Universos paralelos, explosiones cósmicas y la paradoja de Fermi

Antes del año 1995 solo conocíamos una estrella que tenía planetas a su alrededor: el Sol. El delicado equilibrio del sistema solar, el hecho de que un sistema gravitatorio de más de dos cuerpos sea altamente inestable, caótico, donde cualquier pequeña perturbación (como mover Mercurio unos centímetros) puede desestabilizarlo todo, hacía pensar que no tendría que ser muy común tener planetas alrededor de estrellas, aunque en una galaxia haya tantas estrellas como granitos de arena en una playa. En esa época muy pocos astrónomos pensaban que sería posible encontrar planetas como la Tierra, Marte o Júpiter girando alrededor de otras estrellas. Todo esto cambió dramáticamente en el año 1995 con el descubrimiento del primer planeta fuera de nuestro sistema solar (exoplaneta) por Michel Mayor y Didier Queloz, orbitando la estrella Pegasi 51, una estrella no muy diferente de nuestro Sol. (En realidad unos años antes otros dos planetas fueron encontrados alrededor de una estrella  de neutrones —un púlsar—, pero la radiación del púlsar y la órbita tan cercana del planeta hacen este sistema incapaz de hospedar vida y, por lo tanto, menos interesante).

Aunque previamente se habían formulado especulaciones por parte de astrónomos acerca de la existencia de exoplanetas, fue el año 1995 el que trajo la primera confirmación clara e inequívoca de que existen otros mundos más allá del sistema solar. A día de hoy se han descubierto aproximadamente unos dos mil exoplanetas y, en un centenar de casos, se han descubierto sistemas planetarios.

Uno de nosotros recuerda muy bien cuando en el año 1994, mientras observaba en los telescopios de la ESO (European Southern Observatory) como parte de su tesis doctoral, los astrónomos del observatorio comentaban sobre un «viejo» astrónomo suizo (Michel Mayor) que intentaba medir el bamboleo de las estrellas. Si una estrella tiene un compañero, aunque sea invisible, la fuerza de la gravedad hace que los dos cuerpos celestes giren alrededor de un centro común, como dos bailarines bailando un vals. La estrella entonces parece tambalearse, y así también se tambalea su espectro: la señal que la estrella deja en los instrumentos del telescopio. Este pequeño desplazamiento del espectro de la estrellas era lo que quería observar Mayor.

En un principio, los compañeros invisibles que Mayor buscaba eran otras estrellas, mucho más pequeñas que el Sol y por eso invisibles —enanas marrones—, pero quedó sorprendido al descubrir algo mucho más peculiar: el primer exoplaneta. Es un ejemplo maravilloso de cómo la ingenuidad del ser humano le capacita para hacer descubrimientos asombrosos.

Hoy sabemos que aproximadamente una de cada tres estrellas en nuestra galaxia (la Vía Láctea) tiene al menos un planeta que gira alrededor de ella: los planetas son comunes.

Bien, si es así, la cuestión más interesante para muchos lectores sería: ¿lo es también la vida? Es una cuestión de una importancia fundamental para la humanidad ya que nos indicaría si estamos solos o si la Vía Láctea, y por ende el universo, están llenos de vida. ¿Estamos solos? Es uno de los problemas filosóficos más antiguos y tiene implicaciones fundamentales para nuestra manera de  concebir la humanidad.

Es, sin embargo, importante distinguir lo que entendemos por vida, ya que esta tiene un amplio espectro, desde seres unicelulares hasta seres complejos como el ser humano. En este artículo consideraremos que un virus no es una forma plenamente viva al necesitar de un organismo vivo para reproducirse. El clasificar a un virus como no vivo no es obvio, ya que contiene material genético (DNA o RNA), y algunos investigadores consideran que podrían definirse como organismos vivos. Sin embargo, el hecho de que no se puedan reproducir por sí mismos los cualifica más bien como grandes moléculas. También vamos a definir como vida compleja aquella correspondiente a seres multicelulares, desde medusas hasta seres humanos.

De hecho, en este artículo nos vamos a centrar más bien en la vida compleja como la de los seres humanos. En particular, el summum de la complejidad, y lo que nos diferencia como seres humanos, es la inteligencia. ¿Es la vida inteligente abundante?

El gran físico Enrico Fermi intentó responder a esta pregunta en el año 1950 planteando la siguiente paradoja: ¿dónde están los extraterrestres?

Así procede el razonamiento de Fermi: si existen cien millardos de estrellas en nuestra galaxia y, asumiendo que nuestro sistema solar no es una excepción, casi todas tienen planetas, muchas de ellas entonces tendrán vida, algunas tendrán vida inteligente que con el tiempo se habrá extendido a través de la galaxia… Si es así, ¿por qué no los vemos? ¿Dónde están? ¿Por qué no han contactado con nosotros?

Enrico Fermi era un físico prodigioso. Era notable su capacidad para hacer cálculos al momento en su cabeza sobre procesos físicos y su respuesta nunca estaba muy equivocada cuando se comparaba con el cálculo exacto. Además de esto, fue el último físico completo en el sentido de que deslumbró tanto en la física experimental como en la teórica, además de ser ganador de un Premio Nobel. Él fue el científico clave en el desarrollo de la bomba atómica en los Estados Unidos, pero quizá otra faceta más desconocida para el gran público sea su labor como formador de una escuela italiana de físicos de élite: los famosos «i ragazzi di via Panispermia». Fueron físicos de tal nivel los que formó Fermi que casi todos descubrieron algo acerca de la naturaleza que mereció un premio Nobel. Esta gran escuela de física de Fermi fue crucial para el posterior desarrollo de la física italiana en los siguientes cincuenta años. En España su equivalente sería el genial Ramón y Cajal en la rama de medicina. Ojalá hubiese habido un Ramón y Cajal también en la física española.

Desde que Fermi formuló su pregunta ha habido múltiples respuestas. Las hipótesis son variadas, quizás entre las más descabelladas se encuentran aquellas que postulan que los extraterrestres ya han llegado y se esconden en forma de famosos de la prensa del corazón o presidentes de los Estados Unidos. En cualquier caso, la pregunta de Fermi merece una explicación científica. Es aquí donde los libros de Vilenkin (1), Goldberg (2) y Livio (3) van a servir como excusa para conectar dos aspectos de nuestro universo aparentemente dispares y sin conexión alguna, que sin embargo pueden ayudarnos a entender algunos de los misterios más profundos del universo.

Algunos lectores estarán familiarizados con el concepto de una explosión de supernova. Debido a que las estrellas masivas —aquellas que tienen masas diez veces mayores que el Sol— finalizan su vida con las reacciones nucleares que dan lugar al hierro, estas colapsan en sí mismas, rebotando contra el núcleo de neutrones y liberando una gran energía en forma de explosión. En realidad, el 99% de la energía liberada en la explosión de una supernova es en forma de neutrinos, partículas que no son visibles ni interaccionan con la materia normal; solamente el 1% de la energía de la explosión de una supernova se utiliza en energía mecánica en su explosión. Aun así hablamos de explosiones de tamaño cósmico.

Las supernovas son muy comunes, de hecho explota una cada cien años en nuestra galaxia. Todavía más espectaculares, aunque más raras, son la explosiones de rayos gamma (ERG). Estas explosiones ocurren cuando estrellas muy masivas, como las supernovas, desarrollan una agujero negro en su interior que está rotando. Durante el colapso de la estrella se forma un disco de acreción que extrae energía del agujero negro, provocando un chorro de materia que a su vez genera rayos gamma, es decir, radiación muy energética como la que se emite en procesos radiactivos: una central nuclear o la explosión de una bomba atómica.

La novedad de la que nos hemos dado cuenta en los últimos años es que las explosiones de rayos gamma pueden ser altamente dañinas para la vida. ¿Por qué es esto así? Resulta que no son los rayos gamma los que producen directamente la destrucción de la vida, sino su efecto derivado de la destrucción de la capa de ozono del exoplaneta.

Cualquier planeta, para poder desarrollar vida, necesita condiciones estables por largo tiempo. Además, para desarrollar vida compleja el planeta necesita protección estable y continuada de la radiación dañina de su estrella, en particular protección de la radiación ultravioleta, cosa que proporciona la capa de ozono de la atmósfera (la Tierra tiene una buena capa de ozono y aun así tenemos que ponernos crema solar en verano). Sin la capa de ozono recibiríamos radiación ultravioleta muy perjudicial, que dañaría nuestro ADN y provocaría mutaciones con efectos catastróficos para la vida. Por ejemplo, se cree que Marte y Venus en el pasado pueden haber tenido condiciones favorables a la vida (agua líquida y una atmósfera placentera) pero estas condiciones no duraron lo suficiente.

Cuando una estrella masiva ERG explota lo bastante cerca del exoplaneta, sus rayos gamma pueden destruir la capa de ozono. Con una capa de ozono débil o inexistente, la radiación ultravioleta de la estrella daña el ADN de las células provocando mutaciones y muerte celular. En el marco de un ecosistema complejo, que inevitablemente tiene que estar desarrollado para que haya vida compleja, y a lo mejor inteligente, esto significa extinción masiva de vida por lo menos en la superficie del planeta y repercusiones para toda la cadena alimenticia. La capa de ozono tarda decenas de años en reformarse después de su destrucción. Esto significa que para que un planeta pueda desarrollar vida inteligente tiene que estar protegido de estas explosiones por un muy largo intervalo de tiempo.

Solo recientemente nos hemos dado cuenta de que la Tierra está situada lo suficientemente lejos de zonas de alta concentración de explosiones de rayos gamma como para evitar extinciones masivas que pongan en peligro la continuidad de la vida compleja, pero quizás estas explosiones sí que han tenido influencia en algunas extinciones como la Ordoviciana, hace quinientos millones de años. Parece que la Tierra está situada en una posición privilegiada en las «afueras» de la Vía Láctea para estar protegida de las explosiones de los rayos gamma. Aun así, los cálculos de los astrónomos predicen que debería haber extinciones debido a explosiones de rayos gamma cada millardo de años.

Sin embargo, planetas en el centro de la Vía Láctea sufren constantemente las explosiones de rayos gamma, así que parece muy improbable que la vida compleja se pueda desarrollar en ellos. Por lo tanto, para que un planeta esté protegido de las explosiones de los rayos gamma no debería estar en zonas de muy alta densidad estelar. Por otro lado, sabemos que la producción de elementos pesados como el oxígeno y el carbono por parte de las estrellas masivas es crucial para que se formen planetas rocosos como la Tierra, que puedan tener una superficie sólida y albergar vida. Parece, por tanto, que es necesario un delicado equilibrio entre estar lejos de las estrellas masivas pero tampoco mucho, ya que los elementos pesados que producen son cruciales para la vida. Las afueras de las galaxias como la Vía Láctea parecen satisfacer este equilibrio, y ser «barrios residenciales» para la vida compleja.

Si las explosiones cósmicas juegan un papel crucial en limitar la abundancia de vida en nuestra galaxia, ¿podría ser esta una explicación de la paradoja de Fermi? La conexión entre explosiones cósmicas y la paradoja de Fermi se vuelve todavía más curiosa cuando exploramos las consecuencias cosmológicas de las explosiones cósmicas.

Resulta que las galaxias grandes, como la nuestra, que son las más propicias a albergar metales pesados y, por lo tanto, exoplanetas rocosos, tienen a su alrededor galaxias pequeñas. Estas galaxias tienen entre mil y diez mil veces menos masa que la Vía Láctea. Ocurre que es en estas galaxias pequeñas donde las explosiones cósmicas de rayos gamma suceden más frecuentemente. Estas explosiones son tan potentes que sus efectos dañinos llegan fácilmente hasta los barrios residenciales de las galaxias más grandes. Por lo tanto, tener galaxias pequeñas alrededor de una grande es lo peor que le puede suceder a los exoplanetas desde el punto de vista de la preservación de la vida compleja; su presencia es fatal.

Lo normal es que las galaxias grandes tengan muchas galaxias pequeñas alrededor, pero la configuración de la Vía Láctea resulta no ser común en el universo, sino algo peculiar. Curiosamente, sucede que nuestra Vía Láctea no está rodeada por esas pequeñas galaxias. La galaxia pequeña más cercana que tenemos son las nubes de Magallanes, y estas están demasiado lejos para representar un riesgo por explosiones de rayos gamma. Es así que uno se puede plantear una paradoja de Fermi a nivel cosmológico: ¿dónde están las otras galaxias? ¿Por qué no hay más galaxias pequeñas alrededor de nosotros? ¿Estamos en un lugar especial?

Esto nos lleva a conectar con otro tema aparentemente dispar y sin relación. Uno de los grandes triunfos de la cosmología en los últimos treinta años ha sido el descifrar el origen del universo y sobre todo de la estructura que hay en este. Sabemos que muy probablemente el universo sufrió un periodo inflacionario, lo que llamamos el big bang, que hizo que este creciese desde el tamaño de un átomo hasta su tamaño actual casi instantáneamente. Durante este proceso, y debido al proceso de incertidumbre de Heisenberg, se formó algo a partir de la nada: las fluctuaciones del vacío. Por lo tanto es sorprendente que el hecho de que la mecánica cuántica sea una ley de la física, y por lo tanto que haga regir la incertidumbre en nuestra descripción de la naturaleza, sea la razón de la existencia de galaxias en el universo. En definitiva: somos la consecuencia de la nada gracias a la incertidumbre.

Como nos cuentan Vilenkin, Goldberg y Livio, este mismo proceso para describir el universo primigenio tiene una consecuencia ineludible: la inflación se hace eterna y se generan otros universos paralelos al nuestro, que están desconectados entre ellos. Se describe este fenómeno de multiverso como el summum de la revolución copernicana: no solo no somos el centro del universo sino que nuestro mismo universo es uno más de un infinito de universos. Muchos científicos se muestran escépticos sobre tal descripción de la naturaleza; la crítica va más o menos así: si estos universos están desconectados, nunca podremos hacer medidas experimentales, por lo tanto, la teoría no puede ser falsada nunca y no pertenece al reino de la ciencia sino, más bien, al reino de la creencia. Aunque pueda parecer que esta crítica es fatal, como veremos, puede haber maneras de comprobar la teoría del multiverso y ver si tiene sentido.

Mientras que la teoría del multiverso, basada en la teoría de la inflación eterna, tiene una base teórica sólida, su ratificación experimental es más complicada. La razón fundamental es que no podemos salir de nuestro propio universo y ver si hay otros. Para ello habría que poder desplazarse más rápido que la velocidad de la luz, en contra de las leyes de la física, y, por lo tanto, es imposible. Para encontrar pistas de que existen otros universos tenemos que ser un poco más sagaces y desarrollar medidas indirectas. Una posibilidad es buscar signos de que los universos interaccionaron unos con los otros en la época temprana antes de su expansión exponencial. También hay otra forma de verificar su existencia; esta está íntimamente relacionada con la naturaleza de la constante cosmológica: la causante de la expansión del universo hoy día.

Resulta difícil explicar por qué la constante cosmológica de hoy en día es tan pequeña pero no es exactamente cero. Desde el punto de vista de la física debería ser ciento veinte órdenes de magnitud más grande. Puede que haya alguna simetría fundamental que todavía no hemos descubierto que la hace cero, pero ¿por qué tan pequeña y no cero?

Aquí es donde el multiverso resulta muy útil. Una predicción del multiverso indica que en realidad cada universo tiene un valor de esta constante cosmológica y que para cualquier valor de la constante cosmológica hay, por lo menos, un universo en el multiverso. La constante cosmológica que medimos nosotros los humanos en este universo tiene el valor que tiene simplemente porque permite que haya observadores inteligentes como nosotros mismos.

Por lo tanto, si la constante cosmológica fuera muy grande, el universo se expandiría a un ritmo tan grande que no se podrían formar las galaxias ni, por ende, las estrellas y los planetas. Es por lo tanto necesario que la constante cosmológica sea pequeña. Pero ¿podría ser mucho más pequeña?, ¿podría también ser cero? Sin embargo, hasta ahora no había ningún argumento por el cual se podían excluir valores mucho más pequeños que el actual, o incluso negativos. Así, aunque se habían excluido valores muy grandes, había un número infinito de valores permitidos que eran pequeños o negativos.

Es en este momento cuando entran en juego las explosiones cósmicas. Como habíamos comentado al principio de este texto, las explosiones de rayos gamma constituyen un riesgo para la vida compleja. Resulta que cuantas más galaxias pequeñas hay alrededor de una galaxia grande, más peligrosas son las explosiones de rayos gamma. La parte más sorprendente que los astrónomos han descubierto recientemente es que el número de galaxias pequeñas alrededor de una grande depende del valor de la constante cosmológica: cuanto más pequeño es el valor de la constante cosmológica, más galaxias pequeñas hay alrededor de una grande. Por lo tanto habrá más explosiones de rayos gamma y la supervivencia de la vida compleja será más difícil.

La curiosa conclusión es que las explosiones cósmicas están gobernadas (indirectamente) por el valor de la constante cosmológica y esto pone un valor mínimo. Considerando este valor mínimo y el valor máximo anterior, se obtiene un rango que incluye confortablemente el valor que medimos.

Lo que estamos aprendiendo es que fenómenos locales como las explosiones cósmicas, la vida y fenómenos universales como las leyes fundamentales de la física podrían estar íntimamente relacionados. Habría universos con valores ligeramente más altos que la constante cosmológica donde la vida podría estar más protegida de las explosiones cósmicas y donde quizás no hubiese paradoja de Fermi. Si realmente nuestro universo no es más que uno de tantos (infinitos) otros, habríamos entendido que nuestro lugar en este multiverso es simplemente casual. Las mismas fluctuaciones del vacío, es decir de la nada, que dieron lugar a las galaxias, también fueron las causantes de la aparición de múltiples universos. La conclusión final es que toda la estructura que vemos y nuestra propia vida no sería más que el resultado del azar: la existencia del principio de incertidumbre de Heisenberg en mecánica cuántica. Quizás tiene razón Stephen Hawking cuando dice: «Así que parece que Einstein estaba equivocado por partida doble cuando dijo: “Dios no juega a los dados”. No solo Dios juega definitivamente a los dados, sino que a veces nos confunde tirándolos donde no se pueden ver».

Notas:

(1) Many Worlds in One: The Search for Other Universes, de Alex Vilenkin.

(2) The Universe in the Rearview Mirror: How Hidden Symmetries Shap e Reality, de Dave Golberg.

(3) The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmologica l Constant, and the Beauty of the Cosmos, de Mario Livio.