Más denso y más caliente

¡And all start with the Big Bang!

La música de entrada de la serie televisiva The Big Bang Theory, se podría traducir a “y todo empezó con la gran explosión”. La serie satiriza la vida de cuatro científicos de Caltech, geeks y poco sociales que intentan convivir con su vecina, una chica en busca de convertirse en actriz. Se las recomiendo para pasar un buen rato y aprender una que otra cosa sobre uno que otro tema científico.

Resulta bastante complejo hablar sobre cómo es que todo empezó ya que aún en la actualidad nos falta explicar que pasó en las primeras fracciones de segundo de esta gran explosión, sin embargo, podemos comenzar hablando de cómo sabemos que todo empezó con un gran “bang”.

A principios del siglo pasado, en el año de 1929, el estadounidense Edwin Hubble concluyó de acuerdo a sus observaciones que el universo estaba en expansión y la pregunta sería, pero ¿cómo le hizo? La respuesta, el corrimiento hacia el rojo que observó Hubble, si nos quedáramos con esa información quizá podríamos sorprender a uno que otro despistado, el problema vendría cuando nos preguntasen ¿qué es el corrimiento hacia el rojo?

Para observar el universo los científicos utilizan instrumentos que detectan ondas. Cuando vemos algo, nuestro cerebro procesa esas ondas y les asigna colores, cuando oímos algo lo mismo sucede, captamos ondas y les damos un significado. Al observar galaxias o quasares lejanos (un enorme agujero negro en plena acción), los científicos se percatan que la luz en su forma científica, el patrón de las líneas de emisión o absorción correspondientes a átomos de los elementos que interactúan con la radiación, se ha desplazado a longitudes de onda más larga. Para entender eso situémonos en el espectro visible. La longitud de onda más corta es el violeta, por eso que a las ondas todavía más cortas y más energéticas se les conoce como ultravioletas, de ahí en aumento de su longitud sigue el azul, verde, amarillo y rojo, posterior al rojo en longitudes más grandes se encuentra el infrarrojo. Aunque para el ojo humano dicho corrimiento no es apreciable, cuando los astrónomos analizan sus mediciones meticulosamente el corrimiento es consistente y proporcional a la distancia que existe entre las galaxias y nosotros. 

Corrimiento al rojo de las líneas espectrales en el espectro visible de un supercúmulo de galaxias distantes (derecha), comparado con el del Sol (izquierda). La longitud de onda se incrementa hacia el rojo y más allá.

Imagina que tenemos un globo y a este le pintamos unos cuantos puntos, cuando empezamos a inflarlo estos puntos se separan uno de otro, así como lo hacen las galaxias, esto quiere decir que si regresamos en el tiempo el universo era más pequeño. Por lo tanto, había más masa en menos espacio, porque como alguna vez habrán escuchado la materia no se crea ni se destruye, sólo se trasforma. Al cociente de masa sobre volumen se le llama densidad, si tenemos la misma masa, pero menos volumen la densidad aumenta. Imagina que tienes 10 personas en un cuarto, ¿qué pasa si metemos a las mismas 10 personas en la mitad de ese cuarto?, las personas estarían cada vez más juntas hasta que ya no haya separación entre una y otra, por consiguiente, el sistema sería más denso. Así que hasta este punto llegamos a que en un principio todo era más denso, ahora ¿qué onda con el más caliente…?

La radiación de fondo de microondas, CMB (Cosmic microwave bakcground) por sus siglas en inglés, indica que en el universo temprano debió haber sido muy caliente para que toda la materia que se conoce estuviera interactuando de manera tan cercana. En el año de 1965, Arno Penzia y Robert Wilson ambos científicos de Laboratorios Bell, intentaban ver la radiación apuntando su radiotelescopio al centro del universo. Consistentemente tenían un ruido de fondo que no podían entender, posteriormente se dieron cuenta que dicho “ruido” era igual en todas direcciones y constante, con un valor de cerca 3 K, lo cual se predecía en la hipótesis del Big Bang. ¿Pero qué tiene eso que ver?

Durante la expansión del universo la temperatura, en algún momento, estuvo muy por encima de 3000 K. Arriba de esta temperatura los electrones y protones están separados, lo cual es contrario a como los conocemos en la actualidad como partículas unidas por interacciones eléctricas, como nos han enseñado (un átomo está compuesto por protones, neutrones y electrones). En un inicio cada una de estas partículas estaba dividida en sus sub-partículas y debido a la cantidad de energía cada una existía por separado. Por debajo de los 3000 K se forman los átomos y se permite el paso de unas partículas llamadas fotones (en lenguaje coloquial luz) a través de este gas inicial viajando y creando el universo que intentamos conocer. En resumidas cuentas, era mucho, mucho, mucho más caliente…

Las pruebas de que el universo surgió de una gran explosión son consistentes, los científicos en la actualidad se dedican a llenar las lagunas de información que se requieren para conocer el desarrollo de nuestro universo desde el comienzo. Una de las incertidumbres es la de si nuestro universo seguirá expandiéndose indefinidamente o nos encontramos en un universo oscilante, lo cual quiere decir que el universo se expande y se contrae cada cierto tiempo. Para saber eso se tiene que conocer si la densidad de masa del universo es mayor a la densidad crítica la cual se estima con la ecuación de Friedmann. Esta ecuación fue desarrollada por el Ruso Alexander Friedmann en el año 1922, en resumidas cuentas estas ecuaciones describen la expansión del universo tomando como base la relatividad general. Lo sé todo eso suena complicado, lo que podemos entender es que gracias a estos cálculos podemos saber si el universo alcanzaría un tamaño máximo y luego ¡comenzaría a colapsarse! Haciéndose más denso y más caliente nuevamente para lo cual faltarían muchísimos millones de años. Aunque si la densidad en el universo es igual o menor a la dicha densidad crítica, la expansión disminuiría su velocidad, pero nunca se detendría… Lo cual parece ser el caso ya que haciendo las mediciones la suma total de la materia sería de un 10% la necesaria para alcanzar la densidad crítica.