¿Por qué el espacio no está vacío "del todo"?

La existencia —y aun la omnipresencia— del vacío, ya sea a escala del cosmos (con el célebre "vacío intrasideral") o del átomo, es ya una evidencia para la ciencia moderna. Hoy cuesta imaginar que esta idea haya tardado tanto en imponerse. 

El astrofísico Trinh Xuan Thuan recrea  en La plenitud del Vacío la gran odisea del vacío. En este fragmento que compartimos en Letras Kairós entramos en uno de los múltiples matices de su reveladora obra: ¿cuál es la naturaleza del espacio más allá de nuestro planeta?

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Hemos visto que el aire no está vacío debido a la atmósfera terrestre. Sin embargo, se plantea una pregunta: ¿cuál es la naturaleza del espacio más allá de nuestro planeta? ¿Está totalmente vacío o alberga materia? En realidad, la Tierra está rodeada de un casi vacío. En el transcurso de su viaje de 384.000 kilómetros hacia la Luna, los astronautas de las misiones Apolo atravesaron más materia durante los primeros diez kilómetros de la capa atmosférica sobre la Tierra que en el resto de su viaje. Sin embargo, el universo no está vacío.

Hoy sabemos que la materia luminosa del universo observable está repartida en cientos de miles de millones de galaxias, y que cada una contiene en torno a 100.000 millones de soles alrededor de los cuales gravitan planetas.

La densidad media de una estrella como el Sol o de un planeta como la Tierra es del orden de un gramo por centímetro cúbico, es decir, en torno a un billón de billones (1024) de átomos por centímetro cúbico, incomparablemente más que la densidad media de materia en el universo. En efecto, si repartimos uniformemente toda la materia luminosa de los 100.000 millones de galaxias en el volumen total del universo observable, obtendremos 0,025 átomos de hidrógeno por metro cúbico, es decir un espacio más vacío que los vacíos más extremos que podemos crear en la Tierra (del orden de cien millones de átomos por metro cúbico). Pero la materia luminosa solo constituye el 0,5% del contenido en masa y energía del universo.

En efecto, existe en torno a diez veces más materia (4,5%) que no brilla en absoluto y que se conoce como «materia oscura ordinaria». Se la llama «ordinaria» porque está constituida por los mismos elementos (protones, neutrones y electrones) que la materia que compone los objetos de la vida cotidiana, como un libro o un macetero.

Sin embargo, este inventario está muy lejos de estar completo. También sabemos que existe un 27% de materia oscura «exótica», así llamada porque no está formada por la misma materia ordinaria que constituye nuestro cuerpo y las amapolas de los campos. Aunque esta materia exótica no brilla y es totalmente invisible, los astrónomos han deducido su presencia a partir de la gravedad que ejerce sobre la materia luminosa. Su naturaleza sigue envuelta en misterio: privados de luz, los físicos están literalmente a oscuras.

Hasta aquí hemos hecho el inventario del 32% del contenido del universo (0,5% de materia luminosa, 4,5% de materia oscura ordinaria y 27% de materia oscura exótica). ¿Qué ocurre con el 68% restante? No está constituida de materia, sino de una energía oscura que engendra una fuerza de antigravedad responsable de la aceleración de la expansión del universo.

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Su naturaleza es del todo misteriosa [24] lo que quiere decir que, pese a todos nuestros conocimientos, ¡el 95% del contenido del universo nos resulta desconocido! Una hermosa lección de modestia.

¿Qué ocurre entonces con el vacío del espacio si tenemos en cuenta la presencia de la materia oscura ordinaria y exótica y de la energía oscura?

La densidad media del universo es entonces de cinco átomos por metro cúbico (se habla de «densidad crítica»), es decir, ¡un espacio que sigue estando decenas de millones de veces más vacío que todos los vacíos que podemos producir en la Tierra!

Hemos repasado la materia que contiene el universo. Pero ¿qué pasa con su contenido en términos de radiación? El espacio interestelar e intergaláctico también está lleno de luz que baña el universo entero y que forma lo que llamamos un «fondo difuso» de radiación. La mayor parte (en torno al 90%) del contenido energético de este fondo difuso proviene de la radiación fósil, la luz primordial que nos llega de la noche de los tiempos, de un período fechado en unos 380.000 años después del big bang. A la radiación fósil se añaden otros tipos de radiación difusa procedente de galaxias y de estrellas.

Desde los rayos gamma, producidos por los violentos cataclismos explosivos de estrellas masivas, a los rayos X, engendrados por el gas caliente de los discos de acreción alrededor de los agujeros negros supermasivos que pueblan el corazón de cuásares y galaxias con núcleos activos, a la luz infrarroja emitida por las partículas de polvo calentadas por la radiación energética de estrellas jóvenes y masivas, a las ondas de radio producidas por los electrones libres que giran a una velocidad próxima a la de la luz alrededor de líneas de campo magnético incluidas en las galaxias, sin olvidar la luz visible y ultravioleta emitida por el conjunto de estrellas y galaxias.

Sin embargo, todas estas fuentes luminosas suplementarias solo añaden una pequeña contribución al fondo difuso (en torno a una décima parte de la contribución de la radiación fósil). En total, el aporte de todas las fuentes de luz al contenido energético del universo solo representa una diezmilésima parte del aporte de la materia. Por consiguiente, es del todo desdeñable. Vivimos en un universo cuyo comportamiento viene esencialmente dictado por la cantidad de materia que contiene. La densidad de la luz fue superior a la de la materia durante los 50.000 primeros años del universo y durante este período imperó la radiación. Sin embargo, más tarde la materia pasó a primer plano y la luz dejó de tener voz en cuanto al control de la expansión del universo. Así pues, como media, el universo está extremadamente vacío. ¡Esto es así porque es inimaginablemente grande! [25].

Podríamos decir que la inmensidad del universo es lo que ha permitido nuestra existencia

En efecto, somos polvo de estrellas, y el universo necesita tiempo para que las estrellas nazcan, realicen su alquimia nuclear y mueran en gigantescas explosiones conocidas como «supernovas». Estos cataclismos explosivos de estrellas masivas expulsan al medio interestelar de las galaxias residuos de estrellas enriquecidos con elementos químicos pesados resultantes de la fusión nuclear en el corazón de las estrellas. También es necesario tiempo para que este polvo de estrellas se reúna bajo el efecto de la gravedad, a fin de originar los planetas que un día albergarán la vida y la conciencia. Todos estos procesos físicos necesitan al menos muchos miles de millones de años. Hace unos 13.800 millones de años, el big bang lanzó el universo a una fulgurante expansión a partir de un estado extremadamente pequeño, caliente y denso. Desde entonces, el universo no ha dejado de crecer y diluirse. Eso explica por qué en el presente está tan vacío. No estaríamos aquí para hablar de ello si estuviera menos vacío. Por lo tanto, el vacío está relacionado con la vida.

Pero la cuestión subsiste: ¿el espacio está totalmente vacío en los lugares donde la materia no está presente? Una idea de más de veinte siglos de antigüedad ha obsesionado largo tiempo a la mente humana: la idea del éter, introducida por Empédocles en el siglo V a.C. y más tarde recuperada por Aristóteles.

Esta «quinta esencia» sería más ligera que todas las sustancias conocidas (aire, agua, tierra y fuego) y bañaría todo el universo. Llenaría el espacio independientemente de la presencia de materia. ¿El espacio más allá de nuestro planeta estaría lleno de esta sustancia invisible? Como hemos visto, voces influyentes como la de Descartes se alzaron contra esta hipótesis. Para el autor del Cogito, un espacio que no contiene materia no puede existir. La publicación de la teoría de la gravitación universal del inglés Isaac Newton en la segunda mitad del siglo XVII y los trabajos de su compatriota James Maxwell sobre las ondas electromagnéticas en el siglo XIX relanzaron el debate a propósito del éter.

Notas:

24. Para una descripción detallada del contenido en masa y energía del universo, véase mi obra Deseo de infinito, op. cit.

25. La radiación del universo observable es de 47.000 millones de años luz.

Imagen de portada: Jeremy Bishop.