Año Internacional de la Astronomía. En España AIA-IYA2009

En estas colaboracionbes para el Año Internacional de la Astronomía 2009, que en España se denomina AIA-IYA2009, tenemos que hablar del Universo, de la Astronomía, la Astrofísica y la Cosmología, y, claro, es difícil hablar de dichas cuestiones si no hablamos de la vida.

En nuestro sistema solar la vida se desarrolló por primera vez sorprendentemente pronto tras la formación de un entorno terrestre hospitalario.  Hay algo inusual en esto.

El secreto reside en el tiempo biológico necesario para desarrollar la vida y el tiempo necesario para desarrollar estrellas de segunda generación y siguientes que en novas y supernovas cristalicen los materiales complejos necesarios para la vida, tales como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, carbono, etc.

Parece que la similitud en los “tiempos” no es una simple coincidencia.  El argumento, en su forma más simple, lo introdujo Brandon Carter y lo desarrolló John D. Barrow por un lado y por Frank Tipler por otro. Al menos, en el primer sistema solar habitado observado, ¡el nuestro!, parece que sí hay alguna relación entre t(bio) y t(estrella) que son aproximadamente iguales; el t(bio) – tiempo biológico para la aparición de la vida – algo más extenso.

La evolución de una atmósfera planetaria que sustente la vida requiere una fase inicial durante la cual el oxígeno es liberado por la fotodisociación de vapor de agua. En la Tierra esto necesitó 2.400 millones de años y llevó el oxígeno atmosférico a aproximadamente una milésima de su valor actual.  Cabría esperar que la longitud de esta fase fuera inversamente proporcional a la intensidad de la radiación en el intervalo de longitudes de onda del orden de 1000-2000 ángstroms, donde están los niveles moleculares clave para la absorción de agua.

Este simple modelo indica la ruta que vincula las escalas del tiempo bioquímico de evolución de la vida y la del tiempo astrofísico que determina el tiempo requerido para crear un ambiente sustentado por una estrella estable que consume hidrógeno en la secuencia principal y envía luz y calor a los planetas del Sistema Solar que ella misma forma como objeto principal.

A muchos les cuesta trabajo admitir la presencia de vida en el universo como algo natural y corriente, ellos abogan por la inevitabilidad de un universo grande y frío en el que es difícil la aparición de la vida, y en el supuesto de que ésta aparezca, será muy parecida a la nuestra.

Los biólogos, sin embargo, parecen admitir sin problemas la posibilidad de otras formas de vida, pero no están tan seguros de que sea probable que se desarrollen espontáneamente, sin un empujón de formas de vida basadas en el carbono. La mayoría de las estimaciones de la probabilidad de que haya inteligencias extraterrestres en el universo se centran en formas de vida similares a nosotros que habiten en planetas parecidos a la Tierra y que necesiten agua y oxígeno o similar con una atmósfera gaseosa y las demás condiciones de la distancia entre el planeta y su estrella, la radiación recibida, etc. En este punto, parece lógico recordar que antes de 1.957 se descubrió la coincidencia entre los valores de las constantes de la Naturaleza que tienen importantes consecuencias para la posible existencia de carbono y oxígeno, y con ello para la vida en el universo.

Hay una coincidencia o curiosidad adicional que existe entre el tiempo de evolución biológico y la astronomía. Puesto que no es sorprendente que las edades de las estrellas típicas sean similares a la edad actual del universo, hay también una aparente coincidencia entre la edad del universo y el tiempo que ha necesitado para desarrollar formas de vida como nosotros.

Si miramos retrospectivamente cuánto tiempo han estado en escena nuestros ancestros inteligentes (Homo Sapiens) vemos que han sido sólo unos doscientos mil años, mucho menos que la edad del universo, trece mil millones de años, o sea, menos de dos centésimos de la Historia del Universo.  Pero si nuestros descendientes se prolongan en el futuro indefinidamente, la situación dará la vuelta y cuando se precise el tiempo que llevamos en el universo, se hablará de miles de millones de años.

Brandon Carter y Richard Gott han argumentado que esto parece hacernos bastante especiales comparados con observadores en el futuro muy lejano.

Podríamos imaginar fácilmente números diferentes para las constantes de la Naturaleza de forma tal que los mundos también serían distintos al planeta Tierra y la vida no sería posible en ellos. Aumentemos la constante de estructura fina más grande y no podrá haber átomos, hagamos la intensidad de la gravedad mayor y las estrellas agotarán su combustible muy rápidamente, reduzcamos la intensidad de las fuerzas nucleares y no podrá haber bioquímica, y así sucesivamente.

Hay cambios infinitesimales que seguramente podrían ser soportados sin notar cambios perceptibles, como por ejemplo en la vigésima cifra decimal de la constante de estructura fina. Si el cambio se produjera en la segunda cifra decimal, los cambios serían muy importantes. Las propiedades de los átomos se alteran y procesos complicados como el plegamiento de las proteínas o la replicación del ADN pueden verse afectados de manera adversa. Sin embargo, para la complejidad química pueden abrirse nuevas posibilidades. Es difícil evaluar las consecuencias de estos cambios, pero está claro que, si los cambios consiguen cierta importancia, los núcleos dejarían de existir, no se formarían células y la vida se ausentaría del planeta, siendo imposible alguna forma de vida.

Las constantes de la naturaleza ¡son intocables!

Ahora sabemos que el universo tiene que tener miles de millones de años para que haya transcurrido el tiempo necesario par que los ladrillos de la vida sean fabricados en las estrellas y la gravitación nos dice que la edad del universo esta directamente ligada con otras propiedades como la densidad, temperatura, y el brillo del cielo.

Puesto que el universo debe expandirse durante miles de millones de años, debe llegar a tener una extensión visible de miles de millones de años luz. Puesto que su temperatura y densidad disminuyen a medida que se expande, necesariamente se hace frío y disperso. Como hemos visto, la densidad del universo es hoy de poco más que 1 átomo por m³ de espacio. Traducida en una medida de las distancias medias entre estrellas o galaxias, esta densidad tan baja muestra por qué no es sorprendente que otros sistemas estelares estén tan alejados y sea difícil el contacto con extraterrestres. Si existen en el universo otras formas de vía avanzada, entonces, como nosotros, habrán evolucionado sin ser perturbadas por otros seres de otros mundos hasta alcanzar una fase tecnológica avanzada.

La expansión del universo es precisamente la que ha hecho posible que el alejamiento entre estrellas, con sus enormes fuentes de radiación, no incidieran en las células orgánicas que más tarde evolucionarían hasta llegar a nosotros. Diez mil millones de años de alejamiento continuado y el enfriamiento que acompaña a dicha expansión permitieron que, con la temperatura ideal y una radiación baja, los seres vivos continuaran su andadura en este planeta minúsculo, situado en la periferia de la galaxia que comparado al conjunto de esta, es sólo una mota de polvo donde unos insignificantes seres laboriosos, curiosos y osados, son conscientes de estar allí y están pretendiendo determinar las leyes, no ya de su mundo o de su galaxia, sino que su osadía ilimitada les lleva a pretender conocer el destino de todo el universo.

Cuando a solas pienso en todo esto, la verdad es que no me siento nada insignificante y nada humilde ante la inmensidad de los cielos. Las estrellas pueden ser enormes y juntas, formar inmensas galaxias… pero no pueden pensar ni amar; no tienen curiosidad, ni en ellas está el poder de ahondar en el porqué de las cosas. Nosotros sí podemos hacer todo eso y más.

La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números: la razón entre las masas del electrón y el protón, b, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina, a, que es aproximadamente 1/137. Supongamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo sencillo) que ninguna otra constante de la Naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas?

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos que no hay muchos espacios para maniobrar. Incrementemos b demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de beta el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y las cargas negativas de los electrones igualan las cargas positivas de los protones haciendo estable el núcleo y el átomo.

Si en lugar de a versión b, jugamos a cambiar la intensidad de la fuerza nuclear fuerte a_F, junto con la de a, entonces, a menos que  a_F > 0,3 a^½, los elementos como el carbono no existirían.

No podrían existir químicos orgánicos, no podrían mantenerse unidos. Si aumentamos a_F en solo un 4 por 100, aparece un desastre potencial porque ahora puede existir un nuevo núcleo de helio, el helio-2, hecho de 2 protones y ningún neutrón, que permite reacciones nucleares directas y más rápidas que de protón + protón →  helio-2.

Las estrellas agotarían rápidamente su combustible y se hundirían en estados degenerados o en agujeros negros. Por el contrario, si a_F decreciera en un 10 por 100, el núcleo de deuterio dejaría de estar

                           
ligado y se bloquearía el camino a los caminos astrofísicos nucleares hacia los elementos bioquímicos necesarios para la vida.

Gráfico: Zona habitable donde la complejidad que sustenta la vida puede existir si se permite que los valores que sustentan b y a varíen independientemente. En la zona inferior derecha no puede haber estrellas. En la superior derecha están ausentes los átomos no relativistas. En la superior izquierda los electrones están insuficientemente localizados para que existan moléculas auto reproductoras altamente ordenadas. Las estrechas “vías de tranvías” distingue la región necesaria para que la materia sea estable para evolucionar.

“Yo no quiero alcanzar la inmortalidad a través de mi obra.  Quiero alcanzar la inmortalidad por no morir. No quiero vivir eternamente en los corazones de mis paisanos. Preferiría vivir eternamente en mi apartamento.”

                                       Woody Allen

Muchos han especulado con sugerencias diversas del principio antrópico.  John Wheeler, el científico de Princeton que acuñó el término “agujero negro” y desempeñó un papel principal en su investigación, propuso lo que él denominó el principio antrópico participatorio. Este no tiene que ver especialmente con las constantes de la naturaleza sino que está motivado por la precisión de las coincidencias que permiten que exista vida en el cosmos.  ¿Es posible, pregunta Wheeler, que la vida sea en algún sentido esencial para la coherencia del universo?

Pero por supuesto nosotros no somos de interés para las galaxias lejanas ni para la existencia del universo en el pasado lejano antes de que pudiera existir la vida. Wheeler se sentía tentado a preguntar si la importancia de los observadores al traer a la plena existencia la realidad cuántica podía estar tratando de decirnos que los “observadores”, definidos de forma adecuada, pueden ser en cierto sentido necesarios para hacer nacer al universo. Es muy difícil darle a esto un sentido correcto porque en la teoría cuántica, con su principio de incertidumbre, la noción del observador carece de una definición nítida. Es algo que registra información. Una placa fotográfica valdría tanto como un vigilante nocturno.

Otro modelo de principio antrópico, introducido por Frank Tipler y John D. Barrow, es algo diferente. Es sólo una hipótesis que debería poderse demostrar verdadera o falsa utilizando las leyes de la física y el estado observado del universo. Se denomina como Principio antrópico final y propone que una vez que la vida emerge en el universo, no desaparecerá. Una vez que hemos dado con una definición de vida adecuadamente amplia, digamos como procesamiento de información (“pensamiento”) con la capacidad de almacenar esa información (“memoria”), podemos investigar si esto podría ser cierto.

Nótese que no se afirma que la vida tenga que aparecer o que deba persistir. Evidentemente, si la vida va a durar para siempre deberá tener una base distinta de la vida que conocemos. Nuestro conocimiento de la astrofísica nos dice que el Sol sufrirá con el tiempo una crisis de energía irreversible, se quedará sin el material necesario para la fusión nuclear, se expandirá en gigante roja y se tragará los planetas cercanos, incluida la Tierra y posiblemente Marte. Para cuando eso tenga que llegar tendremos que habernos ido de la Tierra, o haber transmitido la información necesaria para recrear miembros de nuestra especie (si aún pueden ser llamados así) para que colonicen otros lugares. Pensando en millones de años en el futuro también podríamos imaginar que la vida podría existir en otras formas que hoy llamaríamos “artificiales”, como máquinas muy avanzadas de vasta información que procesan a velocidad de vértigo.

Hasta mañana amigos de la Astronomía y amantes del Universo.

emilio silvera

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