Capítulo 7: Los primeros minutos

Noche 70: La máquina del agua

El día 70 fue un día de mantenimiento. En el horario que tierra enviaba cada mañana, la tarea principal de Noor tenía un nombre sencillo: cambiar un filtro del sistema de recuperación de agua. En una estación espacial, el agua es demasiado valiosa para desperdiciarla. Pesa mucho para enviarla desde la Tierra, así que la estación recoge casi cada gota que puede y la limpia una y otra vez. El vapor de agua que espira la tripulación y el sudor que sale de su piel se recogen del aire. Se recoge el agua de lavarse. Incluso la orina se recoge, se limpia y se convierte de nuevo en agua potable.

Noor había practicado esta tarea muchas veces en tierra, en una copia de la máquina. En la estación le llevó casi toda la mañana. Cerró válvulas en el orden correcto, revisó las lecturas de presión, abrió un panel y sacó deslizando el filtro viejo. Cada pieza suelta se sujetaba o se guardaba en una bolsa. Ade flotaba cerca con la lista de comprobación y leía cada paso en voz alta antes de que ella lo hiciera, y Noor se lo repetía. En tierra, esto podría parecer lento. En órbita, así es como se evitan los errores.

Cuando el filtro nuevo estuvo en su sitio, la máquina hizo sus pruebas. Una fila de pequeñas luces se puso verde, una tras otra. Los equipos de tierra miraban las mismas lecturas en sus pantallas y confirmaron que todo parecía normal. Noor anotó la hora en el registro y metió el filtro viejo en una bolsa, para cargarlo más adelante en una nave de carga que se lo llevaría.

A la hora de comer, llenó su bolsa de beber con el agua de la estación y la levantó hacia la luz. El agua era perfectamente transparente. No sabía a nada, que es exactamente a lo que debe saber el agua buena. Tomás levantó su propia bolsa y dijo, como cada vez que alguien reparaba la máquina del agua, que el café de ayer se había convertido en el café de hoy. Ade dijo que no era una frase en la que quisiera pensar mientras comía.

Esa noche, Sami escribió que había pasado toda la noche descargando cajas de agua embotellada en un supermercado, y que se alegraba de que nadie le pidiera beberse el agua dos veces. Noor le dijo que, en cierto modo, todo el mundo en la Tierra bebe agua que ya se ha usado antes, por nubes, ríos, plantas y animales, durante miles de millones de años. Y luego pensó todavía más atrás, en el origen del agua misma. Una molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. El oxígeno tiene su propia historia, que oiremos una noche más adelante. Pero el hidrógeno de cada gota de agua es mucho más antiguo. Viene de los primeros minutos del universo.

Las piezas más pequeñas

La noche anterior conocimos la luz más antigua, liberada cuando el universo tenía unos 380 000 años. Esta noche vamos mucho más atrás, a una época en que el universo tenía solo unos minutos. Para entender lo que pasó entonces, necesitamos saber un poco de qué están hechos los átomos. Las palabras pueden ser nuevas, pero la idea es sencilla, como aprender las piezas de una máquina antes de repararla.

Todo átomo tiene un centro diminuto llamado núcleo. Alrededor del núcleo hay partículas aún más diminutas llamadas electrones. El propio núcleo está formado por dos tipos de partículas. Los protones tienen carga eléctrica positiva. Los neutrones no tienen ninguna carga, y de ahí viene su nombre. Los protones y los neutrones pesan casi lo mismo, y los dos son mucho más pesados que un electrón.

Cuesta imaginar lo pequeño que es un núcleo. Una comparación que suelen usar los profesores es esta. Si un átomo entero fuera tan grande como un gran estadio deportivo, su núcleo tendría más o menos el tamaño de un guisante pequeño en el centro del campo. Los electrones estarían en algún lugar lejano de las gradas. Casi todo el peso del átomo está en ese guisante diminuto del centro.

El número de protones del núcleo decide qué tipo de átomo es. Un átomo con un protón es hidrógeno. Un átomo con dos protones es helio. Un átomo con seis protones es carbono, y un átomo con ocho protones es oxígeno. Cada uno de estos tipos básicos de átomo se llama elemento. Los neutrones añaden peso y ayudan a mantener unido el núcleo, pero no cambian de qué elemento se trata.

El núcleo más sencillo de todos es un protón solo. Ese es el núcleo del hidrógeno corriente. Un núcleo de helio es más complicado. Está formado por dos protones y dos neutrones, muy apretados. Para construir un núcleo de helio, hay que acercar mucho protones y neutrones, tanto que una fuerza muy intensa que actúa dentro del núcleo pueda sujetarlos. En condiciones corrientes, esto casi nunca ocurre, porque los protones se repelen unos a otros con sus cargas eléctricas. Hace falta un calor y una presión enormes para obligarlos a unirse.

En los primeros momentos del universo todavía no había átomos ni núcleos. Solo había una mezcla caliente de protones libres, neutrones libres, electrones, luz y otras partículas diminutas, todos moviéndose muy deprisa. Hacía demasiado calor para que nada se mantuviera unido. Cada vez que un protón y un neutrón se unían, el calor los separaba casi al instante. El universo era como una cocina tan caliente que ninguna masa podía subir, porque todo se quemaba en el momento de mezclarlo.

Un breve plazo para construir

Al expandirse, el universo se enfrió. Al cabo de unos minutos, llegó a una temperatura a la que los protones y los neutrones por fin podían mantenerse unidos. Esa temperatura era todavía mucho más alta que la del centro del Sol actual, pero ya no era demasiado alta. Durante un breve tiempo, todo el universo se convirtió en un lugar donde podían construirse núcleos ligeros. Protones y neutrones se unieron en parejas, las parejas se unieron en núcleos de helio, y también se formó una cantidad muy pequeña de un elemento algo más pesado, el litio.

Ese plazo no duró mucho. El universo siguió expandiéndose y enfriándose. Más o menos en los primeros veinte minutos, la temperatura y la densidad habían bajado tanto que la construcción se detuvo. Las partículas estaban ahora demasiado dispersas y eran demasiado lentas para encontrarse con la fuerza suficiente. Lo que se hubiera formado hasta entonces era el material con el que tendría que arreglarse el universo. Durante muchos millones de años después, hasta que las primeras estrellas empezaron a brillar, no se formó ningún elemento nuevo.

Quizá te preguntes cómo puede alguien saber la temperatura del universo cuando tenía unos pocos minutos. El razonamiento es más sencillo de lo que parece. Los astrónomos saben a qué velocidad se expande hoy el universo y qué temperatura tiene hoy la luz más antigua. Cuando el universo era más pequeño, esa misma luz estaba apretada en un espacio menor, así que estaba más caliente, de una forma sencilla y bien comprendida. Pasando la película hacia atrás con estas reglas, los físicos pueden calcular lo caliente que estaba el universo en cada momento, hasta los primeros minutos.

Había otra razón por la que el tiempo era escaso. Un neutrón solo, fuera de un núcleo, no dura mucho. En un cuarto de hora más o menos, de media, un neutrón libre se transforma en un protón. Así que los neutrones iban desapareciendo poco a poco todo el tiempo. Los únicos neutrones que podían sobrevivir eran los que habían quedado incorporados a núcleos de helio. Podrías compararlo con una panadería donde la levadura va perdiendo fuerza poco a poco. El panadero tiene que usarla deprisa, o se habrá acabado.

Cuando la construcción se detuvo, había muchos menos neutrones que protones. A grandes rasgos, había un neutrón por cada siete protones. Esa cifra decide el resultado. Imagina dieciséis partículas: dos neutrones y catorce protones. Los dos neutrones se unen con dos de los protones para formar un núcleo de helio, que tiene cuatro partículas en total. Los otros doce protones se quedan solos, como doce núcleos de hidrógeno. Así que, en peso, cuatro partes de dieciséis son helio, es decir, una cuarta parte. Las otras tres cuartas partes son hidrógeno.

Esa es la predicción de los primeros minutos: en masa, unas tres cuartas partes de hidrógeno y alrededor de una cuarta parte de helio, con rastros diminutos de un tipo más pesado de hidrógeno y de litio. Cientos de miles de años después, cuando el universo se enfrió más y los electrones se asentaron alrededor de estos núcleos, se formaron los primeros átomos. Esos fueron los átomos de la niebla brillante, la niebla que se despejó y liberó la luz más antigua.

Dos historias que se encontraron

Aquí hay un bonito encuentro entre dos historias. La primera es la historia de la predicción. En 1948, George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman, a quienes conocimos la noche anterior, calcularon cómo un universo joven, caliente y denso podía construir núcleos ligeros en sus primeros minutos. En los años siguientes, otros físicos mejoraron los cálculos usando mejores mediciones de cómo se comportan los protones y los neutrones. Ajustar los detalles de su trabajo llevó muchos años, pero el resultado principal siguió siendo el mismo: el universo joven debió de producir sobre todo hidrógeno y alrededor de una cuarta parte de helio.

La segunda historia empezó aún antes, con una joven llamada Cecilia Payne. En la década de 1920 era una estudiante que trabajaba en un observatorio estudiando la luz de las estrellas. La noche de las galaxias que se separan vimos que la luz puede extenderse en un espectro, una franja de colores con líneas oscuras. Cada elemento deja su propio patrón de líneas. Durante mucho tiempo, los astrónomos habían supuesto que, como el espectro del Sol mostraba líneas de hierro y de muchos otros elementos, el Sol debía de estar hecho más o menos de las mismas cosas que la Tierra.

Payne usó nuevas ideas de la física para entender cómo la temperatura de una estrella cambia el patrón de sus líneas. Cuando lo tuvo en cuenta, llegó a una conclusión sorprendente. Las estrellas están hechas sobre todo de hidrógeno y helio. Los elementos más pesados están ahí, pero solo en pequeñas cantidades. Terminó este trabajo en 1925. En aquel momento, la idea parecía tan improbable que un respetado astrónomo veterano la convenció para que escribiera que su resultado probablemente no era real. Unos años después, otros astrónomos, entre ellos ese mismo astrónomo veterano, llegaron a la misma conclusión por otros caminos. Payne tenía razón.

Merece la pena pensar un momento en la situación de Payne. Era joven, era una mujer en un campo en el que a pocas mujeres se les permitía hacer ese trabajo, y su resultado iba en contra de lo que creía casi todo el mundo. Muchas personas en su lugar habrían abandonado la idea. Ella no abandonó el trabajo. Fue cuidadosa, lo publicó, y las pruebas quedaron ahí para que otros las comprobaran. Hoy su resultado es uno de los cimientos de la astronomía.

Si se juntan las dos historias, aparece algo notable. Los físicos se preguntaron qué debieron de producir los primeros minutos. Los astrónomos midieron de qué están hechas realmente las estrellas y las nubes de gas. Las dos respuestas apuntan a lo mismo: un universo hecho sobre todo de hidrógeno, con alrededor de una cuarta parte de helio. Cuando los astrónomos miden las nubes de gas más antiguas y las estrellas más antiguas, que han tenido menos tiempo para ser modificadas por estrellas posteriores, las cantidades coinciden bien con la predicción.

Una de las pistas más sólidas

La primera noche, este libro nombró tres pistas principales de que el universo tuvo un comienzo caliente y denso. La primera era que las galaxias se están separando. La segunda era la luz más antigua. La tercera es la historia de esta noche: las cantidades de los elementos más ligeros. Esta tercera pista es especialmente sólida porque es una prueba con números. Una teoría que solo dice «las cosas estuvieron calientes una vez» podría encajar con muchos resultados. Una teoría que dice «alrededor de una cuarta parte de helio, ni la mitad ni una décima parte» puede comprobarse, y podría haber fallado.

No falló. El helio está ahí más o menos en la cantidad correcta, miren donde miren los astrónomos, en estrellas antiguas y en el gas que hay entre las galaxias. Los rastros de hidrógeno pesado también encajan con la predicción. Y las cifras que salen de estos elementos ligeros coinciden con las cifras que salen, de forma completamente independiente, de los patrones de la luz más antigua. Dos tipos de medición muy distintos, hechos con instrumentos muy distintos, cuentan la misma historia sobre el universo joven.

También hay una prueba que puede hacerse en la Tierra. La construcción de núcleos ligeros depende de con qué facilidad se unen protones y neutrones a una temperatura dada. Esos ritmos no se adivinan. Se miden en laboratorios, donde unas máquinas lanzan protones y otras partículas unos contra otros y cuentan lo que sale. Los cálculos de los primeros minutos usan esas cifras medidas. En este sentido, un pequeño laboratorio en la Tierra y todo el universo joven siguen las mismas reglas.

Hay un enigma que hay que mencionar con honestidad. La cantidad de litio que los astrónomos encuentran en algunas estrellas muy antiguas es menor de lo que predicen los cálculos de los primeros minutos. Los científicos siguen estudiando por qué. Quizá algo en el interior de esas estrellas antiguas ha ido destruyendo poco a poco parte de su litio. Quizá haya que mejorar algo del cálculo. Este enigma todavía no se entiende del todo. Pero es un pequeño enigma dentro de un gran acuerdo, y no cambia la imagen principal de los primeros minutos.

También merece la pena saber lo que no produjeron los primeros minutos. No produjeron casi nada más pesado que el litio. No había carbono, ni oxígeno, ni hierro, ni oro. El universo que salió de los primeros minutos era muy sencillo: hidrógeno, helio, un poco de sus parientes cercanos y nada más. Todos los demás elementos, incluido el oxígeno que estás respirando y el carbono de todos los seres vivos, tuvieron que formarse después. Ese trabajo lo hicieron las estrellas, y su historia pertenece a noches posteriores.

Así que, cuando sostienes un vaso de agua, sostienes dos historias muy distintas. El oxígeno que contiene se formó dentro de estrellas, mucho después del comienzo. Pero el hidrógeno, el «dos» de los dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, se formó en los primeros minutos, hace unos 13 800 millones de años. Ese hidrógeno ha estado en nubes, estrellas, cometas, océanos y lluvia. Ahora está en tu vaso.

Antes de dormir

Antes de dormir, Noor llenó una bolsa más con el agua limpia y se la bebió despacio junto a la ventana. La Tierra, abajo, estaba a la luz del día. Podía ver el azul de un océano, salpicado de nubes blancas, y el borde de una costa. Toda esa agua, pensó, y en cada gota el mismo hidrógeno antiguo, esperando a lo largo de miles de millones de años.

Escribió a Sami: «El agua que has descargado esta noche es muy antigua. El hidrógeno que contiene se formó en los primeros veinte minutos del universo. Tus cajas pesaban más de lo que creías». Sami respondió que su espalda ya se lo había dicho, gracias. Luego añadió que miraría la próxima botella de una forma un poco distinta.

Ade, que la había visto escribir, le preguntó qué le contaba a su hermano esa noche. Cuando ella se lo explicó, se quedó callado un momento y luego dijo que había leído cada página del manual de la máquina del agua y nunca había pensado que el agua fuera antigua. Tomás dijo que ese era el problema de los expertos: conocen algo tan bien que se olvidan de sorprenderse.

Mañana, o esta noche, quizá tú también llenes un vaso de agua al final de tu jornada de trabajo. No hace falta que pienses en el universo cada vez. Pero alguna vez, quizá, podrías sostener el vaso un momento antes de beber. En tu mano hay algo que se formó casi al principio del tiempo, y ha recorrido un camino muy largo para llegar hasta ti.

Malentendidos frecuentes

Mucha gente cree que todos los elementos se formaron en el Big Bang. Parece natural, ya que el Big Bang es el comienzo de todo. Pero los primeros minutos produjeron solo los elementos más ligeros: hidrógeno, helio y una cantidad diminuta de litio. Los elementos más pesados, como el carbono, el oxígeno, el hierro y el oro, se formaron mucho después, dentro de las estrellas y en los sucesos violentos del final de la vida de algunas estrellas. El universo empezó siendo sencillo y se fue enriqueciendo con el tiempo.

Mucha gente cree también que el helio es un elemento raro, porque en la Tierra la mayoría de las personas solo lo conocen por los globos de fiesta, y a veces escasea. En realidad, el helio es el segundo elemento más abundante del universo, después del hidrógeno. En la Tierra es raro por otra razón. El helio es muy ligero y no se combina con otros elementos, así que el helio que hay en el aire se escapa poco a poco al espacio. La mayor parte del helio que se recoge en la Tierra viene de las profundidades del subsuelo, donde se forma lentamente cuando se descomponen algunos tipos de átomos de las rocas. Ahí fuera, en el universo, el helio está en todas partes.

Por último, mucha gente imagina que los primeros minutos son pura conjetura, porque nadie estaba allí para verlos. Es cierto que nadie los vio, y es cierto que algunas preguntas sobre los primerísimos momentos siguen abiertas, como veremos la próxima noche. Pero esta parte de la historia es de las mejor comprobadas de todas. Usa la misma física que se mide con cuidado en laboratorios de la Tierra, hace predicciones claras con números, y esas predicciones coinciden con lo que miden los astrónomos en el cielo. En la próxima noche iremos aún más atrás, a una época anterior incluso a los protones y los neutrones, y allí el suelo bajo nuestros pies será mucho menos firme.