¿Qué es la hipótesis del estado estacionario del universo?

Cuando se trata de nuestros orígenes cósmicos, se han avanzado varias teorías a lo largo de la historia. Literalmente, cada cultura que ha existido ha tenido su propia tradición mitológica, que naturalmente incluía una historia de creación. Con el nacimiento de la tradición científica, los científicos comenzaron a entender el Universo en términos de leyes físicas que podrían ser probadas y comprobadas.

Con los albores de la era espacial, los científicos comenzaron a probar teorías cosmológicas en términos de fenómenos observables. De todo esto, surgieron una serie de teorías en la segunda mitad del siglo XX que intentaron explicar cómo surgió toda la materia y las leyes físicas que la rigen. De estos, la teoría del Big Bang sigue siendo la más aceptada, mientras que la hipótesis del estado estacionario ha sido históricamente su mayor desafío.

El modelo de estado estacionario establece que la densidad de la materia en el universo en expansión no cambia con el tiempo debido a la creación continua de materia. En otras palabras, el Universo observable esencialmente permanece igual sin importar el tiempo o el lugar. Esto lo pone en marcado contraste con la teoría de que la mayoría de la materia se creó en un solo evento (el Big Bang) y se ha expandido desde entonces.

 

Orígenes

Si bien la noción de un universo estable e inmutable ha sido adoptada a lo largo de la historia, no fue hasta el período moderno temprano que los científicos comenzaron a interpretar esto en términos astrofísicos. El primer ejemplo claro de este argumento en el contexto de la astronomía y la cosmología fue en los Principios matemáticos de filosofía natural de Isaac Newton (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) publicados en 1687.

En la obra magna de Newton, conceptualizó el Universo más allá del Sistema Solar como un espacio vacío que se extendía uniformemente en todas las direcciones a distancias inconmensurables. Explicó además a través de pruebas y observaciones matemáticas que todo el movimiento y la dinámica en este sistema se explicaron a través del principio único de la gravitación universal.

Ilustración que muestra tres pasos que los astrónomos usaron para medir la tasa de expansión del universo (constante de Hubble). Créditos: NASA, ESA, A. Feild (STScI) y A. Riess (STScI / JHU)

Sin embargo, lo que se conocería como la hipótesis del estado estacionario no surgió hasta principios del siglo XX. Este modelo cosmológico se inspiró en una serie de descubrimientos, así como en avances en el campo de la física teórica. Estos incluyeron la Teoría de la relatividad general de Albert Einstein y las observaciones de Edwin Hubble de que el Universo está en un estado de expansión.

Einstein formalizó esta teoría en 1915 después de que decidiera ampliar su teoría de la relatividad especial para incorporar la gravedad. En última instancia, esta teoría establece que la fuerza gravitacional de la materia y la energía altera directamente la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor. O como lo resumió el famoso físico teórico John Wheeler, “el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse; la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse «.

Para 1917, los cálculos teóricos basados en las ecuaciones de campo de Einstein mostraron que el Universo tenía que estar en un estado de expansión o contracción. Para 1929, las observaciones hechas por George Lemaitre (quien propuso la Teoría del Big Bang) y Edwin Hubble (usando el telescopio Hooker de 100 pulgadas en el Observatorio Mount Wilson) demostraron que este último era el caso.

Sobre la base de estas revelaciones, en la década de 1930 comenzó un debate sobre los posibles orígenes y la verdadera naturaleza del Universo. Por un lado, hubo quienes afirmaron que el Universo tenía una edad finita y evolucionó con el tiempo a través del enfriamiento, la expansión y la formación de estructuras debido al colapso gravitacional. Esta teoría fue nombrada satíricamente como «Big Bang» por Fred Hoyle, y el nombre se quedó.

Mientras tanto, la mayoría de los astrónomos en el momento sostuvieron la teoría de que si bien el Universo observable se está expandiendo, sin embargo, no cambia en términos de la densidad de la materia. En resumen, los defensores de esta teoría argumentaron que el Universo no tiene principio ni fin, y que la materia se crea continuamente con el tiempo, a razón de un átomo de hidrógeno por metro cúbico por cada 100 mil millones de años.

Esta teoría también extendió el Principio Cosmológico de Einstein, alias. Constante cosmológica (CC), que Einstein propuso en 1931. Según Einstein, esta fuerza fue responsable de «contener la gravedad» y garantizar que el Universo permaneciera estable, homogéneo e isotrópico en términos de su estructura a gran escala.

Modificando este principio y extendiéndolo, los miembros de la escuela de pensamiento del estado estacionario argumentaron que era la creación continua de materia lo que aseguraba que la estructura del Universo permaneciera igual con el tiempo. Esto se conoce como el principio cosmológico perfecto, que desenreda la hipótesis del estado estacionario.

La teoría del estado estacionario se hizo ampliamente conocida en 1948 con la publicación de dos artículos: «Un nuevo modelo para un universo en expansión» por el astrónomo inglés Fred Hoyle, y «La teoría del estado estacionario y el universo en expansión» por el astrofísico británico-austriaco y equipo cosmólogo de Hermann Bondi y Thomas Gold.

 

Argumentos y predicciones clave

Los argumentos a favor de la hipótesis del estado estacionario incluyen el aparente problema de escala de tiempo planteado por la tasa observada de expansión cósmica (también conocida como la constante de Hubble o la ley de Hubble-Lemaitre). Basado en las observaciones de Hubble de galaxias cercanas, calculó que el Universo se estaba expandiendo a una velocidad que aumentaba sistemáticamente con la distancia.

Esto dio lugar a la idea de que el Universo comenzó a expandirse desde un volumen de espacio mucho más pequeño. En ausencia de aceleración / desaceleración -500 km/s por Megaparsec-, la Constante Hubble significa que toda la materia se ha expandido durante aproximadamente 2 mil millones de años, lo que también sería la edad superior del Universo.

Ilustración de la profundidad por la cual el Hubble imaginó galaxias en iniciativas anteriores de Deep Field, en unidades de la Era del Universo. Crédito: NASA y A. Feild (STScI)

Este hallazgo fue contradicho por la datación radiactiva, donde los científicos midieron la tasa de descomposición de los depósitos de uranio-238 y plutonio-205 en muestras de roca. Con este método, se estimó que las muestras de roca más antiguas (de origen lunar) tenían 4.600 millones de años. Otra incongruencia surgió como resultado de la teoría de la evolución estelar.

En resumen, la velocidad a la que se fusiona el hidrógeno en el interior de las estrellas (para crear helio) produce una estimación de la edad superior de 10 mil millones de años para los cúmulos globulares, las estrellas más antiguas de la galaxia. Además, no se pudo haber producido una evolución a grandes distancias en este modelo, lo que significaría que las fuentes de radio también que se conocen, como los cuásares o núcleos galácticos activos (AGN) serían uniformes en todo el universo.

También significaría que la constante de Hubble (calculada a principios del siglo XX) se mantendría constante. El modelo de estado estacionario también predijo que la creación constante de antimateria y neutrones daría como resultado aniquilaciones regulares y descomposición de neutrones, lo que llevaría a la existencia de un fondo de rayos gamma y un gas caliente que emite rayos X en todo el Universo.

 

Big Bang por la victoria

Sin embargo, las observaciones en curso durante las décadas de 1950 y 1960 condujeron constantemente a una acumulación de evidencia contra la Hipótesis del Estado Estacionario. Estos incluyeron el descubrimiento de fuentes de radio brillantes (también conocidas como quásares y radiogalaxias) que se descubrieron en galaxias distantes pero no en las más cercanas a nosotros, lo que indica que muchas galaxias se volvieron «silenciosas» con el tiempo.

Para 1961, las investigaciones de fuentes de radio permitieron realizar análisis estadísticos, lo que descartó la posibilidad de que las radiogalaxias brillantes se distribuyeran uniformemente. Otro argumento importante contra la hipótesis del estado estacionario fue el descubrimiento del fondo cósmico de microondas (CMB) en 1964, que el modelo del Big Bang predijo.

Combinado con la ausencia de un fondo de rayos gamma y nubes omnipresentes de gas emisor de rayos X, el modelo Big Bang se hizo ampliamente aceptado en la década de 1960. En la década de 1990, las observaciones con el telescopio espacial Hubble y otros observatorios también descubrieron que la expansión cósmica no ha sido constante en el tiempo. Durante los últimos tres mil millones de años, de hecho, se ha acelerado.

Esto ha llevado a varios refinamientos de la constante de Hubble. Según los datos recopilados por la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), la tasa de expansión cósmica se estima actualmente entre 70 y 73.8 km/s por Mpc con un margen de error del 3%. Estos valores son mucho más consistentes con las observaciones que ubican la edad del Universo en alrededor de 13.8 mil millones de años.

Materia y antimateria podrían parecer aniquilarse unos a otros. Crédito: NASA / CXC / M. Weiss

 

Variantes modernas

A partir de 1993, Fred Hoyle y los astrofísicos Geoffrey Burbidge y Jayant V. Narlikar comenzaron a publicar una serie de estudios en los que propusieron una nueva versión de la Hipótesis del Estado Estacionario. Conocida como la hipótesis del Estado cuasi-estable (QSS), esta variación intentó explicar fenómenos cosmológicos que la antigua teoría no tenía en cuenta.

Este modelo sugiere que el Universo es el resultado de focos de creación (también conocidos como mini-explosiones) que ocurren a lo largo de miles de millones de años. Este modelo se modificó en respuesta a los datos que mostraban cómo se acelera la tasa de expansión del Universo. A pesar de estas modificaciones, la comunidad astronómica todavía considera que el Big Bang es el mejor modelo para explicar todos los fenómenos observables.

Hoy, este modelo se conoce como el modelo Lambda-Cold Dark Matter (LCDM), que incorpora las teorías actuales sobre la materia oscura y la energía oscura con la teoría del Big Bang. A pesar de eso, la hipótesis del estado estacionario (y sus variantes) todavía es defendida por algunos astrofísicos y cosmólogos. Y no es la única alternativa al Big Bang…

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