Big Bang

El modelo del Big Bang como teoría 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 llegó a existir el cosmos. 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 una bola concentrada de energía explotó, convirtiéndose en materia y expandiéndose a una velocidad enorme.

Se postula que esto sucedió hace unos 15 mil millones de años, y que en ese momento la temperatura alcanzó valores gigantes: 1028 grados de temperatura y quizás 10 mil millones de grados (1010 grados) apenas unos minutos después.

Enana blanca
Explosión de una enana blanca antigua. Crédito: web “newatlas.com”.

Hay que saber que al borde de una temperatura de 1032 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 científicas 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.

M81 M82
M81 y M82 se enfrentan, a solo 12 millones de años luz de distancia. Crédito: web “apod.nasa.gov/apod/ap130925.html”. Autor: Ivan Eder

Esta afirmación se basa en el hecho de que se ha 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 ya velocidades crecientes.

Cúmulo globular
Imagen obtenida con el Telescopio Espacial Hubble del cúmulo globular NGC6397. Crédito: HST / NASA / ESA.

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.

Hubble
Retrato de estudio de Edwin Powell Hubble, fechado en 1931. Crédito: Wikipedia. Fotógrafo: Johan Hagemeyer

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 1032 grados, los núcleos de hidrógeno chocaron entre sí a velocidades tan grandes que empezaron a fusionarse de dos en dos y formar núcleos de helio.

Helio
Estructura del átomo de helio. Crédito: web “ourses.lumenlearning.com/Astronomy ”.

Con base en este postulado, la teoría predice que en el Universo la proporción de hidrógeno en comparación con la del helio debe ser de 3 a 1.

Los resultados de la observación confirman que de hecho 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. Ve a por ello.

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.

Visión nocturna
Visión nocturna con visor de infrarrojos. Crédito: web “nikond3200.in”.

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 w

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 3000ºK, 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 los que ocurrirían 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
Gamow fue un cosmólogo ucraniano-estadounidense y un físico teórico. Crédito: web “famousastronomers.org/george-gamow/”.

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.

Ondas em
Ondas electromagnéticas, espectro electromagnético. Crédito: web “slideplayer.com”

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 longitud.

Arno Penzias, un físico nacido en Munich en 1933, estaba trabajando con Robert Wilson en Bell Laboratories en 1964, experimentando con una antena supersensible de 6 metros diseñada para detectar ondas de radio reflejadas por sondas.

Penzias
Arno Penzias es físico y premio Nobel. Crédito: web “physicstoday.scitation.org/do/10.1063/pt.6.6.20180426a/full/”

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 el 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.

Antena
La antena de Penzias y Wilson. Crédito: web “entremetech.com/extrem/”

Ambos concluyeron que el ruido provenía de más allá de nuestra propia galaxia.

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.

COBE
El Explorador de Backgrounds Cósmicos (COBE). Crédito: web “Science.nasa.gov/missions/”

Por esta razón, la NASA decidió fabricar el COBE (Cosmic Background Explorer) 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.

Radiación cósmica
Radiación cósmica de fondo de microondas detectada por el telescopio COBE. Crédito: web “esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Herschel/Cosmic_Microwave_Background_CMB_radiation”

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 dentro 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 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.

Big Bang
Imagen de cómo nació el cosmos. Crédito: web “quo.es/ciencia”

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 el espacio.

  • ¿Qué había antes del tiempo cero?
  • ¿Qué era el espacio antes del Big Bang?
  • ¿Cuánto tiempo 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, solo estaría la radiación producida por las estrellas.

En 2007, el prestigioso científico Stephen Hawking dijo que, según los cálculos, si 1 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 1 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”.

Hawking
Stephen Hawking físico teórico inglés. Crédito: web “britannica.com/biography/Stephen-Hawking”.