Origen y Evolución del Universo

Cosmología. Big Bang. Modelo de la inflación

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COSMOLOGIA

Una de las preguntas más comunes en la actualidad y que siempre se han hecho las personas que trabajan en la cosmología es cómo ha evolucionado el Universo hasta nuestros días y cómo era en un principio.

    A lo largo de la historia, se ha podido ir conociendo poco a poco a través de mucha observación, mucho trabajo, y por supuesto a través de muchas equivocaciones cada vez un poco más acerca de nuestro Universo. Poco a poco hemos ido alejando nuestro conocimiento a épocas más remotas en las que el Universo no se parecía en nada al actual, hemos retrocedido en el tiempo hasta que el Universo no era mas que una “sopa” de partículas elementales como quarks y leptones (ambos tipos de partículas forman la materia de la que todos estamos constituidos), e incluso parece ser que conocemos cómo se dio el comienzo de todo en el Big-Bang (Gran Explosión) hace aproximadamente unos diez mil millones de años. A partir de ahí y a un ritmo vertiginoso al principio y más calmado posteriormente, se sucedieron diversas épocas del Universo, algunas de las cuales se muestran en el esquema siguiente:

    1.- Big-Bang.
    2.- Era de Planck: El Universo tenía 10-43 segundos de vida, una temperatura de 1032 grados Kelvin y un radio que se conoce con el nombre de radio de Planck de 10-33 cm (el radio de los núcleos es de unos 10-13 Compensación). Aquí se encontraban unificadas las cuatro fuerzas fundamentales: gravedad, electro-magnética, débil y fuerte
    3.- Era de la inflación: En esta época, que se dio unos 10-32 segundos después del Big-Bang, el Universo sufre una expansión exponencial y adquiere un tamaño apreciable.  De esta época hablaremos más adelante un poco más.
    4.-Era electrodébil: En ésta época después de una ruptura en la simetría sólo permanecen unidas la fuerza electromagnética y la fuerza débil.
    5.-Ruptura de la unificación electrodébil.
    6.- Era de la bariogénesis: En esta época que ocurre a los 10-5 segundos se crean las partículas (bariones), antes de esta época lo que existían eran quarks y leptones  y no partículas ya que el exceso de temperatura rompería los posibles enlaces entre éstos. Se dio cuando el Universo era unas 1012 más pequeño que el actual y tenía una temperatura de unos 3 1012 K
    7.- Era de la aniquilación: Pasados unos minutos desde el big-bang, se aniquilan los electrones (e-) con los positrones (e+ ), además se forman los núcleos de helio y los neutrinos, que hasta entonces habían interaccionado, con la materia se separan de ella ya que la densidad del Universo ha disminuido mucho. Los hechos que ocurren en esta época son muy importantes, dado que por ejemplo si no se hubiesen formado los núcleos de helio, los neutrones se habrían desintegrado.
    8.- Era de los fotones: Debido a la cantidad de energía electromagnética liberada de la aniquilación e- -e+ , existe mayor cantidad de energía que de materia, esto se da hasta que el Universo tiene unos 100000 años, momento en el que se da un equilibrio entre la materia y la energía.
    9.- Era del plasma: El Universo está dominado por la materia.
   

10.- Era de la recombinación: Se da en el Universo con un millón de años de edad. En esta época se desacoplan los fotones de la materia y se forman las primeras estructuras pregalácticas.

11.- Era de los átomos: Era en la que nos encontramos actualmente diez mil millones de años después del inicio. En nuestro Universo existen dos “Universos independientes “ que cohabitan, el Universo de la materia y el Universo de la radiación.
 

Origen y Evolución del Universo

 Esquema ilustrativo de la evolución del Universo, realizado por D. Eduardo Battaner

  En primer lugar quiero hacer notar que la evolución del Universo que vamos a utilizar es la que se obtiene según el Modelo Cosmológico Estándar que se basa en las ideas que actualmente parecen más acertadas y se acercan más a los datos que se obtienen experimentalmente. También hay que tener en cuenta que para acceder al conocimiento de las primeras épocas del Universo, se tubo que esperar hasta tener conocimientos suficientes en física de partículas y en otras ramas de la física sin las cuales no se puede acceder a las eras anteriores a la era de la aniquilación.

Modelo de la inflación + materia oscura fría

 Éste modelo nació en la década de los 80 ante la necesidad de dar explicación a diversos hechos experimentales así como para intentar ampliar nuestro conocimiento a épocas anteriores del Universo.

 La teoría sostiene que la materia oscura está compuesta por partículas que se mueven lentamente, y mediante el modelo de la inflación consigue explicar las inhomo-geneidades de densidad que pueblan la estructura del Universo. También explica las anisotropías detectadas en la radiación de microondas de fondo.

 La necesidad de la materia oscura (según los últimos datos parece que la materia oscura mantiene el 35% de la densidad del Universo) aparece porque la masa máxima que se puede obtener de la materia ordinaria es como mucho el 5% de la masa total que parece tener el Universo, por lo que se necesita un tipo de materia diferente para explicar la masa que  falta.

 Los últimos datos obtenidos sobre la densidad de materia ordinaria y densidad de materia total a partir de la medida tanto del deuterio (hidrógeno con un núcleo formado por un protón y un neutrón) primigenio que existe en el Universo y que se debió formar totalmente en los primeros instantes del mismo, como de la medida del corrimiento al rojo que se observa al medir la distancia de diversas supernovas de tipo Ia, apoyan lo que predice la teoría.

 El modelo de la inflación por su parte explica cómo el Universo puede ser plano y suave (inhomogeneidades no excesivamente bruscas). Además explica que las inhomogeneidades de la densidad (que darán lugar a la formación de las estructuras) provienen de fluctuaciones cuánticas durante la era de la inflación, momento en el que se produjo una expansión considerable del Universo con lo cual las fluctuaciones que en un principio eran importantes (teniendo en cuenta el tamaño del Universo antes de la expansión) se "estiraron" hasta que se hicieron "despreciables" frente al tamaño del Universo (las fluctuaciones del tamaño aproximado de unos 10-23 cm frente a los Megaparsecs del Universo).

 Los últimos datos que se han tomado sobre la velocidad de retroceso de las galaxias indican que el Universo está acelerando su expansión y no disminuyéndola, como se ha estado diciendo en mucho tiempo. Se realizaron estudios independientes por dos grupos de astrofísicos, midiendo la distancia a más de 50 supernovas de tipo Ia en otras galaxias. Los resultados están de acuerdo con lo que dice la teoría de la inflación + materia oscura fría. Este hecho  nos indica que aproximadamente el 40% de la densidad total del Universo se debe a materia (de todas las clases), mientras que el 60% se debe a energía.
 

Origen y Evolución del Universo

 

Esquema ilustrativo de la Evolución Cósmica. A la izquierda, la velocidad de expansión del Universo es constante. En el centro, se frena, y el Universo es más joven que en el caso anterior, como se pensaba hasta ahora. A la derecha, el Universo se acelera, por lo que es mucho más viejo de lo que se creía.
El autor se queja que el redactor jefe no le deje más espacio, por lo que espera discutir estos detalles con más profundidad en el próximo boletín.