La Cosmología es una rama de la ciencia que se encarga de estudiar el universo en su totalidad, su origen, estructura y naturaleza. Como campo específico de la Astronomía, la cosmología se pregunta por los principios fundamentales que rigen el funcionamiento del universo, cuáles son sus características, su evolución y movimiento, cómo fue en el pasado y cuál será su futuro.
La Cosmología, como campo amplio del conocimiento del universo, involucra múltiples disciplinas científicas, las cuales se encargan de estudiar diferentes aspectos y características del universo como la Astronomía, que estudia los cuerpos celestes y su dinámica de movimiento e interacción; la Física, que estudia los principios y las fuerzas fundamentales que rigen el universo; o la Astrofísica, que se encarga de la composición, aspecto y estructura de los fenómenos cósmicos.
La cosmología física se ocupa de estudiar el universo observable, es decir, aquellos aspectos del universo que sean susceptibles de ser capturados con telescopios en un observatorio astronómico, o por satélites espaciales que puedan medir u observar las distintas áreas del espacio cósmico. Por otra parte, la cosmología teórica busca desarrollar conceptos que ayuden a explicar el aspecto no observable del universo, como aquellos que aún no han sido capaces de ser capturados por la tecnología científica de actualidad, por ejemplo la «materia oscura» o la «energía oscura».
No obstante, el concepto de cosmología suele utilizarse, también, en un sentido no científico, para referirse a la visión del universo que una cultura o civilización desarrolla del mundo en el que vive, es decir, el estudio y el conocimiento que las distintas culturas elaboraron del universo, su estructura, su origen y naturaleza. Así, pueden existir diferentes cosmologías según cada civilización y según cada momento de la historia. Por ejemplo, son distintas la cosmología antigua, la cosmología moderna y la cosmología contemporánea; así como también la cosmología griega, maya o egipcia.
Etimológicamente, la palabra «cosmología» está compuesta por dos términos griegos: cosmos (universo, orden), sumada a la terminación «logía» que refiere a logos (estudio, ciencia, conocimiento), dando con el concepto de ciencia del universo. El término fue utilizado por primera vez en 1731 por el filósofo alemán Christian Wolff en su libro Cosmología generalis.
Índice de temas
Tipos de cosmologías.
A partir del desarrollo y evolución del concepto de cosmología a lo largo de la historia, podemos discernir entre tres tipos generales de cosmología según al área que pertenezcan y el momento de la historia en que se pensaron: cosmología mítica, la cual proviene de los relatos mitológicos antiguos y corresponde a la primera etapa del conocimiento humano; luego, la cosmología filosófica, se pregunta racionalmente por el universo e involucra tanto a la física como la metafísica; y la cosmología científica o cosmología física, la cual estudia el universo según los patrones y modelos cosmológicos de la ciencia moderna.
- Cosmología mítica: Corresponde a los orígenes del pensamiento cosmológico. En esta etapa la visión del universo es de carácter imaginaria y las explicaciones de los fenómenos cósmicos recurren a dioses y acontecimientos mágicos para entender el mundo. Sin embargo, es en este período de la historia que surgieron las preguntas fundamentales acerca del universo, su origen, naturaleza e historia: ¿Cómo se originó el cosmos? ¿Existió siempre o fue creado? ¿Qué había antes del principio? ¿El universo es eterno o tiene un final? Estos y muchos otros interrogantes sobre el universo sentaron las bases de la primera cosmología humana. Hablar de todas las cosmologías que el mundo antiguo ha producido a lo largo de la historia en cada una de las civilizaciones es una tarea que excede los límites de este artículo, pero podemos mencionar, a modo de ejemplo, grandes cosmólogos como los egipcios, los mayas y los griegos.
- Cosmología filosófica: Corresponde al período del surgimiento de la filosofía y el cambio de un pensamiento mítico a un pensamiento racional. En esta etapa, los interrogantes sobre el universo intentan ser respondidos a través del uso de la razón, mediante la cual los primeros filósofos buscaron explicar los fenómenos de la naturaleza y el cosmos, a partir del cálculo matemático y la especulación racional. Ejemplos como el de Tales de Mileto, quién fue el primer occidental en predecir un eclipse, o la cosmología de Anaximandro, que comenzó a estudiar las estrellas y fue el primero en diseñar una imagen esférica de la bóveda celeste, o el caso de Demócrito y su universo compuesto de átomos y vacío, son algunos ejemplos entre muchas otras cosmologías filosóficas de la antigüedad.
- Cosmología científica: También denominada cosmología física, responde al modelo cosmológico de la ciencia moderna y contemporánea, la cual se basa en la Física y la Astronomía como ciencias fundamentales para el estudio del universo observable a partir de los métodos científicos y las diversas herramientas tecnológicas de observación astronómica. La cosmología moderna estuvo signada por las leyes de la física newtoniana. La cosmología contemporánea tiene sus inicios en la cosmología relativista de Albert Einstein a principios del siglo XX, a partir de la cual se desarrollaron múltiples interpretaciones acerca del origen del universo (teoría del Big Bang), su expansión, su edad, su evolución y su futuro. La cosmología científica continúa en estado de investigación y avance de sus teorías y postulados, dando con constantes renovaciones y replanteos de los modelos cosmológicos, a partir de los cuales se intenta dar una respuesta científica para los interrogantes fundamentales acerca del universo.
Desarrollo y conceptos de la cosmología científica.
Podemos establecer el nacimiento aproximado de la cosmología física a partir de los avances y descubrimientos científicos que se sucedieron durante el siglo XX, principalmente a partir de la revolución que causó en la física teórica la Teoría de la Relatividad General del físico alemán Albert Einstein, que junto a la Teoría del Big Bang de Georges Lemaitre, ofrecieron el primer modelo cosmológico contemporáneo que busca explicar el origen del universo, las leyes físicas que lo rigen y su posible evolución y expansión. A continuación realizaremos un seguimiento de las principales teorías y conceptos de la cosmología física a lo largo de su historia y desarrollo:
Teoría de la relatividad general (1915-1916).
Es un modelo físico-matemático del universo propuesto por Albert Einstein, el cual desarrolla una teoría física para explicar el campo gravitatorio y la relatividad especial en un nivel cosmológico, es decir, a escala general del universo. Einstein elaboró esta teoría para unificar el principio de relatividad de un observador arbitrario y la teoría de la relatividad especial, de la cual se deriva la relatividad general. La teoría propone que el campo espacio-temporal se ve afectado por la presencia de materia, la cual produce una curvatura espacio-tiempo, es decir, que los cuerpos con masa, debido a su densidad, producen una curvatura en el campo cosmológico, donde el espacio y el tiempo se doblan, razón por la cual la percepción del tiempo para un observador arbitrario (situado en cualquier punto del universo), dependerá del nivel de curvatura a la que fuerce la gravedad de la masa del objeto más denso en el que el observador se encuentre. De manera que, en un sentido general, la percepción del tiempo será relativa a la gravedad que ejerza la masa de los objetos cósmicos (planetas, estrellas, galaxias, agujeros negros, etc.), en el campo espacio-tiempo.
Por lo que podemos definir a la relatividad general como una teoría del movimiento, la materia y el espacio-tiempo, válida para cualquier observador en el universo, a esto se lo conoce como el principio de equivalencia, que hace de nexo entre la relatividad especial y la relatividad general. De esta manera, Einstein revoluciona el concepto de gravedad newtoniano, al descubrir el mecanismo que opera tras esta fuerza. Según la relatividad general, la gravedad no sería una fuerza, sino una característica del espacio curvo del universo, el cual provoca la aceleración en caída de los cuerpos. El espacio se curva en sí mismo y provoca el impulso que lleva a los cuerpos a la caída acelerada, como un movimiento en ausencia de fuerzas, en «caída libre».
Por otra parte, una vez terminada su teoría de la relatividad general, Einstein agrega la constante cosmológica (1917), una ecuación propuesta para explicar la posibilidad de un universo estático, la cual modifica la ecuación original de la relatividad general. Pues, al introducir la constante cosmológica, Einstein obtiene un universo estático, es decir, un universo eterno temporalmente y finito en el espacio, donde el radio del universo y la densidad de materia total se vinculan con la constante cosmológica, para dar con un campo gravitatorio de curvatura espacial con forma esférica. Sin embargo, los descubrimientos de Edwin Hubble sobre el desplazamiento al rojo (1929), contradecían la visión estática del universo y confirmaban las conclusiones de la ecuación original de la relatividad general, las cuales dan con un universo no estático, sino en expansión. A partir de entonces, Einstein abandonó la idea de la constante cosmológica y elaboró modelos de universo en expansión, como el modelo Friendmann-Einstein (1922) en el que Friedmann se dio cuenta que, al quitar la constante cosmológica, se lograban múltiples soluciones para concebir un universo en expansión; otro ejemplo es el modelo de Einstein de-Sitter (1932), donde el crecimiento del universo evoluciona con el tiempo.
Teoría del Big Bang (1927).
Es el modelo cosmológico más aceptado y unificado en la actualidad en la comunidad científica, el cual busca responder a la pregunta por el origen del universo. La idea de un universo que surgió de una densidad infinitesimal, comenzó a plantearse en 1927 a partir de los interrogantes del sacerdote y físico teórico Georges Lemaitre, quien observó que si el universo se mantiene en un estado de constante expansión, es posible remontarse a un momento en el pasado del cosmos, en el cual el universo se reduzca a un punto infinitesimalmente pequeño y altamente denso, a partir del cual se originó el impulso expansivo que aún hoy presenta el universo. Según el modelo estándar, el Big Bang sucedió hace aproximadamente 13.800 millones de años, en un punto de máxima densidad y alta temperatura que luego comenzó a expandirse y enfriarse, a partir del cual surgieron la materia, el espacio y el tiempo. La teoría se concentra en explicar el proceso de formación de las partículas elementales del universo durante los primeros 400 millones de años de su expansión, en los que el universo se enfrió y permitió la formación de átomos estables, a este proceso se lo conoce como nucleosíntesis primordial, y es estudiado en la física de partículas. Posteriormente, a partir del efecto de la gravedad, nubes de polvo que contenían los átomos primigenios comenzaron a agruparse y dar lugar al nacimiento de estrellas, y luego a la formación de galaxias.
A partir de estas observaciones, se pudieron aplicar las leyes físicas conocidas hasta entonces para explicar los fenómenos de formación y expansión del universo, hasta llegar al punto primigenio, al cual las leyes físicas ordinarias no aplican, por lo que a este punto inexplicable se lo llamó singularidad. Mediante las leyes de la relatividad general es posible explicar en retrospectiva el desarrollo del universo a partir de la dinámica gravedad/espaciotiempo, sin embargo, al llegar a la singularidad, las leyes de la relatividad pierden efecto, pues la física no puede explicar qué sucedió «antes» del Big Bang, ya que no existía un «tiempo» anterior al origen del tiempo. De manera que, al no haber campo, las leyes físicas del espacio-tiempo se vuelven obsoletas y se presenta la necesidad de elaborar una nueva teoría que explique mediante otros principios el fenómeno de la singularidad. En este sentido, se ha hablado de la posibilidad de una teoría de la gravedad cuántica, la cual, sin embargo, aún no ha sido completamente desarrollada por los científicos hasta el momento. De manera que, las investigaciones sobre estos problemas fundamentales de la cosmología física continúan desarrollándose hasta la actualidad, en múltiples disciplinas científicas.
Big Crunch.
Si el Big Bang representa la «Gran Explosión», el Big Crunch se corresponde con una «Gran Implosión». La teoría del Big Crunch es una hipótesis cosmológica que intenta predecir el destino final del universo, la cual consiste en pensar un universo cerrado con una cantidad límite de materia crítica, que al expandirse el universo, hace que este llegue a su propio límite de densidad y su expansión se ralentice y finalmente se detenga, para luego desatar una fuerza contraria a la expansión en la que el universo comienza a contraerse sobre sí mismo hasta cerrarse por completo, comprimiendo toda la materia cósmica, nuevamente, en una singularidad.
Sin embargo, los datos empíricos arrojados a partir de la observación de supernovas lejanas, indicarían que el universo no estaría ralentizando su expansión, sino, por el contrario, acelerándola. A partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, se pudo observar un fenómeno de aceleración en la expansión del universo. No obstante, debido a que es la energía oscura la que impulsa la fuerza gravitacional de aceleración, y a su vez, es un concepto que aún no ha sido probado satisfactoriamente, la aceleración cósmica aún es una teoría sujeta a modificaciones.
Teoría del estado estacionario.
Es una teoría cosmológica que intenta responder al problema de la disminución de la densidad del universo a medida que este se expande. En la teoría del Big Bang, la constante expansión del universo hace que la materia se disuelva, sin embargo, según la teoría estacionaria la disminución de densidad se compensaría a partir de la creación constante de materia. Por lo que, a medida que el universo se expande, su cantidad de materia se mantiene estable, dando con un universo que no cambia su apariencia. La idea de un universo estacionario, parte de la aplicación del llamado «principio cosmológico perfecto», según el cual la apariencia del universo se mantiene igual desde la perspectiva de cualquier punto del cosmos, es decir, que el universo es idéntico para cualquier observador, desde cualquier punto de vista en el espacio. Se lo llama «perfecto», ya que esta versión extiende el principio cosmológico espacial también al tiempo, en donde la equidad de la percepción del universo es idéntica también para distintos observadores en cualquier punto del tiempo.
Fondo cósmico de microondas.
Es un modo de radiación electromagnética, precisamente la radiación más antigua, la cual rodea todo el universo observable. Se la llama radiación cósmica de fondo ya que representa el «fondo del universo» visto desde nuestra perspectiva actual. La radiación de fondo de microondas muestra los residuos de la actividad electromagnética del origen del cosmos. Esta imagen fue captada por el espectrofotómetro de la NASA, y constituye una prueba empírica del Big Bang, ya que a partir de la captación de las microondas, se pudo detectar la emisión más antigua de la actividad electromagnética del universo en sus orígenes, comprobando las predicciones de la teoría del Big Bang, las cuales indicaban que el universo en sus orígenes fue una nube de plasma compuesto de fotones, electrones, protones y neutrones.
Universo inflacionario.
La teoría inflacionaria es un conjunto de postulados de la física teórica que buscan explicar el crecimiento y la expansión acelerada del universo. Según esta teoría, los niveles extremadamente veloces de crecimiento del universo tuvieron lugar en los primeros momentos de su formación. Es una teoría que se integra al modelo cosmológico estándar del Big Bang y fue pensada por el físico y cosmólogo Alan Guth en 1981, quien para explicar el problema del crecimiento acelerado propuso la existencia de una partícula hipotética: el inflatón, la cual sería la responsable de provocar la aceleración cósmica en el inicio del universo, lo que explicaría el estado de expansión actual y el problema del horizonte, que se plantea la pregunta de porqué, en la actualidad, la distribución de materia y radiación es homogénea en cualquier región del universo. De manera que, la inflación plantea un momento de expansión exponencial en los primeros instantes de la formación del universo que resolvería los problemas de las «condiciones especiales» del origen del universo.
La teoría inflacionaria recibe un gran respaldo empírico en el año 2014, cuando astrofísicos del BICEP2 expusieron la posible detección de ondas inflacionarias gravitacionales, las cuales podrían considerarse como un indicio de comprobación empírica de las propuestas teóricas de un universo inflacionario.
Estructura a gran escala del universo.
Se trata de la medición de porciones de materia y luz observables en el universo en la mayor escala posible (miles de millones de años luz). La cosmografía se encarga de establecer un mapeo del universo, en este caso, el mapa más grande del espacio cósmico, el cual ha sido posible gracias a las múltiples expediciones de observación espacial, que dieron lugar a la detección de radiación electromagnética en diferentes bandas de longitud de onda. Esto ha proporcionado gran cantidad de información acerca de la estructura y distribución del universo a escala macroscópica, en donde el universo se organiza y se distribuye en niveles jerárquicos de supercúmulo de galaxias, que desde una perspectiva global se ven como filamento cósmico, es decir, similar a una red de conexiones de luces y cúmulos de estrellas y galaxias que se conectan entre sí en el espacio. De manera que, el universo presenta una estructura que se organiza en sistemas de estrellas que se agrupan en galaxias, y a su vez, las galaxias se ordenan en cúmulos y supercúmulos, los cuales se mantienen separados en el inmenso vacío cósmico.
Fenómenos astrofísicos.
Supernova.
Una supernova es el estallido de una estrella. Cuando una estrella «muere», es decir, cuando agota su energía total, su fuerza gravitacional colapsa y se vuelve sobre sí misma. En este momento, la estrella explota y genera un fenómeno astrofísico que puede verse a simple vista desde distancias muy alejadas del espacio cósmico, debido a la cantidad de luz y radiación que emite la explosión de la supernova. Existen diferentes tipos de explosiones de estrellas según su magnitud y naturaleza: micronova, cuando explota la superficie de la estrella; nova, es el estallido de una estrella pequeña; supernova, la explosión de una estrella que tiene entre 10 a 25 veces más masa que el Sol; hipernova, cuando se produce la fusión de dos estrellas de neutrones.
Agujeros negros.
Un agujero negro es un fenómeno cósmico que, debido a una gran concentración de masa, genera una región del espacio en la cual la gravedad es tan densa que ningún objeto cósmico, incluyendo la luz, puede escapar a su fuerza gravitacional. Debido al nivel de gravedad que produce, el agujero negro atrae y absorbe todo lo que entre en contacto con su campo gravitatorio. La existencia de los agujeros negros fue predicha por el astrofísico y cosmólogo Stephen Hawking en 1970, a partir de conjeturar que los agujeros negros podían emitir un tipo especial de radiación la cual no proviene directamente del centro del agujero, sino de su círculo de acreción, es decir, del disco de materia en absorción que rodea el horizonte de sucesos. En el año 2017, se toma la primera imagen de un agujero negro supermasivo situado en el centro de la galaxia M87, en el que se puede observar la aureola que se produce alrededor del centro del agujero.
La curvatura espacio-tiempo de un agujero negro genera una singularidad en su centro la cual permanece cubierta y cerrada totalmente, conocida como horizonte de sucesos. Se lo llama así ya que al llegar a esta singularidad, las leyes de la física ya no aplican, y a parir de este punto, no tenemos herramientas para saber qué sucede más allá de él. El horizonte de sucesos es lo que divide al agujero negro y lo separa del resto del universo.
Los agujeros negros se originan a partir de un colapso gravitacional el cual es provocado por la «muerte» de una estrella (supernova), la cual debido a que agota su energía tras millones de años de combustión, la fuerza gravitatoria de la estrella se colapsa y comienza a ejercer fuerza sobre sí misma. La concentración de masa se vuelve tan poderosa que genera la gravedad suficiente para que se curve el espacio-tiempo y se produzca un agujero negro.
Agujero de gusano.
También llamado puente de Einstein-Rosen es un fenómeno hipotético cuya estructura presenta una topología especial, en la que la curvatura espacio-tiempo se dobla para conectar a dos regiones del universo cuya distancia cósmica en el tiempo y el espacio es enorme. Los agujeros de gusano se forman de manera similar a los agujeros negros, al estallar una gigante roja, esta se contrae sobre sí misma formando una estrella de neutrones, la cual se comprime de tal manera que absorbe su propia energía y se convierte en un agujero de gusano. La curiosidad de este tipo de agujeros cósmicos, es que su curvatura espaciotemporal es tan pronunciada que permitiría que dos regiones distantes del cosmos se unieran a través de un puente, por el cual sería posible el traspaso de materia. Esta posibilidad dio origen a pensar que los agujeros de gusano permitirían los viajes en el tiempo. Sin embargo, hasta la fecha, no se ha encontrado evidencia empírica de esta estructura planteada a partir de las ecuaciones de campo de Einstein, por lo que los agujeros de gusano aún son un elemento que forma parte del campo de la física teórica.
Multiverso.
En un nivel hipotético, se ha creado el concepto de multiverso para referirse a un conjunto de universos entre los cuales se encuentran mundos que son diferentes al nuestro. Muchas veces, la expresión se combina con la idea de universos paralelos, cada uno con sus propias leyes y sucesos, los cuales existirían paralelamente a nuestro universo sin que pudiéramos notar de ninguna manera su existencia. Lo cierto es que el concepto de multiverso es una hipótesis teórica de la cual existen diversas descripciones y versiones, pero de la que aún no se tiene evidencia científica alguna para confirmar su existencia. De manera que, el concepto ha sido utilizado tanto en la física como en la cosmología científica y la filosofía, pero también en la ciencia ficción, la literatura e incluso el cine.
No obstante, en la cosmología física existe la hipótesis del multiverso planteada por el cosmólogo sueco Max Tegmark, según la cual existen diferentes universos en distintos niveles de existencia más allá del universo observable, entre los cuales nuestro universo se situaría en el nivel VII. Tegmark elaboró una taxonomía de clasificación de universos a partir de la teoría de inflación cósmica, según la cual serían posibles múltiples universos con características y leyes distintas según el destino inflacionario que cada uno desarrolle. Así, Tegmark agrupó siete niveles de universos distintos, a los que llamó universos burbuja.
Citar este artículo
Aci, E. M. (20 de mayo de 2023). Definición de cosmología. Concepto, características, tipos y modelos cosmológicos. Definicion.com. https://definicion.com/cosmologia/
