14 El Big Bang

El nacimiento del universo tuvo lugar en una explosión extraordinaria que creó todo el espacio, la materia y el tiempo tal y como los conocemos. Después de que las matemáticas de la relatividad general lo predijeran, se han encontrado diversas pruebas del Big Bang, entre ellas, el alejamiento de las demás galaxias con respecto a la nuestra, en las cantidades de elementos ligeros en el universo y en el resplandor del fondo de microondas que cubre todo el cielo.

El Big Bang es la explosión primordial que dio origen al nacimiento del universo. Mirando a nuestro alrededor hoy, vemos señales de que nuestro universo se expande y podemos inferir que debió de haber sido más pequeño y caliente en el pasado. La conclusión lógica que se deduce es que todo el cosmos pudo originarse a partir de un solo punto. En el momento de la ignición, espacio, tiempo y materia se crearon a la vez en una bola de fuego cósmica. Gradualmente, a lo largo de más de 14.000 millones de años, esta nube densa y caliente se hinchó y se enfrió. Eventualmente se fragmentó y surgieron las estrellas y galaxias que salpican de puntos los cielos que vemos hoy.

No es ninguna broma En realidad, la expresión «Big Bang» se acuñó para ridiculizar la teoría. El eminente astrónomo británico Fred Hoyle consideraba absurdo que todo el universo hubiera crecido a partir de una sola semilla. En una serie de conferencias difundidas por primera vez en 1949, se tachó de absurda la propuesta del matemático belga Georges Lemaître, que descubrió semejante solución en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein. En lugar de eso, Hoyle prefería creer en una visión más sostenible del cosmos, en un universo eterno en estado estacionario, donde la materia y el espacio se creaban y destruían continuamente, de manera que podía haber existido por un tiempo ilimitado. Incluso así, las pistas empezaban ya a acumularse, y en la década de los años sesenta del siglo XX, se abandonó la imagen estática de Hoyle debido al peso de las pruebas que favorecían el modelo del Big Bang.

El universo en expansión Tres observaciones decisivas sostienen el éxito del modelo del Big Bang. La primera es la observación de Edwin Hubble de la década de los años veinte del siglo pasado de que la mayoría de las galaxias se alejan de la nuestra. Vistas en conjunto, todas las galaxias tienden a apartarse las unas de las otras como si el tejido del espacio-tiempo se expandiera y se estirara, siguiendo la ley de Hubble. Una consecuencia del estiramiento es que la luz tarda ligeramente más en alcanzarnos cuando viaja a lo largo de un universo en expansión que en uno donde las distancias permanecen fijas. Este efecto se registra como un cambio en la frecuencia de la luz, llamado «desplazamiento hacia el rojo», porque la luz que recibimos tiene una apariencia más rojiza que cuando dejó la estrella o galaxia lejana. Los desplazamientos hacia el rojo pueden usarse para inferir distancias astronómicas.

Elementos ligeros Si retrocedemos en el tiempo hasta las primeras horas del universo recién nacido, justo después del Big Bang, debemos imaginarlo todo unido y amontonado en un caldero hirviendo extremadamente caliente. En los primeros segundos, el universo estaba tan caliente y era tan denso que ni siquiera los átomos eran estables. Conforme creció y se enfrió, surgió una sopa de partículas llena de quarks, gluones y otras partículas fundamentales. Después de sólo un minuto, los quarks se unieron para formar protones y neutrones. Entonces, durante los tres primeros minutos, la química cósmica mezcló protones y neutrones, según sus números relativos, y se formaron núcleos atómicos. En este momento, se formaron por primera vez elementos diferentes al hidrógeno mediante un proceso de fusión nuclear. Una vez que el universo se enfrió por debajo del límite de fusión, no se pudieron formar elementos más pesados que el berilio. Así que el universo quedó inundado inicialmente por los núcleos de hidrógeno y helio y los restos de deuterio (hidrógeno pesado), litio y berilio formados en el momento mismo del Big Bang.

En los años cuarenta del siglo XX, Ralph Alpher y George Gamow predijeron las proporciones de elementos ligeros producidos durante el Big Bang, y ese esquema básico se confirmó con las mediciones más recientes de estrellas de combustión lenta y nubes de gases primitivos en nuestra Vía Láctea.

Resplandor de microondas Otro pilar en el que se apoya la teoría del Big Bang es el descubrimiento en 1965 de su débil eco. Mientras Arno Penzias y Robert Wilson trabajaban en un receptor de radio en los laboratorios Bell en Nueva Jersey, les sorprendió una señal de ruido débil de la que no podían librarse. Al parecer había una fuente extra de microondas que surgía por todo el cielo, y que equivalía a unos pocos grados de temperatura. Habían topado con la radiación de fondo de microondas cósmico, un mar de fotones remanente del primigenio universo caliente.

En la teoría del Big Bang, los estudios de George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann en 1948 ya predecían la existencia del fondo de microondas. Aunque los núcleos se sintetizaron en los tres primeros minutos, los átomos tardaron 400.000 años en formarse, cuando los electrones con carga negativa se emparejaron con núcleos de carga positiva para formar átomos de hidrógeno y otros elementos ligeros. La eliminación de partículas cargadas que dispersaban y bloqueaban la trayectoria de la luz aclaró la niebla e hizo que el universo se hiciera transparente. A partir de entonces la luz podía viajar libremente por el universo, lo que nos permite ver hasta distancias tan lejanas.

Aunque la niebla del joven universo era originalmente caliente (alcanzaba unos 3.000 grados Kelvin o K), la expansión del universo ha desplazado hacia el rojo su resplandor de manera que ahora la vemos con una temperatura de menos de 3 K (tres grados por encima del cero absoluto). Y esto es lo que Penzias y Wilson detectaron. Así que con sus tres principales pilares básicos hasta ahora intactos, los astrofísicos aceptan mayoritariamente la teoría del Big Bang. No obstante, todavía quedan algunos científicos que defienden el modelo estacionario que apoyaba Fred Hoyle, a pesar de que es difícil explicar todas las observaciones citadas más arriba en cualquier otro modelo que no sea el del Big Bang.

Destino y pasado ¿Qué ocurría antes del Big Bang? Como el espacio-tiempo se creó con el Big Bang, plantear esta pregunta no tiene mucho sentido (sería como preguntar dónde empieza la Tierra o cuál es el norte del Polo Norte). No obstante, los físicos matemáticos sí reflexionan sobre el desencadenante del Big Bang en un espacio multidimensional (a menudo de 11 dimensiones) mediante las matemáticas de la teoría M y la teoría de cuerdas. Aquéllos examinan la física y las energías de cuerdas y membranas en estas multidimensiones y añaden conceptos de la física de partículas y de la mecánica cuántica para comprender cómo pudo iniciarse un suceso semejante. Estableciendo paralelismos con ideas de la física cuántica, algunos cosmólogos también debaten sobre la existencia de universos paralelos.

En el modelo del Big Bang, al contrario de lo que ocurre en el modelo estacionario, el universo evoluciona. El destino del cosmos está determinado mayoritariamente por el equilibrio entre la cantidad de materia que se mantiene unida por la gravedad y otras fuerzas físicas que la alejan, incluida la expansión del universo. Si la gravedad vence, la expansión del universo podría detenerse un día y empezar a contraerse de nuevo sobre sí mismo, lo que provocaría un proceso que sería como un rebobinado del Big Bang, conocido como el Big Crunch. Así, los universos podrían pasar por muchos de estos ciclos de nacimiento y muerte. Por el contrario, si la expansión y otras fuerzas de repulsión (como la energía oscura) ganan, destrozarían todas las estrellas, galaxias y planetas, y nuestro universo podría acabar siendo un oscuro desierto de agujeros negros y partículas, en un Gran Frío. Por último, cabe citar el modelo en que las fuerzas de atracción y repulsión se equilibran y el universo sigue expandiéndose para siempre pero a un ritmo gradualmente más lento. La cosmología moderna apunta a que este último modelo es el más probable. Nuestro universo es simplemente el correcto.

La idea en síntesis: la explosión primordial