La armonía del universo

Empezamos por el final y usando jerga matemática. Corolario: la mejor forma de entender cómo se formó y ha evolucionado el universo es estudiando física y música. Conclusión: toda la evolución del universo está escrita en la melodía armónica de la radiación cósmica de fondo, “solo” hay que saber transcribirla a una partitura para entender el cosmos. Ahora los detalles.

¿Qué es el sonido? El sonido es una vibración que se propaga como una onda (acústica) por un medio. Se puede crear haciendo vibrar la cuerda de un instrumento musical, un violín, por ejemplo, que traslada el movimiento oscilatorio de sus cuerdas a las moléculas del aire, la onda viaja hasta nuestros oídos, donde hace vibrar nuestro tímpano, que provoca una señal nerviosa y, finalmente, nuestro cerebro interpreta esa señal. 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, además de los extremos, y los 2 puntos de la cuerda situados a una distancia de un cuarto de la longitud de la cuerda moviéndose periódicamente. Es lo que se conoce como un armónico, el segundo, para ser concretos, el primero era lo que hemos llamado frecuencia fundamental. Hay infinitos armónicos, solo tenemos que dividir la cuerda en 3 partes iguales, 4, 5,... N partes, y crear una vibración que deja N+1 puntos fijos mientras que se mueven arriba y abajo los demás puntos de la cuerda, N de ellos alcanzando distancias máximas a la posición de reposo.

¿Qué es la música? La frecuencia fundamental de la cuerda de nuestro violín corresponde a una nota musical. El segundo armónico es otra nota diferente, separada una octava. El tercer armónico es otra, una quinta por encima de la anterior, el cuarto es otra octava, y así sucesivamente. Con distintas cuerdas y distintas formas de vibración se pueden crear todas las notas musicales que se nos pasen por la cabeza. Lo normal, eso sí, es que una cuerda de violín no vibre siguiendo un armónico único perfecto, es difícil conseguir esa pureza de movimiento, sino que se combinen varios, cada uno con distintas intensidades. La combinación de los armónicos es algo que distingue a unos instrumentos de otros, o a unas voces de otras, es lo que se llama timbre.

¿Cómo se construye una melodía? Cada cuerda con su conjunto de armónicos, cada instrumento con su timbre y con su intensidad, unos tocando más alto y otros, más bajo, se pueden combinar y formar un conjunto ordenado de sonidos musicales. Ese conjunto acaba teniendo entidad propia, un sentido y provoca una sensación agradable al que la escucha (y la “entiende”, subjetivamente).

El universo está lleno de fotones provenientes de sus orígenes, cuando solo tenía 370.000 años de edad (equivalente al primer día de vida para una persona que llega a los 100 años), que han sobrevivido hasta hoy y han sido testigos de todo lo que pasó después

¿Qué tiene esto que ver con el universo? El universo está lleno de fotones provenientes de sus orígenes, cuando solo tenía 370.000 años de edad (equivalente al primer día de vida para una persona que llega a los 100 años), que han sobrevivido hasta hoy y han sido testigos de todo lo que pasó después. Es lo que se llama radiación cósmica de fondo, CMB por sus siglas en inglés, y su descubrimiento fue el primer gran espaldarazo a la teoría del Big Bang. Esa radiación fue creada por el propio universo, que se comporta como cualquier objeto, emitiendo fotones con unas características (número, frecuencias, intensidad) que dependen de la temperatura. Cuando el universo creó esa radiación estaba a unos 3000 grados. Hoy, por el efecto de la expansión del espacio-tiempo, el universo se ha enfriado, de modo que la temperatura que medimos para él estudiando esa radiación cósmica de fondo son 2.7255 grados Kelvin, equivalente a -270.4245 grados centígrados, ¡mejor coger una rebequita para irse por el espacio exterior!

Y aquí aparece la música del cosmos. De manera parecida a cómo se puede dividir el sonido de una cuerda de violín en armónicos lineales, cada uno con una intensidad específica, la distribución de la temperatura de la radiación cósmica de fondo en el cielo sigue un patrón (complicado, no lo vamos a negar) y se puede dividir en armónicos esféricos. En física solemos llamar a esos armónicos momentos multipolares, se usan muchísimo, desde la mecánica cuántica hasta el estudio de la gravedad planetaria, y los representamos por la letra l (con un tipo de letra muy de caligrafías Rubio), que toma valores enteros entre 0 e infinito. El valor l=0 equivale a una constante: en primera aproximación 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 simetría en alguna dirección, y efectivamente la CMB muestra una temperatura un poco más caliente, ¡diezmilésimas de grado!, hacia una orientación y más fría 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 armónicos existentes en la radiación cósmica de fondo, se puede hacer lo que se conoce como cosmología de precisión

Estudiando todos los momentos multipolares y construyendo un espectro de potencias, que es un estudio de las intensidades de todos los armónicos existentes en la radiación cósmica de fondo, se puede hacer lo que se conoce como cosmología de precisión. A día de hoy hemos conseguido conocer la distribución espacial en el cielo (mejor dicho sería, entonces, angular) de la temperatura de la CMB con una precisión del orden de las decenas de microgrado Kelvin y hasta momentos multipolares del orden de l=2500, ¡espectacular! Y lo que es más importante, se puede ajustar esa distribución con un modelo cosmológico que incluye parámetros medibles como la velocidad a la que se expande el universo, su edad, la cantidad de materia oscura que hay, la cantidad de energía oscura y sus propiedades, el momento en el que se creó la radiación cósmica de fondo, la velocidad a la que el Sol se mueve con respecto a todo el universo, o cómo era el universo antes de que se formaran la CMB o incluso más allá de nuestro universo observable, la propia geometría y topología del universo. Con todos esos parámetros reproducimos el espectro de potencias de una manera extremadamente minuciosa.

Concluimos ya: la CMB es la perfecta melodía del universo, lo tiene todo, alcanza el mayor grado de información gracias a su timbre original y la distorsión 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 armónicos esféricos. Solo hay que tener telescopios potentes para transcribir la partitura y modelos físicos del universo para interpretarla. Después únicamente queda disfrutar de la música que proporciona el conocimiento del cosmos.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vacío Cósmico es una sección 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 científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

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