación lineal entre el desplazamiento al rojo z y distancia D

c z = H₀ D

donde c es la velocidad de la luz y H₀ es la constante de Hubble, expresada habitualmente en Km s^-1Mpc^-1. Esta relación aproximada para pequeños desplazamientos al rojo podría implicar, por extrapolación directa, una relación lineal entre la velocidad y la distancia que se cumpliera para cualquier distancia considerada.

Este hecho puede ser interpretado como que el Universo está en expansión. Pero una ley de la forma

v = H D

conocida como relación velocidad-distancia (y muchas veces confundida con la ley de Hubble) tiene muchas más implicaciones. La primera es que ésta es la única relación posible que produce una expasión homóloga que no cambia la forma de las estructuras en el Universo. La segunda es que es compatible con una visión Copernicana (o principio de mediocridad) donde nuestra posición en el universo no es de particular importancia. Todos los observadores, en cualquier lugar del universo verán el mismo tipo de ley.
 

La expansión es vista de igual manera por todo los observadores.

La tercera es que para un distancia suficientemente grande, un objeto se puede alejar con una velocidad mayor que la de la luz, lo que implica que hay algún tipo de horizonte cosmológico al que tenemos que dar una explicación dentro de un modelo razonable del Universo observable. Este horizonte -conocido como radio de Hubble-, se produce a una distancia

D = c/H₀=3000 h^-1 Mpc

Donde h es un número adimensional ampliamente utilizado: h = (H₀ / 100).

Por último, si extrapolamos la expansión hacia atrás en el tiempo, parece ser que podría haber un tiempo en que las galaxias estuvieran mucho más cerca y la densidad del universo podría crecer indefinidamente si nos vamos suficientemente atrás en el tiempo. Podemos hacer una primera estimación del tiempo de expansión (denominado tiempo de Hubble) como la inversa de la constante de Hubble.

t_H = 1/H₀ = 9.78 h^-1 Gaños

donde 1 Gaño = 10⁹ años = mil millones de años = 1 eón.

HOMOGENEIDAD E ISOTROPÍA

Mientras que la estructura está considerablemente fractalizada a nivel local (ordenada en una jerarquía de racimo), en los órdenes más altos de distancia el Universo es muy homogéneo. A estas escalas la densidad del Universo es muy uniforme, y no hay una dirección preferida o significativamente asimétrica en el Universo. Esta homogeneidad e isotropía es un requisito de la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker empleada en los modelos cosmológicos modernos.

LA ESTRUCTURA FRACTAL DEL UNIVERSO

Ángel Requena y Abilio Orts en

http://www.astrosafor.net/Huygens/2002/37/Fractal.htm

Cuando en una noche estrellada miramos en cualquier dirección vemos miles y miles de estrellas que parecen estar dispuestas entre sí de una forma aleatoria, o al menos, eso nos parece a nosotros. Pero nada tan lejos de la realidad, si nos fijamos un poco empezamos a discernir pequeñas agrupaciones de estrellas u otros cuerpos por doquier como si de diferentes estructuras se trataran.

Claro que desde aquí la Tierra poco podemos decir del resto de cuerpos; conocemos muy bien la estructura y evolución de nuestro planeta, y nos atreveríamos a afirmar que tenemos un conocimiento importante de nuestros vecinos los planetas del sistema solar. Pero, ¿y del resto del universo? ¿Cómo se estructura? ¿Y por qué se estructura así?

En este artículo intentaremos explicar el cómo y para ello usaremos una simplificación de la realidad a través de un modelo. El porqué será una tarea más difícil que, al menos en este artículo, dejaremos sin abordar; dejaremos a los científicos profesionales la responsabilidad de mojarse en una cuestión en la que actualmente sólo podemos teorizar.

En estos últimos años los investigadores han progresado enormemente en el estudio de la estructura del universo. El Universo de hoy en día poco tiene que ver con el de principios de siglo, atrás han quedado los tiempos en que no se sabía si nuestra propia galaxia era el confín del universo.

Estructura a gran escala

Y, ¿qué sabemos realmente de la organización de nuestro Universo?. En 1986, un grupo de astrónomos del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), publicaron un sorprendente trabajo en la prestigiosa revista Astrophysical Journal. Midiendo los corrimientos al rojo de cientos de galaxias en el interior de una "rodaja" de cielo en la zona de Coma, fueron capaces de determinar la ubicación tridimensional de la materia visible hasta una profundidad de 500 millones de años-luz. O lo que es lo mismo, trazaron el primer mapa tridimensional del cielo y el resultado no les dejó indiferentes. De acuerdo a este mapa en 3D, los objetos no estaban distribuidos de una forma aleatoria sino que más bien se ajustaban a un diseño que a todos les resultaba familiar: su estructura era similar al de una esponja.

Los científicos encontraron filamentos, láminas, paredes y agujeros vacíos de materia que observados en su aspecto global adquirían esa estructura esponjosa. Para que lo entendamos mejor, la rodaja del CfA se parecía mucho a un trozo de queso de "gruyére". Los agujeros estaban vacios de materia (de queso en este caso) con lo que todo el queso se acumulaba en forma de finas láminas. En alguna de esas miles de millones de láminas se encontraba nuestra galaxia con nosotros dentro, claro.

A este estudio le siguieron otros aún más ambiciosos y todos evidenciaron lo mismo; miraras hacia donde miraras toda la materia se estructuraba en forma de esponja, jabonaduras o si queremos también llamarlas pompas de jabón. Un descubrimiento que sorprendió enormemente a los científicos fue el de la Gran Muralla. Como ocurre con su homónima china, esta colosal lámina de galaxias se extendía a lo largo de cientos de millones de años luz. A éste le siguió otro descubrimiento que sorprendió todavía más a los científicos: el Agujero de Boötes. Se trata de una estructura casi esférica en cuyo interior apenas si encontrábamos galaxias. ¿Se imaginan un agujero en el que cabrían mil millones de galaxias como la nuestra y prácticamente vacío?. Pero lo paradójico es que este agujero no era más que uno entre cientos de millones en todo el Universo.

Recapitulando un poco tenemos un Universo lleno de agujeros en cuya "superficie" encontramos toda la materia conocida (galaxias, cúmulos, etc.). Además de eso, los filamentos, paredes y láminas de materia están regularmente esparcidos por todo el Universo. Se podría resumir diciendo, que la estructura del Universo es ubicua.

Pero no sólo este hecho revolucionó las teorías cosmológicas hasta ese momento. Se descubrió además que estas "pompas de materia" tenían movimiento propio además de la expansión "normal" de Hubble.

Fue a finales de los años 80 cuando un grupo de científicos apodados los 7 samurais descubrieron un movimiento peculiar2 a gran escala. Estudiando la luz que emitían un grupo de galaxias elípticas consiguieron demostrar que todo el cúmulo de Virgo (incluída nuestra galaxia) está moviéndose en dirección de otro gran cúmulo, el de Hidra-Centauro. Y no sólo se mueve nuestro cúmulo en esa dirección sino que el supercúmulo de Hidra-Centauro también se mueve a gran velocidad pero en sentido contrario. Se trata pues de una "atracción mutua" entre dos supercúmulos galácticos. Pero esto no acaba aquí ya que a su vez estos cúmulos se mueven conjuntamente a una ¡velocidad de 600 km/s! (M. Riordan, D. Schramm, Las Sombras de la Creación (Madrid, 1994)).

Se cree que, al igual que ocurría con la atracción de los cúmulos, una gran masa de materia es la responsable de esta velocidad peculiar. Se trataría de una gran agregación de materia situada más allá del supercúmulo de Hidra-Centauro y a una distancia de 150 millones de años luz y de nombre "Gran Atractor". Contiene una cantidad de materia equivalente al peso de mil billones de veces la masa del Sol, de ahí que nos está precipitando a una velocidad de vértigo en dirección al cúmulo de Hidra-Centauro.

Por tanto el rompecabezas cósmico se complicaba un poco más. Nuestro universo no sólo se comporta como un gran pastel de pasas (A. Requena, "La Huella del Universo" HUYGENS 29 (2001)) al hornearse. Ahora al movimiento de la masa cocida hay que unirle el movimiento propio de las pasas (galaxias, cúmulos, etc.), independiente del movimiento producido por el horneado (expansión del Universo).

Se podría pues resumir diciendo que la estructura esponjosa a gran escala del Universo no es estática como la gomaespuma, ni se expande uniformemente como un pastel de pasas cociéndose en el horno sino que se agita adelante y atrás como si de la espuma de mar se tratara (M. Riordan, D. Schramm, Las Sombras de la Creación (Madrid, 1994)).

Hay sin embargo, otro enfoque que darle a la cuestión además del puramente físico. Si describimos la estructura a gran escala en términos geométricos nos encontramos con una estructura aparentemente esponjosa. Pero si le ponemos números a todo esto y le damos un enfoque puramente estadístico nos llevaremos una grata sorpresa.

Función de correlación

James Peebles, junto con otros científicos, dejaron de lado los modelos geométricos en los que todo el mundo se centraba en ese momento y apuntaron hacia una descripción basada en términos matemáticos. Analizaron y cuantificaron la separación entre las galaxias y se dieron cuenta que éstas no estaban distribuidas al azar; existía una cierta probabilidad de encontrar cerca un par de ellas. Además esta probabilidad, conocida también como función de correlación de dos galaxias, era inversamente proporcional a la potencia 1´8, o lo que es lo mismo, era proporcional a 1/r1´8.

Parece razonable pensar que esta función de probabilidad puede tener algo que ver con la archiconocida fuerza de gravedad que como bien sabemos es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, o también viene dada por la expresión matemática 1/r2.

Y en cierto modo esta coincidencia no era del todo casual aunque como ahora veremos no era la única explicación a esta enigmática correlación. Durante los años 80 un grupo de científicos americanos y soviéticos comenzaron a aplicar los modelos estadísticos de Peebles a los cúmulos galácticos y tropezaron con un hecho muy curioso. Los cúmulos parecían estar más estrechamente correlacionados que las galaxias y vieron que esa correlación era también proporcional a 1/r1´8 (M. Riordan, D. Schramm, Las Sombras de la Creación (Madrid, 1994)).

¡Qué coincidencia!. El mismo valor que en el caso de las galaxias. Y no sólo eso, descubrieron algo ciertamente desconcertante. La probabilidad de que encontráramos juntos dos cúmulos ricos era superior a la de encontrar dos cúmulos ordinarios o incluso dos galaxias cualesquiera. Si consideramos el hecho de que los cúmulos ricos no son objetos muy comunes en el universo podemos intuir que la correlación de estos cúmulos no sólo responde a cuestiones gravitatorias.

Parece lógico pensar que en un universo gobernado únicamente por la gravedad la distribución más probable sería la distribución aleatoria en la que las galaxias estarían igualmente dispuestas en arracimamientos que aisladamente.

Distribución aleatoria de galaxias.

Sin embargo viendo los mapas obtenidos de las diferentes mediciones se observa claramente que las galaxias y con ellas los cúmulos no se distribuyen al azar sino que más bien tienen tendencia a agruparse.

Agrupación de Galaxias.

Por tanto podemos aseverar que la gravedad por sí sola no es capaz de explicar este misterio. Debe haber algo más aparte de ésta que determine la estructura a gran escala del universo, quizá el modelo fractal nos ayude a entenderlo.

La cuestión de la anisotropía en el Universo primigenio fue significativamente contestada por el WMAP, que buscó fluctuaciones en la intensidad del fondo de microondas. Las medidas de esta anisotropía han proporcionado información útil y restricciones sobre la evolución del Universo.

Hasta el límite de la potencia de observación de los instrumentos astronómicos, los objetos radian y absorben la energía de acuerdo a las mismas leyes físicas a como lo hacen en nuestra propia galaxia. Basándose en esto, se cree que las mismas leyes y constantes físicas son universalmente aplicables a través de todo el Universo observable. No se ha encontrado ninguna prueba confirmada que muestre que las constantes físicas hayan variado desde el Big Bang.

    Actualizado el 26/11/2009          Eres el visitante número                ¡En serio! Eres el número