El tiempo es la condena de muerte de la que nada se escapa, incluso el tiempo mismo tuvo un inicio y tendrá un final, en esta publicación intento explicar como será este final.
Anteriormente realicé una publicación, tratando de explicar el origen de todo lo existe, entendiendo por todo al universo, claro, mi idea fue, a grandes rasgos, presentar los sucesos ocurridos en los instantes posteriores al Big-Bang, no explicar literalmente el origen de todas las cosas, semejante tarea sería casi imposible.
Ahora me propongo tratar de explicar, de la forma más simple posible como, ese todo, acabará; explicar cómo ocurrirá el fin del universo.
Quizá el título de la publicación sea algo grandilocuente y no necesariamente preciso, pero según algunos de los escenarios que a continuación explicaré, podríamos referirnos al fin, no sólo de lo que existe, viéndolo desde el punto de vista de la materia, sino, del fin del espacio tiempo mismo.
Para entender cómo acabará el universo debemos recordar un concepto del que he hablado antes, la Energía Oscura, pues los posibles fines de éste, están estrechamente ligado a esta extraña, aunque abundante forma de energía, que parece estar causando la expansión del universo.
Según algunas estimaciones, aproximadamente el 70% del contenido energético del universo está formado por la Energía Oscura, una extraña forma de energía, asociada con el vacío cuántico. Resulta que en el mundo cuántico, el concepto de vacío, no es literal, pues como efecto del Principio de Incertidumbre de Heisenberg, en el vacío se crean pares de partículas y antipartículas virtuales, que posteriormente terminan aniquilándose mutuamente, pero como efecto de este proceso se generan fluctuaciones energéticas en los campos cuánticos, como si de olas en un estanque se trataran, estas fluctuaciones energéticas son lo que se denomina energía del vacío y es la principal candidata a ser la explicación de la Energía Oscura; pues a grandes distancias tiene un efecto de repulsión entre la materia bariónica (toda la materia que podemos tocar, ver y medir).
Además de la Energía Oscura existe un segundo factor que debemos tomar en cuenta, la densidad de materia del universo u Omega (Ω), el valor de este parámetro de las ecuaciones de Friedmann, las cuales describen la expansión del espacio, nos plantea tres posibles escenarios que describirían la geometría del universo y a partir de estos escenarios, los valores de la Energía Oscura, permitirían describir los posibles finales del universo.
Si Ω tiene un valor mayor a 1, el universo sería cerrado y tendría una geometría esférica. Este tipo de universo en ausencia de la energía oscura terminaría por colapsar sobre si mismo.
Si el valor de Ω es menor a 1, la geometría del universo sería abierta, curvándose sobre sí misma, pero sin cerrarse, para formar una superficie hiperbólica como una silla de montar.
El último valor posible de Ω sería el del equilibrio, igual a uno, en este caso su geometría sería plana, euclidiana.
En el caso de los dos últimos escenarios aun en ausencia de energía oscura el universo se expandiría, pero de forma no acelerada, causando que, por un periodo varible de tiempo las galaxias se alejen unas de otras sin mayores consecuencias. Mientras que, para los tres escenarios, la presencia de energía oscura conduciría a la expansión acelerada del universo, con diferentes consecuencias, según la cantidad de ésta que haya.
En primer lugar, examinaremos las posibilidades implicadas en caso de la no existencia de la energía oscura. En este caso es interesante examinar sólo el escenario 1, pues en los otros dos escenarios la expansión continuaría de forma uniforme, pero a la larga el resultado sería similar al planteado en uno de los escenarios que explicaré después.
Como consecuencia de una geometría esférica y en ausencia de la energía oscura, el universo se expandiría como efecto del Big-Bang, esta expansión se iría deteniendo, hasta revertirse efecto de la gravedad, con lo que el universo empezaría a contraerse.
Esta contracción llevaría el universo a revertirse hasta un punto, primero haciendo a las galaxias combinarse hasta formar una, en este proceso la temperatura media del universo se incrementará, provocando que cualquier planeta como la tierra pierda la posibilidad de liberar su exceso de calor al espacio, lo que acabará por eliminar cualquier posibilidad de vida.
Mientras más se contrae el universo, mayores serán las temperaturas hasta el punto donde las propias estrellas sean incapaces de liberar su calor y terminen estallando, de esta forma el universo se transformaría en una bola de plasma que se continuaría calentando hasta la desaparición de la mayoría de las partículas elementales, quedando sólo los cuarks, para finalmente ser toda forma de materia absorbida por los agujeros negros que finalmente terminarían por fusionarse todos y comprimirse en una nueva singularidad. Dando fin así al tiempo y el espacio.
La similitud de este estado, con el estado inicial del universo, da pie a una teoría complementaria, que es la del Big-Bounce (Gran rebote), la cual plantea que posterior al estado de singularidad llegado durante el Big-Crunch, seguiría un nuevo Big-Bang, con la consecuente creación de un nuevo universo, y que este proceso de nacimiento, muerte y renacimiento del universo, se habría estado repitiendo desde siempre, creando esto la pregunta de si el tiempo es infinito, pues este proceso implicaría una existencia permanente de esta dimensión.
Una de las objeciones que se presentan a este modelo, estaría en que contradice la segunda ley de la termodinámica, según la cual el universo, como sistema cerrado, tendería a un continuo incremento en su entropía. Por lo que no se podría pasar a un estado de mayor orden, lo que estaría implícito en la formación de una singularidad que contuviera al universo mismo, incluso, en algunas hipótesis, se ha llegado a proponer que la propia flecha del tiempo se revertiría, al iniciarse la contracción del universo y empezaríamos ver correr todo lo sucedido en reversa, desde un estado de mayor entropía, hasta el de mínima entropía que existía antes del Big-Bang.
Finalmente, como última objeción este modelo, datos actuales, parecen apuntar a que la geometría del universo debe responder a un Ω en equilibrio, es decir una geometría plana, por lo que este escenario estaría prácticamente descartado por la ciencia.
Ahora bien, tomando como supuesto que el universo es plano, primero debemos considerar la ausencia de energía oscura, en este caso, el universo seguiría expandiéndose, pero a un ritmo continuo sin aceleración, simplemente las galaxias se terminarían distanciando cada vez más, unas de otras, para posteriormente tener un final causado por la desintegración de los protones o el colapso de la materia, lo que se explicará más adelante. Sin embargo, esto no es lo que los actuales datos muestran, el universo estaría creciendo a ritmo acelerado, lo que indicaría la presencia de energía oscura.
Entonces dada la existencia de la Energía Oscura y su efecto acelerador de la expansión del espacio, existen dos posibles fines para nuestro universo, El Big-Freeze y el Big-Rip, veamos ahora brevemente en qué consisten estos escenarios, que hasta el momento parecen los más probables.
El Big-Freeze, o muerte térmica, es quizá el escenario más probable según las observaciones recientes de la sonda espacial WMAP y del Observatorio de Rayos X Chandra, sobre la cantidad de energía oscura del universo. El Big-Freeze, plantea el enfriamiento absoluto del universo, tras la desaparición de cualquier tipo de radiación, disipada en la descomunal dimensión de un universo completamente despoblado de cualquier forma de materia.
Este proceso de enfriamiento se daría en cuatro eras, que inician con la formación de las primeras estrellas después del Big-Bang, cuando el universo tenia no menos de un millón de años.
En esta era, predominan las estrellas, es la era en que vivimos, se supone que tendría una duración de unos 1014 años contados desde el Big-Bang. El Final de esta era ocurrirá cuando dejen de formarse estrellas por el colapso de acumulaciones de gas estelar. Con el tiempo la muerte de las estrellas, ocasionará que las nubes de gas y polvo que servirían de semillero para nuevas estrellas, tengan mayor predominancia de elementos pesados, esto traerá como consecuencia la formación de estrellas cada vez más pequeñas y frías, congeladas en términos estelares, su temperatura superficial pudiera ser similar a la de la tierra.
Llegará un momento en que las únicas estrellas que aun iluminen las galaxias sean las enanas rojas, que viven por periodos de tiempo muy prolongados y nunca alcanzan la etapa de gigante roja, logrando sólo en sus últimos momentos llegar a luminosidades y tamaños parecidos a nuestro sol. Algunas de estas estrellas muy probablemente estarán presentes hasta muy avanzado este escenario de fin del universo.
Durante este periodo se formarán grandes islas galácticas aisladas por inmensas distancias, el grupo local terminará colisionando, formando una única nube galáctica, a la larga lo mismo ocurrirá con el supercúmulo de virgo, que es atraído hacía en gran atractor. El grupo local, que, a diferencia del cúmulo de virgo, no está siendo atraído por el gran atractor, terminará alejándose de él hasta que no sea visible.
Ya a los 1011 años, no quedará prueba alguna del origen de nuestro universo, la radiación de fondo de microondas habrá desaparecido o será indetectable, dispersada por la expansión del universo
A finales de esta era, predominarán las enanas negras, las estrellas de neutrones y agujeros negros. Gigantescos agujeros negros gobernarán los centros de las nuevas nubes galácticas producto de las colisiones y consecuentes fusiones de los que habitaban las antiguas galaxias.
En esta era los objetos dominantes serán los restos densos de estrellas, enanas negras (los restos de las enanas blancas tras enfriarse por completo), estrellas de neutrones y agujeros negros. Se estima que esta era estará comprendida entre los 1014 y 1032 años, dependiendo del tiempo que tarden en desintegrarse los protones, si es que sucede.
Durante las primeras etapas de esta era, aun se producirán estrellas, pero sólo mediante las colisiones estelares, las enanas marrones, estrellas frustradas que no iniciaron la fusión nuclear podrían chocar produciendo una ocasional enana roja, que viviría por billones de años hasta colapsar en una enana blanca, de igual forma podrían generarse colisiones que involucren a enanas blancas o estrellas de neutrones dando lugar a estrellas que fusionen helio o carbono, que tendrían una vida corta, o a dar lugar a explosiones de rayos gamma e incluso a agujeros negros. Estos procesos de formación estelar se darían sobre todo en las periferias de los núcleos galácticos donde es mayor la densidad de objetos que puedan colisionar. Se estima que una galaxia como la formada por todo el grupo local podría llegar a tener por este proceso unas 100 estrellas que iluminaran su centro.
Al igual que lo ocurrido con las estrellas, también los agujeros negros empezarían a colisionar dando lugar a otros mayores, hasta que las nuevas y aisladas islas galácticas formadas por todas las galaxias que integraban los antiguos cúmulos y supercúmulos, se hayan convertido en gigantescos agujeros negros. Mientras esto ocurre los agujeros negros devorarían todos los cadáveres estelares que pueblen sus inmediaciones, dando lugar a cuásares que iluminarían los núcleos galácticos, esto duraría unos mil millones de años hasta que se hayan apagado y enfriado.
Las ondas gravitacionales, producto de todos estos impactos entre objetos super masivos, acabaría por desvincular cualquier sistema planetario que aun pueda existir, es posible que aun algunas enanas rojas de las que nunca alcanzan la fase de gigante roja, conserven aun planetas a su alrededor, éstos tal vez sean los únicos que sufran este fin, siendo expulsados de sus estrellas, muchos destruidos y algunos convirtiéndose en planetas errantes.
Incluso la materia oscura podría empezar a desaparecer producto de la colisión de sus partículas o al ser capturadas por la gravedad de los remanentes estelares. Esta alteraría la gravedad en el halo galáctico disminuyendo la masa de las galaxias y causando su expansión.
La culminación de esta era, vendría de mano de la hipotética desintegración de los protones, según algunos modelos de mecánica cuántica, esto podría ocurrir entre los 1032 y 1045 años, o incluso en un lapso aun mayor que podría llegar a los 10200 años.
La desintegración de los protones, conduciría a la desintegración de los núcleos atómicos y poco a poco a la desaparición de toda la materia, quedando únicamente los agujeros negros.
Podría ocurrir también que los protones no se desintegren nunca, esto conduciría a fenómenos aun más extraños, pues producto del efecto túnel, los sólidos terminarían comportándose como líquidos formando esferas por causa de la gravedad, a la vez este mismo efecto produciría fusiones nucleares, frías, que acabarían trasformando toda la materia que existe, a excepción de las estrellas de neutrones, en hierro, esto ocurriría en 101500 años, para finalmente todo terminar convertido en neutrones y finalmente colapsar en agujeros negros, esto ocurriría entre los 101026 y 101076 años.
Esta sería la era que vería morir los últimos objetos que tal vez aun queden de la era actual, los agujeros negros. Después de la desintegración de los protones o del colapso de la materia si no se llegasen a desintegrar los protones, los únicos objetos que quedarían en el universo serían los agujeros negros, los cuales al final, también terminaría desapareciendo producto de la Radiación de Hawking, un agujero negro con una masa solar podría tardar 1066 años en desaparecer, mientras que los más masivos que se conocen pueden tardar 10100 años, por lo que esta era no duraría menos que este tiempo, después de culminada la Era Degenerada. Una vez que hayan desaparecido los agujeros negros, no quedará en el universo ningún rastro de los que fueron las estrellas y galaxias, el universo estaría conformado sólo por algunas partículas.
Esta seria la última etapa del universo, antes de la eterna muerte térmica, en ella las temperaturas serían casi iguales al cero absoluto, la expansión del universo continuaría su rumbo indetenible, sólo existirían algunas partículas como los electrones y positrones, neutrinos y fotones y tal vez algunas partículas exóticas, con el tiempo electrones y positrones podrían aniquilarse mutuamente emitiendo rayos gamma, este proceso que terminaría por aniquilar todas las partículas existentes, podría durar un periodo de tiempo irrazonablemente prolongado, aunque también puede ser que nunca se llegue a la total muerte térmica.
Lo interesante de este periodo es que la escasez de procesos físicos podría dar lugar a que pierdan sentido las leyes físicas, y se pueda dar lugar a que los procesos de naturaleza cuántica que aún se manifiesten, tienda a dar lugar a procesos macroscópicos, incluso la posibilidad de que regiones del universo colapsen dando lugar a un nuevo Big-Bang, por supuesto esto no es más que mera especulación, pues no es posible determinar los procesos que dieron origen al Big-Bang ni que había antes de él
Según esta hipótesis, si la cantidad de energía oscura del universo es lo suficientemente grande, llegará un momento en que el universo empezará a desgarrarse de una manera cada vez más acelerada, debido a que la gravedad será incapaz de contrarrestar el efecto repulsivo de la energía oscura, hasta llegar al punto que la materia misma se desintegraría.
Las estimaciones indican que el fin del universo por este escenario ocurriría unos 20.000 millones de años en el futuro, según estas estimaciones a 1000 millones de años del final del universo, las galaxias se habrían alejado unas de otras los suficiente, como para que, producto de esto. se reduzca el efecto de la gravedad, ocasionando su desgarramiento, a 60 millones de años del momento final, sólo quedarían estrellas aisladas, a tres meses del final se desgarrarían los sistemas planetarios y a pocos minutos lo harían las estrellas y planetas, a los 10-18 segundos se desintegrarían los átomos, quedando sólo algunas partículas subatómicas, incapaces de interactuar y sin energía alguna, por las descomunales distancias que las separarían.
Este es el último y más extraño de los escenarios que plantearían un fin del universo, no estaría relacionado con la cantidad de energía oscura, ni con la geometría del universo. En teoría actualmente el universo estaría en un estado de falso vacío, es decir existirían zonas donde habría una completa ausencia de partículas de materia, pero en las que sin embargo hay fluctuaciones energéticas de campos cuánticos, se estarían generando partículas y antipartículas virtuales, en este falso vacío, podría ocurrir, por efecto túnel, una transición a un estado de vacío absoluto, el cual se manifestaría como una burbuja de vacío que podría aparecer en cualquier lugar y empezaría a crecer a la velocidad de la luz, hasta cubrir todo el universo. En esta burbuja de vacío, las leyes físicas serian diferentes, afectando cualquier forma de materia que sea atrapada. Por efecto de la gravedad el centro de la burbuja colapsaría en una singularidad que acabaría por extenderse a todo el universo, alterándolo por completo.
Estos serían los cuatro escenarios que representarían el fin de todo lo que existe, bien sea porque sea absorbido en una nueva singularidad o porque desaparezca todo tipo de actividad incluso a nivel cuántico, ninguno de estos escenarios, sería observado por los humanos (excepto tal vez el último, que podría ocurrir en cualquier momento y lugar, incluso en nuestras proximidades, aunque esto es muy poco probable), a menos que hayamos logrado abandonar nuestro planeta, pues mucho antes de que esto suceda nuestro sol habrá consumido la Tierra al llegar a su fase de gigante roja, para luego desaparecer dejando su lugar a una enana blanca, que vería los últimos momentos de la existencia de la materia.
Bien, con esto concluye esta publicación, espero que haya sido de su agrado, estoy atento a sus comentarios y de antemano agradezco sus votos. Gracias por su atención, hasta el próximo post.
Atkinson, N. No “Big Rip” in our Future: Chandra Provides Insights Into Dark Energy, Universe Today
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