El Big Bang: Creador del Universo

Hablaremos ahora del Big Bang, esa teoría aceptada por todos y que nos dice cómo se formó nuestro universo y comenzó su evolución hasta ser como ahora lo conocemos. De acuerdo a esta teoría, el universo se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad, y desde entonces ha estado siempre expandiéndose. La teoría de la relatividad general predice la existencia de una singularidad en el comienzo, cuando la temperatura y la densidad eran infinitas.

La mayoría de los cosmólogos interpretan esta singularidad como una indicación de que la relatividad general de Einstein deja de ser válida en el universo muy primitivo (no existía materia), y el comienzo mismo debe ser estudiado utilizando una teoría de cosmología cuántica.

Con nuestro conocimiento actual de física de partículas de altas energías, podemos hacer avanzar el reloj hacia atrás a través de la teoría leptónica y la era hadrónica hasta una millonésima de segundo después del Big Bang, cuando la temperatura era de 10¹³ K. Utilizando una teoría más especulativa, los cosmólogos han intentado llevar el modelo hasta 10³⁵ s después de la singularidad, cuando la temperatura era de 10²⁸ K. Esa infinitesimal escala de longitud es conocida como límite de Planck,  = 10^-35 m, que en la ley de radiación de Planck, es distribuida la energía radiada por un cuerpo negro mediante pequeños paquetes deiscretos llamados cuantos, en vez de una emisión continua. A estas distancias, la Graverdad está ausente para dejar actuar a la mecánica cuántica.

Gamov, alumno de Friedmann, fue el que presentó en 1948 las bases definitivas de la teoría del Big Bang tal como la conocemos. Entre otras, predijo la radiación cosmológica de fondo.

La misión WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de la NASA ha publicado los resultados de cinco años de observación de la radiación de fondo de microondas del firmamento completo. Estos resultados confirman bastante de lo que ya sospechábamos acerca de la infancia del Universo, además de alcanzar una precisión sin precedentes en las estimaciones acerca de la edad y la composición del Universo.

La teoría del Big Bang es capaz de explicar la expansión del universo, la existencia de una radiación de fondo cósmica y la abundancia de núcleos ligeros como el helio, el helio-3, el deuterio y el litio-7, cuya formación se predice que ocurrió alrededor de un segundo después del Big Bang, cuando la temperatura reinante era de 10¹⁰ K.

Abundancia de núcleos ligeros en el universo temprano

La radiación de fondo cósmica proporciona la evidencia más directa de que el universo atravesó por una fase caliente y densa. En la teoría del Big Bang, la radiación de fondo es explicada por el hecho de que durante el primer millón de años más o menos (es decir, antes del desacoplo de la materia y la radiación), el universo estaba lleno de plasma que era opaco a la radiación y, por tanto, en equilibrio térmico con ella. Esta fase es habitualmente denominada “bola de fuego primordial”.

Cuando el universo se expandió y se enfrió a unos 3000 ºK, se volvió transparente a la radiación, que es la que observamos en la actualidad, mucho más fría y diluida, como radiación térmica de microondas. El descubrimiento del fondo de microondas en 1.956 puso fin a una larga batalla entre el Big Bang y su rival, la teoría del universo estacionario de F. Hoyle y otros, que no podía explicar la forma de cuerpo negro del fondo de microondas. Es irónico que el término Big Bang tuvo inicialmente un sentido burlesco y fue acuñado por Hoyle, contrario a la teoría del universo inflacionario y defensor del estacionario.

De aquella explosión primera, surgieron todas las fuerzas que rigen hoy nuestro universo, se estabilizaron las constantes universales que le dan su sello característico, y, se formaron las primeras estrellas necesarias para que, en su hornos nucleares se crearan los materiales complejos presentes en los mundos y en los seres vivos.

Veamos que paso:

Para fijar más claramente los hechos se debe extender la explicación evolutiva del universo en las fases principales que son las eras reseñadas en el recuadro de arriba, su duración y temperatura.

Primera forma de la materia, los primeros átomos. Pero, expliquemos algo más sobre las Eras en el proceso del Big Bang:

Está claro que las estrellas y los planetas no se formaron de hoy para mañana, el proceso fue algo más largo y, las primeras estrellas aparecieron a los doscientos mil años después del Big Bang, y, con ellas, se fueron formando también los primeros planetas. Más tarde se confromaron las galaxias que agruparon estrellas y material interestelar por la fuerza de gravitatoria.

De la materia

Es la era que comenzó cuando el efecto gravitacional de la materia comenzó a dominar sobre el efecto de presión de radiación. Aunque la radiación es no masiva, tiene un efecto gravitacional que aumenta con la intensidad de la radiación. Es más, a altas energías, la propia materia se comporta como la radiación electromagnética, ya que se mueve a velocidades próximas a la de la luz. En las etapas muy antíguas del universo, el ritmo de expansión se encontraba dominado por el efecto gravitacional de la presión de radiación, pero a medida que el universo se enfrió, este efecto se hizo menos importante que el efecto gravitacional de la materia. Se piensa que la materia se volvió predominante a una temperatura de unos 10⁴ K, aproximadamente 30.000 años a partir del Big Bang. Este hecho marcó el comienzo de la era de la materia.

Aún colean los últimos éxitos del acelerador de partículas por excelencia y ya ha vuelto a dar el campanazo con su reciente experimento, una recreación a escala de lo que sucedió en los orígenes del Universo. Se han utilizado los iones de plomo para alcanzar este logro. Un metal poco glamuroso en comparación con otros más caros pero que posee la cualidad de ser uno de los más pesados.

Como no dejamos de indagar sobre lo que pudo pasar en aquellos primeros momentos, en el CERN, tras los innumerables problemas de puesta a punto,  etapa que quedó atrás y los científicos se muestran muy ufanos con el funcionamiento del acelerador desde que comenzaron los experimentos una vez reparadas las averías. La sorpresa que nos traen los responsables del LHC sitúa a este aparato de nuevo en la cúspide de la carrera de la física por alcanzar los misterios de la creación. Los expertos han hecho colisionar iones de plomo a alta velocidad con el resultado de una violenta generación de calor que supera en 1 millón de grados la temperatura que existe en el centro del Sol. Las primeras colisiones se registraron a las 00.30 hora local (Suiza) del Domingo día 7 de Noviembre pasado.

Según el CERN estos experimentos con iones de plomo abren “una nueva vía en la investigación del programa del acelerador para sondear la materia tal como era en los primeros instantes del Universo, justo después del Big Bang”. Aclaran que “uno de los principales objetivos de esta nueva fase es producir cantidades ínfimas de esta materia, llamada “plasma quark-gluon y estudiar su evolución hacia aquella que constituye el Universo actualmente”. Hace tan sólo 4 días que terminaron los experimentos con protones, cuyo trabajo no tiene nada que ver con lo realizado con los iones de plomo (átomos de plomo a los que se le han eliminado los electrones). Sin embargo, los responsables del LHC se muestran contentos con el funcionamiento del aparato pues afirman que “la rapidez en la transición hacia las colisiones de iones de plomo supone un síntoma de madurez del LHC”.

Los iones de plomo pueden alcanzar una aceleración brutal de 287 teraelectrovoltios (TeV), muy por encima de lo que pueden llegar los protones. Para el director general del CERN, Rolf Heuer, esto no supone ningún problema porque dice que “la máquina funciona como un reloj justo después de varios meses con la misma operación”. El acelerador seguió con su experimentación de colisiones de iones de plomo hasta el día 6 de Noviembre, fecha en la que realizó una parada técnica para tareas de mantenimiento y revisión. En Febrero de 2011 reanudó sus trabajos y seguirá trayendo nuevas sorpresas, a tenor de la enorme fiabilidad de que ha hecho gala estos últimos meses.

Traigo aquí este breve comentario sobre tareas que se están realizando en el LHC para, haceros ver que, siempre estamos tratando de ahondar en el saber de la amteria y lo que pudo pasar en aquellos primeros momentos de la creación.

El Tiempo de Plank nos lleva hacia la

Era de la Radiación

Periodo entre 10^-43 s (la era de Planck) y 300.000 años después del Big Bang. Durante este periodo, la expansión del universo estaba dominada por los efectos de la radiación o de las partículas rápidas (a altas energías todas las partículas se comportan como la radiación). De hecho, la era leptónica y la era hadrónica son ambas subdivisiones de la era de radiación.

La era de radiación fue seguida por la era de la materia que antes se reseña, durante la cual las partículas lentas dominaron la expansión del universo.

Era hadrónica

Corto periodo de tiempo entre 10^-6 s y 10^-5 s después del Big Bang en el que se formaron las partículas atómicas pesadas, como protones, neutrones, piones y kaones entre otras. Antes del comienzo de la era hadrónica, los quarks se comportaban como partículas libres. El proceso por el que se formaron los quarks se denomina transición de fase quark-hadrón. Al final de la era hadrónica, todas las demás especies hadrónicas habían decaído o se habían desintegrado, dejando sólo protones o neutrones. Inmediatamente después de esto el universo entró en la era leptónica.

Hoy, como todos sabeis, en el LHC se están haciendo diversos experimentos con hadrones para saber más sobre aquellos primeros momentos del Big Bang, sobre lo que la materia encvierra, y, sobre todo, tratamos de poder entrar en zonas prohibidas hasta ahora en las que, probablemente, podamos “ver” nuevas cosas y, sobre todo saber sobre muchas de las incognitas que la Ciencia no ha podido resolver.

Bueno, esa es una de las incognitas que se quiere desvelar

Era Leptónica

Intervalo que comenzó unos 10^-5 s después del Big Bang, en el que diversos tipos de leptones eran la principal contribución a la densidad del universo. Se crearon pares de leptones y antileptones en gran número en el universo primitivo, pero a medida que el universo se enfrió, la mayor parte de las especies leptónicas fueron aniquiladas. La era leptónica se entremezcla con la hadrónica y ambas, como ya dije antes, son subdivisiones de la era de la radiación. El final de la era leptónica se considera normalmente que ocurrió cuando se aniquilaron la mayor parte de los pares electrón-positrón, a una temperatura de 5×10⁹ K, más o menos un segundo después del Big Bang. Después, los leptones se unieron a los hadrónes para formar átomos.

Así se formó nuestro universo, a partir de una singularidad que explotó expandiendo toda la densidad y energía a unas temperaturas terroríficas, y a partir de ese mismo instante conocido como Big Bang, nacieron, como hermanos gemelos, el tiempo y el espacio junto con la materia que finalmente desembocó en lo que ahora conocemos como universo.

El universo es el conjunto de todo lo que existe, incluyendo el espacio, el tiempo y la materia.  El estudio del universo se conoce como cosmología. Los cosmólogos distinguen al Universo con “U” mayúscula, significando el cosmos y su contenido, y el universo con “u” minúscula, que es normalmente un modelo matemático deducido de alguna teoría física como por ejemplo, el universo de Friedmann o el universo de Einstein–de Sitter. El universo real está constituido en su mayoría de espacios que aparentemente están vacíos, existiendo materia concentrada en galaxias formadas por estrellas, planetas, gases y otros objetos cosmológicos.

Los telescopios espaciales de la NASA han captado, a 62 millones de años luz de la Tierra, una colisión de dos galaxias que comenzó hace 100 millones de años y aún continúa. La espectacular imagen publicada por la agencia espacial ha sido obtenida combinando las las tomadas por las cámaras del Observatorio de rayos X Chandra, el Telescopio Espacial Hubble y el Spitzer.

El universo se está expandiendo, de manera que el espacio entre las galaxias está aumentando gradualmente, provocando un desplazamiento al rojo cosmológico en la luz procedente de los objetos distantes. Existe evidencia creciente de que el espacio puede estar lleno de una materia oscura invisible que puede constituir muchas veces la masa total de las galaxias visibles.

Este gráfico de Shalafi nos muestra algunas características que se podrían dar en los universos. Algunos colapsan muy pronto, otros se pueden expandir demasiado rápidos, y, otros, como el nuestro, consiguen el ritmo adecuado para que se puedan formar las galaxias y estrelas que posibilitan la presencia de la vida en un sin fin de mundos, y, todo eso, hizo posible que pudiéramos llegar a efectuar proezas como la que podemos contemplar más abajo

                      ¿Hasta donde podremos llegar? Mucho dependerá de nuestras aptitudes y decisiones

Como ya quedó claro antes, el concepto más favorecido de origen del universo es la teoría del Big Bang, de acuerdo con la cual el universo se creó a partir de una densa y caliente concentración enorme de materia (una singularidad) en una bola de fuego que explotó y se expandió para crear el espacio, el tiempo y toda la materia que lo conforme. Todo ello ocurrió, según los datos de que se disponen, hace ahora aproximadamente 15.000 millones de años, o 15 eones (10⁹).

El universo se formó y apareció el tiempo, el espacio y la materia. Mucho después, en un planeta insignificante en el contexto del inemnso Universo, pudimos surgir nosotros que, como observadores, podemos constar todo aquello que vamos descubriendo de esa Naturaleza maravillosa que, con cada nuevo paso hacia adelante que podemos dar, no podemos por menos que asombrarnos ante tanta grandeza y perfeccción. Es lo que dice la teoría que antes hemos descrito. Sin embargo, hay muchas cuestiones que, por lo menos a mí, no han quedado claras y me llevan a preguntas tales como:

Muchas son aún, las cosas que no sabemos, y, nuestra enorme ignorancia nos lleva a formular preguntas que nadie sabe contestar

• ¿Qués es, en realidad, la materia?
• ¿Tiene un final, un borde el Universo?
• ¿Que misterio esconde el hecho de que, a partir de la “materia inerte”, podamos estar nosotros aquí?
• ¿Cómo pueden desarrollar las estrellas transformaciones de fase tan perfectas en la materia, hasta conseguir los materiales complejos necesarios para la vida?
• Si el Universo es igual en todas sus regiones por muy alejadas que estén, daremos por supuesto que existe vida similar o parecida a la nuestra en otros mundos lejanos, y, si eso es así, ¿por qué nadie aún, en tanto tiempo, no se ha puesto en contacto con nosotros?
• Definitivamente, ¿Estamos en un Universo abierto, cerrado y curvo, o, como decía Einstein plano e infinito?
• ¿Existe la materia oscura? Seguramente sin ella no podrían haberse formado las primeras estrellas y galaxias.
• ¿Qué hay en ese mal llamado vacío?

Bueno, la lista de preguntas sería interminable. ¡Es tan grande nuestra ignorancia!

emilio silvera

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