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El Big Bang
NASA
El cielo nocturno desde siempre nos ha presentado una imagen de un Universo calmo e inalterado. Tan es así que el descubrimiento de 1929 realizado por Edwin Hubble de que el Universo se está de hecho expandiendo a una enorme velocidad, fue revolucionario.
ubble observó que las galaxias exteriores a nuestra propia Vía Láctea se estaban alejando de nosotros, cada una a una velocidad proporcional a su distancia a nosotros. Rápidamente dedujo que esto significaba, ni más ni menos, que debe de haber existido un momento en el pasado (unos 14 mil millones de años atrás, según se estima hoy) cuando todo el Universo estaba contenido en exactamente un punto. El Universo debe haber nacido pues en un único evento explosivo, el cual es conocido como “Big Bang” (“Gran Explosión” o “Explosión Primordial” en español).

Los astrofísicos combinan modelos matemáticos con observaciones astronómicas para desarrollar teorías viables de cómo el Universo llegó a ser como es. Las bases matemáticas de la teoría del Big Bang incluyen a la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, junto con las teorías estándar de las partículas fundamentales. En la actualidad, sistemas espaciales de la NASA tales como los telescopios espaciales Hubble y Spitzer continúan con el ambicioso trabajo iniciado por Edwin Hubble de medir la expansión del Universo. Una de las principales metas de estos estudios es determinar si el Universo continuará por siempre expandiéndose, o si algún día se detendrá, comenzará a contraerse, y se desplomará sobre sí mismo en un evento que ha sido llamado “Big Crunch” (“Gran Crujido” o “Gran Colapso” en español).
La radiación cósmica de fondo
De acuerdo a las teorías de la física, al principio el Universo era un lugar muy caliente: un segundo después del Big Bang la temperatura del mismo era de aproximadamente 10 mil millones de grados. El Universo era entonces un “mar” de neutrones, protones, electrones, anti-electrones (positrones), fotones y neutrinos. Con el transcurso del tiempo el Universo se fue enfriando, los neutrones se transformaron en protones y electrones o bien se combinaron con protones para hacer deuterio (un isótopo del hidrógeno). A medida de que el Universo continuó enfriándose, eventualmente alcanzó la temperatura que hizo posible que los electrones se combinaran con los núcleos para formar átomos neutros. Antes de que esta “recombinación” ocurriera, el Universo habría sido opaco o no transparente debido a que los electrones libres habrían provocado que la luz (fotones) se dispersara, en forma similar a cómo las gotitas de agua de una nube dispersan a la luz solar. Pero cuando los electrones libres fueron absorbidos para formar átomos neutros, el Universo repentinamente se volvió transparente. Esos mismos fotones –el “resplandor” del Big Bang conocido como la radiación cósmica de fondo– pueden hoy en día ser observados.
Evolución del Universo
La gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza1. La teoría de la gravedad (relatividad general) de Einstein, predice no sólo los detalles de las órbitas de los cuerpos en el Sistema Solar y la naturaleza expansiva del Universo, predicciones éstas corroboradas por observaciones, sino que también predice la existencia de ondas gravitatorias que serían generadas por un cuerpo masivo en aceleración. En este sentido, el Big Bang representa la aceleración más grande de la colección de masa más grande que el Universo puede ofrecer; por lo tanto se espera que, aunque el Big Bang es un evento muy distante en tiempo y espacio, algunos de sus ecos de ondas gravitatorias todavía podrían ser detectados.
Un Premio Nóbel para la NASA
La NASA ha lanzado dos misiones para estudiar la radiación cósmica de fondo, de forma de fotografiar al “Universo Bebé”, cuando éste tenía sólo 400 000 años de edad. La primera de esas misiones fue la llamada COBE (Cosmic Background Explorer, o Explorador del Fondo Cósmico en español). En 1992, los integrantes del equipo del COBE anunciaron que habían podido mapear las regiones primordiales calientes y frías en la radiación cósmica de fondo. Estas regiones están relacionadas al campo gravitatorio en el Universo primitivo y constituyen las simientes de los conglomerados gigantes de galaxias que se extienden cientos de millones de años luz a través del Universo. Por este trabajo, el Dr. John C. Mather (NASA) y George F. Smoot (Universidad de California) fueron galardonados con el Premio Nóbel de Física 2006.
Dr. John C. Mather
El Dr. John C. Mather del Centro Goddard de Vuelos Espaciales ganó en el año 2006 el Premio Nóbel de Física, otorgado por la Real Academia Sueca de Ciencias. Mather comparte el premio con George F. Smoot de la Universidad de California por su trabajo que ayudó a comprender un poco más al Big Bang. (NASA)
La segunda misión para examinar la radiación cósmica de fondo fue la WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, o Sonda Wilkinson de Anisotropías del Fondo de Microondas en español). Con una resolución muy mejorada en comparación a la del COBE, la WMAP examinó todo el cielo, midiendo las diferencias de temperatura de la radiación de microondas que está distribuida aproximadamente en forma uniforme por todo el Universo. La imagen muestra un mapa del cielo, con las regiones calientes en rojo y las regiones más frías en azul. Al combinar esta evidencia con los modelos teóricos del Universo, los científicos han llegado a la conclusión de que el Universo es “plano”, lo cual significa que, a escalas cósmicas, la geometría del espacio satisface las reglas de la geometría Euclidiana (por ejemplo, las líneas paralelas nunca se cortan, para un círculo la relación perímetro/diámetro es , etc.).
WMAP
Imagen del “Universo Bebé”. El mapa de temperaturas de la radiación de fondo de microondas realizado por la WMAP muestra pequeñas variaciones (de unos pocos microgrados) en el fondo 3K. Las regiones calientes se muestran en color rojo,
y las frías en azul. (NASA)
La Inflación
Un problema que surgió de los resultados originales del COBE, y que persiste con los datos de mayor resolución de la WMAP, es que el Universo era “demasiado” homogéneo. ¿Cómo las diferentes regiones del Universo que nunca habían estado en contacto unas con otras han podido equilibrarse a la misma temperatura?. Éste y otros problemas cosmológicos se podrían resolver, sin embargo, si suponemos que existió un período de tiempo muy corto inmediatamente después del Big Bang en el que el Universo experimentó un proceso de increíble expansión llamado “inflación”2. Para que esta inflación ocurriese, el Universo al momento del Big Bang debe haber estado lleno de una forma inestable de energía cuya naturaleza aún no es conocida. Cualquiera que sea su naturaleza, el modelo inflacionario predice que esta energía primordial habría estado irregularmente distribuida en el espacio debido a un tipo de ruido cuántico que apareció cuando el Universo era extremadamente pequeño. Este patrón habría sido transferido a la materia del Universo y se manifestaría en los fotones que comenzaron a vagar libremente al momento de la recombinación. Como resultado, esperaríamos ver a este tipo de patrón, y efectivamente lo vemos, en las imágenes de la radiación de fondo del Universo elaboradas por las misiones COBE y WMAP.

Pero todo esto no responde a la pregunta de qué impulsó a la inflación. Una dificultad en elaborar una respuesta es que la inflación se produjo mucho antes de la recombinación, cuando el Universo era opaco. Esta opacidad es, en efecto, un velo tendido sobre esos interesantes primeros instantes. Pero, afortunadamente, hay una manera de observar al Universo que en absoluto involucra a los fotones primigenios. Las ondas gravitatorias, la única forma conocida de información que puede alcanzarnos sin distorsión desde el instante del Big Bang, puede contener información que no podemos obtener de otra manera. Dos misiones que están siendo consideradas por NASA, LISA y el Big Bang Observer, buscarán ondas gravitatorias procedentes de la época de la inflación.
La Energía Oscura
Durante los años que siguieron a los descubrimientos de las misiones Hubble y COBE, nuestra imagen del Big Bang gradualmente se fue clarificando. Pero en 1998, los resultados de las observaciones de supernovas muy distantes exigieron un cambio dramático de esta imagen. Siempre se había asumido que la materia del Universo reduciría su velocidad de expansión. La masa crea gravedad, la gravedad crea atracción, esta atracción debe finalmente frenar la expansión. Pero las observaciones de las supernovas demostraron todo lo contrario: en realidad el Universo se está expandiendo de manera acelerada. Algo, distinto a la materia y a la energía ordinarias, está actuando sobre las galaxias acelerándolas. Esta misteriosa entidad ha sido llamada “energía oscura”, pero el hecho de que le hayamos puesto un nombre no significa en absoluto que sabemos qué es. Se estima que aproximadamente el 70% de la energía del Universo es de este tipo. Por el momento, hay muchas ideas sobre qué puede ser esta “energía oscura”. Algunos sostienen que es un nuevo tipo de fluido o campo de energía dinámico que llena todo el espacio (quintaesencia), otros prefieren hablar de una propiedad del espacio vacío. Y no faltan los que sostienen que para explicar esta energía oscura hace falta elaborar nueva teoría de la gravedad.

La mejor manera de dilucidar hoy esta cuestión, dada la ausencia de una teoría física que explique convincentemente qué es la energía oscura, es tratar de determinar su comportamiento tanto en la expansión del Universo como en la formación de la estructura cósmica. Es decir, necesitamos más y mejores datos. La misión JDEM (Joint Dark Energy Mission, o Misión Conjunta para el Estudio de la Energía Oscura en español), es un proyecto, ahora en etapa de planificación, entre la NASA y el Departamento de Energía de los EEUU. La JDEM intentará realizar observaciones (mejores en un orden de magnitud) del Universo que permitirán a los teóricos discriminar entre las distintas teorías y, quizás, finalmente llegar a la solución de este misterio.
Traducción: Wilfredo Orozco
1Las restantes fuerzas son: la nuclear fuerte, la nuclear débil y la electromagnética.
2De acuerdo a muchos científicos, el período inflacionario habría comenzado unos 10-35 segundos después del Big Bang. Durante una pequeñísima fracción de segundo, el Universo habría experimentado un extremadamente rápido crecimiento exponencial, aumentando su radio aproximadamente 1030 veces.
 
Mendoza, Argentina, 09 de Julio de 2008.
 
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