Geofrik's Blog

La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad generalpuede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxiasy los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del Universoantes o después en el tiempo.

Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que, en el pasado, el Universotenía una temperatura más alta y una mayor densidad y, por tanto, que las condiciones del Universoactual son diferentes de sus condiciones en el pasado o en el futuro. A partir de este modelo, George Gamow, en 1948, pudo predecir que debería haber evidencia de un Big Bang en un fenómeno más tarde bautizado como radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB). El CMB fue descubierto en los años 1960 y se utiliza como confirmación de la teoría del Big Bang sobre su más importante alternativa, la teoría del estado estacionario.

Para llegar a esta explicación, diversos científicos, con sus estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis del modelo del Big Bang.

Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el Universoestaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxiasmás allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros, como si el Universose dilatara constantemente. En 1948, el físico ruso nacionalizado estadounidense, George Gamow (1904-1968), planteó que el Universose creó a partir de una gran explosión (Big Bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido «oír» el eco de esta gigantesca explosión primigenia.

La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y de un avance teórico. Por medio de observaciones en los 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher y, después de él, Carl Wilhelm Wirtz, de Estrasburgo, determinaron que la mayor parte de las nebulosasespirales se alejan de la Tierra; pero no llegaron a darse cuenta de las implicaciones cosmológicas de esta observación, ni tampoco del hecho de que las supuestas nebulosaseran en realidad galaxiasmás allá de nuestra propia Vía Láctea.

Además, la teoría de la relatividad general de Albert Einstein (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (es decir, el Universodebe estar en expansión o en reducción), resultado que él mismo consideró equivocado, por lo que trató de corregirlo agregando la constante cosmológica. El primero en aplicar formalmente la relatividad a la cosmología sin la constante cosmológica fue Alexander Friedman, cuyas ecuaciones describen el UniversoFriedman-Lemaître-Robertson-Walker, que puede expandirse o contraerse.

Entre 1927 y 1930, el padre jesuita belga Georges Lemaître obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesión de las nebulosasespirales, que el Universose inició con la explosión de un átomoprimigenio, lo que más tarde se denominó «Big Bang«.

En 1929, Edwin Hubble realizó observaciones que sirvieron de base para comprobar la teoría de Lemaître. Hubble probó que las nebulosasespirales son galaxiasy midió sus distancias observando las estrellas variables cefeidas* (ver ‘estrellas’)en galaxiasdistantes. Descubrió que las galaxiasse alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia. Este hecho se conoce ahora como la ley de Hubble.

Según el principio cosmológico, el alejamiento de las galaxiassugería que el Universoestá en expansión. Esta idea ocasionó dos posibilidades opuestas:

• La primera era la teoría del Big Bang de Lemaître, apoyada y desarrollada por George Gamow.

• La segunda posibilidad era el modelo de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, según la cual se genera nueva materia mientras las galaxiasse alejan entre sí. En este modelo, el Universo es básicamente el mismo en un momento dado en el tiempo.

Durante muchos años hubo más o menos el mismo número de adeptos para ambas explicaciones. Con el pasar de los años, las evidencias observacionales apoyan la idea de que el Universoevolucionó a partir de un estado denso y caliente. Desde el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas en 1965, ésta ha sido considerada la mejor teoría para explicar el origen y evolución del cosmos.

Antes de finales de los años sesenta, muchos cosmólogos pensaban que la singularidad infinitamente densa del tiempo inicial en el modelo cosmológico de Friedman era una sobreidealización, y que el Universose contraería antes de empezar a expandirse nuevamente, produciéndose una contracción global. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch*o ‘Gran Colapso*‘. Ésta es la teoría del universo oscilante de Richard Tolman. En los años 1960, Stephen Hawking y otros demostraron que esta idea no era factible, y que la singularidad es un componente esencial de la gravedad de Einstein. Esto llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar la teoría del Big Bang, según la cual el Universoque observamos se inició hace un tiempo finito.

Prácticamente todos los trabajos teóricos actuales en cosmología tratan de extender o refinar elementos de la teoría del Big Bang. Gran parte del trabajo actual en cosmología incluye entender cómo se formaron las galaxiasen el contexto del Big Bang, entender lo que allí ocurrió y cotejar nuevas observaciones con la teoría básica.

A finales de los años 1990 y a principios del siglo XXI se lograron enormes avances en la cosmología del Big Bang como resultado de importantes avances en telescopía, en combinación con grandes cantidades de datos satelitales de COBE, el telescopio espacial Hubble y WMAP. Estos datos han permitido a los cosmólogos calcular muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y han conducido al descubrimiento inesperado de que el Universoestá en aceleración.

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Descripción del Big Bang:

Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación Big Bang: en cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo, habría sido el mismo Big Bang lo que habría generado la dimensiones desde una singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.

Basándose en medidas de la expansión del Universoutilizando observaciones de las supernovas tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universoes de, aproximadamente, 13700±200 M.a. (millones de años). Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo.

El Universo, en sus primeros momentos, estaba lleno homogénea e isótropamente de una energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitantes*. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.

Aproximadamente 10^-35 segundos después de la Época de Planck, un cambio de fase causó que el Universose expandiese de forma exponencial durante un período llamado Inflación Cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universoquedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió. A cierta temperatura, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis*, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia*y la antimateria*. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado Nucleosíntesis Primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleosse combinaron para formar los átomos(mayoritariamente de hidrógeno*). Por eso, la radiación se desacopló de los átomosy continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas.

Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nebulosas, estrellas, galaxiasy el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría*, materia oscura caliente* y materia bariónica*. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el Universoes la materia oscura fría*. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20% de la materia del Universo.

El Universoactual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura*. Aproximadamente el 70% de la densidad de energía del Universoactual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del Universoes el hecho de que provoca que la expansión del Universovaríe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura* toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.

Más misterios aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10^-33 segundo del Universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de unificación grande. En el «primer instante», la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad gravitacional en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica. La comprensión de este período de la historia del Universofigura entre los mayores problemas no resueltos de la física.

Por supuesto, no sabemos nada sobre lo que había antes del Big Bang, aunque nunca faltan especulaciones teóricas. Algunas de estas especulaciones son las siguientes:

• Teoría del Huevo Cósmico –> El huevo cósmico fue un concepto cosmológico desarrollado en los años 1930 y explorado por los teóricos durante las dos décadas siguientes. La idea viene de la aparente necesidad de reconciliar las observaciones de Edwin Hubble de un Universoen expansión (también predicho por las ecuaciones de la relatividad general de Einstein) con la noción de que el Universodebe ser eternamente viejo. Esta teoría afirma que, antes de la formación del Universo, toda la masa del mismo estaba comprimida en un volumen unas treinta veces el tamaño de nuestro Sol, y desde este estado se expandió hasta su estado actual (el Big Bang). La teoría también afirma que la gravedad está ralentizando gradualmente la expansión cósmica, y que en algún momento del futuro el Universovolverá a contraerse hasta formar otro huevo cósmico (el Big Crunch*). Entonces el Universo«rebotará» a otra fase de expansión, y el proceso se repetirá indefinidamente.
• Teoría del estado estacionario –> Un intento rival de reconciliar un Universoeterno con la expansión cósmica es la teoría del estado estacionario desarrollada por Fred Hoyle y otros. Según Hoyle, nunca ocurrió ningún suceso como el Big Bang y la expansión cósmica es eterna, creándose continuamente nueva materia para mantener una densidad constante.

Ambas teorías se oponen al más reciente modelo de Universosin límites propuesto por Stephen Hawking, en el que el espacio-tiempo surgió de una singularidad espaciotemporal en el Big Bang. En este modelo, cualquier cuestión de lo que ocurrió «antes» del Big Bang carece de significado, dado que el propio tiempo fue creado en ese instante. Pero de hecho, últimamente Roger Penrose, en conjunto con su amigo Stephen Hawking, ha puesto en tela de juicio si carece de significado hablar de «antes» del Big Bang, agregando asi modificaciones al modelo del Big Bang. Igualmente esto es todavia materia de discusion.

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GeoFrík