WikiCiencia - Ciencia y Tecnología - Astronomía y astronáutica - El Big Bang

Firenox
PRINCIPALELECTRONICAINFORMATICATECNOLOGIANOTICIASDESTACADOS
 

El Big Bang


Si le resulta útil el contenido de este portal, por favor considere hacerse socio y colaborar económicamente o donar sangre a FUNDALEU, la Fundación para Combatir la Leucemia. Muchas gracias.

Nacimiento de la teoría

Desde el principio del conocimiento, el hombre intentó explicar su origen y el de su universo visible. Los antiguos lo atribuyeron a dioses y circunstancias casuales.

Al avanzar en el camino del conocimiento, el universo y las herramientas para investigarlo crecieron sustancialmente dando lugar al desarrollo de otras corrientes de pensamiento que nos acercarían un poco más a la realidad. A pesar de ello todos coinciden en que es muy poco lo que se sabe e infinito lo que se desconoce, inclusive permanentemente se descubren nuevos fenómenos y se plantean nuevas teorías. Lo que este apunte intenta es simplemente exponer una de las teorías más aceptadas en la actualidad.

El primero en plantear la continua expansión del universo fue el matemático ruso Alexándrovich Friedmann, quien en 1922 sostuvo que dicha expansión tendría origen en un punto material denso que contuviera a toda la materia. Este trabajo fue netamente teórico y se apoyó en las ecuaciones de Albert Eintein. Friedmann fallece en 1925 sin que se conociera mundialmente su trabajo.

Dos años después de su muerte, Georges Lemaître, astrónomo belga que desconocía el trabajo de Friedmann, plantea una teoría similar y llama al punto material "Huevo Cósmico". También sostiene que la expansión del universo se originaría en una gran explosión. tanto ésta como la teoría de Friedmann no fueron tenidas en cuenta en esa época.

Recién en la década del 40 el físico rusoamericano George Gamow le dió un nuevo impulso a estas ideas y difundió el nombre de "Big Bang" o "Gran Explosión".

La teoría fue muy controversial y muy pocas personas quedaron conformes con su idea. Es por ello que en el año 1948 dos astrónomos de origen austríaco presentaron la teoría de un Universo en estado estacionario, en el que, a medida que las galaxias se separaban (pues ellos aceptaban únicamente el concepto de Universo en expansión) entre ellas se creaban nuevas galaxias, con materia que surgía espontáneamente de la nada, pero tan lentamente y de manera tan sutil, que los instrumentos y las técnicas del momento no permitían su detección. Los astrónomos eran: Hermann Bond y Thomas Gold.

Un año luego de que los astrónomos austríacos presentaran su teoría, Gamow señaló que si el Universo habíase creado a partir de una explosión (tal como lo indica la Teoría del Big Bang), la energía en forma de radiación producida, debería haber perdido fuerza, presentándose actualmente como emisiones de radioondas desde todas partes del firmamento, como una especie de radiación de fondo homogénea, característica en objetos de temperaturas de 5º K (Kelvin = -298º C). Ésta idea fue llevada adelante por el físico norteamericano Robert H. Dicke.

En mayo de 1964, el físico germanoamericano Arno Penzias, junto con el radioastrónomo norteamericano Robert W. Wilson, detectaron la radiación de fondo, indicando una temperatura media del Universo de 3º K.

Gracias a éste descubrimiento, la Teoría del Big Bang es ahora, en general, aceptada, eliminando por completo a su oponente, la de estado estacionario.

Actualmente, mediante el estudio del corrimiento hacia el rojo de las galaxias, y con el conocimiento de sus distancias, podemos suponer que el Universo se formó hace aproximadamente 15.000 millones de años. No obstante, ésta cifra puede ser simplemente una mera conjetura, y el Universo podría tener tanto 20.000, como 10.000 millones de años.

Proceso Big Bang

Sea cual fuera el mecanismo que dio inicio al Big Bang, debió ser muy rápido: el universo pasó de ser denso y caliente (instante "cero" de tiempo) a ser casi vacío y frío (instante actual). De la situación del universo antes del Big Bang no se sabe nada, ni siguiera puede imaginarse cómo comenzó. Algo sí puede deducirse es que antes de conformadas las galaxias, la densidad de materia del universo habría sido infinita; por lo tanto, el análisis del universo puede iniciarse un instante después del Big Bang, en el cual la densidad resulte ahora finita, aunque extraordinariamente enorme  Algo similar se puede decir con respecto a la temperatura. En las regiones de mayor T se acumuló la materia que luego dio origen a las galaxias y posteriormente a las estrellas.

Junto a la materia no condensada, debió existir un campo de radiación tan intenso cuyos residuos deberían poder observarse en la actualidad. Al respecto surge un dato observacional importante: se ha detectado radiación de longitudes de onda de radio, correspondiente a una temperatura extremadamente baja (T = 3K).

Esa radiación se conoce como radiación de fondo y se supone que se habría generado cuando el universo era extremadamente caliente y denso, tenía una edad de unos 500.000 años y una temperatura de unos 3000K. En aquel momento inicial todavía no se habían formado ni las galaxias ni las estrellas.

Una característica de esa radiación es que se distribuye de manera uniforme en todo el cielo, sin que se note ninguna dirección preferencial; a propósito, una de las pruebas convincentes de que el Big Bang realmente sucedió fue la detección de esa radiación de fondo abarcado todo el espacio. El estudio de esa radiación permite obtener información sobre las condiciones del universo en sus comienzos; por ejemplo, el satélite COBE encontró en 1992, tenues fluctuaciones en la radiación de fondo, las se han interpretado también como una confirmación de que el Big Bang existió.

A continuación se mencionan los principales fenómenos ocurridos luego del estallido inicial de acuerdo a las modernas teorías cosmológicas.
 

Instante

Acontecimiento

0

Origen del tiempo, el espacio y la energía del universo que conocemos.

10-45 seg

La radiación gravitatoria sale rompe el equilibrio térmico del resto del universo.

10-35 seg

El universo, en un estado de vacío, empieza a "inflarse", es decir, a expandirse.

10-33 seg

Termina la época inflacionaria.

10-28 seg

Formación de la materia.

10-2 seg

Partículas de materia y de energía interaccionan en equilibrio térmico.

1 seg

Aparecen los neutrinos.

102 seg

Protones y electrones forman los primeros átomos de hidrógeno.

3 min y 42 seg

Los protones y los neutrones se unen, formando núcleos de helio. El universo ahora está compuesto de un 20% de núcleos de helio y un 80% de hidrógeno.

1 hora

El universo se ha enfriado hasta el punto de que se han detenido la mayoría de los procesos nucleares.

1 año

La temperatura ambiente del universo es aproximadamente la del centro la temperatura ambiente del universo es de una estrella.

106 años

Origen de la radiación cósmica de fondo. En lo sucesivo, la materia puede condensarse en galaxias y estrellas.

109 años

Aparecen las protogalaxias y se forman los cúmulos globulares. Comienza la época de los quásares.

4.500 106 años

El Sol y los planetas se condensan a partir de una nube de gas y polvo en un brazo espiral de la galaxia Vía Láctea.

5.000 106 años

La Tierra se ha enfríado lo suficiente para formar una corteza sólida; es la edad de las más antiguas rocas terrestres fechadas.

Para analizar las propiedades del universo en conjunto se realizan esquemas hipotéticos de cómo sería el universo bajo ciertas condiciones llamados modelos cosmológicos; si esos modelos son válidos entonces podrán certificarse a través de los datos de la observación.
Los modelos cosmológicos tienen en común el siguiente postulado: el universo debe verse de la misma manera, para un observador en cualquier lugar en que se encuentre ("principio cosmológico").

Otro postulado, más ambicioso, dice que el universo debe parecer igual a todo observador, en cualquier punto y en cualquier época ("principio cosmológico perfecto").

La teoría del estado fijo <estacionario> del universo se desarrolló a partir de estos postulados y dice lo siguiente: el universo debe verse idéntico desde cualquier lugar y no debe experimentar cambios en el tiempo.

Como hemos mencionado el corrimiento al rojo de las galaxias verifica que el universo se expande y, por lo tanto, aumenta de tamaño; ahora bien, si la teoría del estado fijo es válida no podría explicar dicha expansión. Si se considera que la expansión se desarrolló a lo largo de un tiempo infinitamente largo, la materia del universo fijo habría llegado a diluirse hasta el punto de que no quedaran galaxias para observar, a menos que se hayan ido formándose continuamente otras nuevas.

Por otra parte, la materia que compone un universo en estado fijo, debe formarse a una velocidad elevada, suficiente para que se mantuviese una densidad de materia más o menos constante; esto implica que un observador de un universo en estado fijo detectaría en cualquier instante y lugar, un mismo número promedio de galaxias viejas y jóvenes.

Un universo en estado fijo exige entonces la continua creación de materia (y/o de energía); en esas condiciones el ritmo de creación de materia debería ser tan alto como para ser detectado y hasta hoy, sin embargo, no se ha logrado ninguna evidencia al respecto. Esto hace dudar sobre un estado fijo para el universo.

Si en lugar de ambos postulados, sólo se cumple el primero (principio cosmológico), el universo sería "finito" (se ve igual en cualquier sitio, pero no en cualquier tiempo). Como está en expansión, las distancias entre astros cambian de modo continuo: a medida que el universo se expande, los astros se separarán más unos de los otros. En otras palabras: las dimensiones del universo varían con el tiempo; y esto implica que un modelo de universo que contemple únicamente el principio cosmológico es el de un universo en evolución. Por otro lado, al expandirse, el volumen del universo aumenta paulatinamente y por lo tanto la densidad decrece con el como fenómeno responsable de esa expansión.

Con el tiempo, al aumentar la distancia entre los astros primitivos, la atracción gravitatoria mutua habría disminuido, reduciéndose entonces la velocidad de expansión. En otras palabras, la expansión del universo no habría sido siempre igual: al comienzo debió ser más rápida que la que se observa hoy.

De esta manera, es muy probable que se estaría produciendo una desaceleración (frenado). Para determinar cómo y cuánto se frena naturalmente la expansión del universo, es necesario contar con información de cómo varían las dimensiones del universo respecto de las distancias.

El valor de la desaceleración del universo (parámetro de frenado, q) depende de dos números: la constante de Hubble y la densidad de materia en el espacio. Según sea el valor de q se explica la forma de este modelo de universo evolutivo. Pueden darse las siguientes situaciones: a) un universo cerrado: el universo detiene su expansión en el futuro, para contraerse hasta volver a acumular toda la materia en un único punto; b) un universo abierto: continuará en expansión indefinidamente; y c) un universo plano (situación intermedia entre cerrado y abierto).

Un camino para definir qué tipo de universo habitamos (situación a, b o c) es a través de la medición de la densidad de materia del universo: será plano (c) si la densidad es menor que cierto valor límite, si es mayor entonces curvo como una esfera (a); si en cambio la densidad es menor que el valor correspondiente a (c) también es curvo, pero abierto y semejante a una silla de montar (b). Las observaciones aún no son concluyentes: muestran un valor de la densidad de materia cercano al límite. Y justamente allí aparece uno de los problemas actuales de la Cosmología: la posible existencia de materia oscura (materia no observable).

Si esa materia realmente existe, la densidad sería mayor y también aumentaría el valor de q, modificando sensiblemente la idea sobre el tipo de universo en el que nos hallamos.

Materia oscura

Mencionamos ya la importancia que tiene para diseñar un modelo satisfactorio del universo, conocer el valor de la masa total de materia que existe en el espacio.

Para el universo, el valor de la expansión o de la contracción, depende de su contenido de materia. Si la masa resulta mayor que cierta cantidad, las fuerzas gravitatorias primero amortiguarán y luego detendrán eventualmente la expansión. El universo se comprimirá en sí mismo hasta alcanzar un estado compacto y reiniciará, tal vez, un nuevo ciclo. En cambio, si el universo tiene una masa menor que ese valor, se expandirá para siempre.

En la actualidad, la densidad de materia detectad, tanto la materia que brilla, como la que refleja la luz y la que abosrbe la luz, es 20% un menor que la densidad que cerraría el universo. Sin embargo, los astrónomos sospechan que una cierta cantidad de materia podría estar oculta de diferentes maneras. Parte puede estar encerrada en agujeros negros o bien suceder, simplemente, que las estimaciones están afectadas por graves errores.

Otra idea es que la materia oscura no sería detectable por medio de la luz visible, pero sí en otras longitudes de onda (infrarrojas, por ejemplo).

Se sostiene también que la masa no detectada se halla en ciertos astros llamados enanas marrones. Son cuerpos que no llegan a ser estrellas (serían equivalentes a los planetas en el sentido que no tienen luz propia) ya que la cantidad de materia que las componen no es suficiente para elevar la temperatura de su núcleo y producir la fusión de hidrógeno en helio. Simplemente, esto hace que no sean visibles.

Se ha sugerido que las enanas marrones prodrían constituir halos invisbles rodeando a las galaxias. Esta idea ha sido introducida para tratar de explicar los movimientos de objetos ubicados en los alrededores de las galaxias, ya que ellos indican la presencia de cuerpos celestes que son imposibles de detectar con las técnicas actuales de observación.

Teoría Pendular

Esta teoria sostiene la posibilidad de que exista otro origen del universo distinto del Big Bang y se apoya en tres supuestos:
 
1: Que el Big Bang no fue el primero. Plantean que pudo existir otro universo anterior al Big Bang, que luego de la expansión se habría contraído y reexplotado.

2: El punto material no contendría toda la masa del Universo. Sostiene que pudo producirse un Big Bang parcial, es decir que esta explosión no sería la única.

3: Tal vez se vuelva a producir. Dice que el proceso explosión-expansión-contracción podría repetirse en forma permanente.
 

Conclusión

Independientemente de los fundamentos de ambas teorías es claro que aún resta mucho por descubrir y que el tiempo y el desarrollo de nuevas tecnologías permitirá acercarnos cada vez más a la verdad sobre nuestros orígenes. Por lo pronto es importante apoyar las investigaciones que lleven al nacimiento de  hipótesis y teorías ya que todo el conocimiento y avance del saber de la humanidad se debe a este tipo de iniciativas.

 

WikiCiencia - Creative Commons 2000-2015 - Algunos derechos reservados - Términos y Condiciones

Firenox