Pensándolo bien...
La noticia reciente ha dado a conocer el caso de MRG-M0138 y su agujero negro inactivo de unos 6.000 millones de masas solares, medido con JWST y lente gravitatoria, junto con los valores cosmológicos usuales, como el Universo observable de unos 93.000 millones de años luz de diámetro, composición aproximada de 5 % materia ordinaria, 27 % materia oscura y 68 % energía oscura, y parámetros de referencia de Planck/ΛCDM. La noticia suscita plantearse el interrogante sobre cuánto pesa el Universo, lo que parece, a primera vista, una pregunta sencilla. Se pesa una piedra, se pesa una estrella, se pesa una galaxia; por tanto, podría pensarse que también se pesa el Universo sumando todo cuanto contiene. Sin embargo, en cosmología la palabra “peso” es problemática. El peso, en sentido estricto, es la fuerza con que un campo gravitatorio atrae una masa. El Universo entero no está colocado sobre una balanza ni cae hacia un centro exterior. No hay “fuera” del Universo desde donde pesarlo. Por eso, cuando se habla del peso del Universo, se habla realmente de su masa, de su energía equivalente y, sobre todo, del contenido de masa-energía del Universo observable.
La matización es esencial. El Universo observable actualmente no es todo el Universo. Es solo la región de la que la luz, o alguna señal física, ha podido llegar hasta nosotros desde el Big Bang. Como el cosmos se expande, esa región es mucho mayor que los 13.800 millones de años que la luz habría recorrido en un espacio estático a lo largo de la existencia del Universo. La frontera observable se encuentra hoy a unos 46.000 millones de años luz en cada dirección posible, de modo que el diámetro del Universo observable, considerado uniforme en todas las direcciones, ronda los 93.000 millones de años luz. Más allá puede haber más Universo, quizá muchísimo más, quizá infinito, y si lo fuera, la pregunta por su masa total dejaría de poder responderse con un número finito. Por eso cualquier cifra prudente que se pueda conjeturar, debe empezar diciendo algo así como que es la masa estimada del Universo observable.
La forma moderna de estimar esa masa no consiste en contar estrellas una por una. Sería una empresa imposible e inalcanzable. Muchas estrellas son débiles, muchas galaxias están demasiado lejos, muchos objetos no emiten luz y gran parte del contenido cósmico ni siquiera está formado por materia ordinaria. El método cosmológico considera algo más profundo, que es la densidad media del Universo. Las observaciones del fondo cósmico de microondas, de la expansión cósmica, de las oscilaciones acústicas bariónicas y de la distribución de galaxias permiten estimar una densidad crítica, es decir, la densidad de masa-energía asociada a un Universo de geometría aproximadamente plana. Multiplicando esa densidad por el volumen del Universo observable se obtiene una cifra de orden gigantesco.
La idea central es la densidad crítica, que es la densidad que diferencia, en los modelos cosmológicos simples, un Universo espacialmente cerrado de uno abierto, y corresponde al caso intermedio de geometría aproximadamente plana. Las observaciones actuales indican que el Universo se encuentra muy cerca de esa condición de planitud. El fondo cósmico de microondas es especialmente decisivo porque conserva una imagen fósil del Universo cuando tenía unos 380.000 años. Sus pequeñas irregularidades permiten deducir la cantidad de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura que habían. Las oscilaciones acústicas bariónicas, por su parte, funcionan como una regla cósmica, al ser marcas estadísticas en la distribución de galaxias que permiten reconstruir distancias y expansión. Al combinar estos datos con la constante de Hubble y con mapas de galaxias, se obtiene una densidad media compatible con un Universo casi plano.
Una vez estimada esa densidad, el razonamiento parece sencillo, ya que se multiplica por el volumen del Universo observable. Pero ahí aparece una primera cautela importante. El Universo observable no es necesariamente todo el Universo, sino solo la región desde la cual la luz ha tenido tiempo de llegarnos desde el Big Bang. Más allá de ese horizonte puede haber más Universo, quizá muchísimo más, pero no podemos medirlo directamente. Por tanto, la cifra obtenida se refiere al Universo observable.
La segunda cautela es que no todo ese “peso” corresponde a materia ordinaria. Una parte pequeña está formada por átomos, estrellas, gas, planetas y seres vivos. Una fracción mucho mayor corresponde a materia oscura, detectada por sus efectos gravitatorios, pero no observada directamente como luz. Y la mayor parte del presupuesto cósmico se atribuye a la energía oscura, responsable de la aceleración de la expansión. Por eso hablar del peso del Universo exige hablar de masa-energía, no solo de masa material.
La conclusión es doble: primero, el Universo observable posee una cantidad gigantesca de masa-energía, de una magnitud casi inconcebible. Segundo, esa cifra no es una suma directa de objetos visibles, sino una inferencia cosmológica basada en la estructura global del espacio-tiempo. El método revela algo más profundo que un número, ya que muestra que la geometría del Universo, su expansión y su contenido están íntimamente unidos. Pesar el Universo es, en realidad, medir cómo el Universo entero se curva, evoluciona y se hace observable.
El resultado depende de los parámetros cosmológicos adoptados, pero se puede hablar de una magnitud aproximada de 10^54 kilogramos para la masa-energía equivalente contenida en el Universo observable. Expresado en masas solares, equivale a alrededor de 10^24 soles. No significa que existan un cuatrillón de estrellas como el Sol. Significa que, si toda la energía del Universo observable se tradujera mediante la equivalencia entre masa y energía, el resultado tendría ese orden. La materia total, excluyendo la energía oscura, sería aproximadamente una tercera parte de esa cantidad. La materia ordinaria, es decir, átomos, gas, estrellas, planetas, polvo, organismos, rocas, océanos y todo lo químicamente familiar, representa solo alrededor del cinco por ciento.
Esta desproporción es una de las razones por las que hay tantas incógnitas. La experiencia humana está hecha de materia ordinaria, pero la materia ordinaria no domina el balance cósmico. Lo visible es una minoría. Las estrellas, que durante siglos parecieron el gran contenido del cielo, son apenas una fracción de la materia ordinaria. Hay gas difuso entre galaxias, plasma caliente, halos galácticos, polvo frío, restos estelares, planetas errantes y agujeros negros. Pero, incluso sumando todo eso, no se alcanza el contenido gravitatorio que revelan las galaxias y los cúmulos. La mayor parte de la materia se manifiesta por gravedad, no por luz. A eso se le llama materia oscura.
La materia oscura no es oscura porque sea negra, sino porque no emite, absorbe ni refleja luz de forma apreciable. Su presencia se deduce por sus efectos, ya que las galaxias giran de manera distinta a la esperada si solo contuvieran la materia visible; los cúmulos galácticos curvan la luz de objetos situados detrás; la estructura a gran escala del cosmos requiere una componente gravitatoria invisible que haya actuado como andamiaje para la formación de galaxias. Sin materia oscura, la arquitectura del Universo sería difícil de explicar. Pero ignoramos su naturaleza microscópica. No sabemos si está compuesta por partículas aún no detectadas, por alguna familia física inesperada o por algo que obligue a modificar nuestra comprensión de la gravedad.
La energía oscura añade otra dificultad. Representa la mayor parte del contenido cósmico en el modelo estándar, pero no se comporta como una sustancia ordinaria acumulada en objetos. Se asocia a la expansión acelerada del Universo. Mientras la materia tiende a agruparse por gravedad, la energía oscura parece estar ligada al propio espacio y a su dinámica expansiva. Traducirla a “peso” resulta delicado, porque no pesa como pesa una estrella ni forma grumos como una galaxia. Sin embargo, gravita en el sentido relativista, e influye en la evolución del espacio-tiempo. Por eso, cuando se estima la masa-energía total del Universo observable, la energía oscura no puede ignorarse, aunque sea la parte conceptualmente más enigmática.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
Aquí encaja la noticia del agujero negro inactivo de MRG-M0138. Un objeto de 6.000 millones de masas solares, situado cuando el Universo tenía apenas unos 3.000 millones de años, muestra que incluso dentro de la materia visible o inferible hay sorpresas enormes. No se trata de un cuásar brillante y fácil de detectar, sino de un agujero negro dormido, sin alimentación intensa, sin el resplandor característico de los núcleos activos. Ha podido medirse gracias a una combinación excepcional, como es la sensibilidad del telescopio James Webb y una lente gravitatoria natural que amplifica la imagen de la galaxia lejana. La masa se infiere observando cómo se mueven las estrellas bajo la influencia del agujero negro.
El hecho es extraordinario porque recuerda que el Universo no solo contiene lo que brilla. También contiene masas silenciosas. Un agujero negro inactivo puede dominar el centro de una galaxia sin anunciarse mediante chorros luminosos o discos de acreción deslumbrantes. Si está cerca, puede estudiarse por el movimiento de estrellas individuales o de gas. Si está muy lejos, normalmente queda fuera de alcance. Pero una lente gravitatoria, producida por la masa de un cúmulo intermedio, puede actuar como una lupa cósmica. La gravedad curva la trayectoria de la luz y aumenta la imagen de la galaxia distante. Así aparece una región que, sin esa ayuda natural, estaría perdida en el fondo del cielo.
Estas “cosas” aparecen ahora porque nuestros instrumentos han cambiado. El Universo no se ha vuelto de pronto más extraño; somos nosotros quienes hemos ganado ojos nuevos. Cada salto técnico revela una población antes invisible. Los radiotelescopios descubrieron un Universo de gas frío, púlsares y radiogalaxias. Los telescopios de rayos X revelaron plasmas calientes, restos de supernova y discos de acreción. El infrarrojo abrió ventanas hacia regiones cubiertas de polvo y hacia galaxias muy lejanas cuya luz se ha estirado por la expansión. El JWST, al observar con enorme sensibilidad en el infrarrojo, penetra en épocas cósmicas remotas con una precisión imposible hasta hace poco.
También aparecen porque el Universo primitivo fue más rápido y violento de lo que una imaginación tranquila supondría. Durante mucho tiempo se pensó que los agujeros negros supermasivos necesitaban largos periodos para crecer. Sin embargo, la observación de cuásares muy tempranos y ahora de agujeros negros dormidos, de gran masa, obliga a revisar los ritmos de crecimiento. ¿Nacieron de semillas muy masivas? ¿Crecieron mediante episodios de acreción extraordinariamente eficientes? ¿Se fusionaron repetidamente? ¿Hubo fases breves, intensas, casi explosivas, seguidas de largos periodos de silencio? Cada agujero negro temprano es una pista sobre los primeros capítulos de la formación galáctica.
La relación entre agujeros negros y galaxias es otra fuente de incertidumbre. En el Universo cercano se observa que la masa de los agujeros negros centrales guarda relación con propiedades de la galaxia que los alberga, como la masa del bulbo o la velocidad de sus estrellas. Eso sugiere una coevolución: la galaxia alimenta al agujero negro, y el agujero negro devuelve energía al medio galáctico. Cuando el agujero negro crece como cuásar, puede calentar o expulsar gas. Si el gas desaparece, la galaxia deja de formar estrellas. En ese momento, tanto la galaxia como el agujero negro pueden quedar apagados. MRG-M0138 parece encajar en esa historia, ya que es una galaxia densa, antigua, detenida, con un gigante central que quizá fue muy activo en el pasado.
La estimación del “peso” del Universo se complica porque no basta con sumar objetos. Hay que comprender procesos. Una estrella no es una unidad fija, ya que nace, quema combustible, pierde masa y explota o colapsa. Una galaxia no es una colección cerrada, porque intercambia gas, se fusiona, expulsa materia e incorpora materia oscura. Un agujero negro no es simplemente un pozo inmóvil, ya que puede crecer, fusionarse, emitir energía indirectamente a través de su entorno y alterar la historia de su galaxia. A escala cósmica, la masa no está quieta; se transforma, se redistribuye y cambia de forma visible a invisible.
Además, mirar lejos es mirar atrás. La luz de MRG-M0138 salió cuando el Universo era joven. No vemos esa galaxia como es hoy, sino como fue hace unos 10.000 millones de años. La cosmología trabaja siempre con esa mezcla de distancia y tiempo. El mapa del Universo no es una fotografía simultánea, sino un archivo histórico en profundidad. Las galaxias cercanas muestran etapas recientes; las lejanas muestran etapas antiguas. Reconstruir el peso del Universo implica coser todos esos tiempos en un solo modelo coherente.
La gravedad, finalmente, es la gran balanza cósmica. Pesamos lo invisible observando lo que hace: cómo se mueven las estrellas, cómo giran las galaxias, cómo se agrupan los cúmulos, cómo se curva la luz, cómo vibra el fondo cósmico de microondas. No vemos directamente la mayor parte de lo que pesa, pero vemos sus huellas. Por eso la cosmología es una ciencia de indicios gigantescos. Cada número procede de una inferencia, a partir de una velocidad, un corrimiento al rojo, una anisotropía, una distorsión de lente, una curva de rotación, una estadística de galaxias.
La paradoja es hermosa. Sabemos estimar el contenido total del Universo observable con una precisión impensable hace un siglo, pero desconocemos la naturaleza de la mayor parte de ese contenido. Podemos decir que la materia ordinaria es minoritaria, que la materia oscura domina la estructura y que la energía oscura domina la expansión. Podemos calcular densidades, volúmenes y masas equivalentes. Pero seguimos sin saber qué es exactamente la materia oscura, qué es exactamente la energía oscura, cómo nacieron los primeros agujeros negros supermasivos y cuántos gigantes dormidos permanecen ocultos en galaxias lejanas.
Por eso noticias como la de MRG-M0138 no son rarezas aisladas. Son grietas luminosas en el muro de lo desconocido. Un agujero negro inactivo de 6.000 millones de soles en el Universo primitivo no cambia por sí solo el peso total del cosmos, pero cambia nuestra confianza sobre lo que creemos haber contado. Nos recuerda que el Universo observable aún contiene poblaciones escondidas, etapas perdidas y mecanismos incompletamente comprendidos. Cada nueva medición pesa algo más que un objeto, ya que pesa también nuestras teorías. Y cuando la teoría se inclina, aunque sea un poco, aparece una pregunta más grande. El Universo no solo es inmenso por su tamaño; también lo es por la profundidad de lo que todavía no sabemos pesar.
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