Origen y evolución del Universo

Origen y evolución del Universo. Los astrónomos están convencidos en su gran mayoría de que el Universo surgió a partir de una gran explosión (Big Bang), ocurrida entre 13.600 y 13.850 millones de años antes del momento actual.

Los primeros indicios de este hecho fueron descubiertos por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble, en la década de 1920, cuando expuso que el Universo se está expandiendo y los cúmulos de galaxias se alejan entre sí.

La teoría de la relatividad general propuesta por el famoso físico y astrónomo Albert Einstein también predice esta expansión.

Si hacemos una «foto del Universo» en un momento dado, no vemos su estado actual, sino su historia. La luz viaja a 300.000 km. por segundo. Incluso cuando miramos la Luna (el objeto celeste más cercano), la vemos como era hace algo más de un segundo.

En las siguientes páginas veremos cómo se ha formado el Universo y cómo evoluciona. También daremos un repaso a los materiales que lo forman, las fuerzas que lo dirigen y los movimientos que originan.

¿Cómo se formó el Universo?

Edwin Hubble descubrió que el Universo se expande. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein ya lo había previsto.

¿Qué había antes del Universo? La pregunta es del todo incorrecta si admitimos que el tiempo también empezó a contar con el Universo. Si no existía el tiempo, tampoco había un «antes».

Los científicos intentan explicar el origen del Universo con diversas teorías, apoyadas en observaciones y unos cálculos matemáticos que resulten coherentes. Las más aceptadas son la del Big Bang y la teoría Inflacionaria, que se complementan entre sí.

Rebobinar

Se ha comprobado que las galaxias se alejan, todavía hoy, las unas de las otras. Si pasamos la película al revés, ¿dónde llegaremos?

Llegaremos a un punto o momento en que todo el Universo observable estaba comprimido en un punto infinitamente pequeño, denso y caliente. Este estado casi incomprensible existió sólo un instante del primer segundo del tiempo.

Teoría del Big Bang

La teoría del Big Bang (también llamada Gran explosión​) es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala. ​ Afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y luego se expandió.​ Si las leyes conocidas de la física se extrapolan más allá del punto donde son válidas, encontramos una singularidad. Mediciones modernas datan este momento aproximadamente 13 800 millones de años atrás, que sería por tanto la edad del universo. Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad, para formar estrellas y galaxias. A mediados del siglo XX, tres astrofísicos británicos, Stephen Hawking, George F. R. Ellis y Roger Penrose, prestaron atención a la teoría de la relatividad y sus implicaciones respecto a nuestras nociones del tiempo. En 1968 y 1979 publicaron artículos en que extendieron la teoría de la relatividad general de Einstein para incluir las mediciones del tiempo y el espacio.​ De acuerdo con sus cálculos, el tiempo y el espacio tuvieron un inicio finito que corresponde al origen de la materia y la energía.

Desde que Georges Lemaître observó por primera vez, en 1927, que un universo en permanente expansión debería remontarse en el tiempo hasta un único punto de origen, los científicos se han basado en su idea de la expansión cósmica. Si bien la comunidad científica una vez estuvo dividida en partidarios de dos teorías diferentes sobre el universo en expansión, el Big Bang y la teoría del estado estacionario, la acumulación de evidencia observacional proporciona un fuerte apoyo para la primera. ​

En 1929, a partir del análisis de corrimiento al rojo de las galaxias, Edwin Hubble concluyó que las galaxias se estaban distanciando, una prueba observacional importante consistente con la hipótesis de un universo en expansión. En 1964 se descubrió la radiación de fondo cósmico de microondas, lo que es una prueba crucial en favor del modelo del Big Bang, ya que esta teoría predijo la existencia de la radiación de fondo en todo el universo antes de ser descubierta. Más recientemente, las mediciones del corrimiento al rojo de las supernovas indican que la expansión del universo se está acelerando, observación atribuida a la energía oscura. ​ Las leyes físicas conocidas de la naturaleza pueden utilizarse para calcular las características en detalle del universo del pasado en un estado inicial de extrema densidad y temperatura.

Historia de la teoría del Big Bang

Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis de esta explicación. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros, como si el universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow (1904-1968) planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión (big bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido «oír» los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.

De acuerdo con la teoría, un universo homogéneo e isótropo lleno de materia ordinaria podría expandirse indefinidamente o frenar su expansión lentamente, hasta producirse una contracción universal. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o ‘Gran Colapso’ o un Big Rip o Gran desgarro. Si el universo se encuentra en un punto crítico, puede mantenerse estable ad eternum. Muy recientemente se ha comprobado que actualmente existe una expansión acelerada del universo, hecho no previsto originalmente en la teoría y que ha llevado a la introducción de la hipótesis adicional de la energía oscura, responsable de este fenómeno.

La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y avances teóricos. Por medio de observaciones, en la década de 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher y, después de él, Carl Wilhelm Wirtz, de Estrasburgo, determinaron que la mayor parte de las nebulosas espirales se alejan de la Tierra; pero no llegaron a darse cuenta de las implicaciones cosmológicas de esta observación, ni tampoco del hecho de que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias exteriores a nuestra Vía Láctea.

Además, la teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (es decir, el universo debe estar en expansión o en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica. El primero en aplicar formalmente la relatividad a la cosmología, sin considerar la constante cosmológica, fue Alexander Friedman, cuyas ecuaciones describen el universo Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, que puede expandirse o contraerse.

Entre 1927 y 1930, el sacerdote belga Georges Lemaître obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesión de las nebulosas espirales, que el universo se inició con la expansión de un átomo primigenio, lo que más tarde se denominó «Big Bang«.

En 1929, Edwin Hubble realizó observaciones que sirvieron de fundamento para comprobar la teoría de Lemaître. Hubble probó que las nebulosas espirales son galaxias y midió sus distancias observando las estrellas variables cefeidas en galaxias distantes. Descubrió que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia. Este hecho se conoce ahora como la ley de Hubble (véase Edwin Hubble: Marinero de las nebulosas, texto escrito por Edward Christianson).

Según el principio cosmológico, el alejamiento de las galaxias sugería que el universo está en expansión. Esta idea originó dos hipótesis opuestas. La primera era la teoría Big Bang de Lemaître, apoyada y desarrollada por George Gamow. La segunda posibilidad era el modelo de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, según la cual se genera nueva materia mientras las galaxias se alejan entre sí. En este modelo, el universo es básicamente el mismo en un momento dado en el tiempo. Durante muchos años hubo un número de adeptos similar para cada teoría.

Con el pasar de los años, las evidencias observacionales apoyaron la idea de que el universo evolucionó a partir de un estado denso y caliente. Desde el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, en 1965, esta ha sido considerada la mejor teoría para explicar la evolución del cosmos. Antes de finales de los años sesenta, muchos cosmólogos pensaban que la singularidad infinitamente densa del tiempo inicial en el modelo cosmológico de Friedman era una sobre idealización, y que el universo se contraería antes de empezar a expandirse nuevamente. Esta es la teoría de Richard Tolman de un universo oscilante. En los años 1960, Stephen Hawking y otros demostraron que esta idea no era factible, y que la singularidad es un componente esencial de la gravedad de Einstein. Esto llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar la teoría del Big Bang, según la cual el universo que observamos se inició hace un tiempo finito.

Prácticamente todos los trabajos teóricos actuales en cosmología tratan de ampliar o concretar aspectos de la teoría del Big Bang. Gran parte del trabajo actual en cosmología trata de entender cómo se formaron las galaxias en el contexto del Big Bang, comprender lo que allí ocurrió y cotejar nuevas observaciones con la teoría fundamental.

A finales de los años 1990 y principios del siglo XXI, se lograron grandes avances en la cosmología del Big Bang como resultado de importantes adelantos en telescopio, en combinación con grandes cantidades de datos satelitales de COBE, el telescopio espacial Hubble y WMAP. Estos datos han permitido a los cosmólogos calcular muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y han conducido al descubrimiento inesperado de que la expansión del universo está en aceleración.

¿Cómo nació el universo?

Los astrónomos combinan modelos matemáticos y observaciones para hacer teorías que expliquen cómo fue que surgió el universo. En la teoría del Big Bang se incluyen otras teorías, como la de la relatividad de Einstein y teorías estándar de partículas fundamentales.

Uno de los objetivos actuales de la investigación es saber si el universo seguirá creciendo o algún día parará y colapsará, algo que se le conoce como el Big Crunch.

Si miráramos el universo un segundo después del Big Bang, veríamos un mar de neutrones, protones, electrones, positrones, fotones y neutrinos a alta temperatura. A medida que pasa el tiempo, el universo se va enfriando hasta conseguir que se formen átomos neutros. El universo pasó de opaco a transparente debido a la acción de los fotones.

El universo es plano, es decir, que en la geometría del espacio se cumplen las reglas de la geometría euclidiana: las líneas paralelas no se encuentran, relación de círculo-circunferencia y diámetro del pi. Además, el universo es muy homogéneo respecto a temperatura. Esto podría deberse a que, en el momento inmediatamente después del Big Bang, el universo experimentó la inflación, una explosión de expansión en la que había un montón de energía inestable que se habría distribuido de manera desigual en el espacio.

¿El Big Bang es la única teoría?

La teoría del Big Bang no es la única teoría del origen del universo, sino más bien la más popular. Uno de las más conocidas es la creada por el físico Robert Gentry, en el que explica su modelo basándose en los defectos de la teoría del Big Bang.

Por otra parte, hay que tener en cuenta que en la cosmogonía, la ciencia y Dios parecen encontrarse: dado que la creación fue un evento sobrenatural, vale la pena preguntarse si existe algo más allá de lo natural.

La teoría del Big Bang sigue siendo una de las más aceptadas, pero aún quedan varias interrogantes por responder. ¿Crees que la teoría del Big Bang es acertada?

Teoría inflacionaria

La teoría inflacionaria de Alan Guth intenta explicar el origen y los primeros instantes del Universo. Se basa en estudios sobre campos gravitatorios fortísimos, como los que hay cerca de un agujero negro.

La teoría inflacionaria supone que una fuerza única se dividió en las cuatro que ahora conocemos, produciendo el origen al Universo.

El empuje inicial duró un tiempo prácticamente inapreciable, pero la explosión fue tan violenta que, a pesar de que la atracción de la gravedad frena las galaxias, el Universo todavía crece, se expande.

Momento	Suceso
Big Bang	Densidad infinita, volumen cero.
10 e-43 segs.	Fuerzas no diferenciadas
10 e-34 segs.	Sopa de partículas elementales
10 e-10 segs.	Se forman protones y neutrones
1 seg.	10.000.000.000 º. Universo tamaño Sol
3 minutos	1.000.000.000 º. Nucleos de átomos
30 minutos	300.000.000 º. Plasma
300.000 años	Átomos. Universo transparente
1.000.000 años	Gérmenes de galaxias
100 millones de años	Primeras galaxias
1.000 millones de años	Estrellas. El resto, se enfría
5.000 millones de años	Formación de la Vía Láctea
10.000 millones de años	Sistema Solar y Tierra

No se puede imaginar el Big Bang como la explosión de un punto de materia en el vacío, porque en este punto se concentraban toda la materia, la energía, el espacio y el tiempo. No había ni «fuera» ni «antes». El espacio y el tiempo también se expanden con el Universo.