45 El big bang

El nacimiento del universo en una explosión fenomenal originó todo el espacio, la materia y el tiempo tal y como los conocemos. Pronosticado en las matemáticas de la relatividad general, encontramos evidencias del big bang en la precipitada retirada de galaxias que se alejan de la nuestra, en la cantidad de elementos ligeros del universo y en el resplandor de microondas que llena el cielo.

El big bang es la explosión última, el nacimiento del universo. Si miramos a nuestro alrededor hoy en día, vemos indicios de que nuestro universo se expande y podemos inferir que en el pasado debió de ser más pequeño y más caliente. Llevando esto a su conclusión lógica, significa que el cosmos entero se habría originado a partir de un único punto. En el momento de la ignición, el espacio, el tiempo y la materia fueron creados simultáneamente en una bola de fuego cósmico. Muy gradualmente, durante 14.000 millones de años, esta densa y caliente nube fue aumentando y enfriándose. Finalmente se fragmentó hasta dar origen a las estrellas y galaxias que actualmente salpican el cielo.

No es broma La propia expresión de «big bang» fue realmente acuñada en tono de broma. El eminente astrónomo británico Fred Hoyle creía absurdo que todo el universo hubiera surgido a partir de una sola semilla. En una serie de debates retransmitidos por primera vez en 1949 se burló de la exagerada proposición del matemático belga Georges Lemaître, quien había propuesto esta solución. Hoyle prefería creer en una visión más sostenible del cosmos. En su universo en perpetuo «estado estacionario», la materia y el espacio se creaban y se destruían continuamente, y por tanto éste debía haber existido durante un tiempo ilimitado. Aun así, las pruebas empezaban a acumularse y en los años sesenta la representación estática de Hoyle tuvo que ceder, ante el peso de la evidencia que favorecía al big bang.

El universo en expansión El éxito del modelo del big bang se cimenta en tres observaciones críticas. La primera es que la mayoría de las galaxias se alejan de la nuestra. Al observarlas desde la distancia, todas las galaxias tienden a apartarse unas de otras como si la fábrica del espacio-tiempo se expandiera y se alargara, siguiendo la ley de Hubble. Una consecuencia del alargamiento es que la luz tarda ligeramente más en llegar hasta nosotros cuando viaja por un universo en expansión que por otro donde las distancias sean fijas. Este efecto se registra como un cambio en la frecuencia de la luz, llamado «desplazamiento hacia el rojo» porque la luz recibida parece más roja de lo que era cuando partió de la lejana estrella o galaxia. Los desplazamientos al rojo se pueden utilizar para inferir las distancias astronómicas.

Elementos ligeros Justo después del big bang, todo estaba compactado en un caldero sobrecalentado en ebullición. Durante el primer segundo, el universo era tan denso y caliente que ni siquiera los átomos eran estables. A medida que fue creciendo y enfriándose, surgió primero una sopa de partículas, llena de quarks, gluones y otras partículas fundamentales (véase Capítulo 36). Justo un minuto después, los quarks se unieron para formar protones y neutrones. Después, en los tres primeros minutos, la química cósmica combinó los protones y neutrones, de acuerdo con sus números relativos, para formar los núcleos atómicos. Fue entonces cuando se formaron por primera vez los elementos diferentes del hidrógeno por medio de la fusión nuclear. Una vez que el universo se enfrió por debajo del límite de fusión, ya no podían formarse elementos más pesados que el berilio. De modo que inicialmente el universo estaba inundado de núcleos de hidrógeno, helio y trazas de deuterio (hidrógeno pesado), litio y berilio creados en el propio big bang.

En los años cincuenta Ralph Alpher y George Gamow pronosticaron las proporciones de los elementos ligeros producidos en el big bang y esta representación básica ha sido confirmada incluso por las mediciones más recientes realizadas en las estrellas de combustión lenta y las nubes de gas primitivo de nuestra Vía Láctea.

El resplandor de microondas Otro pilar fundamental del big bang es el descubrimiento en 1965 del débil eco del propio big bang. Arno Penzias y Robert Wilson trabajaban en un receptor de radio en el Bell Labs de Nueva Jersey cuando se quedaron asombrados al percibir una débil señal sonora que no lograban eliminar. Parecía haber una fuente extra de microondas procedentes del firmamento, el equivalente a algo a escasos grados de temperatura.

Tras comentarlo con el astrofísico Robert Dicke se dieron cuenta de que su señal coincidía con las predicciones de la luminiscencia del big bang. Habían tropezado con la radiación del fondo cósmico, un mar de fotones que quedó del jovencísimo y caliente universo.

En la teoría del big bang, la existencia de la radiación de fondo había sido predicha en 1948 por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann. Aunque los núcleos se sintetizaron en los primeros tres minutos, los átomos no se formaron hasta 400.000 años después. Finalmente, los electrones cargados negativamente se emparejaron con núcleos cargados positivamente para formar átomos de hidrógeno y elementos ligeros. La eliminación de partículas cargadas, que dispersó y bloqueó el camino de la luz, despejó la niebla dando paso a un universo transparente. A partir de entonces, la luz pudo viajar libremente por el universo, permitiéndonos mirar muy lejos hacia atrás.

Aunque la bruma del joven universo originalmente estaba caliente (a unos 3.000 kelvin), la expansión del universo ha desplazado hacia el rojo su resplandor de tal forma que actualmente la percibimos a una temperatura inferior a 3 kelvin (tres grados por encima del cero absoluto). Esto fue lo que detectaron Penzias y Wilson. Por consiguiente, con estos tres importantes fundamentos intactos hasta la fecha, la teoría del big bang es aceptada de forma mayoritaria por los astrofísicos. Unos cuantos todavía persiguen el modelo del estado estacionario que había fascinado a Fred Hoyle, pero es difícil explicar todas estas observaciones con cualquier otro modelo.

Destino y pasado ¿Qué ocurrió antes del big bang? Como el espacio-tiempo fue creado en él, esta cuestión realmente carece de significado. Sin embargo, los físicos matemáticos reflexionan efectivamente sobre el desencadenante del big bang en un espacio multidimensional a través de las operaciones matemáticas de la teoría M y de la teoría de cuerdas. Estas teorías se centran en la física y en la energía de las cuerdas y las membranas en estas multidimensiones e incorporan ideas de la física de partículas y la mecánica cuántica para tratar de desencadenar ese evento. Estableciendo un paralelismo con las ideas de la física cuántica, algunos cosmólogos también debaten la existencia de universos paralelos.

En el modelo del big bang el universo evoluciona. El destino del cosmos está determinado en gran medida por el equilibrio entre la cantidad de materia que atrae a través de la gravedad y otras fuerzas físicas que lo alejan, incluyendo la expansión. Si la gravedad triunfa, la expansión del universo podría detenerse un día y comenzar a replegarse sobre sí mismo, concluyendo en un rebobinado del big bang, que se conoce como el Big Crunch. Si triunfan la expansión y otras fuerzas repelentes harán alejarse a todas las estrellas, galaxias y planetas y nuestro universo podría acabar siendo un oscuro desierto de agujeros negros y partículas. Finalmente está el «universo bien afinado», en el que las fuerzas de atracción y repulsión están equilibradas, de forma que continúa en expansión aunque pierde velocidad. La cosmología moderna apunta a este final como el más probable.

Cronología:

1927 d. C.: Friedmann y Lemaître diseñan la teoría del big bang.

1929 d. C.: Hubble detecta la expansión del universo.

1948 d. C.: Se predice la radiación de microondas del fondo cósmico.

Alpher y Gamow calculan la nucleosíntesis del big bang.

1949 d. C.: Hoyle acuña el término «big bang».

1965 d. C.: Penzias y Wilson detectan las microondas de fondo cósmico.

1992 d. C.: El satélite COBE mide las variaciones de las microondas del fondo cósmico.

La idea en síntesis: la explosión final