BLOGS
Ciencia para llevar Ciencia para llevar

CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

El origen del universo: las tres grandes evidencias del Big Bang

AutorPor Alberto Fernández Soto (CSIC)*

Todo cambia: nosotros, otros seres vivos, la geografía de nuestro planeta, etc. El universo también evoluciona, aunque habitualmente lo hace en escalas de tiempo mucho mayores. Existen procesos, como la explosión de una supernova, que podemos observar en tiempo real. Pero además el cosmos cambia como un todo, y hace aproximadamente 13.800 millones de años conoció la mayor transformación que podemos imaginar: surgió de repente, de modo que la materia, la energía, e incluso el espacio y el tiempo aparecieron espontáneamente a partir de la nada en lo que hoy llamamos la ‘Gran Explosión.

Esta es una idea difícil de digerir, y como tal requiere evidencias muy sólidas que la apoyen. Tres son las grandes pruebas en que se basa:

  1. El universo se expande. Edwin Hubble observó hacia 1925 que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia entre ellas. Georges Lemâitre había probado anteriormente que un universo en expansión representaba una solución válida de las ecuaciones de Einstein, aunque éste se había mostrado reticente (sus ecuaciones son correctas, pero su física es abominable, cuentan que le dijo). Si el cosmos se encuentra en expansión es fácil imaginar que en el pasado ocupaba un volumen mucho menor y, en el límite, un volumen nulo. Tal instante, en el que la temperatura y la densidad serían extremadamente altas, es lo que llamamos ‘Gran Explosión’ o ‘Big Bang’.
  1. La composición del universo es tres cuartos de hidrógeno y un cuarto de helio, los dos elementos más ligeros. Todo el resto de la tabla periódica, incluyendo los elementos que componen la mayor parte de nuestros cuerpos y nuestro planeta (silicio, aluminio, níquel, hierro, carbono, oxígeno, fósforo, nitrógeno, azufre…), representa aproximadamente el 2% de la masa total. Cuando hacia 1950 algunos físicos (entre ellos Fred Hoyle, William Fowler y el matrimonio formado por Geoff y Margaret Burbidge) entendieron por primera vez las ecuaciones que regían las reacciones nucleares en las estrellas, probaron que todos esos átomos ‘pesados’ habían nacido en los núcleos estelares. George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman aplicaron las mismas ecuaciones a la ‘sopa’ de partículas elementales que debería haber existido en los primeros instantes del universo, teniendo en cuenta su rápido proceso de enfriamiento. Dedujeron que, aproximadamente tres minutos después del instante inicial, la temperatura habría bajado lo suficiente como para frenar cualquier reacción nuclear, dejando un universo con las cantidades observadas de hidrógeno y helio.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

    Arno Penzias y Robert Wilson en la antena de Holmdel (Bell Labs, Nueva Jersey) con la que descubrieron la radiación de fondo de microondas. / NASA.

  1. Si el universo nació en ese estado indescriptiblemente caliente y se ha ido enfriando, ¿cuál será su temperatura actual? Eso se preguntaban Robert Dicke, Jim Peebles, Peter Roll y David Wilkinson en Princeton a mediados de los sesenta. Antes de completar su antena para intentar medir esa temperatura, supieron por un colega que dos astrónomos de los cercanos laboratorios Bell, que utilizaban una gran antena de comunicaciones para medir la emisión de la Vía Láctea, detectaban un ruido de fondo que no conseguían eliminar. Arno Penzias y Robert Wilson habían descubierto, sin saberlo, la radiación de microondas causada por la temperatura de fondo2,7 grados Kelvin (aproximadamente menos 270 grados)– que constituye el eco actual de la Gran Explosión.

Otros resultados recientes, como la medida de la tasa de expansión del universo a partir de observaciones de supernovas (1998) o la detección de escalas ‘fósiles’ características en el agrupamiento de galaxias (2005), han permitido estimar con precisión los parámetros del modelo. Así, la edad del universo es 13.800 millones de años (con una precisión menor del 1%).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

La evolución de la estructura del universo según una simulación por ordenador, en escalas de tiempo que cubren desde hace 12.800 millones de años (línea superior) al presente (línea inferior), y escalas de tamaño que van desde 325 (columna izquierda) a 50 millones de años-luz (columna derecha). / Millennium-II Simulation: M. Boylan-Kolchin et al. (Max Planck Institute for Astrophysics), Volker Springel (Heidelberg Institute for Theoretical Studies).

Eso sí, menos de un 5% del contenido del cosmos es la materia que estamos acostumbrados a ver. Existe otro tipo de materia del que hay una cantidad cuatro veces mayor que de materia normal –sólo notamos su efecto gravitatorio, y la llamamos ‘materia oscura–. Además una nueva componente, que llamamos ‘energía oscura a falta de un nombre mejor, representa casi un 75% del contenido del cosmos. ¿Su propiedad principal? Que genera una presión que se opone a la gravedad haciendo que el universo se encuentre en un proceso de expansión desbocada.

Hace 10.000 millones de años se formó nuestra galaxia, y nuestro sistema solar apareció solamente unos 5.000 millones de años atrás. En uno de sus planetas aparecieron hace casi 4.000 millones de años los primeros seres vivos: entes capaces de almacenar información genética, reproducirse y evolucionar. Tuvieron que pasar casi todos esos años para que, prácticamente ayer, apareciera una especie de primate capaz de observar el mundo a su alrededor, hacerse preguntas, y almacenar información de un nuevo modo: el instinto, el habla, la escritura, la cultura, la ciencia…

La cosmología observacional ha conseguido hoy responder a muchas preguntas que hace poco más de un siglo eran absolutamente inatacables para la física. No obstante un gran número de nuevos problemas se han abierto: ¿Qué es la materia oscura? ¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura y cómo provoca la expansión? ¿Qué produjo la asimetría inicial entre materia y antimateria? ¿Tuvo el universo temprano una fase inflacionaria de crecimiento acelerado? Multitud de programas observacionales y esfuerzos teóricos y computacionales se dedican a intentar resolver estas cuestiones. Esperamos que al menos algunas de ellas tengan respuesta en los próximos años.

 

* Alberto Fernández Soto investiga en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) y en la Unidad Asociada Observatori Astronòmic (UV-IFCA). Junto con Carlos Briones y José María Bermúdez de Castro, es autor de Orígenes: El universo, la vida, los humanos (Crítica).

12 comentarios

  1. Dice ser por supuesto

    Abundante materia oscura que nadie es capaz de encontrar. Sale en las ecuaciones por que algo debe estar expandiendo el universo, pero ¿y si no es materia oscura, si esta no existe? ¿Que puede ser?

    19 Noviembre 2015 | 14:49

  2. Dice ser por supuesto

    Me gusto la teoría de las burbujas.

    19 Noviembre 2015 | 14:55

  3. Dice ser Pol

    De las 4 fuerzas elementales, la gravedad es la única de la que no se ha encontrado su recíproca de signo contrario. Toda la gravedad que conocemos es atractiva. ¿Podría ser la energía oscura la “antigravedad”? Es decir, la gravedad pero de signo opuesto (repulsiva). En caso afirmativo, ¿qué la causa? Si la gravedad la produce la curvatura del espacio-tiempo, la antigravedad la causaría… ¿una curvatura de signo contrario? Si lo miramos desde la mecánica clásica, la gravedad la causaría un cuerpo con masa. En este caso, ¿la antigravedad la causaría la masa con signo negativo? ¿Por qué la masa siempre es positiva?

    19 Noviembre 2015 | 14:57

  4. Dice ser Big band blues

    Lo que no acabo de comprender es donde se ha detectado el final del big bang, la parte final donde se acabo de expandir la materia. La parte inicial es detectada en la banda de microondas y a una distancia de x miles de millones de años. Pero en ese proceso FALTA el proceso del final de dicho big bang, donde deberia detectarse una zona de materia y el vacio que le sigue.

    19 Noviembre 2015 | 15:38

  5. Dice ser Wildefucker

    Por favor no violéis las leyes de la termo: para la radiación de fondo 2,7K si os parece mejor (el negativo en el artículo es algo indigesto).

    19 Noviembre 2015 | 17:12

  6. Dice ser Mystic

    No hay ningún signo negativo en el artículo.

    19 Noviembre 2015 | 17:21

  7. Dice ser Loco por aprender

    Estoy convencido que “técnicamente” no hay energía oscura, si no que el espacio (una propiedad del Universo que se creó con él) sigue “hinchándose”
    Crece el espacio y crece el metro con que lo medimos, o sea no lo medimos realmente, a parte de ser totalmente insignificante a escala local.
    Al igual que pasa con la fuerza electromagnética que es superada en las distancias muy cortas por la nuclear fuerte y a su vez supera a la gravedad en distancias “cortas” respecto a esta, la atracción gravitatoria vence la expansión del espacio en distancias “cortas” entre galaxias (unos cuantos miles de años luz), pero tal como se observa explica el alejamiento acelerado de las galaxias lejanas.
    ¿Parece posible esta explicación?… Al menos todo sucede como si fuese así y en el fondo el Universo es simple: Basta ver la famosa fórmula que relaciona masa y energía y realmente dentro de ese espacio, que parece vacío, pero contiene energía,,, la energía es lo único que contiene al fin y al cabo.

    19 Noviembre 2015 | 18:19

  8. Dice ser Tony Montana

    a 1. por supuesto:
    El término “materia oscura” es sólo una etiqueta asignada a lo que sea que tiene gravedad suficiente para compensar el déficit observado. En su momento también se contempló el que se tratase de que las fórmulas actuales para la gravedad no funcionasen a grandes escalas y por tanto requiriesen un replanteamiento, pero esto está prácticamente descartado.

    En cuanto a qué puede ser, lo más probable es que se trate de una partícula de interacción débil, ya que la Supersimetría, si bien no está confirmada predice la existencia de un montón de partículas nuevas mucho más masivas que las conocidas y después del descubrimiento del Bosón de Higgs se han encontrado algunas partículas más (de menor importancia). O sea, es previsible que haya bastantes más partículas no encontradas y que al menos una de ellas sea la responsable de la materia oscura.

    Toma nota de los neutrinos, por ejemplo, que son mucho más abundantes que la materia normal y se consideraron cómo un candidato para la materia oscura que falta, ya que técnicamente se trata de materia y es oscura, pero simplemente no tienen masa suficiente cada uno de ellos cómo para dar cuenta de ella. Lo mismo los planetas lejanos, nubes de gas, etc…, que se trata de materia oscura pero que tampoco puede dar cuenta de toda la que falta.

    a 3. Pol
    La gravedad no es una fuerza elemental en sí, sino una propiedad del espaciotiempo (su curvatura). La energía oscura no es lo mismo que la antigravedad, sino algo que provoca que el espacio tiempo se expanda aceleradamente y tampoco se tiene ni idea de qué se trata. Lo que comentas correspondería más bien a energía negativa, capaz de producir curvatura negativa (y que de ser capaces de generarla en cantidades considerables podría permitir viajar más rápido que la luz). Piensa que no es sólo la masa lo que curva el espaciotiempo sino todo tipo de energía, incluyendo partículas sin masa cómo los fotones de la luz, y también la antimateria.

    a 4. Big band blues
    El término Big Bang corresponde a la Teoría que sirve para explicar a los primeros momentos del universo. Según se vea se puede decir que terminó (no comenzó, cómo dices) justo en el momento en que el universo dejó de ser opaco, o sea, cuando se produjo el fondo de radiación de microondas y por tanto el universo ya era lo suficientemente frío cómo para posibilitar la formación de átomos estables. Claro, que también lo podrías interpretar cómo que el Big Bang no ha terminado todavía, ya que sigue expandiéndose.

    a 7. Loco por aprender
    La “energía oscura” no es más que un término para llamar a aquello que hace que el universo se expanda aceleradamente, sea lo que sea. Cómo dices, podría ser una propiedad inherente del espaciotiempo que evoluciona con el tiempo o algo completamente imprevisto.

    El tema de la energía oscura es que es muy débil pero por contra está por todos lados uniformemente (eso es lo que hace sospechar que sea una propiedad del espaciotiempo), y si tienes en cuenta que la materia tiende a agruparse, es lógico que la gravedad domine en aquellas zonas donde se encuentra concentrada, pero el universo es muy vasto y hay energía oscura por toda ella (por lo que a grandes distancias domina la energía oscura), y cuanto más se expande se genera más espaciotiempo que a su vez aumenta la energía oscura, que a su vez…

    19 Noviembre 2015 | 21:50

  9. Dice ser Pol

    Hola Toni Montana. Gracias por tus respuestas. Tenía entendido que había 4 fuerzas elementales (gravedad, EM, nuclear débil y nuclear fuerte). En cuanto a la gravedad, también tenía entendido que Einstein propuso otro modelo para la gravedad (la curvatura del espaciotiempo) pero no dejaba de ser una fuerza. Son modelos distintos para explicar lo mismo, una dualidad.
    Con lo siguiente que has dicho, me has dejado anonadado. ¿Cómo sería una curvatura negativa? Si la positiva provoca hiperparaboloides, ¿la curvatura negativa provocaría hiperboloides? Además, ¿qué quieres decir con que la energía también lo curva? Sé que hablar de masa y energía es hablar del mismo ente, pero no tenía en mente que la energía también curvaba.
    Finalmente, ¿sabes si podría existir masa negativa?
    Gracias por tus respuestas y un saludo.

    20 Noviembre 2015 | 07:50

  10. Dice ser mnemox

    Seguramente digo una burrada pero no podria ser que la energia oscura no es tal
    si no que es el efecto producido por la “absorción” por llamarlo de algún modo
    que produce la “nada” sobre el “todo” que es nuestro universo?

    20 Noviembre 2015 | 11:07

  11. Dice ser Tony Montana

    a 9. Pol
    Generalmente sí que se describe a la gravedad cómo una fuerza elemental, pero está muy claro que no es cómo las demás fuerzas y no está de hecho incluida en el Modelo Estándar. Siempre es positiva, es increíblemente débil comparado con la siguiente fuerza más débil, faltaría la partícula transmisora de la gravedad (el hipotético gravitón) y si aceptas la descripción de la relatividad cómo una propiedad del espaciotiempo, una característica de su geometría (todas las partículas interactúan con la gravedad, pero no todas lo hacen electromagnéticamente, o con la fuerza nuclear fuerte/débil), queda claro que en realidad no hablamos de lo mismo. A no ser que diésemos con el susodicho gravitón, claro.

    La curvatura negativa sería el equivalente a una fuerza repulsiva, una curvatura del espaciotiempo opuesta a la que genera la energía positiva. Si buscas info sobre las posibilidades de viajar más rápido que la luz, la posibilidad más atractiva, más “Star Trek” requeriría el uso de energía negativa, cómo el Motor de Alcubierre o la generación de agujeros de gusano. Naturalmente todo esto es muy sci-fi, dado que no tenemos forma de generar masa o energía negativa, ni sabemos siquiera si es posible hacerlo, pero eso no quita que haya gente dándole muchas vueltas al tema.

    Sobre que la energía curva el espaciotiempo, pues sí, todo tipo de energía lo hace. Cuando se dice que masa y energía es la misma cosa no es en vano. Un objeto caliente pesa más que el mismo objeto frío, un fotón curva el espacio a pesar de no tener masa en reposo, un átomo tiene menos masa que la suma de la masa de sus partículas componentes por separado, etc…

    20 Noviembre 2015 | 16:00

  12. Dice ser Alberto Fernandez-Soto

    Lo primero disculpad que haya tardado tanto en asomarme por aquí por si hubiera algún comentario de lectores interesados. Y agradezco a Tony Montana que haya contestado muy correctamente a las dudas que han ido surgiendo.

    En efecto, aunque en este espacio es muy difícil de describir con detalle, la materia oscura parece ser algún ente “bien definido”, con unas propiedades razonables, pero que de momento no conocemos. Quizás en el futuro se encuentre una partícula con interacción débil que encaje en el puzzle. Los neutrinos, como ya han explicado más arriba, no pueden ser. La energía oscura es un problema mucho más serio: no sabemos qué tipo de entidad tendría las propiedades observadas: es muy abundante, ubicua, genera una expansión rápida del espacio, y no se detecta por otros medios.

    Respecto a uno de los primeros comentarios, aparte la corrección respecto a la visión de la gravedad que ya ha comentado Tony, realmente tampoco las interacciones nucleares tienen versiones “atractivas y repulsivas” así que el símil tampoco puede ir demasiado lejos.

    Y como también habéis comentado, no hay un signo negativo antes del 2.7K… hay un guión, seguramente no fue buena idea redactarlo así, perdón!

    Y respecto a la pregunta número 10, aparte de que es muy especulativa, pensar que “la nada” que está fuera tira de “el todo” que constituye nuestro Universo, supone que hay “algo fuera”, y eso te lleva a todo tipo de problemas, incluída la necesidad de un borde y un centro para el Universo. Mejor no entrar ahí!

    De nuevo, gracias especiales a Tony Montana por sus respuestas, todas correctísimas!

    10 Diciembre 2015 | 15:23

Los comentarios están cerrados.