29: El Big Bang
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La cosmología es el estudio del universo en su conjunto y es el tema de este capítulo. La historia de la cosmología observacional comienza realmente en 1929 cuando Edwin Hubble publicó observaciones de corrimientos al rojo y distancias para una pequeña muestra de galaxias y mostró el resultado entonces revolucionario de que vivimos en un universo en expansión, uno que en el pasado era más denso, más caliente y suave. A partir de este descubrimiento temprano, los astrónomos desarrollaron muchas predicciones sobre el origen y evolución del universo y luego probaron esas predicciones con observaciones. En este capítulo, describiremos lo que ya sabemos sobre la historia de nuestro universo dinámico y destacaremos algunos de los misterios que quedan.
- 29.1: La Era del Universo
- La cosmología es el estudio de la organización y evolución del universo. El universo se está expandiendo, y este es uno de los puntos de partida observacionales clave para las teorías cosmológicas modernas. Las observaciones modernas muestran que la tasa de expansión no ha sido constante a lo largo de la vida del universo. Inicialmente, cuando las galaxias estaban muy juntas, los efectos de la gravedad fueron más fuertes que los efectos de la energía oscura, y la tasa de expansión se ralentizó gradualmente.
- 29.2: Un modelo del universo
- Un modelo que es isotrópico y homogéneo (igual en todas partes) es una aproximación bastante buena de la realidad. El universo se está expandiendo, lo que significa que el universo experimenta un cambio de escala con el tiempo; los tramos espaciales y las distancias crecen por el mismo factor en todas partes en un momento dado. Las observaciones muestran que la densidad de masa del universo es menor que la densidad crítica. En otras palabras, no hay suficiente materia en el universo para detener la expansión.
- 29.3: El comienzo del universo
- El universo se enfría a medida que se expande. La energía de los fotones está determinada por su temperatura, y los cálculos muestran que en el universo cálido y temprano, los fotones tenían tanta energía que cuando chocaron entre sí, podían producir partículas materiales. A medida que el universo se expandió y se enfriaba, primero se formaron protones y neutrones, luego llegaron electrones y positrones. A continuación, las reacciones de fusión produjeron núcleos de deuterio, helio y litio.
- 29.4: El fondo cósmico de microondas
- Cuando el universo se volvió lo suficientemente frío como para formar átomos de hidrógeno neutros, el universo se volvió transparente a la radiación. Los científicos han detectado la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) de esta época durante el universo caliente y temprano. Las mediciones con el satélite COBE muestran que el CMB actúa como un cuerpo negro con una temperatura de 2.73 K. Pequeñas fluctuaciones en el CMB nos muestran las semillas de estructuras a gran escala en el universo.
- 29.5: ¿De qué está hecho realmente el universo?
- El veintisiete por ciento de la densidad crítica del universo está compuesta por materia oscura. Para explicar tanta materia oscura, algunas teorías de la física predicen que deberían existir tipos adicionales de partículas. A un tipo se le ha dado el nombre de WIMP (partículas masivas que interactúan débilmente), y los científicos ahora están realizando experimentos para tratar de detectarlas en el laboratorio. La materia oscura juega un papel esencial en la formación de galaxias.
- 29.6: El universo inflacionario
- El modelo Big Bang no explica por qué el CMB tiene la misma temperatura en todas las direcciones. Tampoco explica por qué la densidad del universo está tan cerca de la densidad crítica. Estas observaciones pueden explicarse si el universo experimentó un período de rápida expansión, al que los científicos llaman inflación, aproximadamente 10-35 segundos después del Big Bang. Se están desarrollando nuevas grandes teorías unificadas (GUTs) para describir los procesos físicos en el universo antes y en el momento en que ocurrió la inflación.
- 29.7: El principio antrópico
- Recientemente, muchos cosmólogos han señalado que la existencia de los humanos depende del hecho de que muchas propiedades del universo —el tamaño de las fluctuaciones de densidad en el universo primitivo, la fuerza de la gravedad, la estructura de los átomos— eran las correctas. La idea de que las leyes físicas deben ser como son porque de lo contrario no podríamos estar aquí para medirlas se llama principio antrópico. Algunos científicos especulan que puede haber un multiverso de universos, en el que el nuestro es solo uno.
Miniatura: Este dibujo muestra el Telescopio Espacial James Webb, que actualmente está previsto para su lanzamiento en 2018. La sombrilla plateada sombrea el espejo primario y los instrumentos científicos. El espejo primario tiene 6.5 metros (21 pies) de diámetro. Antes y durante el lanzamiento, el espejo se doblará hacia arriba. Después de colocar el telescopio en su órbita, los controladores terrestres le ordenarán desplegar los pétalos del espejo. Para ver galaxias distantes cuya luz ha sido desplazada a longitudes de onda largas, el telescopio llevará varios instrumentos para tomar imágenes y espectros infrarrojos. (crédito: modificación de obra por parte de la NASA).