Big Bang para niños

De acuerdo con el modelo del Big Bang, el universo se expandió a partir de un estado extremadamente denso y caliente y continúa expandiéndose hasta el día de hoy.

Hace mucho tiempo, el universo comenzó con una gran explosión llamada el "Big Bang". Esto ocurrió hace unos 13,800 millones de años. Antes del Big Bang, todo estaba muy, muy apretado y caliente, pero después de la explosión, el universo empezó a expandirse y a enfriarse. Con el tiempo, se formaron las primeras partículas y átomos, y luego nacieron estrellas y galaxias. Hoy, los científicos usan telescopios y otras herramientas para estudiar el universo y entender cómo comenzó y cómo sigue cambiando. A veces, la gente también se pregunta cómo será el futuro del universo.

Introducción

Imagen proporcionada por el telescopio espacial Hubble del espacio lejano, cuando el universo era más caliente y más concentrado, de acuerdo con la teoría del Big Bang.

La frase "Big Bang" fue inventada por un astrofísico llamado Fred Hoyle, que no creía mucho en esta idea. Dijo que el modelo era como una "gran explosión". Pero en realidad, el universo comenzó de un punto muy, muy pequeño y luego empezó a expandirse. Los científicos han usado telescopios para ver cómo el universo se está expandiendo desde entonces.

La idea del Big Bang es que el universo era muy caliente y denso al principio, y que las estrellas y galaxias se formaron después. En 1948, un científico llamado George Gamow predijo que encontraríamos una radiación especial que ahora conocemos como la radiación de fondo de microondas.

Historia de su desarrollo teórico

Para entender el Big Bang, muchos científicos han trabajado durante años. En 1922, Alexander Friedman y en 1927, Georges Lemaître, usaron la teoría de la relatividad para mostrar que el universo está en movimiento. Edwin Hubble descubrió en 1929 que las galaxias se alejaban, como si el universo se expandiera. En 1948, George Gamow propuso que el universo comenzó con una gran explosión. Ahora, los telescopios han detectado evidencias de esta explosión.

La teoría sugiere que el universo podría seguir expandiéndose, detenerse o incluso colapsar. En la década de 1990, los avances en telescopios y datos descubrieron que la expansión del universo está acelerando.

Visión general

El universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal.

Michio Kaku ha señalado que el término "Big Bang" puede ser confuso. No fue una explosión en el sentido común porque ocurrió antes del tiempo y el espacio, y no se expandió en un espacio vacío. En lugar de eso, el Big Bang creó el espacio y el tiempo.

Usando observaciones de supernovas y radiación de fondo de microondas, los científicos estiman que el universo tiene aproximadamente 13,7 mil millones de años. Este resultado apoya el modelo Lambda-CDM, que explica el universo en detalle.

En sus primeros momentos, el universo era extremadamente denso y caliente, se expandió y enfrió, pasando por cambios similares a la ebullición del agua. Aproximadamente 10^-35 segundos después del tiempo de Planck, el universo experimentó una expansión exponencial llamada inflación cósmica. Luego, se formaron partículas básicas como quarks y gluones, que se combinaron en protones y neutrones, y posteriormente en átomos de hidrógeno y helio.

El universo se expandió más y formó estructuras como estrellas y galaxias. La materia oscura fría es la forma más común de materia, mientras que la energía oscura, que representa aproximadamente el 70% del universo, está acelerando la expansión del cosmos. La teoría del Big Bang, que se basa en la relatividad general y el principio cosmológico, sigue siendo una de las principales explicaciones sobre el origen y la evolución del universo. Los detalles más finos y las primeras fases del universo aún están bajo investigación.

Evidencias

La teoría del Big Bang se apoya en tres principales pruebas. Primero, la Ley de Hubble muestra que el universo se está expandiendo, lo que vemos como un corrimiento hacia el rojo en la luz de las galaxias lejanas. Segundo, la radiación cósmica de fondo es una luz muy antigua que llena el espacio y se alinea con lo que se predijo del Big Bang. Tercero, la nucleosíntesis primordial explica la cantidad de elementos ligeros como el helio y litio en el universo. Además, las observaciones de galaxias y cuásares ayudan a entender cómo se formaron y evolucionaron las estructuras del cosmos.

Problemas comunes

El Big Bang ha enfrentado varios problemas a lo largo de la historia. Algunos problemas han sido solucionados con ajustes a la teoría o con observaciones más precisas, mientras que otros, como el problema de la penumbra en cúspide y el problema de la galaxia enana de materia oscura fría, se consideran menores y se pueden resolver con perfeccionamientos teóricos.

Algunos científicos proponen cosmologías alternativas al Big Bang, argumentando que este modelo tiene problemas significativos en áreas como la materia oscura, la energía oscura y la inflación cósmica. A pesar de esto, la mayoría de los astrónomos y físicos aceptan que el Big Bang encaja bien con la evidencia observacional, aunque hay problemas pendientes de resolver.

Entre los problemas del Big Bang se incluyen:

• El segundo principio de la termodinámica: Este principio sugiere que el universo debería acabar en una "muerte térmica" debido al aumento de la entropía. Roger Penrose ha señalado que la entropía inicial del universo parece anormalmente baja, y la teoría estándar no explica bien esta condición.

• El problema del horizonte: Este problema surge porque regiones del universo que deberían estar separadas por distancias mayores que la luz no deberían estar conectadas causalmente. La teoría inflacionaria se propone como solución al explicar cómo estas regiones podían haber estado en contacto en el pasado.

• El problema de la planitud: La densidad del universo es muy cercana a la densidad crítica, y la teoría inflacionaria sugiere que la expansión rápida durante la inflación pudo haber estirado el universo hasta hacerlo plano.

• Edad de los cúmulos globulares: Las primeras observaciones sugirieron que los cúmulos globulares eran más antiguos que el universo, pero modelos más recientes han ajustado estas estimaciones.

• Monopolos magnéticos: Las teorías de gran unificación predecían monopolos magnéticos que no se han observado. La inflación cósmica podría haber eliminado estos defectos topológicos.

• Materia oscura: Las observaciones muestran que una gran parte de la materia en el universo no es visible. Aunque no se ha detectado directamente, la existencia de materia oscura es aceptada debido a evidencias indirectas.

• Energía oscura: Las mediciones sugieren que el universo se está expandiendo aceleradamente, lo cual se atribuye a la energía oscura. Su naturaleza sigue siendo un misterio, con teorías que incluyen una constante cosmológica o una forma de energía desconocida.

• Futuro del universo: Según la teoría del Big Bang, el universo podría colapsar en un "Big Crunch" o expandirse eternamente hasta alcanzar una "muerte térmica". Las observaciones actuales sugieren que la expansión acelerada podría llevar a un "Big Rip", donde incluso las galaxias se desintegrarían.

Física especulativa más allá del Big Bang

A pesar de que el modelo del Big Bang se encuentra bien establecido en la cosmología, es probable que se redefina en el futuro. Se tiene muy poco conocimiento sobre el universo más temprano, durante el cual se postula que ocurrió la inflación. También es posible que en esta teoría existan porciones del universo mucho más allá de lo que es observable en principio. En la teoría de la inflación, esto es un requisito: La expansión exponencial ha empujado grandes regiones del espacio más allá de nuestro horizonte observable. Puede ser posible deducir qué ocurrió cuando tengamos un mejor entendimiento de la física a altas energías. Las especulaciones hechas al respecto, por lo general involucran teorías de gravedad cuántica.

Algunas propuestas son:

• Inflación caótica.
• Cosmología de branas, incluyendo el modelo ekpirótico, en el cual el Big Bang es el resultado de una colisión entre membranas.
• Un universo oscilante en el cual el estado primitivo denso y caliente del universo temprano deriva del Big Crunch de un universo similar al nuestro. El universo pudo haber atravesado un número infinito de big bangs y big crunches. El modelo cíclico Big Bounce, en donde el Big Bang es producto del colapso de otro universo como una extensión del modelo ekpirótico, es una variación moderna de esa posibilidad.
• Modelos que incluyen la condición de contorno de Hartle-Hawking, en la cual la totalidad del espacio-tiempo es finito. Algunas posibilidades son compatibles cualitativamente unas con otras. En cada una se encuentran involucradas hipótesis aún no contrastadas.

Frases célebres sobre el Big Bang

• "La teoría del átomo primitivo es la teoría que postula que el universo se expandió a partir de un estado extremadamente denso y caliente." -Georges Lemaître

• "El Big Bang no fue una explosión que ocurrió en un punto del espacio, sino una expansión del propio espacio." -Stephen Hawking

• Aunque Einstein no usó el término "Big Bang" directamente, su teoría de la relatividad general fue fundamental para el desarrollo de la cosmología moderna. Dijo: "El espacio-tiempo no es una sustancia en sí misma, sino una característica del universo que se puede curvar y estirar." -Albert Einstein

• "El universo se expandió desde un estado muy caliente y denso en un proceso que definimos como el Big Bang. Este proceso se conoce como la inflación." -Alan Guth

• "La evidencia sugiere que el universo comenzó con una singularidad, un punto en el que las leyes de la física se rompían, y que la expansión desde este punto es lo que ahora llamamos el Big Bang." -Roger Penrose

Datos de interés

• Una expansión increíblemente rápida: En los primeros momentos después del Big Bang, el universo se expandió a una velocidad inimaginable, mucho más rápida que la velocidad de la luz, en un proceso conocido como inflación cósmica. Esta expansión es lo que permitió que el universo se estirara y enfriara lo suficiente para formar partículas y átomos.

• El universo es más antiguo de lo que pensamos: La estimación actual para la edad del universo es de aproximadamente 13.8 mil millones de años. Esto se basa en la observación de la radiación cósmica de fondo y el estudio de las galaxias más lejanas.

• La radiación cósmica de fondo: Esta es una especie de eco del Big Bang, una radiación de microondas que llena el universo y se considera la "prueba" de que el Big Bang ocurrió. Fue descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, quienes inicialmente pensaron que el ruido que detectaban era un error.

• La materia oscura y la energía oscura: Aproximadamente el 85% de la materia del universo es materia oscura, que no emite ni interactúa con luz, mientras que alrededor del 70% del universo está compuesto de energía oscura, que acelera la expansión del universo. Ambos conceptos son fundamentales para entender cómo el universo ha evolucionado desde el Big Bang.

• El universo está en constante expansión: A medida que el universo se expande, las galaxias se alejan unas de otras. Este fenómeno fue primero observado por Edwin Hubble en 1929, y su descubrimiento ayudó a establecer la teoría del Big Bang.

• El universo es cada vez más frío: La temperatura del universo ha disminuido desde el Big Bang. En los primeros momentos, el universo estaba extremadamente caliente, pero ahora la temperatura de la radiación cósmica de fondo es solo unos pocos grados por encima del cero absoluto (-273.15°C).

• La singularidad del Big Bang: La teoría sugiere que el universo comenzó desde una singularidad, un punto infinitamente pequeño y denso. Sin embargo, las leyes actuales de la física no pueden describir con precisión esta singularidad, lo que deja muchas preguntas abiertas sobre cómo y por qué ocurrió el Big Bang.

• El Big Bang no fue una explosión en el espacio: A menudo se piensa erróneamente que el Big Bang fue una explosión en un punto del espacio, pero en realidad, fue una expansión del propio espacio. No hubo un "centro" del Big Bang, ya que todo el espacio se expandió de manera uniforme.

Véase también

En inglés: Big Bang Facts for Kids