durante miles de años, los humanos han observado las estrellas y se han preguntado cómo llegó a ser el universo. Pero no fue hasta los años de la Primera Guerra Mundial que los investigadores desarrollaron los primeros instrumentos de observación y herramientas teóricas para transformar esas grandes preguntas en un campo de estudio preciso: la cosmología.,
«pienso en la cosmología como uno de los temas más antiguos de interés humano, pero como una de las ciencias más nuevas», dijo Paul Steinhardt, un cosmólogo de la Universidad de Princeton que estudia si el tiempo tiene un comienzo.
la cosmología, en pocas palabras, estudia el cosmos como una entidad, en lugar de analizar por separado Las estrellas, los agujeros negros y las galaxias que lo llenan. Este campo plantea grandes preguntas: ¿de dónde vino el universo? ¿Por qué tiene estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias? ¿Qué va a pasar después?, «La cosmología está tratando de hacer una imagen a gran escala de la naturaleza del universo», dijo Glennys Farrar, física de partículas de la Universidad de Nueva York.
debido a que esta disciplina lidia con muchos fenómenos, desde partículas en el vacío hasta el tejido del espacio y el tiempo, la cosmología se basa en gran medida en muchos campos, incluyendo la astronomía, la astrofísica y, cada vez más, la física de partículas.
«la cosmología tiene partes que están totalmente en física, partes que están totalmente en astrofísica, y partes que van y vienen», dijo Steinhardt. «Eso es parte de la emoción.,»
historia de la historia del universo
La naturaleza interdisciplinaria del campo ayuda a explicar su relativamente tardía de inicio. Nuestra imagen moderna del universo comenzó a unirse solo en la década de 1920, poco después de que Albert Einstein desarrollara la teoría de la relatividad general, un marco matemático que describe la gravedad como una consecuencia de la flexión del espacio y el tiempo.
«antes de entender la naturaleza de la gravedad, realmente no se puede hacer una teoría de por qué las cosas son como son», dijo Steinhardt., Otras fuerzas tienen mayores efectos sobre las partículas, pero la gravedad es el jugador principal en la arena de planetas, estrellas y galaxias. La descripción de Isaac Newton de la gravedad a menudo funciona en ese reino también, pero trata el espacio (y el tiempo) como un telón de fondo rígido e inmutable contra el cual medir los eventos. El trabajo de Einstein mostró que el espacio mismo podía expandirse y contraerse, cambiando el universo de escenario a actor y llevándolo a la refriega como un objeto dinámico para estudiar.,
a mediados de la década de 1920, el astrónomo Edwin Hubble hizo observaciones desde el recientemente construido telescopio Hooker de 100 pulgadas (254 centímetros) en el Observatorio Mount Wilson en California. Estaba tratando de resolver un debate sobre la ubicación de ciertas nubes en el espacio que los astrónomos podían ver. El Hubble demostró que estas » nebulosas «no eran pequeñas nubes locales, sino que eran vastos y distantes cúmulos estelares similares a nuestra propia Vía Láctea — «universos insulares» en el lenguaje de la época. Hoy en día, las llamamos galaxias y sabemos que su número es de billones.,
los mayores trastornos en la perspectiva cósmica estaban aún por venir. El trabajo del Hubble a finales de la década de 1920 sugirió que las galaxias en todas direcciones se están alejando rápidamente de Nosotros, desencadenando décadas de debate adicional. Las mediciones eventuales del fondo cósmico de microondas (CMB) — luz sobrante de los primeros años del universo y desde entonces se extendió a las microondas — en la década de 1960 demostraron que la realidad coincidía con una de las posibilidades sugeridas por la relatividad general: comenzando pequeño y caliente, el universo ha sido cada vez más grande y más frío desde entonces., El concepto se conoció como la teoría del Big Bang, y sacudió a los cosmólogos porque implicaba que incluso el universo podría tener un principio y un fin.
pero al menos esos astrónomos pudieron ver el movimiento de las galaxias en sus telescopios., Uno de los cambios más sísmicos de la cosmología, dijo Farrar, es la idea de que la gran mayoría de las cosas están hechas de otra cosa, algo completamente invisible. El material que podemos ver equivale a poco más que un error de redondeo cósmico — solo alrededor del 5% de todo en el universo.
El primer habitante de el otro 95% del universo, lo que vendría a ser el «dark sector,» alzó su cabeza en la década de 1970. Entonces, la astrónoma Vera Rubin se dio cuenta de que las galaxias estaban pinwheeling todo tan rápido que debería extenderse aparte., Más que materia difícil de ver, dijo Farrar, las cosas que mantenían unidas a las galaxias tenían que ser algo totalmente desconocido para los físicos, algo que — a excepción de su atracción gravitacional — ignora completamente la materia y la luz ordinarias. El mapeo posterior reveló que las galaxias que vemos son simplemente núcleos en el Centro de colosales esferas de «materia oscura». Los filamentos de materia visible que se extienden a través del universo cuelgan de un marco oscuro que pesa más que las partículas visibles de cinco a uno.,
el Telescopio Espacial Hubble descubrió entonces signos de una inesperada variedad de energía – que los cosmólogos ahora dicen que representa el 70% restante del universo después de contabilizar la materia oscura (25%) y la materia visible (5%) — en la década de 1990, cuando registró la expansión del universo acelerándose como un tren fugitivo. La» energía oscura», posiblemente un tipo de energía inherente al espacio mismo, está separando el universo más rápido de lo que la gravedad puede unir al cosmos., En un billón de años, cualquier astrónomo que quede en la Vía Láctea se encontrará en un verdadero universo Isleño, envuelto por la oscuridad.
«estamos en un punto de Transición En la historia del universo, de donde está dominado por la materia a donde está dominado por una nueva forma de energía», dijo Steinhardt. «La materia oscura determinó nuestro pasado. La energía oscura determinará nuestro futuro.»
cosmología moderna y futura
la cosmología actual empaqueta estos descubrimientos históricos en su logro culminante, el modelo Lambda-CDM., A veces llamado el modelo estándar de Cosmología, este conjunto de ecuaciones describe el universo desde aproximadamente su primer segundo en adelante. El modelo asume una cierta cantidad de energía oscura (lambda, para su representación en la relatividad general) y materia oscura fría (CDM) y hace conjeturas similares sobre la cantidad de materia visible, la forma del universo y otras características, Todas determinadas por experimentos y observaciones.
Play that baby-universe film forward 13.,8 mil millones de años, y los cosmólogos obtienen una instantánea que «estadísticamente tiene todo lo que podemos medir hasta cierto punto», dijo Steinhardt. Este modelo representa el objetivo a batir a medida que los cosmólogos empujan sus descripciones del universo más profundamente en el pasado y en el futuro.
tan exitoso como Lambda-CDM ha sido, todavía tiene un montón de torceduras que necesitan resolverse. Los cosmólogos obtienen resultados contradictorios cuando intentan estudiar la expansión actual del universo, dependiendo de si lo miden directamente en galaxias cercanas o lo deducen del CMB., Este modelo tampoco dice nada sobre la composición de la materia oscura o la energía.
luego está ese problemático primer segundo de existencia, cuando el universo presumiblemente pasó de una mota infinitesimal a una burbuja relativísticamente bien educada. La «inflación» es una teoría popular que trata de manejar este período, explicando cómo un breve momento de expansión aún más rápida hizo estallar minúsculas variaciones primordiales en la desigualdad a gran escala de las galaxias de hoy, así como cómo las entradas Lambda-CDM obtuvieron sus valores.,
sin embargo, nadie sabe cómo funcionó la inflación en detalle, o por qué se detuvo donde supuestamente lo hizo. Steinhardt dijo que la inflación debería haber continuado en muchas regiones del espacio, lo que implica que nuestro universo es solo una porción de un «multiverso» que contiene todas las posibles realidades físicas, una idea no comprobable que muchos experimentalistas encuentran inquietante.,
para avanzar en cuestiones como estas, los cosmólogos buscan mediciones de precisión de telescopios basados en el espacio como el Telescopio Espacial Hubble y el próximo Telescopio Espacial James Webb, así como experimentos en el campo emergente de la astronomía de ondas gravitacionales, como el Observatorio de ondas gravitacionales interferómetro láser de la Fundación Nacional de Ciencias. Los cosmólogos también se unen a físicos de partículas y astrofísicos en una carrera interdisciplinaria para detectar partículas de materia oscura.,
así como la cosmología no pudo comenzar hasta que otras ramas de la física hubieran madurado, no podrá terminar de revelar la historia del universo hasta que otras áreas estén más completas.»Para aclarar la historia, tienes que trabajar esencialmente todas las leyes de la física en todas las escalas de energía y en todas las condiciones», dijo Steinhardt. «Y un cambio en cualquiera de ellos podría cambiar radicalmente la historia cosmológica.»
Farrar dijo que no sabe si eso sucederá, pero se maravilla de que la gente haya captado las complejidades del universo tanto como lo han hecho., «Es increíble que el cerebro humano haya evolucionado hasta el punto de que aparentemente se pueden responder estas preguntas», dijo. «Algunos de ellos al menos.»