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La teoría del Big Bang es un modelo del origen del Universo, es aceptado por la mayoría de los cosmólogos, porque existen indicios sustanciales que nos permiten pensar que este modelo es correcto.
En la imagen de portada se puede ver una imagen de cómo pudo ser el cosmos al comienzo de su existencia. Crédito: web “quo.es/ciencia”
¿Qué dice la teoría del Big Bang?
El Big Bang se describe a menudo como el instante en el que explotó una bola concentrada de energía, convirtiéndose en materia y expandiéndose a una velocidad enorme.
Se postula que esto sucedió hace unos 15.000 millones de años, y que en ese momento la temperatura alcanzó valores gigantescos: 10 28 grados de temperatura, y quizás 10 mil millones de grados (10 10grados) apenas unos minutos después.
Hay que saber que al borde de una temperatura de 10 32 grados, todo tipo de fórmulas y definiciones de la física actual, dejan de tener sentido.
Por tanto, nada se puede afirmar con certeza matemática sobre ese momento cero del universo. El volumen del cosmos era mínimo y la densidad tendía al infinito.
Si se acepta que, a partir de esta situación, el universo comenzó a expandirse y enfriarse, podemos hablar del hecho de que en ese momento se produjo el inicio del universo actual.
Mencionaré cuatro indicaciones, por las cuales la comunidad científica acepta la teoría del Big Bang como válida.
Primer argumento a favor del Big Bang
Un primer argumento para pensar que la teoría del Big Bang es correcta, se basa en el hecho comprobado de que las galaxias se están alejando unas de otras.
Actualmente, todo parece indicar que el universo, incluido el espacio entre galaxias, se está expandiendo a una velocidad creciente, a decenas de miles de kilómetros por segundo.
Esta afirmación se basa en el hecho verificado repetidamente, que la luz de las galaxias se mueve hacia el extremo rojo del espectro, lo que indica que las longitudes de onda de la luz detectada, son más largas.
Este corrimiento al rojo, que se denomina “efecto Doppler“, indica que las galaxias se están alejando de nosotros a velocidades crecientes.
El retroceso de las galaxias fue descubierto por primera vez en 1929 por Edwin Hubble. Nunca se ha visto ningún cambio de azul en las galaxias más distantes.
Este descubrimiento, la expansión del universo, produjo la revolución intelectual más importante del siglo XX, e implica que, a medida que las galaxias escapan, el universo se va quedando más vacío y, por tanto, se enfría.
La temperatura actual del cosmos es de unos tres grados absolutos (3 ° K), es decir, 270 grados Celsius bajo cero. El enfriamiento progresa desde que comenzó la expansión del universo.
Segundo argumento a favor del Big Bang
Un segundo argumento en apoyo de la teoría del Big Bang es la cantidad de hidrógeno y helio presentes en el cosmos.
La teoría del Big Bang afirma que al principio de todo, debido al enorme calor, con temperaturas de 10 32 grados, los núcleos de hidrógeno chocaron entre sí, a velocidades tan grandes que empezaron a fusionarse de dos en dos y a formar núcleos de helio.
Con base en este postulado, la teoría predice que en el Universo la proporción de hidrógeno, en comparación con la del helio, debe de ser de 3 a 1.
Los resultados de la observación, confirman que en el Universo hay un 25% de helio, en comparación con un 75% de hidrógeno.
Tercer argumento a favor del Big Bang
Un tercer argumento en apoyo de la teoría del Big Bang, es algo más complicado y largo de explicar.
Se refiere a la radiación fósil (de fotones) o radiación de fondo en el Universo.
Este descubrimiento ha sido la confirmación científica más espectacular de la teoría del Big Bang. Todos los cuerpos calientes irradian. Cuanto más calientes están, más irradian.
El cuerpo humano, por ejemplo, emite rayos infrarrojos que nuestro ojo no puede detectar, pero que con un visor nocturno es posible hacerlo.
Las serpientes no necesitan un visor nocturno artificial, ya que tienen un tercer ojo que detecta infrarrojos en la frente.
Los cuerpos muy calientes emiten radiación de onda más corta, por lo que aparecen de color azul y violeta.
A medida que se enfrían, la onda de radiación se alarga, y el color percibido cambia de azul a verde, amarillo, naranja, rojo, hasta llegar al infrarrojo.
Esta luz emitida por un cuerpo caliente se llama “luz térmica“.
Poco después del Big Bang, cuando el universo primitivo estaba a temperaturas de millones de grados Kelvin, la agitación térmica provocó que la materia se disociara totalmente. Los electrones eran incapaces de unirse a los protones y formar átomos.
La materia tenía la forma de un plasma eléctrico opaco a la luz, ya que no se generaban fotones. Ese universo estaba absolutamente oscuro. Sin embargo, comenzó a expandirse.
El universo inicial estaba completamente desorganizado, no tenía galaxias, ni estrellas, ni moléculas, ni átomos, ni siquiera núcleos de átomos. Era solo un caldo de materia informe, a una temperatura de miles de millones de grados.
Cuando habían pasado unos 380.000 años después del Big Bang, el Universo había experimentado una expansión que, a su vez, había producido un fuerte enfriamiento.
Cuando la temperatura cayó por debajo de los 3.000ºK, la interacción electromagnética ya pudo hacer que los electrones comenzaran a unirse con los protones.
Se generaron átomos de hidrógeno y helio, los fotones pudieron escapar y así es como el universo se volvió transparente a la luz.
A una temperatura inicial tan alta, los procesos físicos se aceleraron increíblemente. Ocurrieron más procesos en un segundo, de todos los que ocurrirían después, en millones de años en un mundo más frío.
El físico y astrónomo ucraniano George Gamow (1904-1968) hizo el siguiente razonamiento: si el universo actual presenta un cuadro de enfriamiento debido a la expansión, significa que inicialmente estaba muy caliente y por lo tanto emitía radiación.
Gamow se preguntó qué pasó con esa radiación incandescente que existía al comienzo del universo. ¿Dónde se han ido los fotones que se generaron?
Supuso que la expansión del espacio había alargado la longitud de onda de los fotones primordiales. Sus cálculos le llevaron a deducir que la temperatura de la radiación original ya había bajado a unos 8º K (8º por encima del cero absoluto).
En 1948, poco después del final de la Segunda Guerra Mundial, predijo que tenía que haber un rastro de esta radiación primitiva, y que sería de una longitud de onda milimétrica, es decir, debían ser microondas.
Nadie se tomó en serio esta predicción, y se pensó que sería una extravagancia intentar captar el eco del Big Bang.
Nuestro ojo es sensible a fotones de poco menos de una milésima de milímetro. Por tanto, si el rastro de la radiación primitiva tiene una longitud de onda algo mayor que un milímetro, es invisible a nuestros ojos.
En esos años no existían instrumentos para detectar ondas de esa tan pequeña longitud.
Arno Penzias, un físico nacido en Munich en 1933, estaba trabajando con Robert Wilson en los Laboratorios Bell, en 1964, experimentando con una antena supersensible de 6 metros, diseñada para detectar ondas de radio reflejadas por sondas.
Para medir estas ondas de radio, era necesario suprimir cualquier tipo de interferencia que pudiera ocurrir en las cercanías de la antena.
Lograron eliminar los efectos de los radares y las estaciones de radio.
Incluso suprimieron la interferencia producida por la propia antena, enfriándola con helio líquido a -269º C (4º Kelvin), muy cerca del cero absoluto.
Después de todas esas precauciones, siguieron detectando una fuente de ruido que no podían explicar.
Inicialmente, pensaron que eran pájaros que se habían instalado en la antena, o que era otro tipo de suciedad de la misma.
A pesar de la limpieza cuidadosa y del ajuste fino de la recepción, el ruido persistió. Era un ruido que persistía día y noche y que venía de todos lados, dondequiera que en el cielo apuntaran la antena.
Ambos concluyeron que el ruido provenía de más allá de nuestra propia galaxia, de más allá de la Vía Láctea.
Cuando algunos amigos y colegas les dijeron que existía la posibilidad de que fuera la radiación predicha por George Gamow, de la explosión lo que provocó el Universo, Penzias y Wilson se dieron cuenta de que habían hecho un descubrimiento de enorme importancia.
Las características de la radiación detectada por ellos, coincidían perfectamente con la radiación inicialmente predicha por George Gamow, y refinada por Robert Dicke y otros colegas de la Universidad de Princeton.
Para evitar posibles conflictos posteriores, ambos compañeros decidieron publicar conjuntamente los resultados de su trabajo.
En 1978, Arno Penzias y Robert Wilson recibieron el Premio Nobel por su gran descubrimiento.
La detección de estos fotones milimétricos requiere de instrumentos muy sensibles a estas longitudes de onda (similares a los de los radares y hornos microondas).
Son señales antiguas, de intensidad muy débil y que es necesario separarlas de la maraña de ondas parasitarias.
El calor de la atmósfera terrestre crea un fuerte ruido parásito, que dificulta la detección de radiación de microondas fósil.
Por esta razón, la NASA decidió fabricar el COBE (Cosmic Background Explorer=Explorador de Fondo Cósmico) construido especialmente para realizar, fuera de la atmósfera terrestre, estudios de precisión, que pudieran confirmar los postulados de la teoría del Big Bang.
El COBE fue lanzado al espacio el 18 de noviembre de 1989 en una órbita circular alrededor de la Tierra, a una altitud de 900 km y con el eje de rotación inclinado a 99º.
La altitud se calculó para evitar tanto la radiación de la Tierra, como la influencia de las partículas existentes en los cinturones de radiación que la Tierra tiene a su alrededor.
La órbita de 900 km, combinada con la inclinación del eje de rotación, permitió mantener la Tierra y el Sol continuamente por debajo del plano de la capa COBE, permitiendo así un escaneo completo del cielo cada seis meses.
Los resultados obtenidos por COBE mostraron una correspondencia perfecta entre lo que predijo la teoría del Big Bang y lo que se observó en el fondo de microondas.
La imagen creada a partir de nueve años de datos de WMAP, revela fluctuaciones de temperatura de 13,77 mil millones de años (mostradas como diferencias de color) que corresponden a las semillas que crecieron para convertirse en galaxias.
Cuarto argumento a favor del big bang
El cuarto argumento en apoyo de la teoría del Big Bang, es que los objetos más antiguos del universo tienen entre 10 y 15 mil millones de años.
No hay evidencia de objetos más antiguos que el Big Bang. Las estrellas más antiguas de la Vía Láctea se remontan a unos 10 mil millones de años.
A la pregunta de si hubo algo antes del Big Bang, la respuesta es que no tenemos ninguna pista que nos permita retroceder más, en el pasado.
Todos los datos astrofísicos se detienen en la misma frontera. Las leyes que los científicos han descubierto no funcionan fuera de estos límites y nos quedamos sin respuestas.
La teoría cuántica es incapaz de explicar el comportamiento de partículas sometidas a un campo de gravedad tan intenso y con temperaturas tan altas.
Por otro lado, la teoría de la relatividad afirma que con un campo de gravedad tan fuerte, todo estaría confinado en un espacio muy restringido, del que nada podría escapar, ni siquiera la luz.
Según el modelo del Big Bang, el universo primitivo era un plasma, compuesto principalmente por electrones, quarks y neutrinos totalmente disociados entre sí.
Los electrones no podían unirse con los protones y otros núcleos atómicos para formar átomos, porque la energía promedio de dicho plasma era muy alta, por lo que los electrones interactuaban constantemente con los fotones, a través de un proceso conocido como dispersión de Compton.
A medida que el cosmos se enfrió, las partículas elementales se aglutinaron y formaron núcleos, átomos, moléculas, nebulosas, estrellas, galaxias y planetas.
No todo se explica con la teoría del Big Bang
Las matemáticas que subyacen a esta teoría son inadecuadas e impotentes para explicar lo que sucedió en las fronteras del tiempo y del espacio.
- ¿Qué había antes del tiempo cero?
- ¿Qué era el espacio antes del Big Bang?
- ¿Cuánto tiempo transcurrió antes del Big Bang?
Científicamente es imposible definir un tiempo cero, momento en el que la temperatura alcanzaría un valor infinito y el espacio tendría un volumen cero. Ese es simplemente el límite de nuestro conocimiento.
Si la teoría del Big Bang es correcta, actualmente toda la materia estelar debería estar distribuida en la superficie de una inmensa esfera que se vuelve más extensa cada segundo.
En el interior de esta esfera universal, sólo estaría la radiación producida por las estrellas.
En 2007, el prestigioso científico Stephen Hawking dijo que, según los cálculos, si un segundo después del Big Bang la velocidad de expansión hubiera sido inferior a una parte en 100.000 billones, el Universo se habría derrumbado sobre sí mismo, antes de ahora, debido a la atracción. de la fuerza de la gravedad.
Pero si la velocidad de expansión un segundo después del Big Bang, hubiera sido superior a una parte en 100.000 billones, el universo, superando la fuerza de gravedad, se habría expandido tanto, que ahora estaría prácticamente vacío.
La situación actual es una “casualidad”.
