Introducción a la cosmología (I): el Big Bang

La cosmología es la rama de la física que estudia el universo a gran escala. Trata de responder a las grandes preguntas: ¿Cómo comenzó el universo? ¿Cuándo comenzó? y, ¿cómo terminará? La astrofísica estudia los objetos que conforman el cosmos, y se alía con la cosmología para responder a la pregunta ¿de qué está hecho el universo? Y, ¿cómo está estructurado?

En la siguiente colección de artículos veremos qué respuestas hemos encontrado hasta ahora.

El Big Bang

Vamos a empezar por el principio, o sea, el descubrimiento del Big Bang. Durante la mayoría de la historia de la humanidad se ha creído que el universo era estático, es decir, que las estrellas tenían una posición fija que no cambiaba. Esto cambió a principios del siglo pasado, y como pasa a menudo en ciencia, el descubrimiento se produjo de manera separada por distintas personas relativamente cerca en el tiempo.

Por un lado, en 1916 Einstein publicó su teoría de la Relatividad General, que es la teoría sobre la gravedad que es vigente hoy en día. Como las estrellas,  los planetas, y demás cuerpos grandes son eléctricamente neutros, la única fuerza que media entre ellos sobre las inmensas distancias del espacio es la gravedad, y la Relatividad General es la descripción matemática de la gravedad, tal y como la entendemos hoy en día. Einstein se dio cuenta, al analizar sus ecuaciones, que éstas, de ser correctas, predecían que el universo o bien se estaba expandiendo, o bien se estaba contrayendo. Como esto iba en contra del pensamiento científico establecido, Einstein introdujo un término extra en sus ecuaciones, la constante cosmológica lambda, que se encargaba de que las ecuaciones describieran un universo estático. Einstein luego se referiría a esto como “el mayor error de mi vida”, ya que perdió la oportunidad de ser el primero en predecir correctamente que el universo, en efecto, no es estático.

Por el otro lado, el gran astrofísico Edwin Hubble entró a trabajar en el Observatorio del Monte Wilson en 1919 para estudiar las nebulosas, sobre las apenas se sabía nada. Su dedicación le llevó a descubrir que muchos de estos objetos eran externos a la Vía Lactea, ¡había descubierto que había más galaxias en el universo! Continuó su estudio de las galaxias durante años, recabando datos de velocidades relativas de las mismas, y llegó a una conclusión muy llamativa, ¡prácticamente todas las galaxias que observamos se están alejando de nosotros! Hubble sabía que las galaxias se estaban alejando debido al efecto Doppler, que de manera sencilla hace que los objetos luminosos que se están alejando parezcan más rojos de lo que sabemos que son (desplazamiento al rojo), y los que se están acercando parecen más azules (desplazamiento al azul). Aquí la explicación. Muy bien, y ¿qué significa esto? En 1929 Hubble lo descifró y publicó su revolucionario resultado: el universo se expande.

Para entenderlo imagina que coges un globo y le pintas varios puntos con un rotulador. Si inflas el globo, los puntos se alejan entre sí. Entonces, si la mayoría de las galaxias se están alejando, el universo se está expandiendo. Unas pocas se acercan simplemente porque, para las galaxias más cercanas, vemos antes su movimiento dentro del universo que el efecto de la expansión, y de las cercanas, la mitad de ellas se acercan y la mitad se alejan. En cuanto miramos un poco más lejos todas están desplazadas al rojo.

Pero claro, si el universo se expande, extrapolando hacia atrás en el tiempo llegamos a que todo estaba concentrado en un punto infinitamente denso y caliente, que debió estallar para producir el universo. Como la Relatividad General ya predecía esto (os podéis figurar la rabia de Einstein), George Gamow pudo calcular, utilizando todo lo que se sabía sobre la física de altas energías, qué tendríamos que ver hoy si realmente se produjo tal explosión. Gamow dedujo que actualmente el espacio debía tener una temperatura media uniforme sobre los 3K en la escala de temperatura absoluta (-270ºC). Más de una década después, en 1961, Arno Penzias y Robert Wilson, dos ingenieros de IBM, subieron a limpiar la antena ultraprecisa con la que trabajaban porque había ruido blanco. Creían que se debía a caca de paloma, pero al ver que el ruido blanco continuaba a pesar de haber espantado a las palomas, lo estudiaron a fondo y se dieron cuenta que era una señal uniforme del espacio. Midieron que el espacio tiene una temperatura de 2,7k, descubriendo de esta manera el Fondo Cósmico de Microondas (CMB en sus siglas en inglés), por lo que recibieron el premio Nobel.

Hoy en día tenemos información más precisa, y podemos describir a un tiempo muy anterior al que produjo el CMB (esto ocurrió unos 380 mil años después del Big Bang, parece mucho tiempo pero es muy poco comparado con los casi 14 mil millones de años que tiene el universo). Sabemos que un segundo después del Big Bang las partículas elementales conocidas como quarks, y que nunca se han visto sueltas, ya estaban ligadas entre sí formando protones y neutrones, mientras que los electrones se mantuvieron desligados mucho más tiempo. Los núcleos de los elementos químicos más ligeros (hidrógeno, helio y litio, con sus respectivos isótopos, en especial deuterio y tritio, isótopos del hidrógeno) se formaron en los primeros tres minutos; todo el resto de elementos se producen en las estrellas, y muchos sólo en las supernovas.

Durante los 380 mil años hasta recombinación, el universo fue una sopa densa y opaca de partículas cargadas, es decir, un plasma, hasta que se hubo expandido lo suficiente, y por consiguiente enfriado lo suficiente,  para que los núcleos capturaran electrones y se formaran los primeros átomos neutros, con lo que el universo se hizo eléctricamente neutro y transparente a la luz, o radiación electromagnética por usar su nombre propio. La energía liberada durante recombinación es la que da lugar al fondo cósmico de microondas que vemos hoy en día. Si comparáis la sección etiquetada 380 mil años de la última imagen con la imagen de cabecera (fondo cósmico medido por el WMAP), veréis que es la misma; cuando miramos el CMB, estamos viendo el universo tal y como era durante recombinación, en los albores de su existencia, o si me lo permitís, en los albores de la existencia del todo.

Nota: Como os fijaréis, no he dicho nada de la época de inflación; eso queridos lectores, lo cubriremos en otra entrega.