Al principio, el Universo se expandió muy, muy rápido.
(Imagen: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe en el centro de ciencias COSI. Sutter también es presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y lidera AstroTours en todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Expert Voices de Space.com: Op-Ed & Insights.
Hace 13.800 millones de años, todo nuestro universo observable era del tamaño de un durazno y tenía una temperatura de más de un billón de grados.
Es una declaración bastante simple, pero muy audaz, y no es una declaración que se haga a la ligera o fácil. De hecho, incluso hace cien años, habría sonado absolutamente absurdo, pero aquí estamos, diciendo que no es gran cosa. Pero como con cualquier cosa en la ciencia, las declaraciones simples como esta se construyen a partir de montañas de múltiples líneas de evidencia independientes que apuntan hacia la misma conclusión, en este caso, el Big Bang, nuestro modelo de la historia de nuestro universo. [El universo: Big Bang hasta ahora en 10 sencillos pasos]
Pero, como dicen, no confíes en mi palabra. Aquí hay cinco piezas de evidencia para el Big Bang:
# 1: el cielo nocturno está oscuro
Imagine por un momento que vivimos en un universo perfectamente infinito, tanto en el tiempo como en el espacio. Las brillantes colecciones de estrellas continúan para siempre en todas las direcciones, y el universo simplemente siempre ha sido y siempre lo será. Eso significaría que donde sea que miraras en el cielo, solo elige una dirección aleatoria y mira fijamente, seguramente encontrarás una estrella allá afuera, en algún lugar, a cierta distancia. Ese es el resultado inevitable de un universo infinito.
Y si ese mismo universo ha existido desde siempre, entonces ha habido mucho tiempo para que la luz de esa estrella, que se arrastra por el cosmos a una velocidad relativamente lenta de c, llegue a sus globos oculares. Incluso la presencia de cualquier polvo intermedio no disminuiría la luz acumulada de una infinidad de estrellas repartidas en un cosmos infinitamente grande.
Ergo, el cielo debería estar en llamas con la luz combinada de una multitud de estrellas. En cambio, es principalmente oscuridad. Vacío. Vacío. Negrura. Ya sabes, espacio.
El físico alemán Heinrich Olbers puede no haber sido la primera persona en notar esta aparente paradoja, pero su nombre se mantuvo fiel a la idea: se conoce como la paradoja de Olbers. La resolución simple? O el universo no es infinito en tamaño o no es infinito en el tiempo. O tal vez no sea ninguno.
# 2: los cuásares existen
Tan pronto como los investigadores desarrollaron radiotelescopios sensibles, en las décadas de 1950 y 1960, notaron fuentes de radio extrañamente ruidosas en el cielo. A través de una importante investigación astronómica, los científicos determinaron que estas fuentes de radio cuasi-estelares, o "cuásares", eran galaxias activas muy distantes pero extraordinariamente brillantes.
Lo más importante para esta discusión es la parte "muy distante" de esa conclusión.
Debido a que la luz toma tiempo para viajar de un lugar a otro, no vemos las estrellas y galaxias como son ahora, sino como lo fueron hace miles, millones o miles de millones de años. Eso significa que mirar más profundo en el universo también es mirar más profundo en el pasado. Vemos muchos cuásares en el cosmos distante, lo que significa que estos objetos eran muy comunes hace miles de millones de años. Pero apenas hay cuásares en nuestro vecindario local y actualizado. Y son lo suficientemente comunes en el universo lejano (es decir, joven) que deberíamos ver mucho más en nuestra vecindad.
La conclusión simple: el universo era diferente en su pasado de lo que es hoy.
# 3: se está haciendo más grande
Vivimos en un universo en expansión. En promedio, las galaxias se están alejando de todas las otras galaxias. Claro, algunas pequeñas colisiones locales suceden de las interacciones gravitacionales sobrantes, como la forma en que la Vía Láctea chocará con Andrómeda en unos pocos miles de millones de años. Pero a gran escala, esta relación simple y expansiva es cierta. Esto es lo que el astrónomo Edwin Hubble descubrió a principios del siglo XX, poco después de descubrir que las "galaxias" eran realmente una cosa. [Choque frontal de la Vía Láctea con Andrómeda: Imágenes del artista]
En un universo en expansión, las reglas son simples. Cada galaxia está retrocediendo (casi) de cualquier otra galaxia. La luz de las galaxias distantes se desplazará hacia el rojo: las longitudes de onda de la luz que están liberando se alargarán y, por lo tanto, serán más rojas, desde la perspectiva de otras galaxias. Es posible que sienta la tentación de pensar que esto se debe al movimiento de galaxias individuales que se aceleran alrededor del universo, pero las matemáticas no cuadran.
La cantidad de desplazamiento al rojo para una galaxia específica está relacionada con lo lejos que está. Las galaxias más cercanas obtendrán una cierta cantidad de desplazamiento al rojo. Una galaxia dos veces más lejos obtendrá el doble de ese desplazamiento al rojo. ¿Cuatro veces la distancia? Así es, cuatro veces el desplazamiento al rojo. Para explicar esto con solo galaxias zigzagueando, tiene que haber una conspiración realmente extraña en la que todos los ciudadanos galácticos del universo acuerden moverse en este patrón muy específico.
En cambio, hay una explicación mucho más simple: el movimiento de las galaxias se debe al estiramiento del espacio entre esas galaxias.
Vivimos en un universo dinámico y en evolución. Era más pequeño en el pasado y será más grande en el futuro.
# 4: la radiación reliquia
Vamos a jugar un juego. Suponga que el universo era más pequeño en el pasado. Eso significa que habría sido más denso y más caliente, ¿verdad? Correcto: todo el contenido del cosmos se habría agrupado en un espacio más pequeño, y densidades más altas significan temperaturas más altas.
En algún momento, cuando el universo era, digamos, un millón de veces más pequeño de lo que es ahora, todo habría sido tan destrozado que sería un plasma. En ese estado, los electrones estarían libres de sus anfitriones nucleares y estarían libres para nadar, toda esa materia bañada por una intensa radiación de alta energía.
Pero a medida que ese universo infantil se expandió, se habría enfriado hasta un punto donde, de repente, los electrones podrían asentarse cómodamente alrededor de los núcleos, formando los primeros átomos completos de hidrógeno y helio. En ese momento, la radiación intensamente loca deambularía sin obstáculos a través del universo recién delgado y transparente. Y a medida que ese universo se expandió, la luz que comenzó literalmente al rojo vivo se habría enfriado, enfriado, enfriado a unos pocos grados por encima del cero absoluto, colocando las longitudes de onda firmemente en el rango de microondas.
Y cuando apuntamos nuestros telescopios de microondas al cielo, ¿qué vemos? Un baño de radiación de fondo, que nos rodea por todos lados y casi perfectamente uniforme (¡a una parte en 100,000!) En todas las direcciones. Una imagen de bebé del universo. Una postal de una época muerta. Luz de una época casi tan antigua como el universo mismo.
# 5: es elemental
Retrocede el reloj aún más allá de la formación del fondo cósmico de microondas, y en algún momento, las cosas son tan intensas, tan locas que ni siquiera existen protones y neutrones. Es solo una sopa de sus partes fundamentales, los quarks y los gluones. Pero de nuevo, a medida que el universo se expandió y enfrió a partir de los frenéticos primeros minutos de su existencia, los núcleos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, se congelaron y formaron.
Tenemos un manejo bastante decente en la física nuclear hoy en día, y podemos usar ese conocimiento para predecir la cantidad relativa de los elementos más ligeros en nuestro universo. La predicción: esa sopa congelada debería haber generado aproximadamente tres cuartos de hidrógeno, un cuarto de helio y un puñado de "otros".
El desafío se dirige a los astrónomos, ¿y qué encuentran? Un universo compuesto de, aproximadamente, tres cuartos de hidrógeno, un cuarto de helio y un porcentaje menor de "otro". Bingo.
También hay más evidencia, por supuesto. Pero este es solo el punto de partida para nuestra imagen moderna del Bigmos del cosmos. Múltiples líneas de evidencia independientes apuntan a la misma conclusión: nuestro universo tiene alrededor de 13.8 mil millones de años, y al mismo tiempo, era del tamaño de un durazno y tenía una temperatura de más de un billón de grados.
Obtenga más información escuchando el episodio "¿Qué sucede cuando las galaxias chocan?" en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la Web en http://www.askaspaceman.com. ¡Gracias a Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla y Patrick D. por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos en @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.
