Big Bang

Se piensa que hace aproximadamente 15 000 millones de años (Ma) no había nada. No había materia, energía, gravedad ni tiempo. Entonces, de pronto, hubo una Gran Explosión de la que surgió el Universo y se liberó energía del vacío, la cual se transformó en materia y marcó el inicio del espacio y el tiempo. Lo que sucedió o hubo antes se desconoce.

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Big Bang

Para el hombre siempre ha sido motivo de preocupación entender su origen y el del Universo. A lo largo de la historia de la ciencia se ha visto cómo algunas teorías aceptadas por años o por siglos, se desechan ante la aparición de nuevos conocimientos que parecen ser mejores para explicar los fenómenos que nos rodean. ¿Recuerdas el cambio de la teoría geocéntrica por la heliocéntrica? Aunque la aceptación de una nueva teoría no se logra de un momento a otro, los científicos o simplemente los estudiosos, van cediendo ante los argumentos a favor de ella, hasta que, de nueva cuenta surgen conocimientos que la reemplazan. Es una continua renovación de la ciencia.

Seguramente has escuchado hablar del Big Bang. Revisemos sus antecedentes.

  • 1915

    En 1915 el físico Albert Einstein desarrolló la teoría general de la relatividad la cual establece las relaciones entre la materia, la energía, el espacio y el tiempo. Como parte de las aplicaciones a su teoría, Einstein elaboró un modelo matemático del Universo que no aceptaba como solución un Universo estático y exigía que el Universo estuviera en contracción o en expansión. A Einstein este resultado, de posible expansión o contracción del Universo no le pareció satisfactorio y para no tener que confrontarlo introdujo en sus ecuaciones un término arbitrario llamado la “constante cosmológica" que permitía que el modelo diera como solución un Universo estático e inalterable.

  • 1922

    En 1922 Alexander Friedmann se enteró de la teoría de la relatividad de Einstein y se dedicó a descubrir tantas soluciones como fuera posible. Descubrió que si dejaba a un lado la constante cosmológica, todos los resultados correspondían a universos en expansión llenos de materia. Las soluciones de Friedmann podían dividirse en dos clases: aquellas en las que el Universo se expandía eternamente, y aquellas en las que la atracción gravitatoria de la materia superaba finalmente a la expansión, causando un colapso.

  • 1929

    Poco después, Edwin Hubble, tras varios años de estudiar el cielo, descubrió que las galaxias presentaban un corrimiento al rojo, debido al “efecto Doppler”, que consiste en que la fuente emisora de luz se aleja del observador. Hubble continuó estudiando este fenómeno y observó que las galaxias que se ven más pequeñas en el cielo son las más distantes y son éstas también las que se alejan más rápido de la nuestra. Por lo tanto, la luz recibida de las galaxias más lejanas está más enrojecida y su enrojecimiento es más o menos proporcional a la distancia a la que se encuentran de nosotros. Con base en ello, en 1929 presentó al mundo científico la ley de Hubble. En ella expone que la magnitud del corrimiento al rojo depende de la velocidad con que se aleja la galaxia observada de la nuestra. La conclusión de estas observaciones fue que todos los objetos se alejan entre si y que los más distantes se alejan con mayor velocidad. ¡El Universo estaba en expansión!

    Cuando Einstein se enteró del resultado de las observaciones de Hubble, reconoció que sus ecuaciones en la forma original eran las adecuadas para describir el Universo. ¡Consideró que había cometido el mayor error de su vida al introducir la constante cosmológica!

  • 1930

    Varios físicos y matemáticos destacados de la década de 1930 se dedicaron a elaborar modelos matemáticos que explicaran por qué se expande el Universo. La mayoría de los modelos coincidían en la necesidad de la existencia de una explosión en el pasado remoto.

    El primero que llamó a esta teoría “la Gran Explosión” o Big Bang fue Fred Hoyle, pues quería ridiculizarla. Sin embargo, el nombre tuvo tanto impacto que acabó por imponerse. Así, justamente la teoría quedó bautizada por uno de sus grandes opositores.

Un Universo en expansión implica que el Universo está creciendo constantemente y que antes era más pequeño. De esa manera, basándose en las velocidades de expansión observadas, se puede calcular el tiempo transcurrido desde que toda la materia del Universo estuvo junta. El cálculo arrojó un valor de 15 000 millones de años (Ma).

Que el origen del Universo haya tenido lugar en una explosión no fue una idea fácil de aceptar, pero la explicación del “corrimiento al rojo” no podía aplicarse a un Universo estacionario. Posteriormente, apareció otra observación que vino a apoyar a la teoría de la Gran Explosión: la radiación de fondo en ondas de radio. En 1948 el físico ruso George Gamow hizo notar que el intenso calor de la explosión debió haber producido grandes cantidades de radiación electromagnética que debía estar presente en el Universo en forma de ondas de radio muy débiles. Como no había forma de medirlas cayó en el olvido.

A partir de la década de 1950 se desarrolló notablemente la radioastronomía, la cual capta las ondas de radio que emiten ciertos objetos en el Universo como los pulsares, que son cuerpos muy pequeños de gran densidad que al rotar lanzan pulsos en ondas de radio. En 1965 los radioastrónomos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson utilizaban un radiotelescopio muy sensible para medir ondas de radio que pudieran entorpecer la telecomunicación vía satélite. Para su sorpresa encontraron que el aparato registraba un exceso de ondas de radio que venían de todas partes sin poder atribuirlas a nada. Lo comentaron a un colega y éste les dio a conocer lo dicho por Gamow 17 años atrás. ¡Habían descubierto la radiación de fondo en ondas de radio!

Fíjate, cuando enciendes la televisión y seleccionas un canal en el que no hay señal puedes ver una enorme cantidad de puntos blancos, ellos corresponden a la radiación de fondo. La antena de la televisión capta las ondas de radio y aparecen en la pantalla como puntos luminosos. Debido a ese descubrimiento, les fue otorgado el premio Nobel de Física en 1978. Fue a partir de este segundo descubrimiento que la aceptación de la teoría del Big Bang aumentó notablemente.

Se piensa que hace aproximadamente 15 000 millones de años (Ma) no había nada. No había materia, energía, gravedad ni tiempo. Entonces, de pronto, hubo una Gran Explosión de la que surgió el Universo y se liberó energía del vacío, la cual se transformó en materia y marcó el inicio del espacio y el tiempo. Lo que sucedió antes o hubo antes se desconoce. Todo inició con gran violencia en un punto en el que se concentraba toda la energía del Universo a alta temperatura.

Poco después empezó a expandirse y enfriarse con increíble rapidez. La energía se transformó en materia y se formaron las partículas elementales como los fotones, los quarks y más tarde los electrones. Poco después, los quarks se agruparon para formar protones y neutrones. El Universo seguía creciendo y enfriándose, por lo que los protones y neutrones se agruparon para formar los núcleos de los primeros elementos ligeros: el hidrógeno y el helio. Todo esto ocurrió en los tres primeros minutos de la expansión. Las condiciones eran todavía demasiado calientes para que los núcleos atómicos pudieran capturar electrones.

Fuente: Wikipedia

Después de 300 000 años el Universo se había expandido más y la temperatura había alcanzado los 3,000 K (Kelvin). Entonces aparecieron los átomos neutros de hidrógeno y helio. Hace 14,000 Ma el Universo estaba relativamente frío, como a 1,000 K. La fuerza de gravedad empezó a hacer su trabajo de contracción y hace 12,000 Ma a 10 K se inició la formación de las nebulosas, las galaxias primitivas y las primeras estrellas gigantes azules, de las que se formaron los elementos químicos que fueron lanzados al espacio durante las explosiones de supernovas. A partir de estos elementos distribuidos en las nebulosas del Universo se siguieron formando nuevas estrellas y nuevos elementos pesados. Hace 10,000 Ma se formó nuestra galaxia y aproximadamente hace 5.000 Ma y a 5 K se formaron el Sol y los astros de nuestro SPS.

Fuente: Wikimedia

Vamos a esquematizar el modelo de la Gran Explosión.

  • Hace 15, 000 Ma no había nada y de repente ocurre una gran explosión, a partir de la cual, se inicia, a muy alta temperatura, la formación y expansión del Universo.
  • Tres minutos después de la Gran Explosión se forma la materia y los primeros elementos ligeros como hidrógeno y helio.
  • Hace 12, 000 Ma el Universo se había enfriado y se inicia la formación de nebulosas, galaxias primitivas y las primeras estrellas.
  • Hace 10,000 Ma se forma nuestra galaxia.
  • Hace 5,000 Ma se forma nuestro Sistema Planetario Solar.
  • Hoy se sigue expandiendo.

Pero no todos aceptan esta teoría. Revisemos algunas controversias.

Controversias respecto al modelo de la Gran Explosión

En pantallas anteriores dijimos que los dos pilares fundamentales para sustentar la teoría de la Gran Explosión fueron el corrimiento al rojo y la radiación de fondo, expuestos en la primera mitad del siglo pasado. También sabemos que el Universo se encuentra casi en su totalidad en estado de plasma, al igual que las estrellas y los espacios intergalácticos, interestelares e interplanetarios. El plasma está por todas partes. Así que, en seguida, mencionaremos los puntos que están en contra de esos dos pilares de la Gran Explosión.

Controversia relacionada con el corrimiento al rojo

A partir de la década de 1990 se han desarrollado estudios en los que se manifiesta que el corrimiento al rojo de la luz no sólo se debe al efecto Doppler, o sea, al alejamiento de la fuente de luz con respecto al observador, sino que la luz emitida puede estar enrojecida aun cuando el cuerpo esté en reposo, debido al plasma del que está compuesto el astro observado o al plasma que lo rodea. En 1930 ya se había observado que la luz que provenía de la orilla del Sol tenía un cierto corrimiento al rojo. En ese tiempo no se pudo elaborar una teoría que explicara ese efecto por lo que se quedó en el olvido. Ahora se sabe que el corrimiento al rojo del Sol se debe a que está formado de plasma.

Controversia relacionada con la radiación de fondo

Según el Big Bang la radiación de fondo en ondas de radio es el residuo de la Gran Explosión. Sin embargo, actualmente se ha encontrado que también el plasma, que abunda en el Universo, presenta una radiación electromagnética de fondo, tal como la que mencionamos se observa en la televisión.

Como puedes darte cuenta, el estudio del plasma en los últimos años ha aportado información valiosa que ha ayudado a cuestionar los conocimientos que sirvieron como fundamento al Big Bang. ¿Qué pasará con el Universo a futuro? Según la teoría del Big Bang todo dependerá de la cantidad de materia que tenga el Universo. Si existe suficiente cantidad de materia la expansión se detendrá después de un tiempo y se contraerá como en un principio, hasta que más adelante, volverá a explotar, y así, se repetirá el ciclo. Si en cambio tiene poca materia, el Universo se seguirá expandiendo eternamente.

En la actualidad se están realizando estudios que revelan que el Universo tiene gran cantidad de “materia oscura”, materia que no se ve, pero que está ocupando un lugar en el espacio. De ser así el Universo se contraerá y volverá a explotar.

En el año 2010 un destacado investigador mexicano con un colega canadiense descubrieron una instancia previa al Big Bang. Para leer al respecto consulta el siguiente sitio: http://www.dgcs.unam.mx/boletin/bdboletin/2010_447.html

Autoevaluación

Revisemos lo aprendido. Selecciona la opción correcta.

  1. Las siguientes teorías/descubrimientos apoyan la Teoría del Big Bang, EXCEPTO:

  2. Las primeras partículas elementales que se formaron en el universo fueron:

  3. Los primeros elementos químicos que se formaron en el universo fueron

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