Entendre l'origen de l'Univers (la teoria del Big Bang)

Entender el origen del Universo es un objetivo al que la comunidad científica dedica ingentes cantidades de esfuerzo, tanto mental como económico. Las dos ramas principales de la ciencia que indagan en esta cuestión son la Astrofísica y la Cosmología, disciplinas que son puramente observacionales, ya que los científicos dependen exclusivamente de la capacidad y potencia de los diversos instrumentos de observación para obtener datos y extraer conclusiones de los mismos. Esto hace que el conocimiento de que disponemos sobre el Universo y su probable origen sea relativamente reciente, ya que los primeros datos relevantes acerca del mismo se obtuvieron en los primeros años del siglo XX. En este artículo haré un recorrido por las principales evidencias experimentales que se han ido acumulando desde entonces y que han asentado nuestro actual conocimiento acerca del origen del Universo.

1. Antecedentes: los datos que apoyan un comienzo para el Universo

Nuestro conocimiento actual se basa en las siguientes evidencias experimentales:

i) La recesión (alejamiento) de las galaxias

En 1929, Edwin Hubble observó que las galaxias se alejan unas de otras, siendo la velocidad de recesión tanto mayor cuanto más lejanas se encuentran entre sí [1]. Estas observaciones, confirmadas con precisión en años posteriores, llevaron a una conclusión inmediata: si las galaxias se alejan unas de otras, en tiempos anteriores debieron estar más cerca entre sí. Por lo tanto, en algún momento debieron estar todas juntas, de ahí que el Universo debió tener un comienzo.

Edwin Hubble (1889-1953) y la ley que lleva su nombre, mostrando que a mayor distancia de separación entre galaxias (eje horizontal, en millones de años-luz), más rápidamente se alejan entre sí (eje vertical, en km/s). En la parte inferior de la figura se muestra un modelo simplificado, en el que se representa el Universo con una dimensión menos, como la superficie de un globo. En él, las galaxias estarían sobre la superficie. A medida que se hincha el globo, todas las galaxias se alejan unas de otras.

En los años posteriores, surgieron dos teorías para tratar de explicar los datos de Hubble y el origen del Universo, teorías que se mantuvieron en pie de igualdad durante más de 30 años: la del Big Bang, (Gran Explosión) propuesta por George Gamow en 1948, que fue mal acogida en su momento y que predecía un comienzo en forma de explosión colosal, del que debía quedar alguna “señal” en el Universo actual. Su predicción fue olvidada durante años. La otra teoría, que se mantuvo vigente hasta la década de los 60, se debió a Fred Hoyle, Hermann Bondi y Tommy Bond (1948). Se basaba en suponer un Universo Estacionario, sin principio ni fin. Esta teoría se abandonó definitivamente en 1965, debido al descubrimiento de la radiación de fondo, que detallo a continuación:

ii) La radiación de fondo de microondas

En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, científicos de los Bell Labs, buscaban señales de radio procedentes de galaxias lejanas con un radiotelescopio muy sensible. Algo parecía que interfería con el experimento pues, lo orientaran en la dirección que fuera, el instrumento captaba una señal siempre idéntica e imposible de eliminar. Pensaron que se debía a los excrementos de palomas que se arremolinaban en torno a su gran antena, pero la señal permaneció inmutable una vez limpiada la antena y ahuyentadas las palomas. Penzias y Wilson publicaron los resultados de sus medidas en un artículo de la revista Astrophysical Journal en el que no daban ninguna interpretación a sus datos, pero simultáneamente, científicos de la Universidad de Princeton que estaban en contacto con ellos, dirigidos porRobert Dicke, publicaron en el mismo número de la revista otro célebre artículo en el que explicaban cómo esa señal debía ser el rescoldo de la Gran Explosión, tal y como predijo Gamow.

Una sencilla explicación del hallazgo de Penzias y Wilson es la siguiente: en el momento de la Gran Explosión, le temperatura sería inimaginablemente elevada. Esta radiación se enfrió progresivamente debido tanto a la expansión del universo, como al paso del tiempo, de forma que lo que Penzias y Wilson detectaron son los residuos térmicos de aquel comienzo. La radiación que midieron se correspondía con la de un cuerpo situado a –270ºC. La longitud de onda asociada a la radiación de un emisor situado a esa temperatura se localiza en el rango de las microondas, de ahí el nombre de “Radiación de fondo de microondas”.

A partir de ese dato, se pudo establecer una fecha aproximada para el origen y situarlo hace entre 12.000 y 15.000 millones de años. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de física de 1978 por su descubrimiento.

Robert Wilson (1936- ; izquierda); Arnno Penzias (1933- ; derecha) y la antena con la que captaron la radiación de fondo

iii) Las irregularidades en la radiación de fondo

Una vez descubierta la radiación de fondo, en los años siguientes surgió una pregunta: ¿por qué hay unas zonas del Universo donde hay estrellas y galaxias y otras regiones están, en cambio, vacías? Esta cuestión supuso un verdadero quebradero de cabeza para los científicos implicados en el conocimiento de los detalles de la Gran Explosión porque, aparentemente, no había razón alguna para que hubiera zonas del espacio con materia y otras sin ella, ya que la radiación de fondo medida por Penzias y Wilson parecía mostrar una uniformidad extraordinaria en cualquier dirección del espacio en la que se la detectara.

Para tratar de responder a esta cuestión crucial, en 1993, se lanzó al espacio un instrumento de gran precisión que pretendía indagar en los detalles de la radiación de fondo, el CO.B.E. (COsmic Background Explorer). El experimento, dirigido porGeorge Smoot y John Mather, buscaba encontrar irregularidades en la temperatura de esa radiación, que hasta ese momento no se habían podido detectar. COBE encontró tales irregularidades, que resultaban muy difíciles de medir pues eran extraordinariamente pequeñas (en efecto, COBE detectó variaciones en la temperatura de la radiación de fondo en el orden de las millonésimas de grado).

La existencia de esas irregularidades, eran indicativas de que en el Universo primordial hubo regiones más calientes y por lo tanto, más densas que otras, que actuaron como los gérmenes de los cúmulos de las galaxias actuales, ya que pequeñas concentraciones de materia, bajo la influencia de la gravedad, crecieron al expandirse y enfriarse el universo, originando esas galaxias. De otra parte, las regiones más frías dieron lugar a espacio vacío, lo que concuerda plenamente con lo que observamos al mirar al espacio, donde hay regiones ocupadas por galaxias y otras vacías de materia.

En definitiva, si la radiación de fondo no hubiera tenido esas irregularidades, no existiríamos. Como reconocimiento a este descubrimiento trascendental, Smoot y Mather recibieron el Premio Nobel de Física en 2006.

John Mater (1946- ; izquierda) y George Smoot (1945- ; derecha). La señal de las irregularidades en la radiación de fondo medida por COBE. Las zonas más calientes están en color rojo y las más frías en azul. [2]

En años recientes, las mediciones de COBE se han confirmado plenamente con instrumentos mucho más sensibles, incorporados en dos nuevos satélites:W.M.A.P. (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) (desde 2001) y Planck (desde 2009). Las mediciones del último permitieron precisar que el origen del Universo ocurrió hace 13.800 millones de años.

Hasta aquí la sucesión de las principales observaciones que han permitido construir el cuerpo de conocimiento que tenemos en la actualidad acerca del origen del Universo. A continuación describiré lo que sabemos de ese instante primordial y la evolución posterior del Universo hasta llegar al momento actual.

2. El universo en sus orígenes y su posterior evolución

El Universo surgió de repente; la materia, la energía, el espacio y el tiempo aparecieron espontáneamente a partir de la nada. Lo que vino después, a grandes líneas fue así:

i) En el origen, solo había partículas elementales (fotones, electrones, neutrinos, quarks, etc. y sus correspondientes antipartículas); la energía de esa “sopa primordial” era tan inimaginablemente grande que las partículas no podían unirse entre sí. En los instantes inmediatamente posteriores se produjo un período de rápida expansión, conocido como período inflacionario. Hace poco más de un año hubo noticias controvertidas acerca de la posible detección de ondas gravitacionales provenientes de esos instantes iniciales, pero hasta el momento no se han podido confirmar.

ii) Una vez iniciada la expansión, el Universo se enfrió y unos 400.000 años después del comienzo, los quarks empezaron a unirse entre sí para formar protones y neutrones, los componentes de los núcleos atómicos.

iii) Posteriormente se unieron electrones con protones y neutrones y se formaron los átomos de los elementos más ligeros: hidrógeno y helio.

iv) El enfriamiento adicional permitió la formación de las primeras estrellas, germen de las futuras galaxias.

v) En el núcleo de las estrellas primitivas se formaron, mediante procesos de fusión nuclear, el resto de los elementos de la tabla periódica.

vi) La siguiente etapa fue la formación de galaxias en las zonas más calientes del universo primordial.

vii) Desde el comienzo, el Universo se encuentra en expansión continuada de acuerdo con la ley de Hubble, hasta llegar a la situación presente.

La imagen muestra una visualización en el espacio y el tiempo de las sucesivas etapas descritas:

Recreación de las diversas etapas del origen y expansión del Universo

3. Algunos interrogantes

i) ¿Qué había antes del Big Bang?

Nada, la materia, el espacio y el tiempo nacieron con él. Si hubo algo antes de ese instante, es una cuestión a la que los científicos no podemos dar respuesta. Podemos responder acerca de lo que pasó a partir de ese momento, no acerca de qué o de quién “apretó el botón”.

ii) ¿Cuál es la composición del Universo?

Los datos más recientes del satélite Planck indican que la materia ordinaria apenas representa el 5% del total; el resto del Universo está formado pormateria oscura y energía oscura. La materia oscura es el 27% de toda la materia del Universo; aunque sabemos de su existencia sólo por evidencias indirectas, ya que hasta la fecha no hemos podido observarla directamente. Por lo que respecta a la energía oscura, que es el 68% restante, prácticamente no sabemos nada. Uno de los grandes retos científicos de la actualidad es tratar de averiguar qué son ambas.

iii) ¿Por qué prevalece la materia frente a la antimateria?

En el principio, el Universo contenía cantidades iguales de materia y de antimateria. Pero hay diferencias de comportamiento entre ambas y puede que como resultado de esas diferencias, la antimateria desapareció, pero no lo sabemos con certeza; todavía no hemos sido capaces de explicar por qué en el Universo actual hay más materia que antimateria.

iv) ¿Cuál es el futuro del Universo?

Tras el comienzo, la fuerza de la explosión primordial debería, en algún momento, ser contrarrestada por la de la gravedad; en definitiva, las galaxias son masa y la masa se atrae. Esto ocurrirá si la masa total del Universo es superior a un cierto valor crítico. En caso contrario, la expansión será indefinida. Los experimentos más recientes demuestran que la masa del Universo es aproximadamente la crítica, con lo que no es posible decidir qué ocurrirá en un futuro muy, muy remoto.

En los próximos años, la Astrofísica, la Cosmología y las ramas del conocimiento limítrofes como la física de partículas, podrán responder a estas y a otras preguntas mediante la adecuada combinación de nuevas mediciones experimentales y el refinamiento de los modelos teóricos existentes, todo ello en un marco de cooperación entre científicos e instituciones de todo el mundo. Indagar en estos interrogantes es una tarea apasionante, que seguirá intrigando en el futuro a las nuevas generaciones de científicos.

Ignacio Mártil, El Big Bang: las bases científicas de la teoría del origen del Universo, Público 03/03/2016

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[1] Hay dudas acerca de la paternidad de la idea. El célebre sacerdote y científico belga, Georges Lemaitre, publicó dos años antes unos resultados similares en una revista de escasa difusión, por lo que no tuvieron ninguna trascendencia. El lector interesado en esta cuestión puede obtener más detalles en este artículo.

[2] La imagen del cielo proyectada en un plano aparece con la forma de un óvalo. Se debe a que mirar el cielo a nuestro alrededor es equivalente a mirar la superficie interior de una esfera desde el centro de la misma, por lo que al proyectar una esfera en un plano para poder mostrar en dos dimensiones una imagen tridimensional se obtiene el óvalo mostrado en la imagen. Es lo mismo que ocurre cuando miramos un mapamundi de la Tierra, proyectamos en un mapa plano ovalado una superficie esférica.