El universo se ha expandido desde un estado caliente y denso
La teoría del Big Bang describe cómo el universo se expandió y enfrió a partir de un estado inicial muy caliente y denso. La sustentan el movimiento de las galaxias, la radiación que aún llena el espacio y la abundancia de elementos ligeros.
El modelo cosmológico estándar sitúa la edad del universo en unos 13.800 millones de años. Al principio no había estrellas ni galaxias. Al enfriarse el universo se formaron átomos y, más tarde, la gravedad reunió gas para formar estrellas y galaxias.
- Unos 13.800 millones de años Edad estimada mediante observaciones y el modelo cosmológico estándar
- Los primeros minutos Formación de núcleos de helio y otros elementos ligeros
- Unos 380.000 años después Formación de átomos y propagación de la luz a grandes distancias
- Tres pruebas principales Expansión cósmica, fondo de microondas y abundancia de elementos ligeros
Las distancias entre galaxias aumentan
Al analizar la luz de una galaxia lejana, se mide cuánto se han alargado sus longitudes de onda. Es el corrimiento al rojo. En general, las galaxias más lejanas presentan un corrimiento mayor, coherente con el estiramiento de la luz durante la expansión. No se trata simplemente de comparar lo rojas que parecen.
Al reconstruir la expansión hacia el pasado, llegamos a un universo con materia más concentrada y temperaturas más altas. La expansión no tiene un centro particular. A escalas suficientemente grandes, las distancias medias entre galaxias aumentan desde cualquier galaxia de referencia. Sin embargo, los sistemas unidos por la gravedad, como el Sistema Solar o el interior de una galaxia, no se expanden de la misma manera.
La expansión cósmica es el aumento de las distancias entre galaxias.
Comparar el Big Bang con una explosión puede sugerir materia que sale disparada desde un lugar. La teoría describe la expansión y los cambios de temperatura del universo en su conjunto.
Todavía observamos luz del universo temprano
En el universo temprano, la luz se dispersaba continuamente al encontrar electrones libres y no podía recorrer grandes distancias. Unos 380.000 años después del Big Bang, el enfriamiento permitió que los electrones se unieran a los núcleos y formaran átomos. La luz que entonces pudo viajar lejos se observa hoy como el fondo cósmico de microondas (CMB). La expansión alargó sus ondas hasta la región de las microondas.
COBE midió el espectro de esta radiación. Coincide estrechamente con la distribución de luz emitida en equilibrio térmico a unos 2,725 K. WMAP y Planck también midieron pequeñas diferencias de temperatura entre distintas direcciones del cielo. Esas diferencias contienen información sobre la distribución de materia anterior a las galaxias. El CMB muestra el universo unos 380.000 años después del Big Bang.
- Primeros minutos: protones y neutrones se unen para formar helio y otros núcleos ligeros.
- Unos 380.000 años después: los electrones se unen a los núcleos y la luz empieza a viajar lejos.
- Durante los cientos de millones de años siguientes: la gravedad reúne gas y aparecen las primeras estrellas y galaxias.
- Unos 13.800 millones de años después, hoy: observamos aquella radiación como microondas en un universo expandido.
La abundancia de helio permite comprobar la teoría
Un solo protón ya es el núcleo de la forma más común de hidrógeno. Durante los primeros minutos, protones y neutrones se unieron para formar helio y otros núcleos: la nucleosíntesis del Big Bang. Los cálculos predicen que, después, la materia ordinaria contenía aproximadamente un 75% de hidrógeno y un 25% de helio en masa. Concuerda con observaciones de materia poco procesada por las estrellas.
La abundancia de deuterio ofrece otra prueba importante. Es hidrógeno cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón. El litio-7 sigue planteando un problema: la cantidad calculada no coincide con la medida en estrellas antiguas. Elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno, se produjeron principalmente mediante reacciones nucleares dentro de estrellas posteriores.
El origen del universo sigue sin conocerse
La expansión, el enfriamiento y la formación de estrellas y galaxias acabaron dando lugar a la Vía Láctea y al Sistema Solar. La teoría del Big Bang explica esta larga evolución, pero no establece por qué llegó a existir el universo.
La hipótesis de la inflación propone una expansión extremadamente rápida y breve en una etapa muy temprana. Ayuda a explicar la uniformidad a gran escala, pero su causa física no está confirmada. Además, la tasa de expansión medida con objetos cercanos difiere de la estimada al aplicar un modelo al CMB. Se investiga si la diferencia procede de errores de medición o exige cambios en la teoría.
Una singularidad es un punto donde magnitudes como la densidad se vuelven infinitas en los cálculos y alcanzan los límites de la teoría. Las singularidades de los agujeros negros y las que aparecen al reconstruir el Big Bang plantean límites a las teorías actuales. Que una ecuación produzca una singularidad no demuestra que el universo real comenzara en un punto infinitamente pequeño. Tampoco hay una respuesta definitiva sobre qué pudo existir antes del Big Bang.
Fuentes
- NASA Science — Universe Overview
- NASA Science — Hubble and the Big Bang
- NASA Science — COBE Science
- NASA Science — Webb Telescope and the Big Bang
- ESA — Planck science highlights
- Planck Collaboration — 2018 cosmological parameters
- Particle Data Group — Big Bang Nucleosynthesis
- NASA — Black Hole Math: limits of singularities