Origen y Evolución del Universo Temprano
La Tierra y el sistema solar tienen más de 4.500 millones de años, sin embargo, son relativamente jóvenes en comparación con el universo. El descubrimiento de la era del cosmos y sus orígenes notables en el llamado Big Bang comenzó con las medidas telescópicas del astrónomo estadounidense Edwin Hubble. Para entender el origen de la Tierra, primero debemos entender de dónde proviene toda la materia, todos los átomos, que forman la Tierra y esa es una historia que comienza con el Big Bang. Siguiendo el Big Bang, el momento de la creación, el universo se transformó una y otra vez a medida que se expandía.
Los Descubrimientos del Hubble
Las preguntas centrales de la cosmología son cómo surgió el universo y cuál será su destino. Antes de 1920, la cuestión del origen del universo estaba fuera del ámbito de la ciencia, porque ninguna medida reproducible contestaba la pregunta. Edwin Hubble utilizó el nuevo telescopio Mount Wilson de 100 pulgadas para obtener imágenes de estrellas individuales en galaxias lejanas por primera vez.
Las mediciones del Hubble encontraron que el universo está compuesto por galaxias distantes que en realidad son enormes colecciones de estrellas, al igual que la Vía Láctea, que ahora se cree que tiene cientos de miles de millones de estrellas.
Los estudios del Hubble llevaron a la primera evidencia clara de observación de la edad y el origen del universo. El Hubble y otros astrónomos midieron las velocidades relativas de las galaxias por lo que se conoce como sus desplazamientos al rojo.
El desplazamiento hacia el rojo es un cambio aparente en las longitudes de onda de la luz que proviene de un objeto distante, como una estrella o galaxia. Si el objeto se mueve hacia usted, entonces las ondas se juntan más, y hay un cambio de la longitud de onda aparente a la parte azul del espectro de mayor frecuencia, llamada cambio azul. Si el objeto se aleja de usted, entonces las ondas se dispersan y hay un cambio de la longitud de onda aparente a la parte roja del espectro de baja frecuencia, llamada desplazamiento hacia el rojo.
Hubble descubrió que galaxias más distantes se están alejando de nosotros más rápidamente. El Hubble midió los desplazamientos rojos de aproximadamente 20 galaxias y se dio cuenta de que existe una relación simple entre la distancia y la velocidad. Pero este resultado lleva a una conclusión sorprendente: El universo se está expandiendo. Y, si reproduce la cinta cósmica hacia atrás, todo converge a un punto tanto en el espacio como en el tiempo.
El gran descubrimiento del universo en expansión del Hubble tiene implicaciones sorprendentes con respecto al origen del universo. De hecho, ahora parece que el universo comenzó en un instante de tiempo hace aproximadamente 14 mil millones de años, y se ha ido expandiendo desde entonces. Esta teoría, que el universo llegó a existir en un momento en el tiempo y posteriormente ha experimentado una rápida expansión, la cual se denomina Big Bang.
La Gran Explosión o Big Bang: Tres Líneas de Evidencia
Tres líneas de evidencia observacional apoyan la teoría del Big Bang: La expansión universal; el descubrimiento de un fondo omnipresente de radiación de microondas en el cosmos; y las proporciones de los elementos ligeros hidrógeno, helio y litio.
Lo primero y más importante fue el descubrimiento del Hubble en la década de 1920 del universo en expansión, que ahora ha sido amplificado por miles de observaciones. Una y otra vez, los astrónomos han confirmado que todas, excepto las galaxias más cercanas, se están alejando de nosotros y que cuanto más lejos está la galaxia, más rápido está retrocediendo.
Una segunda prueba convincente de la gran explosión, descubierta por accidente en la década de 1960, es un trasfondo generalizado de microondas que parece inundar todos los rincones del universo. Esta «radiación de fondo de microondas cósmica» fue descubierta por dos investigadores en el Laboratorio Bell de la American Telephone and Telegraph Company en New Jersey. Arno Penzias y Robert Wilson estaban estudiando las comunicaciones por microondas, y habían desarrollado una nueva antena de microondas de alta sensibilidad y forma de cono que estaban probando. Pero experimentaron un alto nivel de ruido, o estática, e intentaron todo para eliminar el ruido, pero nada funcionó.
Al mismo tiempo, Phillip James Peebles, un astrofísico teórico que trabajaba a poca distancia en Princeton, había estado pensando en las consecuencias del Big Bang, y se dio cuenta de que lo que Penzias y Wilson habían descubierto era exactamente lo que los astrofísicos te habían predicho: La estática de microondas era en realidad radiación electromagnética primordial que quedaba del Big Bang.
En el instante del Big Bang, el universo se inundó con toda la materia y la energía que jamás existirá. Cantidades inimaginables de energía se convirtieron en radiación electromagnética altamente energética con longitudes de onda inimaginablemente cortas (Que se traducen en altas energías). Luego, a medida que el universo se expandía después del Big Bang, y cuando el universo comenzaba a enfriarse, las longitudes de onda de esa radiación electromagnética se extendían a una energía cada vez más baja junto con la expansión.
La radiación de fondo de microondas que vemos hoy representa los remanentes de esa radiación intensa inicial, que se ha extendido a las longitudes de onda de las microondas, que son longitudes de onda del orden de un pie de largo.
La tercera línea de evidencia para el Big Bang se basa en las proporciones de los elementos más ligeros, hidrógeno, helio y litio, respectivamente, que medimos hoy. Estos tres elementos de la tabla periódica se condensaron directamente del Big Bang. Mientras que la mayor parte de esta materia estaba en forma de átomos de hidrógeno, aproximadamente una décima parte era helio más una cantidad muy pequeña de litio.
Las mediciones de las cantidades relativas de estos elementos ligeros proporcionan una fuerte evidencia del Big Bang. Especialmente importante a este respecto es la proporción de dos variantes del átomo de hidrógeno: el hidrógeno normal y la versión más pesada, un isótopo llamado deuterio. Las proporciones observadas de elementos de luz en el universo coinciden estrechamente con las predicciones del origen del Big Bang, en oposición a la teoría del estado estacionario.
A pesar de su nombre, el Big Bang no fue una explosión en la que la materia se expandió a un espacio existente. La existencia misma se expandió, y no en nada, no había interior ni exterior. En cambio, era lo que los físicos llaman una singularidad: Una transformación de la nada a algo. No conocemos ninguna forma de realizar ninguna medición que proporcione información sobre lo que ocurrió antes del Big Bang.
Siete Congelaciones Cósmicas
Los científicos que estudian el Big Bang ven el universo hoy como un lugar donde no solo diferentes partículas de materia, sino también todas las fuerzas como la gravedad, se han congelado de un tiempo anterior, uniforme y perfectamente simétrico, un tiempo hace 13.7 mil millones de años cuando todas las partículas y todas las fuerzas eran indistinguibles.
Piense hacia atrás en el tiempo, hasta ese instante de creación, cuando toda la materia y la energía del universo aparecieran en un “punto”. A medida que ese universo caliente y comprimido se enfriaba, tuvo lugar una serie dramática de siete “congelaciones” cósmicas. Piense en la congelación como una transición de fase que ocurre cuando un objeto muy caliente se enfría.
Los tres congelamientos más tempranos ocurrieron en una fracción del primer segundo, cuando las cuatro fuerzas conocidas en la naturaleza se separaron de su estado inicialmente homogéneo. De acuerdo con los cálculos teóricos, el primero de estos congelamientos ocurrió cuando el universo tenía solo 10–43 segundos de antigüedad, es decir, una millonésima parte de la billonésima parte de la billonésima de segundo.
En ese momento de la historia temprana del universo, la gravedad se separó para siempre de las otras fuerzas, y la expansión universal se opuso por primera vez a la gravedad. Antes de ese tiempo se le conoce como el período inflacionario, un momento en que el universo se expandió más rápido.
No se conoce ninguna forma de reproducir la increíble energía concentrada de ese evento cósmico más antiguo, ni de la segunda congelación, que ocurrió a los 10–35 segundos, cuando se congeló lo que se llama fuerza fuerte. La fuerza fuerte mantiene a las partículas nucleares como el protón y el neutrón juntas, por lo que este fue un paso importante en la “creación” de los átomos.
A los 10-10 segundos, cuando el universo tenía una antigüedad de diez mil millones de segundos, las dos fuerzas restantes se separaron. Uno de ellos, la fuerza débil, se manifiesta hoy en la radioactividad: Es la fuerza que hace que las partículas peligrosas se alejen de un átomo radiactivo.
La otra fuerza, la llamada fuerza electromagnética, se manifiesta en fenómenos cotidianos como la estática y los imanes del refrigerador. La fuerza electromagnética mantiene unidos a los átomos y es en última instancia responsable de toda la materia que conforma nuestro planeta.
Las sugerencias de este tercer congelamiento cósmico se pueden extraer de los experimentos en los aceleradores de partículas más grandes del mundo, que pueden reproducir las energías asociadas con la fuerza electrodébil unificada.
Las congelaciones posteriores llevaron a todo lo que vemos hoy. Antes de 10–5 segundos, que son diez millonésimas de segundo, toda la materia existía como electrones y otras partículas aisladas llamadas quarks y leptones.
A los 10–5 segundos, los quarks se combinaron para formar todo tipo de partículas adicionales, incluidos protones y neutrones. Los protones son partículas atómicas masivas y cargadas positivamente, mientras que los neutrones son similares a los protones en masa, pero no tienen carga eléctrica. Ambas partículas desempeñan un papel importante en el núcleo atómico, y cada una está formada por una combinación de tres quarks.
Entonces, cuando el universo tenía todavía menos de un segundo de antigüedad, las cuatro fuerzas se habían congelado, al igual que los bloques de construcción básicos de los átomos: Electrones, protones y neutrones. Los primeros núcleos atómicos de protones y neutrones tardaron unos tres minutos más en fusionarse y formar deuterio, un núcleo atómico que contiene un protón y un neutrón.
Estos núcleos de hidrógeno y deuterio estaban rodeados por un mar de electrones calientes y veloces, formando un inmenso plasma, que es el estado de la materia que forma las estrellas. El plasma es extremadamente caliente y es como un gas, pero los átomos se dividen en núcleos positivos y electrones negativos.
Las cosas seguían siendo extraordinariamente calientes en ese universo primitivo, y permanecieron así durante aproximadamente medio millón de años. Gradualmente, a medida que el universo continuaba expandiéndose, el cosmos se enfriaba a unos pocos miles de grados, y eso era lo suficientemente frío para que los electrones se engancharan a los núcleos y formaran los primeros átomos.
La abrumadora mayoría de esos primeros átomos fueron hidrógeno: más del 90 por ciento de todos los átomos, con un poco de helio y un poco de litio. Esa mezcla de elementos es lo que formaría las primeras estrellas.
Referencias
Stephen Hawking
Roberth M. Hazen
Simon Singh
James S. Trefil