Big Bang para niños
En cosmología, el Big Bang, o Gran Explosión en español, es la teoría científica más aceptada sobre cómo comenzó y evolucionó nuestro universo. Explica que el universo surgió de un punto inicial muy pequeño, denso y caliente, del cual aparecieron la materia, el espacio y el tiempo.
El nombre "Big Bang" fue usado por el astrofísico Fred Hoyle de forma un poco burlona. Sin embargo, la idea original de un "átomo primigenio" o "huevo cósmico" fue propuesta por el astrofísico y sacerdote Georges Lemaître. Según el modelo actual, el Big Bang ocurrió hace unos 13.800 millones de años.
Esta teoría no explica qué causó el Big Bang, sino cómo el universo evolucionó desde un instante muy, muy temprano (aproximadamente 10-43 segundos después del inicio) hasta unos 300.000 o 400.000 años más tarde. En ese momento, se formaron los primeros átomos estables y el universo se volvió transparente. Hay muchas pruebas que apoyan fuertemente la teoría del Big Bang, por lo que es aceptada por la mayoría de los científicos.
La teoría del Big Bang es el modelo principal para entender los primeros momentos del universo y cómo ha crecido. Dice que el universo estaba en un estado muy caliente y denso, y luego se expandió. Después de esta expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para que se formaran partículas subatómicas y luego átomos simples. Con el tiempo, grandes nubes de estos elementos se unieron por la gravedad para formar estrellas y galaxias.
Contenido
¿Cómo se desarrolló la teoría del Big Bang?
La idea de que el universo se expande y tuvo un origen en un solo punto fue propuesta por primera vez por Georges Lemaître en 1927. Los científicos han construido sobre esta idea desde entonces. Al principio, había dos teorías principales: el Big Bang y la teoría del estado estacionario, que decía que el universo siempre ha sido igual. Sin embargo, las pruebas y observaciones han demostrado que la teoría del Big Bang es la más acertada.
En 1929, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que las galaxias se están alejando unas de otras. Esto fue una prueba importante de que el universo se está expandiendo. Más tarde, en 1964, se descubrió la radiación de fondo de microondas. Esta radiación es como un "eco" del Big Bang y su existencia había sido predicha por la teoría. Recientemente, las observaciones de supernovas han mostrado que la expansión del universo se está acelerando, lo que se atribuye a algo llamado energía oscura.
Las leyes físicas nos permiten calcular cómo era el universo en sus primeros momentos, cuando estaba extremadamente denso y caliente. Si retrocedemos en el tiempo, el universo se hace cada vez más pequeño y denso. La física actual no puede explicar qué ocurrió "antes" del Big Bang ni cómo surgió, porque en ese punto el tiempo mismo comenzó.
Historia de su desarrollo teórico
Muchos científicos contribuyeron al desarrollo de la teoría del Big Bang. En 1922, Alexander Friedman y en 1927, Georges Lemaître usaron la teoría de la relatividad para mostrar que el universo debía estar en constante movimiento. En 1929, Edwin Hubble confirmó que las galaxias se alejaban, lo que apoyaba la idea de un universo en expansión.
En 1948, George Gamow propuso que el universo se originó a partir de una gran explosión. La idea principal del Big Bang es que la teoría de la relatividad general, junto con las observaciones de cómo se distribuyen las galaxias, nos permite entender las condiciones del universo en el pasado.
Una consecuencia de esta teoría es que el universo era mucho más caliente y denso en el pasado. En 1948, George Gamow predijo que debería haber una "radiación de fondo de microondas" como evidencia de este pasado caliente, la cual fue descubierta años después.
¿Cómo funciona el Big Bang?
El Big Bang no fue una explosión en un espacio ya existente, sino la expansión del propio espacio-tiempo. Es decir, el Big Bang creó las dimensiones desde un punto muy pequeño.
Las mediciones actuales, usando observaciones de supernovas tipo 1a y la radiación de fondo de microondas, estiman que la edad del universo es de aproximadamente 13.700 millones de años. Es sorprendente que tres mediciones diferentes coincidan, lo que da mucha fuerza a este modelo.
En sus primeros momentos, el universo estaba lleno de una energía muy densa, caliente y con mucha presión. A medida que se expandía, se enfrió, pasando por cambios similares a cuando el vapor se convierte en agua, pero a nivel de partículas elementales.
Muy poco después del inicio, el universo se expandió de forma increíblemente rápida en un período llamado inflación cósmica. Después de la inflación, el universo estaba lleno de un plasma de quarks-gluones. A medida que se enfriaba, los quarks y gluones se unieron para formar protónes y neutrónes. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y helio en un proceso llamado nucleosíntesis primordial.
Unos 300.000 años después del Big Bang, los electrones y los núcleos se unieron para formar átomos (principalmente de hidrógeno). En ese momento, la luz se separó de la materia y ha viajado libremente por el espacio desde entonces. Esta luz es lo que hoy conocemos como la radiación de fondo de microondas.
Con el tiempo, las regiones ligeramente más densas de materia se unieron por la gravedad, formando nubes, estrellas, galaxias y todas las estructuras que vemos hoy. El universo actual parece estar dominado por una energía misteriosa llamada energía oscura, que hace que la expansión del universo se acelere.
Bases de la teoría
La teoría del Big Bang se basa en dos ideas principales:
- Que las leyes de la física, especialmente la relatividad general, son las mismas en todo el universo.
- El principio cosmológico, que dice que el universo es igual en todas las direcciones y en todas partes a gran escala.
Desde esta perspectiva, el Big Bang no es una explosión de materia que se aleja en un espacio vacío, sino la expansión del propio tiempo y espacio. Esta expansión hace que la distancia entre dos puntos fijos del universo aumente. Sin embargo, los objetos que están unidos por la gravedad, como las galaxias, no se separan por esta expansión.
Pruebas del Big Bang
Hay tres pruebas principales que apoyan la teoría del Big Bang:
- La expansión del universo, que se ve en el corrimiento al rojo de las galaxias.
- Las mediciones detalladas de la radiación de fondo de microondas.
- La cantidad de elementos ligeros en el universo.
La expansión del universo (Ley de Hubble)
Al observar galaxias lejanas, los científicos ven que la luz que emiten se desplaza hacia el color rojo. Esto se llama corrimiento al rojo y significa que los objetos se están alejando de nosotros. Cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja. Esta relación se conoce como la ley de Hubble:
,
donde 
es la velocidad a la que se aleja, 
es la distancia al objeto y 
es la constante de Hubble.
La radiación cósmica de fondo
La teoría del Big Bang predijo que el universo temprano, al ser muy caliente, estaría lleno de luz. A medida que el universo se enfrió, esta luz se separó de la materia y ha viajado por el espacio desde entonces. Hoy la vemos como una radiación de microondas que viene de todas direcciones.
En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron esta radiación de fondo de microondas por accidente. Era uniforme y tenía una temperatura de unos 3 grados Kelvin, lo que confirmó las predicciones del Big Bang. Por este descubrimiento, recibieron el Premio Nobel.
Más tarde, satélites como el COBE y el WMAP han estudiado esta radiación con gran detalle, confirmando su uniformidad y pequeñas variaciones que nos dan información sobre el universo temprano.
La abundancia de elementos ligeros
La teoría del Big Bang también puede calcular la cantidad de helio y litio que se formaron en los primeros minutos del universo, en comparación con el hidrógeno. Estas cantidades coinciden muy bien con lo que observamos en el universo actual. Esto es una prueba muy fuerte, ya que el Big Bang es una de las pocas teorías que puede explicar estas proporciones.
Evolución de galaxias
Las observaciones de cómo se ven las galaxias y los cuásares lejanos (que vemos como eran en el pasado) también apoyan el Big Bang. Las galaxias más antiguas son diferentes de las más recientes, lo que muestra que el universo ha evolucionado. Esto va en contra de la teoría del estado estacionario, que decía que el universo siempre ha sido igual.
Desafíos y misterios
A lo largo del tiempo, la teoría del Big Bang ha enfrentado algunos desafíos, pero muchos se han resuelto con nuevas observaciones o ajustes. Algunos aspectos, como la materia oscura y la energía oscura, siguen siendo un misterio, pero la mayoría de los científicos aceptan que la teoría del Big Bang es la mejor explicación para el universo.
El problema del horizonte
Este problema se refiere a que diferentes partes del universo que están muy lejos entre sí tienen la misma temperatura, aunque la luz no haya tenido tiempo de viajar entre ellas para igualar sus temperaturas. La inflación cósmica es una idea que ayuda a resolver esto. Sugiere que el universo se expandió de forma extremadamente rápida al principio, haciendo que regiones que estaban conectadas se separaran rápidamente, pero manteniendo su uniformidad.
El problema de la planitud
Este problema se refiere a que el universo es "plano" (su geometría es euclidiana) con una precisión asombrosa. Si hubiera sido un poco más curvo en el pasado, hoy sería muy diferente. La inflación cósmica también ayuda a explicar esto, ya que una expansión tan rápida habría "aplanado" cualquier curvatura inicial.
Materia oscura
Las observaciones muestran que no hay suficiente materia visible en el universo para explicar la fuerza de la gravedad que vemos en las galaxias. Esto llevó a la idea de la materia oscura, una forma de materia que no podemos ver ni tocar, pero que tiene efectos gravitacionales. Se cree que constituye la mayor parte de la materia del universo. Aunque no se ha detectado directamente, su existencia es ampliamente aceptada debido a las pruebas indirectas.
Energía oscura
En la década de 1990, se descubrió que la expansión del universo se está acelerando. Para explicar esto, los científicos propusieron la energía oscura, una forma de energía misteriosa con "presión negativa" que empuja el universo. Se cree que constituye alrededor del 70% de la energía total del universo. Su naturaleza es uno de los mayores misterios actuales de la física.
El futuro del universo
Antes de descubrir la energía oscura, se pensaba que el universo podría terminar de dos maneras:
- Big Crunch: Si hubiera suficiente materia, la gravedad haría que el universo se contrajera y colapsara sobre sí mismo.
- Muerte térmica: Si no hubiera suficiente materia, el universo se expandiría para siempre, enfriándose hasta el cero absoluto y volviéndose un lugar oscuro y vacío.
Las observaciones actuales de la expansión acelerada sugieren que el universo seguirá expandiéndose indefinidamente. El modelo Lambda-CDM, que incluye la energía oscura, predice que solo los sistemas unidos por la gravedad, como las galaxias, se mantendrán juntos, mientras que el resto del universo se enfriará y se volverá cada vez más vacío. Algunas teorías más extremas, como el Big Rip, sugieren que la energía oscura podría incluso desgarrar galaxias y átomos en el futuro lejano.
Más allá del Big Bang
Aunque el modelo del Big Bang es muy sólido, los científicos siguen investigando. Hay muy poco conocimiento sobre los primeros instantes del universo, justo después del Big Bang. En ese momento, las leyes de la relatividad general no funcionan, y se necesita una teoría que combine la gravedad con la física cuántica, como la gravedad cuántica o la teoría de cuerdas.
Algunas ideas sobre "qué hubo antes" del Big Bang incluyen:
- Un universo que oscila, donde un Big Crunch de un universo anterior podría haber dado lugar a nuestro Big Bang (conocido como Big Bounce).
- Modelos basados en la teoría de cuerdas donde el Big Bang es el resultado de la colisión de "membranas" en dimensiones superiores.
Estas ideas son especulativas y aún no han sido probadas, pero muestran que la ciencia sigue buscando respuestas a los grandes misterios del universo.
Galería de imágenes
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De acuerdo con el modelo del Big Bang, el universo se expandió a partir de un estado extremadamente denso y caliente y aun continúa expandiéndose.
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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.
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El universo ilustrado en tres dimensiónes espaciales y una dimensión temporal.
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Imagen de la radiación de fondo de microondas.
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Expansion acelerada del universo
Véase también
En inglés: Big Bang Facts for Kids
