LA TEORÍA DEL BIG BANG O DE LA GRAN EXPLOSIÓN

INTRODUCION

MODELOS ESTÁTICOS Y DE EXPANSIÓN DEL UNIVERSO

Los Modelos del Universo de acuerdo con la teoría generalmente aceptada de la Gran Explosión, el Universo se originó entre hace 10.000 y 20.000 millones de años atrás y se ha ido expandiendo desde entonces. El futuro del Universo es incierto: la expansión podría ser limitada (Universo cerrado), contrayéndose el Universo sobre sí mismo, o podría ser infinita (Universo abierto), en cuyo caso el Universo seguirá expandiéndose siempre. En el caso límite entre estas dos posibilidades (Universo plano), tampoco cesará la expansión.

En 1917 Albert Einstein propuso un modelo del Universo basado en su nueva teoría de la relatividad general. Consideraba el tiempo como una cuarta dimensión y demostró que la gravitación era equivalente a una curvatura del espacio-tiempo cuatridimensional resultante. Su teoría indicaba que el Universo no era estático, sino que debía expandirse o contraerse. La expansión del Universo todavía no había sido descubierta, por lo que Einstein planteó la existencia de una fuerza de repulsión entre las galaxias que compensaba la fuerza gravitatoria de atracción. Esto le llevó a introducir una “constante cosmológica” en sus ecuaciones; el resultado era un universo estático. Sin embargo, desaprovechó la oportunidad de predecir la expansión del Universo, lo que Einstein calificaría como “el mayor error de mi vida”.

El astrónomo holandés Willem de Sitter desarrolló en 1917 modelos no estáticos del Universo. En 1922 lo hizo el matemático ruso Alexander Friedmann y en 1927 el sacerdote belga Georges Lemaître. El universo de De Sitter resolvió las ecuaciones relativistas de Einstein para un universo vacío, de modo que las fuerzas gravitatorias no eran importantes. La solución de Friedmann depende de la densidad de la materia en el Universo y es el modelo de universo generalmente aceptado. Lemaître también dio una solución a la ecuación de Einstein, pero es más conocido por haber introducido la idea del “núcleo primordial”. Afirmaba que las galaxias son fragmentos despedidos por la explosión de este núcleo, dando como resultado la expansión del Universo. Éste fue el comienzo de la teoría de la Gran Explosión sobre el origen del Universo.

El destino del universo de Friedmann está determinado por la densidad media de la materia en el Universo. Si hay relativamente poca materia, la atracción gravitatoria mutua entre las galaxias disminuirá las velocidades de recesión sólo un poco y el Universo se expandirá indefinidamente. Esto dará como resultado un llamado “universo abierto”, infinito en extensión. Sin embargo, si la densidad de la materia está por encima de un valor crítico estimado actualmente en 5 × 10-30 g/cm3, la expansión descenderá hasta detenerse y comenzará la contracción, que acabará en el colapso gravitatorio total del Universo. Éste sería un “universo cerrado”, finito en extensión. El destino de este universo colapsado es incierto, pero hay una teoría según la cual explotaría de nuevo, originando un nuevo universo en expansión, que se volvería a colapsar, y así hasta el infinito. A este modelo se le llama universo oscilante o pulsante.

TEORIA DEL BIG BANG

En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos. Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios de la Gran Explosión, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.

Según se expandía el Universo, la radiación residual de la Gran Explosión continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría de la Gran Explosión.

EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO

Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).

Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado. La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.

Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar a la Gran Explosión. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario. Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.

Modelos del Universo

De acuerdo con la teoría generalmente aceptada de la Gran Explosión, el Universo se originó entre hace 10.000 y 20.000 millones de años atrás y se ha ido expandiendo desde entonces. El futuro del Universo es incierto: la expansión podría ser limitada (Universo cerrado), contrayéndose el Universo sobre sí mismo, o podría ser infinita (Universo abierto), en cuyo caso el Universo seguirá expandiéndose siempre. En el caso límite entre estas dos posibilidades (Universo plano), tampoco cesará la expansión.

LA GÉNESIS DEL BIG BANG.

La teoría del Big Bang del origen del Universo es, en la actualidad, generalmente aceptada. El fragmento que se reproduce a continuación, extraído del artículo La génesis del Big Bang, muestra cómo poco a poco esta teoría fue imponiéndose dentro del mundo científico, tanto por las pruebas teóricas que han ido apareciendo como por aquéllas que surgieron de la observación del Universo.

Fragmento de La génesis del Big Bang.

De Virginia Trimble.

Desde que se admitió la expansión del Universo como la interpretación más probable de la ley de Hubble del desplazamiento hacia el rojo, muchos astrónomos se dieron cuenta de que esto implicaba un Universo considerablemente diferente que en el pasado. La literatura de los años 30 y 40 contiene muchas alusiones a un supuesto estado denso y caótico de la materia, que constituiría un contexto propicio a la formación de estrellas (la mayoría de las estrellas parecía tener entonces aproximadamente la misma edad que el Universo en conjunto). Sin embargo, una reflexión sustancial sobre lo que había podido pasar miles de millones de años antes seguía siendo la excepción.

Georges Gamow, un físico nuclear formado en Rusia pero que hizo carrera en Estados Unidos, es considerado en general como el primer investigador que reflexionó seriamente sobre este problema de los orígenes del Universo. En 1935, se concentró en las reacciones nucleares susceptibles de haberse producido cuando toda la materia estaba al menos tan caliente y era tan densa como en el núcleo de las estrellas actuales. Continuó sus investigaciones después de la segunda guerra mundial, en colaboración con Ralph Alpher y Robert Herman. Los tres se dieron cuenta de que si el Universo era inicialmente un fluido constituido únicamente por protones, habría acabado en forma de hidrógeno y de helio en una proporción de alrededor de un átomo de helio por cada ocho átomos de hidrógeno. Estudiaron a continuación el entorno térmico en el que se tenían que haber producido las reacciones nucleares y concluyeron que, después de millones de años de expansión y de enfriamiento, el Universo tenía que estar a una temperatura de unos 5 kelvin.

El mismo Gamow no se tomó su propia predicción suficientemente en serio para iniciar la busca de una firma en radio de una temperatura de 5 kelvin. ¡En 1949 o 1950, le dijo a uno de sus estudiantes que no conocía ningún problema interesante en espectroscopía milimétrica! Sin embargo, los sensores que se habían desarrollado durante la segunda guerra mundial (fundamentalmente asociados al nombre de Robert Dicke) probablemente habrían permitido detectar la radiación de fondo en aquella época.

Mientras tanto, un equipo de tres astrónomos británicos había decidido que la expansión cósmica no significaba necesariamente un Universo diferente en el pasado: es la idea llamada del Universo estacionario. Fue avanzada en 1948 por Hermann Bondi, Thomas Gold y Fred Hoyle (los dos primeros habían huido del nazismo de la Europa continental y el tercero era una persona del Yorkshire). Como los tres y sus partidarios tienen un excepcional talento de oradores y de divulgadores, su idea se hizo probablemente más popular entre el gran público que en la comunidad de los astrónomos profesionales. Allan Sandage lo ha expresado con una fórmula de un chovinismo exquisito: «Yo no creo que la creación continua se haya tomado nunca en serio en California».

Un universo estacionario ha estado siempre en expansión, y lo estará eternamente (lo que suprime toda posibilidad de contradicción entre el inverso de la constante de Hubble, es decir la edad del Universo, y la edad de las estrellas más viejas). Pero ni su densidad ni su temperatura disminuyen, ya que constantemente surge nueva materia, exactamente en la proporción necesaria para que todo se mantenga idéntico. Naturalmente, esta idea viola el principio de conservación de la masa y de la energía tal como se concibe ordinariamente, pero a un nivel tal que no se puede esperar que se detecte en el laboratorio: es del orden de un átomo de hidrógeno por siglo para un volumen equivalente al de la torre Eiffel. Desde el punto de vista de sus autores, esta teoría tiene el mérito de hacer de la creación un fenómeno físico aprehensible, en vez de remitirla al principio, allí donde nadie puede estudiar el proceso.

Las proposiciones del modelo de Universo estacionario tuvieron una fecundidad considerable: muchos astrónomos se sintieron en la obligación de refutarlo y desarrollaron con esta intención diversos tipos de observaciones de las que nos seguimos sirviendo en la actualidad (catalogación de las radiofuentes, medida de las luminosidades de la superficie de las galaxias, etc.).

Estas primeras pruebas, daban globalmente la preferencia al modelo del Big Bang y a los modelos evolutivos en general respecto a la idea de un universo estacionario, ya que sugerían que el Universo había sido diferente en el pasado. Pero no hasta el punto de que una persona sensata estuviese absolutamente obligada a elegir. La expresión misma de «Big Bang» fue inventada por Hoyle como un insulto deliberado, antes de que lo adoptasen los partidarios de los universos evolutivos.

¿Era la radiación radio detectada por Penzias y Wilson la predicha por Gamow quince años antes?

Entre 1955 y 1967, la gran mayoría de la comunidad científica rechazó el modelo de Bondi, Gold y Hoyle, que actualmente sólo conserva un puñado de fieles. Hay tres razones principales para este rechazo.

La primera, que fue la última que adquirió una fuerza de convicción definitiva, fue la contabilización de las radiofuentes y más tarde de los cuásares. El resultado fue la aparición de una proporción mucho más elevada de fuentes débiles que de fuentes brillantes. Esto se puede interpretar de dos maneras: o bien en el pasado existían más radiofuentes (que en la actualidad aparecen débiles debido a su distancia), o bien vivimos de modo muy improbable en una especie de hueco local, en medio de una población específica. Las medidas del desplazamiento hacia el rojo de las radiofuentes y los cuásares acabaron con la hipótesis llamada «local»; los elevados valores atestiguaban el alejamiento de estas fuentes débiles. A partir de 1967 se podía decir con seguridad que las galaxias habían sido sede de fenómenos violentos más a menudo en el pasado que en la actualidad. Por lo tanto, el Universo ha cambiado con el paso del tiempo: no está en un estado estable. Una de las contribuciones precoces y duraderas del astrónomo británico Martin Rees a la ciencia fue haber convencido a su director de tesis Dennis Sciama (los dos estaban en Cambridge). Esto hace de Sciama el único defensor convencido de la creación continua que cambió de opinión.

La segunda razón fue la identificación del helio como una reliquia del Universo primitivo. Gamow y sus colaboradores ya lo habían predicho pero, en los años 50, la mejora de los análisis espectrales de las estrellas y de las galaxias confirmó que la casi totalidad de lo que podemos observar está compuesto de un 75% de hidrógeno y de un 25% de helio (en proporción de masas, la proporción en número de átomos es del 90% y del 10% respectivamente). Naturalmente, el helio también es un producto de reacciones nucleares internas en las estrellas. Pero, para producir la cantidad que observamos en el intervalo de tiempo atribuido a la creación de materia por la teoría del Universo estacionario, se necesitarían unas galaxias diez veces más brillantes que tal como lo son en realidad. Este hecho se anunció en algunas raras ocasiones y luego cayó en el olvido a partir de 1960.

Tercero, Arno Penzias y Robert Wilson midieron en 1965 una radiación de fondo cuyo origen era desconocido. Cuando publicaron su descubrimiento ya estaban seguros de haber visto algo distinto de una bolsa local de radiación: la radiación presentaba fundamentalmente la misma intensidad y el mismo espectro en todas las direcciones del cielo.

De hecho, los modelos del Big Bang habían predicho la existencia de este tipo de radiación mucho antes de que fuese descubierta. Y sería imposible explicarla en el marco de un universo estacionario. La cantidad total de energía de la radiación micrométrica de fondo no es gigantesca, y podría ser producida por las estrellas y las galaxias. Pero, para que esta radiación presente un espectro de cuerpo negro y esté casi a la misma temperatura en todas partes en el Universo, tiene que haber interaccionado con materia muy densa y térmicamente homogénea. Esto era fácil de lograr en el Universo primitivo, pero completamente imposible en cualquier otra situación. El mismo George Gamow quizá no estaba convencido del todo: ¿era verdaderamente la radiación descubierta por Penzias y Wilson la que él había predicho? Al principio de 1967 planteó textualmente la siguiente pregunta durante una conferencia: «Vale, yo he perdido una moneda de cinco centavos y usted ha encontrado una. ¿Quién puede decir que es la misma?» Pero la moneda encontrada por Penzias y Wilson no era una moneda cualquiera. Golpeada por el canto de la ley de la radiación de un cuerpo negro a 5 kelvin, no podía ser sino la perdida por Gamow veinte años antes. Hacia 1965, con uno o dos años de diferencia, casi toda la comunidad astronómica se había adherido a un modelo de universo descrito por una de las soluciones de las ecuaciones de la relatividad general y que habría pasado por un estado caliente y denso (el Big Bang) hace de 10.000 a 20.000 millones de años. A partir de ahí se podía interesar por temas como la distribución de las galaxias en el espacio, la naturaleza de la materia oscura y los hipotéticos acontecimientos anteriores al estadio inicial caliente y denso.

Fuente: Trimble, Virginia. La génesis del Big Bang. Mundo Científico. Barcelona: RBA Revistas, septiembre, 1992.