Nuestro universo nació hace aproximadamente 13.7 mil millones de años en una expansión masiva que hizo estallar el espacio como un globo gigantesco.
—Esta galaxia se supone la más antigua, la más distante y profunda vista por el Telescopio Espacial Hubble, tomada infrarroja, a 480 millones años después del Big Bang. Es campo resaltado se conoce como HUDF09. Crédito: NASA, ESA, Garth Illingworth (Universidad de California, Santa Cruz) y Rychard Bouwens (Universidad de California, Santa Cruz y la Universidad de Leiden) y el Equipo de HUDF09.—
En pocas palabras, se trata de la teoría del Big Bang, esa que casi todos los cosmólogos y físicos teóricos avalan. Las evidencias apoyan esta idea de forma amplia y convincente. Sabemos, por ejemplo, que el universo se sigue expandiendo, incluso ahora, a un ritmo cada vez más acelerado.
Los científicos también han descubierto la huella térmica del Big Bang, el universo está penetrado de esta radiación del fondo cósmico de microondas. Y por ahora no ha localizado ningún objeto más antiguo de 13,7 millones de años, lo que sugiere que nuestro universo comenzó a existir efectivamente en esa época.
«Todo esto coloca al Big Bang sobre una base muy sólida», comentaba el astrofísico Alex Filippenko, de la Universidad de California, Berkeley. «El Big Bang sigue siendo la teoría más exitosa.»
Pero, ¿qué nos enseña esta teoría? ¿Qué sucedió realmente en el nacimiento de nuestro universo, y cómo se llegó a la forma que observamos hoy día?
—Este gráfico muestra la línea de tiempo del universo, basado en la teoría del Big Bang y los modelos de la inflación. Crédito: NASA / WMAP.—
El comienzo
La tradicional Teoría del Big Bang propone que nuestro universo comenzó con una singularidad (un punto de densidad y temperatura infinita), cuya naturaleza nos resulta difícil de entender. Sin embargo, esto puede no reflejar exactamente la realidad, señalan los investigadores, dado que la idea de singularidad se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein.
«El caso es que no hay razón alguna para creer en la relatividad general en ese punto», indicaba Sean Carroll, físico teórico en Caltech. «ya que dicha teoría no tiene en cuenta la mecánica cuántica, y ésta es, sin duda, la que puede realmente dicirnos algo una vez llegados a ese lugar de la historia del universo.»
Así que el inicio del universo sigue siendo bastante oscuro. Los científicos creen que estamos abarcando la historia desde los 10 elevado a menos de 36 segundos [10^-36] (una billonésima de billonésima de billonésima de segundo) después del Big Bang.
En ese punto, tan breve y crucial ocurrió la inflación, expandiéndose más rápido que la velocidad de la luz. Duplicó su tamaño unas 100 veces o más, todo esto en el lapso de unas pocas y minúsculas fracciones de segundo.
(La inflación puede parecer que viola la teoría de la relatividad especial, pero no es el caso, dicen los científicos. Aunque la relatividad especial afirma que no hay información ni materia que pueda viajar en el espacio más rápido que la velocidad de la luz; sin embargo, la inflación fue una expansión del espacio en sí mismo).
«La inflación es el ‘bang’ [explosión] del Big Bang», apuntó Filippenko, «antes de la inflación había pocas cosas, posiblemente, expandiéndose sólo un poco. Se necesitaba algo como la inflación para comenzar el universo.»
Y este universo, en rápida expansión, estaba casi vacío de materia, pero albergaba una enorme cantidad de energía oscura, según la teoría. La energía oscura es esa fuerza misteriosa que los científicos creen que provoca la expansión acelerada del universo actual.
Durante la inflación, la energía oscura hizo que el universo se alisara y acelerara. Pero no se quedó así por mucho tiempo.
«Era sólo una energía oscura transitoria», continuó diciendo Carroll. «Se convirtió en materia ordinaria y en radiación a través de un proceso llamado recalentamiento. El universo pasó de ser frío durante la inflación, a estar caliente cuando toda esa energía oscura desapareció.»
Lo que no saben los científicos es qué podría haber estimulado la inflación. Que sigue siendo una de las preguntas clave en la cosmología del Big Bang, subrayó Filippenko.
—El cúmulo de galaxias Abell 1689 es famoso por su forma de curvar la luz, en un fenómeno conocido como lente gravitacional. Un nuevo estudio de dicha agrupación está revelando secretos acerca de cómo de energía oscura da forma al universo. Crédito: NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) y JP. Kneib (LAM)—
Otra idea
La mayoría de los cosmólogos aprecian la inflación como la teoría que mejor explica las características del universo, en concreto, por qué es relativamente plano y homogéneo, con aproximadamente la misma cantidad de cosas en todas las direcciones.
Varias líneas evidenciales apuntan hacia que la inflación sea una realidad, señaló el físico teórico Andy Albrecht de la Universidad de California, Davis.
«Todas ellas encajan bastante bien con la imagen de la inflación», añadió Albrecht, uno de los arquitectos de la teoría de la inflación. «La inflación lo relata increíblemente bien.»
No obstante, la inflación no es la única idea que trata de explicar la estructura del universo. Los teóricos han llegado a otro modelo, llamado cíclico, que toma como base un concepto anterior llamado universo ecpirótico.
Esta idea sostiene que nuestro universo no surgió en un solo punto, sino que, por el contrario, «rebotó» en su expansión (a un ritmo mucho más tranquilo de lo que predice la teoría de la inflación), desde un universo pre-existente previamente contraído. Si esta teoría es correcta, es probable que nuestro universo haya sufrido una interminable sucesión de «estallidos» y «contracciones».
«El comienzo de nuestro universo habría sido agradable y finito», señalaba Burt Ovrut, de la Universidad de Pennsylvania, uno de los creadores de la teoría ecpirótica.
El modelo cíclico postula que nuestro universo se compone de 11 dimensiones, y solamente cuatro de ellas se pueden observar (tres espaciales y una temporal). Nuestras cuatro dimensiones forman la parte del universo que se llama brana (abreviatura de membrana).
Podría haber otras branas acechando con sus 11 dimensiones espaciales, por ahí va la idea. Una colisión entre dos branas podría haber commocionado el universo conduciéndolo de la contracción a la expansión, estimulando este Big Bang del que vemos pruebas actualmente.
En busca de las ondas gravitatorias
Los científicos pueden saber con seguridad que una teoría (la inflación o el modelo cíclico) es una mejor representación de la realidad.
Por ejemplo, la inflación probablemente produciría ondas gravitatorias mucho más fuertes que el ‘rebote’ ecpirótico, comentaba Filippenko. Así que los investigadores están buscando cualquier señal de estas distorsiones teóricas del espacio-tiempo que aún no se hayan observado.
El satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea, que fue lanzado en 2009, puede hallar esas ondas gravitacionales tan difíciles de alcanzar. También puede recoger otras evidencias que podrían inclinar la balanza hacia una u otra teoría, dijo Ovrut.
«Estas son las cosas que en los próximos 10 años, se discutirán y espero que puedan decidir», añadió.
La forma del universo que conocemos
Los cosmólogos sospechan que las cuatro fuerzas que gobiernan el universo (la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte) estaban unificadas en una sola fuerza en el nacimiento del universo, hacinadas, debido a las extremas temperaturas y densidades involucradas.
Pero las cosas cambiaron cuando el universo se expandió y enfrió. En el momento de la inflación, es probable que la fuerza fuerte se separase, y seguidamente, unas 10 billonésimas de segundo después también lo hicieran las fuerzas electromagnética y la débil.
Justo después de la inflación, el universo estaría repleto de un plasma denso y caliente. Sin embargo, en alrededor de 1 microsegundo (10 elevado a menos 6 segundos [10^-6]) o menos, se habría enfriado lo suficiente como para permitir que los primeros protones y neutrones para formaran.
En los primeros tres minutos después del Big Bang, los protones y neutrones comenzarían a fusionarse entre sí, formando deuterio (también conocido como hidrógeno pesado). Los átomos de deuterio se unirían entonces unos con otros, formando helio-4.
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