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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).

Te contamos la historia del cosmos comprimida en un año

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Por Ricardo Moreno, Susana Deustua y Rosa M. Ros *

Supongamos que todo el tiempo desde el Big Bang hasta ahora [13.700 millones de años aproximadamente] lo comprimimos en un año, del 1 de enero al 31 de diciembre. Hasta mayo no se formó nuestra Vía Láctea. A primeros de septiembre se formó el Sol, y la Tierra tuvo forma esférica a mediados de ese mes. Pero no es hasta primeros de diciembre cuando el oxígeno se hace presente en nuestra atmósfera. Aunque unas células vivas muy sencillas aparecen enseguida sobre la Tierra, las células con núcleo como las actuales aparecen el 2 de diciembre y el día 12 los primeros organismos pluricelulares. El 19 aparecen las plantas y peces, y el 23 los árboles, insectos y reptiles. El 25 aparecen los dinosaurios, que duran hasta el 28. En el día 30 los mamíferos viven ya sobre la Tierra, pero no es hasta el 31 de diciembre, a las 23:00, cuando aparece el homo sapiens. En el último minuto se pintan las cuevas de Altamira. Cinco segundos antes de las doce de la noche es cuando nace Jesucristo. El último siglo serían las últimas dos décimas de segundo.

Calendario cósmico

 

* Este pasaje forma parte del libro 14 pasos hacia el Universo (2012). Es una de las múltiples iniciativas puestas en marcha por la Network for Astronomy School Education (NASE), con la que colabora el CSIC, con el objetivo de acercar la astronomía al profesorado de Primaria y Secundaria.

En la frontera de la química: cómo la materia se convirtió en vida

AutorPor Manel Souto Salom (CSIC)*

Hace tiempo, un redactor de una revista científica le preguntó a Jean-Marie Lehn, premio Nobel de Química en 1987, cuál era el gran interrogante de la química. “Los físicos tratan de desentrañar las leyes del universo. Los biólogos dicen que intentan resolver las reglas de la vida. Pero, ¿cuál es la gran pregunta que los químicos deben responder?” Lehn le contestó que la química tiene el reto de resolver la pregunta más importante de todas: ¿cómo la materia ha sido capaz de convertirse en algo que viva o piense? ¿De qué manera ha podido generar entidades capaces de preguntarse sobre el origen mismo del universo del que surgió?

Desde este punto de vista, la química constituye el puente que hay entre las leyes del universo y su específica forma de vida, es decir, entre la física y la biología. Su objetivo es descubrir y entender el proceso que gobierna la evolución de la materia hacia el aumento de su complejidad, desde las primeras partículas hasta la vida y la materia pensante.

Gran Salar de Uyuni

Imagen microscópica de cristales procedentes del Gran Salar de Uyuni flotando en el agua junto a diversos microrganismos. / María Jesús Redrejo Rodríguez y Eberhardt Josué Friedrich Kernahan (FOTCIENCIA12)

Y la clave de todo ello es la autoorganización, definida por Lehn como “la fuerza motriz del universo”. La premisa básica es que nuestro universo está construido de tal manera que la materia tiende a autoorganizarse; por lo que los seres humanos no somos un accidente, sino el resultado de nuestro universo.

Para estudiar de qué forma se organiza la materia, Lehn propone ir más allá de las fronteras de la química tal y como se la entiende comúnmente. Hoy día hablamos de química supramolecular para describir las interacciones de las moléculas entre sí. Si pensamos que una molécula es una casa compuesta por átomos que funcionan como ladrillos, la química supramolecular se ocuparía de la vida en el barrio.

Pues bien, Lehn parte de la base de que las interacciones entre moléculas son dinámicas y adaptativas. Es decir, que las casas y los edificios son capaces de ensamblarse y reordenarse para dar lugar a un barrio más complejo que el de partida; y que esos procesos responden a las condiciones del entorno en el que se producen. Lehn habla de una evolución predarwiniana – es decir, previa a la vida– para referirse a estas adaptaciones.

En el principio de la explosión original o Big Bang, era la física quien reinaba. Luego, cuando se alcanzaron temperaturas más bajas, vino la química. Las partículas formaron átomos y estos se unieron para producir moléculas cada vez más complejas dando a luz a las primeras células de las que brotó la vida en nuestro planeta. Esto ocurrió hace 3.800 millones de años. Hoy, la tarea de la química es revelar las vías de autoorganización y trazar los caminos que condujeron a la materia inerte hacia la materia orgánica, de ahí a la materia viva y, por último, a la pensante.

 

* Manel Souto Salom (Valencia, 1988) realiza su tesis doctoral en el Departamento de Materiales Orgánicos y Nanociencia Molecular (Nanomol) del Instituto de Ciencia de los Materiales de Barcelona del CSIC. Es autor del blog www.reaccionando.org y colaborador de El Huffington Post y El Periódico de Catalunya.

¿Es el universo infinito?

Por Mar Gulis

El otro día Gustavo Ariel Schwartz nos contaba que Edgar Alan Poe, gran aficionado a la astronomía, llegó a la conclusión de que el universo tuvo un principio después de estudiar lo que se conoce como la paradoja de Olbers.

Hoy compartimos un brevísimo vídeo que puede ayudar a entender mejor el razonamiento de Poe. Producido como parte de la serie ‘El universo en un minuto: diez preguntas clave de astronomía y cosmología’, en la que han participado astrofísicos del CSIC, este audiovisual explica que, como el universo nació hace unos catorce mil millones de años, solo podemos ver los objetos que están situados a menos de esa distancia.

¿Qué hay más allá? Aquí encontrarás algunas claves…

 

Edgar Alan Poe… el astrónomo

GASPor Gustavo Ariel Schwartz

Poe tenía una gran afición por la ciencia, y en especial por la astronomía. Tal era su interés por estos temas que estaba convencido de que iba a ser más recordado por sus ideas científicas que por sus escritos.

En 1848, con 39 años de edad y a uno de su muerte, propuso una solución realmente innovadora a la paradoja de Olbers. Esta paradoja señala que en un universo infinito, eterno e inmutable (como se creía entonces que era el universo) el cielo nocturno no podría contener regiones oscuras.

Paradoja

Según la paradoja de Olbers, a medida que observamos las estrellas situadas en capas más lejanas a la Tierra, el cielo debería verse más luminoso. / Kmarinas86 (CC-BY-SA-3.0)

Sabemos que cuanto más lejos está una estrella de la Tierra, menor es su intensidad aparente (en concreto, esta intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia). Por eso, cuando observamos dos estrellas similares situadas a diferente distancia de nuestro planeta, vemos más brillante la que está más cerca. Pero si suponemos que la densidad de estrellas en el universo es constante, a medida que nos alejamos de la Tierra y abarcamos un radio mayor del espacio, la cantidad de estrellas tendrá que aumentar (y no de cualquier manera, sino en proporción al cuadrado de la distancia). Por tanto, estos dos efectos se cancelan (cuanto más lejos, menos intensidad tienen los puntos de luz pero más puntos de luz hay) y, al observar el cielo en cualquier dirección, deberíamos ver una cantidad de luz infinita. Y éste, obviamente, no es el caso. Entonces, ¿cuál es el problema?

Alguna de las hipótesis arriba mencionadas no puede ser correcta: el universo no puede ser infinito, eterno e inmutable. Poe propuso entonces que “[…] podríamos comprender los vacíos que nuestros telescopios encuentran en innumerables direcciones suponiendo que la distancia hasta el fondo invisible es tan inmensa que ningún rayo de luz procedente de allí ha sido todavía capaz de alcanzarnos”. Esta idea echaba por tierra la hipótesis de eternidad; el universo tuvo un principio. De no ser así, por más lejos que estuviera una estrella, su luz habría tenido tiempo suficiente para llegar hasta nosotros.

Como si de un oxímoron borgiano se tratase, la oscuridad del cielo nocturno es una de las más claras y bellas evidencias a favor del Big Bang.

Cielo nocturno

 

Gustavo Ariel Schwartz es científico del CSIC en el Centro de Física de Materiales, dirige el Programa Mestizajes y mantiene un blog sobre Arte, Literatura y Ciencia.

¿Qué había ‘antes’ del Big Bang?

Por Mar Gulis

Dice el físico Alberto Casas que hacerse esta pregunta tiene el mismo sentido que preguntar qué hay al sur del Polo Sur.

Universo dedalSi nos guiáramos solo por las apariencias y creyéramos que la Tierra es plana, podríamos imaginarnos caminando hacia el sur de forma indefinida, del mismo modo que la intuición nos puede hacer pensar que es posible remontarnos a un tiempo anterior al Big Bang. Sin embargo, desde hace algunos siglos sabemos que nuestro planeta es redondo y que, una vez alcanzado el Polo Sur, por más que sigamos caminando en la misma dirección nos estaríamos dirigiendo hacia el norte.

Pues bien, al espacio-tiempo le pasa algo parecido. En su libro El lado oscuro del universo, el investigador del CSIC explica que podemos representar la historia del universo como un gigantesco dedal colocado hacia abajo. En el vértice inferior estaría el Big Bang, “el instante cero en el que todo el universo conocido estaba comprimido en un punto”, y en la abertura superior, el universo actual, con una edad de nada más y nada menos que de 14.000 millones de años.

Si nos desplazáramos hacia arriba por la superficie del dedal encontraríamos que su anchura es cada vez mayor porque, como sabemos, el universo se encuentra en expansión. En cambio, si tratáramos de retroceder  en el tiempo y quisiéramos remontarnos ‘más allá’ del Big Bag nos encontraríamos volviendo a avanzar en el tiempo.

Campo ultraprofundo del Hubble. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

Campo ultraprofundo del ‘Hubble’. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

“Cuesta imaginarlo, pero matemáticamente no hay ningún problema en formularlo”, explica Casas. En cierto modo, esta conclusión es muy parecida a la que llegó San Agustín cuando, en el siglo V, los teólogos se preguntaban qué hacía Dios antes de crear la Tierra y los Cielos. Su respuesta fue que no tenía sentido preguntar a qué dedicaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo.

No hay por qué desanimarse. Aunque la ciencia diga que no podemos remontarnos ‘antes’ del Big Bang, sí que puede explicarnos, y muy bien, qué pasó justo después. Tanto, que los físicos han establecido el ‘nacimiento’ de los primeros protones y neutrones una diezmillonésima de segundo después de la gran explosión, mientras que la aparición de los primeros núcleos formados por protones y neutrones (deuterio, helio, helio-3, litio) se habría producido a los 100 segundos.

Los primeros átomos no se formarían hasta pasados los 380.000 años, pero esta es otra historia de las que nos ocuparemos próximamente…