La armon¨ªa del universo

Empezamos por el final y usando jerga matem¨¢tica. Corolario: la mejor forma de entender c¨®mo se form¨® y ha evolucionado el universo es estudiando f¨ªsica y m¨²sica. Conclusi¨®n: toda la evoluci¨®n del universo est¨¢ escrita en la melod¨ªa arm¨®nica de la radiaci¨®n c¨®smica de fondo, ¡°solo¡± hay que saber transcribirla a una partitura para entender el cosmos. Ahora los detalles.

?Qu¨¦ es el sonido? El sonido es una vibraci¨®n que se propaga como una onda (ac¨²stica) por un medio. Se puede crear haciendo vibrar la cuerda de un instrumento musical, un viol¨ªn, por ejemplo, que traslada el movimiento oscilatorio de sus cuerdas a las mol¨¦culas del aire, la onda viaja hasta nuestros o¨ªdos, donde hace vibrar nuestro t¨ªmpano, que provoca una se?al nerviosa y, finalmente, nuestro cerebro interpreta esa se?al. La cuerda puede vibrar con lo que se conoce como su frecuencia fundamental, es decir, el centro de la cuerda se mueve hacia un lado y otro con los extremos fijos. La cuerda puede vibrar de otra manera, por ejemplo con el centro fijo, adem¨¢s de los extremos, y los 2 puntos de la cuerda situados a una distancia de un cuarto de la longitud de la cuerda movi¨¦ndose peri¨®dicamente. Es lo que se conoce como un arm¨®nico, el segundo, para ser concretos, el primero era lo que hemos llamado frecuencia fundamental. Hay infinitos arm¨®nicos, solo tenemos que dividir la cuerda en 3 partes iguales, 4, 5,... N partes, y crear una vibraci¨®n que deja N+1 puntos fijos mientras que se mueven arriba y abajo los dem¨¢s puntos de la cuerda, N de ellos alcanzando distancias m¨¢ximas a la posici¨®n de reposo.

?Qu¨¦ es la m¨²sica? La frecuencia fundamental de la cuerda de nuestro viol¨ªn corresponde a una nota musical. El segundo arm¨®nico es otra nota diferente, separada una octava. El tercer arm¨®nico es otra, una quinta por encima de la anterior, el cuarto es otra octava, y as¨ª sucesivamente. Con distintas cuerdas y distintas formas de vibraci¨®n se pueden crear todas las notas musicales que se nos pasen por la cabeza. Lo normal, eso s¨ª, es que una cuerda de viol¨ªn no vibre siguiendo un arm¨®nico ¨²nico perfecto, es dif¨ªcil conseguir esa pureza de movimiento, sino que se combinen varios, cada uno con distintas intensidades. La combinaci¨®n de los arm¨®nicos es algo que distingue a unos instrumentos de otros, o a unas voces de otras, es lo que se llama timbre.

?C¨®mo se construye una melod¨ªa? Cada cuerda con su conjunto de arm¨®nicos, cada instrumento con su timbre y con su intensidad, unos tocando m¨¢s alto y otros, m¨¢s bajo, se pueden combinar y formar un conjunto ordenado de sonidos musicales. Ese conjunto acaba teniendo entidad propia, un sentido y provoca una sensaci¨®n agradable al que la escucha (y la ¡°entiende¡±, subjetivamente).

El universo est¨¢ lleno de fotones provenientes de sus or¨ªgenes, cuando solo ten¨ªa 370.000 a?os de edad (equivalente al primer d¨ªa de vida para una persona que llega a los 100 a?os), que han sobrevivido hasta hoy y han sido testigos de todo lo que pas¨® despu¨¦s

?Qu¨¦ tiene esto que ver con el universo? El universo est¨¢ lleno de fotones provenientes de sus or¨ªgenes, cuando solo ten¨ªa 370.000 a?os de edad (equivalente al primer d¨ªa de vida para una persona que llega a los 100 a?os), que han sobrevivido hasta hoy y han sido testigos de todo lo que pas¨® despu¨¦s. Es lo que se llama radiaci¨®n c¨®smica de fondo, CMB por sus siglas en ingl¨¦s, y su descubrimiento fue el primer gran espaldarazo a la teor¨ªa del Big Bang. Esa radiaci¨®n fue creada por el propio universo, que se comporta como cualquier objeto, emitiendo fotones con unas caracter¨ªsticas (n¨²mero, frecuencias, intensidad) que dependen de la temperatura. Cuando el universo cre¨® esa radiaci¨®n estaba a unos 3000 grados. Hoy, por el efecto de la expansi¨®n del espacio-tiempo, el universo se ha enfriado, de modo que la temperatura que medimos para ¨¦l estudiando esa radiaci¨®n c¨®smica de fondo son 2.7255 grados Kelvin, equivalente a -270.4245 grados cent¨ªgrados, ?mejor coger una rebequita para irse por el espacio exterior!

Y aqu¨ª aparece la m¨²sica del cosmos. De manera parecida a c¨®mo se puede dividir el sonido de una cuerda de viol¨ªn en arm¨®nicos lineales, cada uno con una intensidad espec¨ªfica, la distribuci¨®n de la temperatura de la radiaci¨®n c¨®smica de fondo en el cielo sigue un patr¨®n (complicado, no lo vamos a negar) y se puede dividir en arm¨®nicos esf¨¦ricos. En f¨ªsica solemos llamar a esos arm¨®nicos momentos multipolares, se usan much¨ªsimo, desde la mec¨¢nica cu¨¢ntica hasta el estudio de la gravedad planetaria, y los representamos por la letra l (con un tipo de letra muy de caligraf¨ªas Rubio), que toma valores enteros entre 0 e infinito. El valor l=0 equivale a una constante: en primera aproximaci¨®n el valor de la temperatura del universo es hoy 2.7255 K, mires donde mires. El valor l=1 equivale a un cielo dividido en 2 con una simetr¨ªa en alguna direcci¨®n, y efectivamente la CMB muestra una temperatura un poco m¨¢s caliente, ?diezmil¨¦simas de grado!, hacia una orientaci¨®n y m¨¢s fr¨ªa justo en la contraria.

Estudiando todos los momentos multipolares y construyendo un espectro de potencias, que es un estudio de las intensidades de todos los arm¨®nicos existentes en la radiaci¨®n c¨®smica de fondo, se puede hacer lo que se conoce como cosmolog¨ªa de precisi¨®n

Estudiando todos los momentos multipolares y construyendo un espectro de potencias, que es un estudio de las intensidades de todos los arm¨®nicos existentes en la radiaci¨®n c¨®smica de fondo, se puede hacer lo que se conoce como cosmolog¨ªa de precisi¨®n. A d¨ªa de hoy hemos conseguido conocer la distribuci¨®n espacial en el cielo (mejor dicho ser¨ªa, entonces, angular) de la temperatura de la CMB con una precisi¨®n del orden de las decenas de microgrado Kelvin y hasta momentos multipolares del orden de l=2500, ?espectacular! Y lo que es m¨¢s importante, se puede ajustar esa distribuci¨®n con un modelo cosmol¨®gico que incluye par¨¢metros medibles como la velocidad a la que se expande el universo, su edad, la cantidad de materia oscura que hay, la cantidad de energ¨ªa oscura y sus propiedades, el momento en el que se cre¨® la radiaci¨®n c¨®smica de fondo, la velocidad a la que el Sol se mueve con respecto a todo el universo, o c¨®mo era el universo antes de que se formaran la CMB o incluso m¨¢s all¨¢ de nuestro universo observable, la propia geometr¨ªa y topolog¨ªa del universo. Con todos esos par¨¢metros reproducimos el espectro de potencias de una manera extremadamente minuciosa.

Concluimos ya: la CMB es la perfecta melod¨ªa del universo, lo tiene todo, alcanza el mayor grado de informaci¨®n gracias a su timbre original y la distorsi¨®n que ha sufrido a lo largo de toda la historia del universo, influida por todo lo que ha existido. Su partitura es el espectro de potencias construido a partir del estudio de sus arm¨®nicos esf¨¦ricos. Solo hay que tener telescopios potentes para transcribir la partitura y modelos f¨ªsicos del universo para interpretarla. Despu¨¦s ¨²nicamente queda disfrutar de la m¨²sica que proporciona el conocimiento del cosmos.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa

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