Cómo poner el Universo en reversa y meterlo en una bola de billar

Voy a proponerles un ejercicio de imaginación, que probablemente muchos de ustedes, si han acudido a este blog por estar interesados en la ciencia y la astronomía, ya habrán realizado en algún momento. Traten de imaginar el tamaño del Universo. Tómense su tiempo (ahora mismo, si lo tienen). Piensen en todas las estrellas que hay ahí afuera, en todas las colosales galaxias con miles de millones de estrellas cada una, en el espacio interminable que separa a cada una de estas, en los cúmulos de galaxias, en los filamentos que entrelazan el universo y su estructura a gran escala. ¿Bien? ¿Han conseguido obtener una imagen (probablemente abrumadora) de lo inmenso que es el universo? Bueno, pues resulta que tengo malas noticias: no han estado ni cerca.

¿Piensan que es injusto que les haya dado solo una oportunidad de utilizar su imaginación? Pues bien, pueden intentarlo nuevamente si desean. ¿Quieren tomar todo eso que han imaginado previamente y llevarlo al doble de tamaño? Malas noticias: aún ni cerca del tamaño del universo. ¿Multiplicar ese tamaño por cien? ¿O por mil, o por un millón, o cientos de miles de millones de veces? Adivinen: ni cerca aún. Y resulta que cuando se trata de imaginar algo tan inmenso como lo es el propio universo, nuestra imaginación se queda corta en exceso. Lo mismo sucedería si tratásemos de imaginar algo tan pequeño como lo es un núcleo atómico, o un evento tan caótico y energético como una supernova o el mismo Big Bang.

Intentemos ahora imaginar las condiciones iniciales del universo, pocos momentos después de que se produjese la Gran Explosión, cuando lo que ahora es todo el universo observable, con más de 400.000 millones de galaxias, cada una de las cuales contiene 400.000 millones de estrellas, cada una de ellas con una masa un millón de veces mayor que la Tierra, abarcaba un volumen de una bola de billar [1] aproximadamente. Seguramente nos enfrentaríamos a las mismas dificultades, puesto que todo esto excede por mucho a lo que podemos llegar a recrear en nuestro (limitado) cerebro. Sin embargo, utilizando una serie de analogías y analizando el proceso paso a paso, podemos tratar de darle algún sentido a todo aquello que escapa a nuestra imaginación.

Imagen de la estructura a gran escala del Universo, la cual se ha obtenido del catálogo 2MASS, con más de 1.5 millones de galaxias y el Point Source Catalog (PSC), cerca de 500 millones de estrellas en la Vía Láctea. Créditos: IPAC/Caltech.

Bien sabemos hoy en día que el universo se expande. Y no sólo eso, lo hace a un ritmo acelerado, de modo que a nivel general todas las galaxias se alejan las unas de las otras cada vez más rápido. ¿Qué sucedería entonces si presionásemos el botón de retroceso del “control remoto cósmico” para volver progresivamente el tiempo hacia atrás? Esto provocaría que todas las galaxias comenzaran a aproximarse las unas a las otras, hasta que en cierto punto todas las galaxias y todas las estrellas se encontrarían comprimidas en un volumen increíblemente reducido. Cerca del final del recorrido, todo el material que conforma al universo actual estaría compactado en un espacio del tamaño de una bola de billar.

Vamos entonces a fusionar conocimientos en astronomía con algo de imaginación y ciertas analogías muy útiles, de manera tal que podamos visualizar, de la forma más precisa y sencilla posible, el proceso a través del cual podemos comprimir, paso a paso, todo el universo actual dentro de una pequeña bola de billar. ¿Listos para presionar el botón de retroceso de nuestro control remoto cósmico y convertir a nuestro universo en una especie de matrioska colosal? ¡Vamos!

Animación que simula la convergencia de diferentes galaxias en un solo punto, en el proceso conocido como Big Crunch.

Nuestro primer paso comienza con nuestra estrella madre, el Sol. Este cuenta con una masa casi un millón de veces mayor que la de nuestro planeta, aunque su densidad media no es muy diferente a la de la Tierra. Si comprimimos el Sol reduciendo su radio diez veces, de modo que equivalga a diez veces el de nuestro planeta, entonces éste si pasa a ser mucho más denso que cualquier planeta del Sistema Solar. Si tuviésemos la posibilidad de tomar una cucharada de su materia, la misma pesaría entonces varios kilogramos. Pero no nos detengamos ahí, comprimamos al Sol diez veces más. Esto nos daría como resultado un objeto del tamaño de la Tierra, pero con una masa un millón de veces mayor; cada cucharada de materia pesaría entonces varias toneladas. Sigamos comprimiendo a nuestra ya muy apretada estrella, ahora unas 1.000 veces más. Su radio sería entonces de unos seis kilómetros, el tamaño de una ciudad pequeña, y una cucharadita de materia de este bizarro objeto pesaría 1.000 millones de toneladas.

Con semejante nivel de compresión y a tales densidades, ya los átomos no pueden ser considerados como tales. Como bien sabemos, en condiciones normales un átomo está compuesto por un núcleo denso formado por partículas llamadas protones y neutrones que, a su vez, están formadas por partículas elementales más pequeñas llamadas quarks. En el núcleo atómico se concentra el 99,9% de la masa total del átomo. Está rodeado por una nube de electrones que ocupan un espacio cuyo radio es más de 10.000 veces el del núcleo, y se encuentran esparcidos en un volumen que es aproximadamente un billón de veces mayor que el volumen del núcleo.

Cuando comprimimos el Sol y toda su materia al tamaño de una ciudad pequeña, lo que estamos haciendo es comprimir los átomos hasta el punto de empujar a las nubes de electrones a meterse dentro de los núcleos, los cuales a su vez se tocan unos a otros. Bajo estas circunstancias, podríamos considerar entonces a la masa entera del Sol como un gigantesco núcleo atómico. Eso podría parecer algo surrealista, pero sucede todo el tiempo en nuestro universo, cuando el núcleo interior de cierto tipo de estrellas llega al final de su vida en un estado semejante. Las estrellas de neutrones, uno de los objetos más exóticos del universo, poseen masas gigantescas tan comprimidas que los protones y electrones se fusionan, y la estrella queda íntegramente constituida por neutrones.

Representación artística de una estrella de neutrones, exótico objeto donde la materia se encuentra tan comprimida, que los protones y electrones de los átomos se fusionan formando neutrones.

Vamos a seguir comprimiendo. Tomemos ese gigantesco núcleo atómico comprimido que en algún momento fue el Sol, y continuemos comprimiéndolo otras 100.000 veces más, de manera tal que una cucharada de materia pese un millón de trillones de toneladas: ¡la masa de 1.000 Tierras! Lo que antes era el Sol se encuentra ahora comprimido en el tamaño de una pelota de básquet.

Sin embargo, como dijimos al inicio del artículo, hay unos 400.000 millones de Soles en nuestra galaxia, y al menos la misma cantidad de galaxias en el universo observable. Si comprimiéramos cada estrella al tamaño de una pelota de básquet (como lo hicimos con nuestro Sol) y las colocáramos a todas muy apretadas en el mismo lugar, aún así seguirían abarcando un volumen tan grande como el de la Tierra. Como dato curioso, podríamos decir de manera análoga que en la Tierra caben tantas pelotas de básquet como estrellas hay en el universo observable.

Tenemos entonces una cantidad inimaginable de pelotas de básquet, tantas como para llenar el volumen de todo nuestro planeta, y sólo una cucharadita de una de esas pelotas pesa tanto como 1.000 Tierras. El objeto resultante de todo esto tiene una masa 160.000 trillones de veces más que la masa del Sol. Vamos a dar otro gran paso: comprimamos una vez más toda esa masa, achicando su radio otros diez millones de veces. Ahora tenemos la materia de todo el universo actual contenida en un espacio del tamaño de una bola de billar. La masa de una sola cucharada de este espectacular objeto equivale a la de un millón de galaxias, que suponen una masa total un trillón de veces mayor que la de nuestro Sol.

Todas las galaxias, estrellas y demás objetos surgieron de una singularidad en el momento del Big Bang. Si invertimos la flecha temporal, toda esa materia debería converger en un solo punto. Créditos: NASA, ESA, and A. Feild (STScI).

¿Otras consecuencias espectaculares de esta increíble compresión? En el espacio que habitualmente ocupa un único núcleo atómico, encontraríamos contenida una cantidad de materia superior a la de la ciudad de Nueva York. En el espacio habitualmente ocupado por un único átomo (núcleo más nube de electrones) la cantidad de materia sería casi la masa de todo el planeta Tierra.

Otro aspecto espectacular se refiere a la energía que contendría dicho objeto híper-comprimido. Cuando se comprime la materia, la energía que se aplica sobre ella la calienta. La energía total se halla en forma de energía radiante emitida y absorbida por las partículas calientes. Un objeto con tan increíble nivel de compresión estaría infinitamente caliente, sería infinitamente energético y su energía estaría dominada por la energía de radiación. Así, mientras que en el espacio que hoy ocupa normalmente un único átomo la materia contenida tendría una masa comparable a la de la Tierra, la cantidad de energía efectiva contenida en ese mismo espacio, incluyendo la energía de radiación, correspondería a la energía de todo el universo observable actual. ¡El Universo en un átomo!


Notas:

[1] ¿Por qué una bola de billar?
La razón de que retrotraigamos la historia hasta el momento que el universo tenía el tamaño de una bola de billar, y no al momento mismo del Big Bang (t=0) es que ese instante sigue envuelto en misterios que superan nuestro alcance científico actual. Además, para poder comprender las circunstancias y las analogías, tampoco es necesario llegar al punto t=0.
Por otro lado, el autor original de la mayoría de las analogías, Lawrence M. Krauss (ver fuentes) utiliza en su libro una “pelota de béisbol”. Para mi explicación he decidido reemplazarla por un “bola de billar” por dos motivos: en primer lugar, el béisbol no es un deporte predominante en mi país, y en segundo lugar, me gusta el billar.

Fuentes:

• Atom: A Single Oxygen Atom's Journey from the Big Bang to Life on Earth...and Beyond. Lawrence M. Krauss. 2002.