Cosmología es la rama de la física y de la astronomía que se dedica a estudiar el universo a gran escala y trata de explicar su origen, evolución y sus estructuras.

En la naturaleza existen cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad. Las primeras dos sólo actúan a escalas atómicas, el electrmagnetismo (que afecta sólo a partículas con carga eléctrica) y la gravedad son fuerzas que actúan a grandes distancias, por lo tanto, si vivimos en un universo que a grandes escalas es neutro la fuerza más importante será la gravedad. En otras palabras, si queremos describir lo que pasa en el universo necesitamos una buena teoría que describa la gravedad.

En la naturaleza existen cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad. Las primeras dos sólo actúan a escalas atómicas, el electrmagnetismo (que afecta sólo a partículas con carga eléctrica) y la gravedad son fuerzas que actúan a grandes distancias, por lo tanto, si vivimos en un universo que a grandes escalas es neutro la fuerza más importante será la gravedad. En otras palabras, si queremos describir lo que pasa en el universo necesitamos una buena teoría que describa la gravedad.

Relatividad General

La Relatividad General de Einstein ofrece una buena descripción de la gravedad y se basa principalmente en el Principio de Equivalencia. El Principio de Equivalencia establece que un campo gravitacional uniforme es equivalente a un sistema con aceleración uniforme sin gravedad, ilustremos esto con un ejemplo: encerremos a un observador en una caja sin ventanas de tal manera que no sepa en que lugar se encuentra, luego situamos la caja con el observador en la tierra donde sentirá una aceleración debido a la gravedad terrestre de g = 9.8 m/s², ahora si lanzamos la caja al espacio (a un lugar en que podamos despreciar la gravedad de cualquier cuerpo) con una aceleración de 9.8 m/s² el observador sentirá lo mismo que si estuviera en la superficie de la tierra, no podría distinguir donde estuvo.

Ahora siguiendo con el ejemplo si la caja se encuentra en el espacio y el observador tira una pelota con cierta velocidad horizontal, ésta seguirá una trayectoria curva hasta caer al suelo, lo mismo pasa si el observador tira un rayo de luz: éste se curvará hasta tocar alguna pared de la caja, luego por el principio de equivalencia lo mismo debe pasarle a la luz si se encuentra bajo la influencia de la gravedad y como la luz siempre se mueve describiendo una curva que minice la distancia (una geodésica) si la trayectoria de la luz es curva significa que el espacio en que se mueve es curvo y éste se curva por culpa de la gravedad. También la Relatividad establece la equivalencia entre masa y energía (E=mc²) luego la energía es masa y la masa produce gravedad, por lo tanto la energía produce gravedad que curva el espacio. En otras palabras

"la masa-energía le dice al espacio-tiempo como curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la masa-energía como moverse"

Aquí hablamos de espacio-tiempo ya que la Relatividad establece que cada observador tiene un tiempo propio y para ubicar un evento necesitamos saber el lugar y el tiempo en que ocurre.

Entonces si queremos saber cómo se comporta la gravedad necesitamos conocer todo lo que contenga masa y energía en el universo y describir cómo el espacio-tiempo se curva.

Modelos Cosmológicos

La Ecuación de Campo de Einstein relaciona estos parámetros (curvatura y masa-energía) y si consideramos la métrica de Robertson-Walker (que es una descripción de la geometría del espacio-tiempo cuando tenemos isotropía y homogeneidad) se llega a la Ecuación de Friedmann. La Ecuación de Friedmann nos dice cómo el Universo se expande de acuerdo a la densidad de energía (energía por unidad de volumen) y a la curvatura que tiene. El espacio-tiempo puede ser plano (curvatura cero), con curvatura postiva (como la superficie de una esfera) o poseer curvatura negativa, por lo que tendremos diferentes maneras en que el Universo se expande al considerar distintas curvaturas.

En la Ecuación de Friedmann podemos definir una "densidad de energía crítica" que es la densidad de energía necesaria para tener un Universo con curvatura cero (plano) y la division entre la densidad de energía y la densidad de energía crítica se denomina parámetro de densidad ?, el cual nos indicará si el universo es plano (?=1), con curvatura positiva (?>1) o con curvatura negativa (?<1). O sea si conocemos la densidad crítica y la densidad de energía sabremos qué curvatura tiene el Universo.

El parámetro de densidad total corresponderá a la suma de los parámetros de densidad de las componentes del Universo, es decir, de las partículas no relativistas, la radiación y la constante cosmológia (que se explica a continuación). En otras palabras ?total = ?_m + ?_r + ?_?.

Energía Oscura

Todo lo que contenga masa ayuda a frenar la expansión del Universo por medio de la gravedad (ya que es una fuerza atractiva) por lo que durante mucho tiempo se pensó que nuestro Universo se estaba expandiendo cada vez más lento, pero a comienzos de este siglo, gracias a los resultados obtenidos midiendo la luz de las Supernovas muy lejanas, se demostró que el Universo se expande aceleradamente a grandes distancias, pero ¿qué produce esta expansión acelerada?. Una posible explicación a este fenómeno es que existe una especie de fuerza repulsiva que hace que el espacio se expanda, dicha fuerza recibe el nombre de Energía Oscura y su verdadero origen es aún un misterio. La Energía Oscura se puede modelar agregando un término en la Ecuación de Friedmann denominado constante cosmólogica ? que es constante en el tiempo y que no depende del volumen del espacio y también posee una densidad de energía.

Modelo Actual

La evidencia observacional sugiere que vivimos en un Universo casi plano, con una expansión actualmente dominada por la Energía Oscura y con parámetros de densidad de materia ?_m=0.3, un ?_r aproximadamente 0 y parámetro de densidad asociado a la constante cosmológica ?_?=0.7. Un hecho interesante es que en el parámetro de densidad asociado a la materia ?_m , la materia que conocemos normalmente denominada materia bariónica (partículas compuestas de 3 quarks por ejemplo los protones, neutrones, etc.) aporta sólo un ?_bar = 0,04 y el resto lo aporta la denominada Materia Oscura o no bariónica con un ?_{no bar} = 0,26, que igual que la Energía Oscura, su origen aún no está muy claro.

¡¡El Universo sigue siendo un lugar lleno de misterios!!