Conclusiones: El Big Bang no está en crisis

[índice de contenidos de cosmología]: [resumen][introducción] [el principio cosmológico] [el universo en expansión][El significado de la expansión][La dinámica de la expansión y el problema de la masa oscura][El universo primitivo] [Conclusiones][Poscriptum][Bibliografía]

    En la última década ya nos hemos habituado a ver, tanto en los medios de comunicación como en las revistas especializadas, informaciones sobre la crisis del modelo estándar del Big Bang. Estas informaciones suelen confundir el propio modelo del Big Bang con parámetros libres de éste, como puedan ser la constante de Hubble o la densidad media de materia.

La constante de Hubble

Desde que Hubble en 1929 propusiera una relación lineal entre el desplazamiento al rojo y la distancia para su primer estudio de 24 nebulosas espirales, ésta no ha dejado de confirmarse a medida que se han ido añadiendo más y más objetos. Esta relación es menos aproximada a medida que aumenta el desplazamiento al rojo, como han venido ha mostrar las observaciones de supernovas tipo Ia. Pero implica una verdadera relación lineal entre velocidad y distancia que es una mera definición dentro de un universo en expansión.
    La constante de Hubble, sin embargo, es otra cuestión. Esta constante es un parámetro libre de la teoría. Para aquellos que no entiendan el significado de lo que representa un parámetro libre en una teoría, la siguiente ejemplificación pudiera valer. Si alguien ahora descubriera que la velocidad de la luz es 10 m/s mayor que el valor actual, ¿invalidaría eso la Relatividad Restringida?. Obviamente no, en principio, puesto que la teoría afirma que esta velocidad es constante pero no nos da su valor, un parámetro a medir. Nos podremos plantear todo lo que queramos sobre los métodos que hemos utilizado para medir esta velocidad y qué errores de metodología habríamos cometido. Pero hace falta más que eso para echar abajo toda una teoría coherente como la Relatividad restringida.
    Con la constante de Hubble estamos en la misma situación. Después de las medidas del telescopio espacial, pocos astrónomos dudan que la constante sea menor que unos 50 o mayor que unos 80, situando el valor más probable alrededor de 70 . Bien, esto nos deja en apenas unos 10 mil millones de años para la edad del universo (asumiendo que el tiempo esté dado según el modelo de Einstein de-Sitter como 2/(3 H₀), una cantidad de tiempo más bien escasa para la formación de estructuras que vemos en la actualidad.
    Se puede ajustar el modelo perfectamente (mediante la introducción de la constante cosmológica ) para que estos datos encajen no sin que sea algo forzado en principio, pero también hay que tener en cuenta que los métodos de medida de la constante de Hubble (que no es más que una estimación apropiada de distancias) están basados en prácticamente todas las disciplinas astrofísicas, y un error de comprensión que estemos cometiendo en cualquiera de estas disciplinas podría derribar todo el edificio metodológico. De hecho la nueva calibración de distancias llevada a cabo por el satélite Hipparcos y las nuevas observaciones que parecen favorecer un modelo con constante cosmológica con una edad dinámica del orden de unos 14 mil millones de años (¡puedes calcularlo tú mism@!), parece haber puesto fin al conflicto.
    Por último comentar que nadie tiene en consideración que el rango de valores en los que se mueve actualmente la constante es (dentro del error observacional), si no del todo satisfactorio, sí es al menos coherente. Imagine el lector que estuviéramos todavía discutiendo valores de 200 o aún mayores.

Algunos problemas con los desplazamientos al rojo.

    La interpretación del desplazamiento al rojo dentro del modelo estándar se puede describir de manera sencilla como sigue: si imaginamos una onda electromagnética que parte de una galaxia lejana y tenemos en cuenta que ésta onda viaja a una velocidad finita, la de la luz, y que el universo está en expansión, cuando esta onda alcance al observador el universo será mayor que cuando abandonó la galaxia emisora. Por tanto, los valles y crestas de la onda de luz nos llegarán con una frecuencia menor que la que tenían en el momento de la emisión, es decir, con una longitud de onda que estará alargada y por tanto desplazada hacia la zona roja del espectro electromagnético. Esta interpretación es esencialmente diferente que la habitual de efecto Doppler (que explican erróneamente muchos libros de divulgación) aunque coincide con ésta cuando las distancias consideradas no corresponden a tiempos del orden de una fracción importante de la edad del universo. Hay mucha evidencia observacional de que esta interpretación es esencialmente válida: El fenómeno de lentes gravitatorias confirma la existencia de cuásares de elevado desplazamiento al rojo detrás de cúmulos de galaxias con un desplazamiento al rojo menor (Stockton 1978, ApJ, 223, 747) y el valor de la constante de Hubble deducida por este método es compatible con las medidas de otro tipo (Falco et al. 1999 Ap. J. 484, 70);
    Todo esto nos está diciendo que no estamos esencialmente equivocados en la interpretación de los desplazamiento al rojo y por tanto de la cinemática básica del Modelo Estándar. Bien es verdad que existen algunos casos, comentados brillantemente por el astrónomo Halton Arp (1987. Controversias sobre las distancias cósmicas y los cuásares. Tusquets. 1992), que parecen no corresponderse con esta cinemática básica del modelo. Algunas de estas supuestas asociaciones entre cuásares de elevado desplazamiento al rojo, con galaxias de bajo desplazamiento al rojo son bastante llamativas (ver por ejemplo Stephan's Quintet). Pero hay que tener en cuenta que estos casos son excepciones a la regla general y la conexión física entre los objetos pudiera ser sólo aparente (de hecho parece ser que utilizando el método de fluctuaciones en el brillo superficial se puede ver que en el caso del Quinteto de Stephan una de las galaxias parece estar más resuelta en estrellas que su compañera lo que indica que estaría más cercana). Y al menos tenemos cuásares tan luminosos como 3C273 que se encuentran con mucha seguridad a la distancia indicada por su desplazamiento al rojo. Así que aplicando el principio de no multiplicar las hipótesis innecesariamente (navaja de Occam) podemos concluir que es probable que esta sea la regla general. Por otro lado, parece ser que Arp ha cometido algunos errores en los análisis estadísticos. Otros comentarios de interés pueden encontrarse en esta página.
    Además, se ha afirmado durante muchos años la observación de la existencia de cierta periodicidad en la distribución de los desplazamientos al rojo (Arp 1987 pag. 26-28, 30-32, 116-117) . Con los nuevos surveys de quasars, se ha podido demostrar que esto era un artificio de los surveys muy limitidados de los que se disponía en ese momento (Hawkins, Maddox & Merrifield 2002).

    Resulta curioso que algunos críticos recientes (p.e. López-Corredoira 2003) sigan utilizando los mismos argumentos sin responder a las críticas de las referencias mencionadas.

    Las evidencias rotundas de que vivimos en un universo en expansión pueden hallarse en esta página.

El universo primitivo.

    En contra de lo que piensa la mayoría de la gente, el Modelo Estándar del Big Bang no dice absolutamente nada sobre el instante de creación, por decirlo de algún modo, del universo. El modelo nos remonta en el tiempo hasta una fase de alta densidad y temperatura dominada por radiación térmica. No voy a describir aquí con detalle la apasionante historia de descubrimientos que nos llevan a esta conclusión (ver sección anterior), pero la evidencia observacional viene de tres hechos que han sido suficientemente contrastados: las abundancias cósmicas primordiales de los elementos ligeros, la existencia de un fondo de radiación electromagnética correspondiente a una emisión térmica a 2,73 Kelvin y la existencia de tres familias de neutrinos, hecho relacionado con el modo en que se tuvo que llevar a cabo la nucleosíntesis primordial y confirmado en los aceleradores de partículas actuales (ver neutrinos en cosmología).

    Los problemas teóricos de remontarnos hasta tiempos muy próximos al origen mismo (cualquier cosa que esto signifique) es un problema de la física fundamental y no del propio Modelo Estándar. Sabemos, por los teoremas de Hawking-Penrose, que el Modelo Estándar  tiene una singularidad inicial, pero insisto en que cualquier explicación consistente de lo que esté pasando en ese "instante inicial" está más allá de lo que sabemos en física fundamental. Y cualquier especulación que surja al respecto, no sólo tiene que ser compatible con las observaciones actuales, sino proponer nuevas observaciones que no encajen dentro del Modelo actual para invalidarlo. Un propuesta sugerente para entender los escenarios pre-Big Bang  son algunos escenarios inflacionarios, donde el universo tiene que haber pasado por unos primeros estadios de expansión exponencial, nacidos de las Teorías de Gran Unificación. Pero las soluciones a los problemas con la singularidad inicial no parece que estén en el buen camino todavía (sin embargo ver noticia del 28 de abril de 2001 y ¿Qué ocurrió antes del Big Bang?).

Alternativas al Big Bang

    El escepticismo es una de las mejores armas del difícil arte de la astronomía en general y de la cosmología en particular. Hay que tener en cuenta que en cosmología estamos usando una lista relativamente pequeña de observaciones indirectas (aunque en espectacular aumento en los últimos años) para extrapolar hasta la gran conclusión de que el universo se expande desde unas primeras fases de alta densidad y temperatura. Fred Hoyle, Halton Arp, Hemann Bondi o Jayant Narlikar son los abanderados del escepticismo frente al modelo del Big Bang, y no hay que olvidar que han mostrado muchas y buenas observaciones que no debemos pasar por alto a la hora de pensar lo que estamos haciendo en cosmología. Pero, como señal el astrónomo P.J.E. Peebles, estos escépticos siempre olvidan en sus ataques tres cuestiones fundamentales. Primero, el Modelo Estándar ajusta perfectamente las observaciones disponibles con gran precisión (un ejemplo impresionante). Segundo, hoy en día no existe ninguna teoría alternativa con alguna posibilidad de sustituir al Big Bang; El modelo de Estado Estacionario, la alternativa clásica, ha tenido que cambiar de tal manera a lo largo del tiempo que, en las últimas versiones, sus predicciones son difícilmente diferenciables de las del Big Bang y su estructura es claramente más compleja, con lo que podemos aplicar sencillamente un corte de Occam para que el Modelo Estándar siga siendo preferible. Parece ser sin embargo, que la versión más elaborada, conocida como Modelo Cuasiestacionario sigue presentando problemas insalvables. Tercero, que obviamente existen cuestiones sin resolver, como puede ser el origen y la formación de las galaxias, pero ninguna que parezca contradecir el modelo dentro de los presentes niveles de conocimiento.
    Personalmente añadiría una cuarta observación: el Modelo Estándar ha servido de telón de fondo para nuestro avance en la comprensión del universo y de los objetos que éste contiene desde hace al menos seis década. La historia de la ciencia nos sugiere que las teorías falsables como el Big Bang, que son tan exitosas durante tanto tiempo suelen ser una aproximación útil a la realidad, y cualquier teoría más completa que esté por venir, incluirá, con toda seguridad, al Modelo Estándar como una aproximación. Esta falsabilidad del modelo se puede poner fácilmente en evidencia si por ejemplo encontráramos en los nuevos surveys de galaxias fluctuaciones en densidad mayores que las que permite la alta isotropía de la radiación de fondo. O detectando algunos objetos extragalacticos con fracciones de helio muy diferentes del 24% predicho por los cálculos de nucleosíntesis primordial. O los astrónomos podrían descubrir unos nuevos objetos con fuertes desplazamientos al azul que violaran la cinemática básica del modelo (ver sin embargo Tamara M. D. & Lineveaver C.H. & Webb J. K. 2001). O descubrir un cúmulo estelar con una edad evolutiva de digamos unos cien mil millones de años que pondría el valor de la constante de Hubble bien lejos del rango permitido por las incertidumbres del modelo cosmológico. Éstas sí serían razones de peso para la actuación. Las propuestas que tenemos hasta el momento, no es que sean descabelladas sino que, parafraseando a Pauli, no son lo suficiente descabelladas para tenerlas siquiera en consideración.

Evidencias de la existencia de un Big Bang pueden hallarse en esta página.
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