Ilustración del Big Bang hace aproximadamente 13.8 mil millones de años. Crédito de la imagen: NASA’s Goddard Space Flight Center / CI Lab
Aunque la teoría cosmológica del Big Bang sigue siendo popular, nuevas observaciones han revelado importantes incógnitas que requieren la respuesta de la ciencia.
La teoría del Big Bang sigue siendo la explicación predominante y ampliamente aceptada para el origen del universo. Según esta teoría, hace aproximadamente 13.8 mil millones de años, el universo se expandió a partir de un estado extremadamente caliente y denso. La radiación de fondo de microondas cósmicas y la expansión del universo observado son pruebas empíricas sólidas de esta teoría.
Breve reseña sobre la teoría:
Inicio del universo:
Según la teoría del Big Bang, el universo comenzó en un estado extremadamente caliente y denso hace alrededor de 13.8 mil millones de años. En ese momento, toda la materia y energía del universo estaba concentrada en un punto infinitesimal conocido como una «singularidad».
Expansión del universo:
Pocos instantes después de su inicio, el universo comenzó a expandirse y se sigue expandiendo hasta el día de hoy. Esta expansión se basa en observaciones astronómicas, como el corrimiento al rojo de la luz de galaxias distantes, lo que indica que se alejan de nosotros.
Evolución del universo:
El universo se enfriaba a medida que se expandía, lo que permitió que la materia se condensara y formara estructuras más grandes, como estrellas y galaxias. Las galaxias se agruparon en cúmulos y, con el tiempo, estas estructuras a gran escala continuaron evolucionando.
Observaciones y evidencias:
Las observaciones y evidencias que respaldan la teoría del Big Bang incluyen la distribución de elementos ligeros en el universo y la radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB), que es un remanente del calor producido durante el Big Bang.
Inflación Cósmica:
La inflación cósmica, una fase temprana de expansión exponencial, se ha incorporado a la teoría del Big Bang para resolver algunas inconsistencias en el modelo original. La inflación cósmica explica por qué el universo es tan uniforme y por qué las estructuras observadas en el cosmos surgieron de pequeñas imperfecciones iniciales.
Futuro del Universo:
Las observaciones actuales sugieren que la energía oscura, una misteriosa forma de energía que domina la expansión cósmica, seguirá expandiéndose de manera acelerada. La materia oscura representa aproximadamente el 70% de la densidad de energía del universo actual. El hecho de que provoque que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia es una característica distintiva de este componente del universo. Esto hace que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente de lo esperado a grandes distancias.
Las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein incluyen una constante cosmológica que representa la energía oscura. Sin embargo, los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas siguen siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como mediante observaciones.
El futuro del universo es objeto de estudio en la cosmología, y existen diversas teorías sobre su destino final.
Expansión expresada en la ley de Hubble:
La Ley de Hubble es una relación empírica que describe la expansión del universo. En la década de 1920, el astrónomo Edwin Hubble propuso que la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros es directamente proporcional a su distancia desde nosotros. En términos matemáticos, se puede representar de la siguiente manera:
V = H0 * D
Donde:
V es la velocidad de recesión de una galaxia.
H0 es la constante de Hubble, que representa la tasa de expansión actual del universo.*
D es la distancia de la galaxia a nosotros.
*La constante de Hubble, H0, se mide en unidades de velocidad por megapársec (km/s/Mpc). Un megapársec (Mpc) es una unidad de distancia en astronomía que equivale a aproximadamente 3.09 millones de años luz.
Posteriormente, observaciones astronómicas, como el desplazamiento al rojo en el espectro de la luz de galaxias distantes, confirmaron la teoría de la Ley de Hubble de que el universo se está expandiendo.
El desplazamiento al rojo, también conocido como «redshift» en inglés, es un fenómeno observado en la luz emitida por objetos astronómicos, como galaxias y estrellas, que se alejan de nosotros.
A lo largo de los años, se ha estudiado y refinado el valor preciso de la constante de Hubble, H0, que es una de las cantidades fundamentales en la cosmología.
Radiación cósmica de fondo de Microondas:
La Radiación Cósmica de Fondo de Microondas (RCFM), a menudo abreviada como CMB por sus siglas en inglés (Cosmic Microwave Background), es una forma de radiación electromagnética que llena todo el universo observable. Es una de las pruebas más importantes del modelo del Big Bang y proporciona una imagen del estado temprano del universo, aproximadamente 380,000 años después del Big Bang.
Las principales características de la RCFM (CMB) son las siguientes:
Fondo de microondas: La RCFM (CMB) consiste en radiación electromagnética en la región de microondas del espectro electromagnético, con longitudes de onda en el rango de milímetros a centímetros.
Radiación isotrópica: La RCFM (CMB) es casi isotrópica, lo que significa que su temperatura es casi la misma en todas las direcciones del cielo. Las variaciones en la temperatura son extremadamente pequeñas, en el orden de microkelvins.
Fondo de radiación: La RCFM (CMB) se considera el «eco» del Big Bang. En sus primeras etapas, el universo era extremadamente caliente y denso. A medida que se expandió, se enfrió y la radiación se liberó, formando la RCFM (CMB).
Origen: La RCFM (CMB) se originó cuando los electrones y protones se combinaron para formar átomos de hidrógeno neutros, lo que permitió que la radiación se propagara libremente a través del espacio. Esto marcó el momento en que el universo se volvió transparente a la luz y la RCFM es una huella de ese proceso.
Evidencia del Big Bang: El descubrimiento de la RCFM (CMB) en la década de 1960 proporcionó una fuerte evidencia a favor del modelo del Big Bang. La uniformidad de la radiación y su espectro de cuerpo negro (una distribución espectral característica de objetos calientes) coinciden con las predicciones del modelo del Big Bang.
El estudio minucioso de la radiación cósmica de fondos de microondas ha proporcionado información útil sobre la evolución temprana del universo, la formación de estructuras cósmicas y la composición del cosmos. La RCFM (CMB) ha sido objeto de observaciones precisas realizadas por varios satélites y telescopios espaciales, incluidos el Satélite de Sondeo de Anisotropías en el Fondo Cósmico de Microondas (COBE) y el Telescopio Espacial Planck. Estos satélites y telescopios espaciales han permitido investigaciones cosmológicas fundamentales.
Abundancia de elementos primordiales (Nucleosíntesis primordial)
Es el proceso por el cual se formaron los núcleos atómicos ligeros en los primeros minutos después del Big Bang. Este fenómeno es uno de los eventos más importantes en la evolución temprana del universo y contribuyó a la creación de los núcleos de elementos más ligeros como el Hidrógeno, el Deuterio, el Helio y una pequeña cantidad de Berilio y Litio.
Puntos a tener en cuenta sobre la nucleosíntesis primordial:
Momento de la nucleosíntesis primordial: este proceso ocurrió entre 10 y 20 minutos después del Big Bang, cuando el universo estaba muy caliente y denso.
Composición de los núcleos: La nucleosíntesis primordial produjo principalmente núcleos de hidrógeno (aproximadamente el 75% de la masa) y núcleos de helio (aproximadamente el 25% de la masa). Además, se formaron pequeñas cantidades de berilio-7, litio-7, helio-3, tritio y deuterio.
Importancia cosmológica: Para comprender la abundancia actual de elementos en el universo, necesitamos conocer la nucleosíntesis primordial. Los núcleos ligeros creados durante este proceso son la «materia prima» que sirvió para formar las primeras estrellas y galaxias, y luego, las estructuras más grandes del cosmos.
Condiciones requeridas: La nucleosíntesis primordial requería condiciones específicas en el universo temprano. Estas incluyen una temperatura alta y densidad adecuadas, así como un período de tiempo suficientemente corto para que se formaran núcleos ligeros antes de que el universo se expandiera y enfriara significativamente.
Observaciones y evidencia: Las observaciones actuales de la abundancia de helio, deuterio y litio en el universo coinciden con las predicciones teóricas basadas en la nucleosíntesis primordial, lo que respalda firmemente la validez de este proceso como parte de la historia del universo.
La nucleosíntesis primordial es un componente esencial de la cosmología y proporciona información crucial sobre las condiciones y la evolución del universo en sus primeros minutos de existencia. Además, ilustra cómo la astronomía y la física de partículas se combinan para explicar los eventos cósmicos fundamentales.
Evolución y distribución galáctica:
La evolución y distribución de las galaxias en el universo es un tema importante en la cosmología y la astronomía. Las galaxias son los componentes fundamentales del cosmos, y comprender su formación, evolución y distribución a lo largo del tiempo es esencial para comprender la estructura y la historia del universo. Aquí hay algunos elementos importantes de la distribución y evolución galáctica:
Forma de las galaxias: Las galaxias se formaron a partir de pequeñas fluctuaciones de densidad en el universo primordial, que se expandieron y evolucionaron bajo la influencia de la gravedad. A medida que la materia se acumuló en regiones más densas, se formaron estructuras a gran escala que eventualmente se convirtieron en galaxias.
Clasificación de galaxias: Según su morfología, las galaxias se pueden clasificar en varios tipos, como galaxias espirales, elípticas, irregulares y lenticulares. Cada especie presenta sus propias características y proceso evolutivo.
Distribución a gran escala: En lugar de distribuirse uniformemente por todo el universo, las galaxias se agrupan en estructuras a gran escala. Estas estructuras incluyen cúmulos y supercúmulos de galaxias, filamentos y paredes cósmicas, así como vastos vacíos entre ellas. Un tema de estudio en la cosmología es la distribución a gran escala de las galaxias, que revela información sobre la expansión del universo y la materia oscura.
Evolución de galaxias: Las galaxias evolucionan a lo largo del tiempo. Esta evolución puede implicar la formación de nuevas estrellas, la fusión de galaxias, la interacción con otras galaxias y la formación de estructuras más grandes. La tasa de formación estelar, la presencia de agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias y la cantidad de elementos químicos en una galaxia son indicativos de su evolución.
Observaciones astronómicas: Los telescopios espaciales y terrestres, como el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio del Gran Acelerador del Observatorio Austral (ALMA), han proporcionado una visión detallada de la evolución y distribución de las galaxias en el universo. Estas observaciones han permitido a los astrónomos estudiar galaxias distantes y retroceder en el tiempo para comprender cómo eran en el pasado.
Simulaciones numéricas: Los científicos estudian la formación y evolución de las galaxias utilizando simulaciones por computadora basadas en modelos cosmológicos. Estas simulaciones permiten probar varias hipótesis y comparar los resultados con las cosas que suceden en el mundo real.
Abundancias primordiales de elementos ligeros:
Las abundancias iniciales de elementos ligeros como hidrógeno, helio y deuterio se predicen por la nucleosíntesis primordial mencionada anteriormente. Estas predicciones coinciden con las observaciones, lo que respalda el Big Bang.
Anisotropías en la RCFM:
Las anisotropías, que son pequeñas variaciones en la temperatura de la RCFM, revelan las fluctuaciones de densidad iniciales del universo y son esenciales para la formación de estructuras cósmicas, como cúmulos de galaxias.
Efecto de lente gravitacional:
La observación de la lente gravitacional, en la que la gravedad de un objeto masivo distorsiona la luz de un objeto detrás de él, ha confirmado la presencia de materia oscura en el universo y ha proporcionado evidencia adicional de la estructura a gran escala.
Expansión acelerada:
Estudios de supernovas tipo 1A: La observación de supernovas tipo 1A distantes reveló que la expansión del universo se está acelerando en lugar de desacelerar, lo que llevó al descubrimiento de la energía oscura, una misteriosa forma de energía que impulsa esta expansión acelerada.
Estudios de galaxias lejanas: la observación de galaxias lejanas en diferentes etapas de la historia del universo (mirando atrás en el tiempo) ha proporcionado información sobre cómo las galaxias han evolucionado con el tiempo, confirmando nuestra comprensión de la evolución galáctica.
Problemas y preguntas sin respuesta relacionadas con la teoría del Big Bang.
Problema de la inflación cósmica:
Si bien la inflación cósmica, una expansión extremadamente rápida del universo en sus primeros momentos, resuelve algunas cuestiones observacionales, también plantea preguntas sobre la naturaleza de la energía oscura que impulsaría la inflación y cómo se inició este proceso.
Materia oscura y energía oscura:
El universo contiene grandes cantidades de materia oscura y energía oscura, ambas invisibles y misteriosas. Aunque se han acumulado evidencias de su existencia, aún no comprendemos completamente qué son ni cómo funcionan.
Problema de la creación del universo:
La teoría del Big Bang describe el universo en expansión, pero no responde la cuestión de cómo se creó el universo o cuál fue su origen inicial. ¿Qué existía antes del Big Bang, si es que hubo algo?
Problema de la abundancia de litio:
Las observaciones de la abundancia de litio en el universo primitivo no coinciden perfectamente con las predicciones de la nucleosíntesis primordial, lo que plantea preguntas sobre la precisión de nuestro entendimiento de los procesos nucleares en las primeras etapas del universo.
Problema de la materia y la antimateria:
La teoría del Big Bang predice que debería haberse producido una cantidad igual de materia y antimateria en el inicio del universo. Sin embargo, observamos una abundancia de materia mucho mayor que antimateria, y no se comprende completamente por qué.
Origen de las fluctuaciones de densidad:
Aunque sabemos que las fluctuaciones de densidad iniciales en el universo primordial llevaron a la formación de estructuras cósmicas, como galaxias y cúmulos de galaxias, no se comprende completamente el origen de estas fluctuaciones.
Problema de la constante cosmológica:
La constante cosmológica, que representa la energía oscura, plantea preguntas sobre su magnitud y por qué es tan pequeña en comparación con las predicciones teóricas.
En resumen, la teoría del Big Bang es la explicación científica más ampliamente aceptada para el origen y la evolución del universo, y está respaldada por una amplia gama de evidencias observacionales. Aunque es una teoría sólida la ciencia está en constante evolución, y se están realizando investigaciones continuas para abordar estas cuestiones y mejorar nuestra comprensión del universo. La cosmología es un campo dinámico en el que los científicos trabajan constantemente para refinar y expandir nuestra comprensión de la naturaleza del cosmos.
REFERENCIAS
Sociedad Española de Astronomía (SEA): https://www.sea-astronomia.es/glosario/gran-explosion-big-bang
What’s in a Name: History and Meanings of the Term «Big Bang»: https://arxiv.org/abs/1301.0219
¿Qué ocurrió durante el Big Bang?: http://astronomia.net/cosmologia/BBhistoria.htm
Cosmology: The Study of the Universe: https://map.gsfc.nasa.gov/universe/
WMAP Introduction to Cosmology: https://web.archive.org/web/20110514231931/http://map.gsfc.nasa.gov/universe/WMAP_Universe.pdf
The Cosmic Black-Body Radiation and the Existence of Singularities in Our Universe: https://articles.adsabs.harvard.edu/full/1968ApJ…152…25H
The singularities of gravitational collapse and cosmology: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspa.1970.0021
