La Teoría del Big Bang, también llamada "Gran explosión", es el modelo
cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del Universo
y su posterior evolución a gran escala.
LA TEORÍA DEL BIG BANG
Se afirma que el Universo estaba en un estado de muy alta
densidad y temperatura y luego se expandió. 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
qué 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.
INDICIOS CIENTÍFICOS PARA ACEPTAR SU VALIDEZ
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.
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.
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.
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.
Todos
los cuerpos calientes, irradian. Mientras más calientes están, más irradian. 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'.
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
habían 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.
El
físico y astrónomo ucraniano 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,
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, 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.
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 continuaba. 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.
Ambos
sacaron la conclusión de que el ruido venía desde más allá de nuestra propia
galaxia, existiendo la posibilidad de que fueran las radiaciones dichas preliminarmente por
George Gamow, procedentes de la explosión que originó el Universo. Las
características de la radiación detectada por ellos, encajaba perfectamente con
la radiación predicha inicialmente por él y afinada por Robert Dicke y otros
colegas de la Universidad de Princeton.
En
1978, Arno Penzias y Robert Wilson fueron galardonados con el Premio Nobel, por
su gran descubrimiento.
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.
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.
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 se tiene
ningún indicio que 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 no hay respuestas.
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.
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. Sencillamente, ese es el límite
de los 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.
Prácticamente
todos los trabajos teóricos actuales en cosmología, tratan de ampliar o
concretar aspectos de la Teoría del Big Bang. Gran parte de las investigaciones cosmológicas tratan de entender cómo se formaron las galaxias en el contexto del
Big Bang, comprender lo que allí ocurrió y cotejar nuevas observaciones con la
teoría fundamental.