Teoría del Big Bang

Hay muchos indicios que confirman que el universo pudo empezar con el Big Bang

Actualmente, el modelo del Big Bang como teoría del origen del Universo está aceptado por la mayoría de los cosmólogos porque hay indicios substanciales que permiten pensar que es correcto. Pulse aquí para ver un genial video que resumen "en un minuto", la historia del universo.

¿Qué dice la teoría del Big Bang?

Enana blanca

Se suele describir al Big Bang como el instante en el que una bola concentrada de energía estalló convirtiéndose en materia y expandiéndose a enorme velocidad.

Se postula que esto sucedió hace unos 15.000 millones de años, y que en ese momento la temperatura alcanzó valores gigantescos: 1028 grados de temperatura y tal vez 10.000 millones de grados (1010 grados) tan sólo unos minutos más tarde.

Hay que saber que en el borde de una temperatura de 1032 grados, todo tipo de fórmulas y definiciones de la física actual deja de tener sentido. Por lo cual, nada se puede afirmar con certeza matemática acerca de 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 empezó a expandirse y a enfriarse, podemos hablar de que en ese instante se produjo el comienzo del  universo actual.

Mencionaré cuatro indicios científicos por los que la comunidad científica acepta com válida la teoría 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 que se ha verificado repetidas veces que la luz de las galaxias se desplaza hacia el extremo rojo del espectro, lo que indica que las longitudes de ondas de la luz detectada son más largas; este corrimiento hacia el rojo, que se denomina “efecto doppler”, indica que las galaxias se alejan de nosotros y que lo hacen a velocidades cada vez más grandes.

NGC 6397

El alejamiento de las galaxias fue descubierto por primera vez en el año 1929 por Edwin Hubble. Nunca se ha visto ningún desplazamiento hacia el 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 se produce la fuga de las galaxias, el universo queda más vacío y, por lo tanto, se enfría.

La temperatura actual del cosmos es de unos tres grados absolutos (3ºK), es decir, 270 grados Celsius bajo cero. El enfriamiento avanza desde que comenzó la expansión del universo.

Hubble

Un segundo argumento en apoyo de la teoría del Big Bang es la cantidad de hidrógeno y de helio presente en el cosmos.

La teoría del Big Bang afirma que en el comienzo de todo, debido al enorme calor, con temperaturas de 1032 grados, los núcleos de hidrógeno chocaban entre sí a velocidades tan grandes que empezaron a fusionarse de dos en dos y a formar núcleos de helio.

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

Los resultados observacionales confirman que efectivamente en el Universo hay un 25% de helio frente al 75% de hidrógeno.

Hidrógeno
Helio

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. Vamos a ello.

Todos los cuerpos calientes irradian. Mientras 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 visor nocturno artificial pues en la frente tienen un tercer ojo que detecta el infrarrojo.

Los cuerpos muy calientes emiten una radiación de onda más corta, por lo que se ven de color azul y violeta. A medida que se van enfriando, la onda de radiación se va haciendo más larga y el color percibido va cambiando del azul al verde, amarillo, naranja, rojo, hasta llegar al infrarrojo. Esta luz emitida por un cuerpo caliente se denomina “luz térmica”.

Visión nocturna
Visión nocturna con visor de infrarrojos

Poco después del Big Bang, cuando el universo primitivo estaba a temperaturas de millones de grados Kelvin, la agitación térmica hacía que la materia estuviera totalmente disociada, los electrones no conseguían unirse a los protones y formar átomos. La materia tenía la forma de plasma eléctrico opaco a la luz, pues no se generaban fotones. Ese universo estaba absolutamente oscuro. Sin embargo, empezó a expandirse.

El universo inicial estaba completamente desorganizado, no poseía galaxias, ni estrellas, ni moléculas, ni átomos, ni siquiera núcleos de átomos. Sólo era un caldo de materia informe, a una temperatura de miles de millones de grados.

Cuando había 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 bajó a menos de 3.000ºK la interacción electromagnética ya fue capaz de que los electrones empezaran a ligarse con los protones. Se generaron  átomos de hidrógeno y de helio, los fotones pudieron escapar y así fue como el universo se hizo transparente a la luz.

A una temperatura inicial tan elevada, los procesos físicos se aceleraron de forma increíble. Ocurrieron más procesos en un segundo, que los que ocurren en millones de años en un mundo más frío.

Ondas longitudes

El físico y astrónomo ucraniando George Gamow (1904-1968) hizo el siguiente razonamiento: si el universo actual presenta una imagen de enfriamiento debido a la expansión, significa que en un principio era muy caliente y, por lo tanto, emitía radiación.

Gamow se preguntaba ¿qué sucedió con esa radiación resplandeciente que existía al comienzo del universo? ¿dónde han ido los fotones que se generaban? 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 se había reducido ya a unos 8º K (8º por encima del cero absoluto).

En 1948, poco después de finalizar la segunda guerra mundial, predijo que tenía que existir una huella de esta primitiva radiación y que ésta sería de una longitud de onda milimétrica, es decir debían de ser microondas. Nadie 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 algo menos de una milésima de milímetro. Por lo cual, si la huella de la radiación primitiva tiene una longitud de onda algo mayor que un milímetro, es invisible a nuestros ojos. En esos años no había instrumentos para detectar ondas de esa longitud.

Gamow

George Gamow en 1934

Arno Penzias, físico nacido en Munich en 1933, trabajaba con Robert Wilson en los Laboratorios Bell en 1964, experimentando con una antena de 6 metros, supersensible, destinada a detectar ondas de radio reflejadas por sondas.

Para medir estas ondas de radio era necesario suprimir cualquier tipo de interferencias que pudieran producirse en el entorno de la antena.

Consiguieron eliminar los efectos de radares y de emisoras de radio. Incluso suprimieron las interferencias producidas por la propia antena, enfriándola con helio líquido a -269º C (4º Kelvin), muy próximo al cero absoluto.

Después de todas esas precauciones, seguían 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 limpiarla cuidadosamente y de afinar la recepción, el ruido persistía. Era un ruido que persistía día y noche y que procedía de todos lados, cualquiera que fuera el lugar del cielo hacia donde orientaran la antena.

Penzias
Arno Penzias

Ambos sacaron la conclusión de que el ruido venía desde más allá de nuestra propia galaxia. Cuando algunos amigos y colegas les comentaron que existía la posibilidad de que fueran las radiaciones predichas por George Gamow procedentes de la explosión que originó el Universo, Penzias y Wilson se dieron cuenta que habían hecho un descubrimiento de enorme importancia.

Las características de la radiación detectada por ellos, encajaba perfectamente con la radiación predicha inicialmente por George Gamow y afinada 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 fueron galardonados con el Premio Nobel, por su gran descubrimiento.

Antena Penzias
La antena de Penzias y Wilson

La detección de estos fotones milimétricos requiere instrumentales muy sensibles a estas longitudes de ondas (similares a las de los radares y hornos microondas). Son señales antiguas, de muy débil intensidad  y que es necesario separarlas de la maraña de ondas parásitas. El calor de la atmósfera terrestre crea un fuerte ruido parásito que dificulta la detección de la radiación fósil de microondas.

Cobe

Por tal motivo la NASA decidió fabricar el COBE (Cosmic Background Explorer) construido especialmente para llevar a cabo, fuera de la atmósfera terrestre, los 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 900 km de altitud y con el eje de rotación inclinado en 99º. La altitud fue calculada para evitar tanto la radiación de la Tierra como la influencia de las partículas existentes en los cinturones de radiación que tiene la Tierra a su alrededor.
La órbita a 900 km, combinada con la inclinación del eje de rotación, hizo posible mantener la Tierra y el Sol continuamente por debajo del plano de la coraza del COBE, permitiendo así un completo barrido del cielo cada seis meses.

Los resultados obtenidos por el COBE, mostraron una coincidencia perfecta entre lo predicho por la teoría del Big Bang y lo observado en el fondo de microondas.

Cobe radiación
Fondo de microondas detectadas por el COBE

El cuarto argumento en apoyo de la teoría del Big Bang es que los objetos más antiguos del universo tienen una antigüedad de entre 10.000 y 15.000 millones de años. No hay evidencia de objetos más viejos que el Big Bang. Las estrellas más viejas de la Vía Láctea se remontan a unos 10.000 millones de años.

A la pregunta de si había algo antes del Big Bang, la respuesta es que no tenemos ningún indicio que nos permita retroceder más tiempo en el pasado. Todos los datos de la astrofísica se detienen en la misma frontera. Las leyes que los científicos han descubierto, no funcionan en esos límites y nos hallamos sin respuestas. La teoría cuántica no es capaz de explicar el comportamiento de partículas sometidas a un campo de gravedad tan intenso y de temperaturas tan elevadas. Por otra parte, la teoría de la relatividad  establece que con un campo de gravedad tan fuerte, todo estaría confinado en un espacio muy restringido del cual nada podría escapar, ni siquiera la luz.

Según el modelo del Big Bang, el universo primigenio era un plasma compuesto principalmente por electrones, quarks y neutrinos totalmente disociados unos de otros. Los electrones no se podían unir a los protones y otros núcleos atómicos para formar átomos porque la energía media de dicho plasma era muy alta, por lo que los electrones interactuaban constantemente con los fotones mediante el proceso conocido como dispersión Compton.

A medida que el cosmos se fue enfriando, las partículas elementales se fueron aglutinando y formando núcleos, átomos, moléculas, nebulosas, estrellas, galaxias y planetas.

Big Bang

No todo queda explicado con la Teoría del Big Bang. Las matemáticas que fundamentan 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 pasó antes del Big Bang? Científicamente es imposible definir un tiempo cero, momento en el cual la temperatura alcanzaría un valor infinito y el espacio tendría un volumen cero. Sencillamente, ese es el límite de nuestros conocimientos.

Si la teoría del Big Bang es correcta, actualmente toda la materia estelar debería estar repartida en la superficie de una inmensa esfera que se va haciendo más extensa cada segundo. En el interior de esta esfera universal, no quedaría más que las radiaciones producidas por las estrellas.

En el año 2007, el prestigioso científico Stephen Hawking decía que, según los cálculos, si 1 segundo después del Big Bang la velocidad de expansión hubiera sido menor de una parte en 100.000 billones, el Universo habría vuelto a colapsar sobre sí mismo antes de ahora, debido a la atracción de la fuerza de gravedad.

Pero que si la  velocidad de expansión 1 segundo después del Big Bang hubiera sido mayor en 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".

Stephens Hawking

Noticia del 21 de marzo de 2013. El telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea ha elaborado el mapa más detallado hasta la fecha del fondo cósmico de microondas, la radiación fosilizada del Big Bang. Este nuevo mapa ha sido presentado esta mañana, y presenta características que desafían los cimientos de los modelos cosmológicos actuales. Esta primera imagen está basada en los datos recogidos durante los primeros 15 meses y medio de observaciones de Planck, y es su primer mapa a cielo completo de la luz más antigua del Universo, grabada en el firmamento cuando éste apenas tenía 380.000 años. Pulse aquí para ver toda la noticia.

ENLACES DE INTERÉS

Pulse aquí para ver un genial video que resumen "en un minuto", la historia del universo.

Lo que dice Wikipedia acerca del Big Bang

Lo que dice Wikipedia del Efecto Doppler

En esta misma web se puede ver información acerca de:

El satélite COBE

Los científicos: Stephen Hawking -  Michio Kaku  -  Edwin Hubble  -  Christian Doppler

El espectro electromagnético

VIDEO: Más allá del Big Bang. Documental de 1 h 30 min producido por Canal de Historia para describir la teoría del Big Bang.

VIDEO: Una Teoría del cosmos del Siglo XXI. Producido en Japón, describe en 47 minutos, de forma muy amena, la teoría del origen del universo, según Einstein.

VIDEO: El Universo de Stephen Hawking. Este gran científico, de fama universal, diserta durante 46 minutos acerca de la estructura del Universo.

VIDEO: Big Bang y Big Crunch principio y fin del Universo. Duración 9:47 minutos y explica la formación del Universo después del Big Bang.

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