22.1: Empezando con un Big Bang

Según la teoría del big bang, el universo parpadeó violentamente hacia la existencia hace 13.77 mil millones de años (Figura\(\PageIndex{1}\)). El big bang suele describirse como una explosión, pero imaginarlo como una enorme bola de fuego no es exacto. El big bang implicó una repentina expansión de la materia, la energía y el espacio desde un solo punto. El tipo de explosión de Hollywood que podría venir a la mente implica la expansión de la materia y la energía dentro del espacio, pero durante el big bang, se creó el espacio mismo.

Figura\(\PageIndex{1}\) El big bang. El universo comenzó hace 13.77 mil millones de años con una repentina expansión del espacio, la materia y la energía, y continúa expandiéndose hoy en día.

Al inicio del big bang, el universo estaba demasiado caliente y denso para ser cualquier cosa menos un chisporroteo de partículas más pequeñas que los átomos, pero a medida que se expandió, también se enfrió. Eventualmente algunas de las partículas colisionaron y se pegaron entre sí. Esas colisiones produjeron hidrógeno y helio, los elementos más comunes en el universo, junto con una pequeña cantidad de litio.

Quizás te preguntes cómo se puede crear un universo a partir de la nada, o cómo podemos saber que el big bang sucedió en absoluto. Crear un universo a partir de la nada está mayormente fuera del alcance de este capítulo, pero hay una manera de pensarlo. Las partículas que conforman el universo tienen opuestos que se cancelan entre sí, similar a la forma en que podemos sumar los números 1 y −1 para obtener cero (también conocido como “nada”). En lo que respecta a las matemáticas, tener cero es exactamente lo mismo que tener un 1 y un −1. También es exactamente lo mismo que tener un 2 y un −2, un 3 y un −3, dos −1s y un 2, y así sucesivamente. En otras palabras, nada es realmente el potencial de algo si lo divides en sus partes opuestas. En cuanto a cómo podemos saber que el big bang sucedió en absoluto, hay muy buenas razones para aceptar que efectivamente es como llegó a ser nuestro universo.

Mirando hacia atrás a las primeras etapas del big bang

La noción de ver el pasado se suele utilizar metafóricamente cuando hablamos de hechos antiguos, pero en este caso se entiende literalmente. En nuestra experiencia cotidiana, cuando vemos tener lugar un evento, percibimos que lo estamos viendo a medida que se desarrolla en tiempo real. De hecho, esto no es cierto. Para ver el evento, la luz de ese evento debe viajar a nuestros ojos. La luz viaja muy rápidamente, pero no viaja instantáneamente. Si estuviéramos viendo un reloj digital a 1 m de nosotros cambiar de 11:59 a.m. a 12:00 p.m., en realidad lo veríamos girar a las 12:00 p.m. tres mil millonésimas de segundo después de que sucediera. Esto no es suficiente retraso para hacer que lleguemos tarde a una cita, pero el universo es un lugar muy grande, y el “reloj digital” en cuestión suele estar mucho, mucho más lejos. De hecho, el universo es tan grande que es conveniente describir las distancias en términos de años luz, o la distancia que recorre la luz en un año. Lo que esto significa es que la luz de objetos distantes tarda tanto en llegar a nosotros que vemos esos objetos como estaban en algún tiempo considerable en el pasado. Por ejemplo, la estrella Próxima Centauri está a 4.24 años luz del sol. Si viste Próxima Centauri desde la Tierra el 1 de enero de 2015, en realidad la verías tal como apareció a principios de octubre de 2010.

Ahora tenemos herramientas que son lo suficientemente poderosas como para mirar profundamente en el espacio y ver la llegada de la luz desde principios de la historia del universo. Los astrónomos pueden detectar luz desde aproximadamente 375,000 años después de que se cree que ocurrió el Big Bang. Los físicos nos dicen que si ocurriera el big bang, entonces las partículas dentro del universo seguirían estando muy juntas en este momento. Estarían tan cerca que la luz no podría viajar lejos sin chocar con otra partícula y dispersarse en otra dirección. El efecto sería llenar el cielo de niebla resplandeciente, la “resplandor postresplandeciente” de la formación del universo (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura Fondo\(\PageIndex{2}\) cósmico microondas (CMB) mapa del cielo, una imagen bebé del universo. El CMB es ligero desde 375,000 años después del big bang. Los colores revelan variaciones en la densidad. Los parches rojos tienen la mayor densidad y los parches azules tienen la densidad más baja. Regiones de mayor densidad finalmente formaron las estrellas, planetas y otros objetos que vemos en el espacio hoy en día.

De hecho, esto es exactamente lo que vemos cuando miramos la luz desde 375 mil años después del big bang. La niebla se conoce como el fondo cósmico de microondas (o CMB), y ha sido cuidadosamente mapeada a lo largo del cielo (Figura\(\PageIndex{2}\)). El mapa muestra el fondo cósmico de microondas como variaciones de temperatura, pero estas variaciones se traducen en diferencias en la densidad de la materia en el universo temprano. Los parches rojos son las regiones de mayor densidad y los parches azules son los de menor densidad. Las regiones de mayor densidad representan los eventuales comienzos de estrellas y planetas. El mapa en Figura\(\PageIndex{2}\) ha sido comparado con una imagen de bebé del universo.

El big bang sigue sucediendo, y podemos ver el universo expandiéndose

La expansión que comenzó con el big bang nunca se detuvo. Continúa hoy, y podemos verlo sucediendo observando que grandes cúmulos de miles de millones de estrellas, llamadas galaxias, se están alejando de nosotros. (La excepción es la galaxia de Andrómeda con la que estamos en curso de colisión.) El astrónomo Edwin Hubble llegó a esta conclusión cuando observó que la luz de otras galaxias estaba desplazada al rojo. El desplazamiento al rojo es consecuencia del efecto Doppler. Esto se refiere a cómo vemos las ondas cuando el objeto que está creando las ondas se mueve hacia nosotros o se aleja de nosotros.

Figura\(\PageIndex{3}\) Patito ilustra el efecto Doppler en agua. Las ondas hechas en la dirección en que se mueve el patito (líneas azules) están más juntas que las ondas detrás del patito (líneas rojas).

Antes de llegar al efecto Doppler en lo que se refiere al corrimiento al rojo, veamos cómo funciona en algo más tangible. El patito nadando en Figura\(\PageIndex{3}\) está generando olas a medida que se mueve a través del agua. Se está generando olas que avanzan así como hacia atrás, pero notan que las ondas por delante del patito están más cerca unas de otras que las ondas detrás del patito. La distancia de una ondulación a la siguiente se llama la longitud de onda. La longitud de onda es más corta en la dirección en la que se mueve el patito, y más larga a medida que el patito se aleja.

Cuando las ondas están en el aire como ondas sonoras en lugar de en el agua como ondas, las diferentes longitudes de onda se manifiestan como sonidos con diferentes tonos: las longitudes de onda cortas tienen un tono más alto y las longitudes de onda largas tienen un tono más bajo. Es por eso que el tono del motor de un automóvil cambia a medida que el auto corre más allá de ti.

Figura Desplazamiento al\(\PageIndex{4}\) rojo en la luz del supercúmulo BAS11 en comparación con la luz del sol. Las líneas negras representan longitudes de onda absorbidas por los átomos (principalmente H y He). Para BAS11 las líneas negras se desplazan hacia el extremo rojo del espectro en comparación con el Sol.

Para las ondas de luz, la longitud de onda se traduce en color (Figura\(\PageIndex{4}\)). En el espectro de luz que podemos ver, longitudes de onda más cortas están en el extremo azul del espectro, y longitudes de onda más largas están en el extremo rojo del espectro. ¿Significa esto que las galaxias se ven rojas porque se están alejando de nosotros? No, pero el color que vemos se desplaza hacia el extremo rojo del espectro y longitudes de onda más largas.

Observe que el espectro del sol en la parte superior de la Figura\(\PageIndex{4}\) tiene algunas líneas negras en él. Las líneas negras están ahí porque faltan algunos colores en la luz que obtenemos del Sol. Diferentes elementos absorben luz de longitudes de onda específicas, y muchas de las líneas negras de la Figura\(\PageIndex{4}\) representan colores que son absorbidos por el hidrógeno y el helio dentro del Sol. Esto significa que las líneas negras son como un código de barras que puede decirnos de qué está hecha una estrella. El espectro inferior en la Figura\(\PageIndex{4}\) es la luz proveniente de BAS11, un enorme cúmulo de aproximadamente 10,000 galaxias ubicadas a mil millones de años luz de distancia. Las líneas negras representan los mismos elementos que en el espectro del Sol, pero se desplazan hacia la derecha hacia el extremo rojo del espectro porque BAS11 se aleja de nosotros a medida que el universo continúa expandiéndose. Entonces, para resumir, porque casi todas las galaxias que podemos ver tienen luz que está desplazada al rojo, significa que todas se están alejando de nosotros. De hecho, cuanto más lejos estén, más rápido van. Esto es evidencia de que el universo aún se está expandiendo.

Atribuciones de medios

• Figura\(\PageIndex{1}\): “Línea de tiempo del universo” a cargo de la NASA y el Equipo Científico del WMAP. Adaptado por Karla Panchuk. Dominio público.
• Figura\(\PageIndex{2}\): “Nine Year Microwave Sky” por el Equipo Científico NASA/ WMAP. Dominio público.
• Figura\(\PageIndex{3}\): “Pato y patitos” de M. Harkin. Adaptado por Karla Panchuk. CC POR.
• Figura\(\PageIndex{4}\): “Spectra” de Harold Stokes. Adaptado por Karla Panchuk. Dominio público.