Nuestro universo nació hace unos 13.700 millones de años en una expansión masiva que hizo estallar el espacio como un globo gigantesco.
Los científicos también han descubierto una huella térmica predicha del Big Bang, la radiación cósmica de fondo de microondas que impregna el universo. Y no vemos ningún objeto obviamente más antiguo que 13.700 millones de años, lo que sugiere que nuestro universo surgió alrededor de ese tiempo.
«Todas estas cosas ponen al Big Bang sobre una base extremadamente sólida», dijo el astrofísico Alex Filippenko de la Universidad de California, Berkeley. «El Big Bang es una teoría enormemente exitosa».
Entonces, ¿qué nos enseña esta teoría? ¿Qué sucedió realmente en el nacimiento de nuestro universo, y cómo tomó la forma que observamos hoy?
EL COMIENZO
La teoría tradicional del Big Bang postula que nuestro universo comenzó con una singularidad, un punto de densidad y temperatura infinitas cuya naturaleza es difícil de comprender para nuestras mentes. Sin embargo, esto puede no reflejar con precisión la realidad, dicen los investigadores, porque la idea de la singularidad se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein.
«El problema es que no hay razón alguna para creer en la relatividad general en ese régimen», dijo Sean Carroll, físico teórico de Caltech. «Va a estar mal, porque no tiene en cuenta la mecánica cuántica. Y la mecánica cuántica ciertamente va a ser importante una vez que llegues a ese lugar en la historia del universo».
Así que el comienzo del universo sigue siendo bastante turbio. Los científicos creen que pueden retomar la historia entre 10 y menos 36 segundos, una billonésima de trillonésima de trillonésima de trillonésima de segundo, después del Big Bang.
En ese punto, creen, el universo experimentó un período extremadamente breve y dramático de inflación, expandiéndose más rápido que la velocidad de la luz. Se duplicó en tamaño tal vez 100 veces o más, todo en el lapso de unas pocas fracciones diminutas de segundo.
(La inflación puede parecer que viola la teoría de la relatividad especial, pero ese no es el caso, dicen los científicos. La relatividad especial sostiene que ninguna información o materia puede ser transportada entre dos puntos en el espacio más rápido que la velocidad de la luz. Pero la inflación fue una expansión del espacio mismo).
«La inflación fue el ‘estallido’ del Big Bang», dijo Filippenko a SPACE.com «Antes de la inflación, solo había un poco de cosas, muy posiblemente, expandiéndose solo un poco. Necesitábamos algo como la inflación para hacer grande el universo».
Este universo en rápida expansión estaba prácticamente vacío de materia, pero albergaba enormes cantidades de energía oscura, según la teoría. La energía oscura es la fuerza misteriosa que los científicos creen que está impulsando la expansión acelerada actual del universo.
Durante la inflación, la energía oscura hizo que el universo se suavizara y acelerara. Pero no se quedó por mucho tiempo.
«Era solo energía oscura temporal», dijo Carroll a SPACE.com. «Se convirtió en materia ordinaria y radiación a través de un proceso llamado recalentamiento. El universo pasó de estar frío durante la inflación a estar caliente de nuevo cuando toda la energía oscura desapareció».
Los científicos no saben qué podría haber estimulado la inflación. Esa sigue siendo una de las preguntas clave en la cosmología del Big Bang, dijo Filippenko.
GRAN REBOTE
La mayoría de los cosmólogos consideran la inflación como la teoría principal para explicar las características del universo, específicamente, por qué es relativamente plana y homogénea, con aproximadamente la misma cantidad de cosas distribuidas por igual en todas las direcciones.
Varias líneas de evidencia apuntan a que la inflación es una realidad, dijo el físico teórico Andy Albrecht de la Universidad de California, Davis.
«Todos encajan bastante bien con el panorama inflacionario», dijo Albrecht, uno de los arquitectos de la teoría de la inflación. «A la inflación le ha ido increíblemente bien».
Sin embargo, la inflación no es la única idea que trata de explicar la estructura del universo. Los teóricos han llegado a otro, llamado modelo cíclico, que se basa en un concepto anterior llamado universo ekpirótico.
Esta idea sostiene que nuestro universo no surgió de un solo punto, ni nada parecido. Más bien, rebotó en la expansión, a un ritmo mucho más tranquilo de lo que predice la teoría de la inflación, desde un universo preexistente que se había estado contrayendo. Si esta teoría es correcta, es probable que nuestro universo haya sufrido una sucesión interminable de golpes y crujidos.
«El comienzo de nuestro universo habría sido agradable y finito», dijo Burt Ovrut de la Universidad de Pensilvania, uno de los creadores de la teoría ekpirótica.
El modelo cíclico postula que nuestro universo consta de 11 dimensiones, de las cuales sólo cuatro podemos observar (tres del espacio y una del tiempo). Nuestra parte cuatridimensional del universo se llama brana (abreviatura de membrana).
Podría haber otras branas al acecho en el espacio de 11 dimensiones, según la idea. Una colisión entre dos branas podría haber sacudido el universo de la contracción a la expansión, estimulando el Big Bang del que vemos evidencia hoy.
EL UNIVERSO QUE CONOCEMOS TOMA FORMA
Pero primero, ¿cómo surgió nuestro universo de la nada? Los cosmólogos sospechan que las cuatro fuerzas que gobiernan el universo (la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débiles y fuertes) se unificaron en una sola fuerza en el nacimiento del universo, aplastadas juntas debido a las temperaturas y densidades extremas involucradas.
Pero las cosas cambiaron a medida que el universo se expandió y se enfrió. Alrededor del momento de la inflación, la fuerza fuerte probablemente se separó. Y alrededor de 10 billonésimas de segundo después del Big Bang, las fuerzas electromagnéticas y débiles también se volvieron distintas.
Justo después de la inflación, el universo probablemente estaba lleno de un plasma caliente y denso. Pero alrededor de 1 microsegundo (10 a menos 6 segundos) más o menos, se había enfriado lo suficiente como para permitir que se formaran los primeros protones y neutrones, piensan los investigadores.
En los primeros tres minutos después del Big Bang, estos protones y neutrones comenzaron a fusionarse, formando deuterio (también conocido como hidrógeno pesado). Los átomos de deuterio se unieron entre sí, formando helio-4.
Todos estos átomos recién creados estaban cargados positivamente, ya que el universo todavía estaba demasiado caliente para favorecer la captura de electrones.
Pero eso cambió unos 380.000 años después del Big Bang. En una época conocida como recombinación, los iones de hidrógeno y helio comenzaron a enganchar electrones, formando átomos eléctricamente neutros. La luz se dispersa significativamente de los electrones y protones libres, pero mucho menos de los átomos neutros. Así que los fotones eran ahora mucho más libres para navegar por el universo.
La recombinación cambió dramáticamente el aspecto del universo; había sido una niebla opaca, y ahora se volvió transparente. La radiación cósmica de fondo de microondas que observamos hoy en día data de esta época.
Pero aún así, el universo estuvo bastante oscuro durante mucho tiempo después de la recombinación, solo iluminándose realmente cuando las primeras estrellas comenzaron a brillar unos 300 millones de años después del Big Bang. Ayudaron a deshacer gran parte de lo que la recombinación había logrado. Estas primeras estrellas, y tal vez algunas otras fuentes misteriosas, arrojaron suficiente radiación para dividir la mayor parte del hidrógeno del universo en sus protones y electrones constituyentes.
Este proceso, conocido como reionización, parece haber seguido su curso alrededor de 1.000 millones de años después del Big Bang. El universo no es opaco hoy, como lo era antes de la recombinación, porque se ha expandido mucho. La materia del universo está muy diluida, y las interacciones de dispersión de fotones son, por lo tanto, relativamente raras, dicen los científicos.
Con el tiempo, las estrellas gravitaron juntas para formar galaxias, lo que llevó a una estructura cada vez más a gran escala en el universo. Los planetas se unieron alrededor de algunas estrellas recién formadas, incluido nuestro propio sol. Y hace 3.800 millones de años, la vida echó raíces en la Tierra.