El Big Bang ¿Sigue siendo el origen del universo?

 

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• Big Bang y el origen del universo 

Originalmente, el Big Bang era una idea simple que surgió de tres hechos, todos juntos: 

1. En la teoría general de la relatividad de Einstein, un Universo lleno de cualquier distribución uniforme de materia y/o energía no será estable en una configuración estática: el tejido del espacio en ese Universo debe contraerse o expandirse. 
2. Observacionalmente, hay espirales y elípticas en el cielo, y se encuentran mucho más allá de la Vía Láctea; sus distancias se pueden medir. 
3. También observacionalmente, la luz de estas espirales y elípticas parece estar desplazada, con objetos más distantes que exhiben un mayor corrimiento al rojo en proporción directa a su distancia: consistente con un Universo en expansión. 

Al combinar estos tres hechos, concluiríamos que el Universo, si se está expandiendo y volviéndose menos denso hoy, debe haber sido más pequeño y denso en el pasado. Podemos extrapolar esto cada vez más atrás, incluso a tiempos muy tempranos si queremos, y reconocer que nuestro Universo moderno debe haber surgido de un estado más denso, más pequeño y más uniforme en el pasado muy distante.  

La primera persona en sintetizar esta información juntos fue Georges Lemaître, quien lo hizo en 1927, aunque otros llegarían independientemente a la misma conclusión, incluidos Howard Robertson en 1928, Edwin Hubble en 1929 y Arthur Walker unos años más tarde. 

Una historia visual del Universo en expansión incluye el estado caliente y denso conocido como el Big Bang y el crecimiento y la formación de la estructura posteriormente. El conjunto completo de datos, incluidas las observaciones de los elementos de luz y el fondo cósmico de microondas, deja solo el Big Bang como una explicación válida para todo lo que vemos. A medida que el Universo se expande, también se enfría, permitiendo que se formen iones, átomos neutros y, finalmente, moléculas, nubes de gas, estrellas y, finalmente, galaxias. Sin embargo, el Big Bang no fue una explosión, y la expansión cósmica es muy diferente de esa idea. (Crédito: NASA/CXC/M. Weiss) 

Con el tiempo, pudimos derivar muchas más consecuencias del Big Bang, incluyendo que el estado temprano debe haber sido más caliente y más denso, y que a medida que el Universo se expande también se enfría. Esto nos permitió predecir: 

• Que habría un "baño" sobrante de radiación de baja energía, con un espectro de cuerpo negro, en todas las direcciones, que surge de cuando el Universo se "enfrió" a través del umbral que le permitió formar átomos neutros. 
• Que el Universo, incluso en épocas anteriores, habría sido lo suficientemente caliente y denso como para iniciar reacciones de fusión nuclear antes de que se pudieran formar estrellas, dejándonos con una abundancia inicial de elementos distintos del hidrógeno entre el conjunto prístino de átomos con el que comienza el Universo. 
• Y que, una vez que se forman átomos neutros, el Universo comienza a gravitar para formar estructura en el Universo: estrellas, cúmulos estelares, nubes de gas, galaxias, cúmulos de galaxias y, finalmente, la gran red cósmica, llena de filamentos y vacíos.

3. Todos estos aspectos del Big Bang han sido verificados y validados, descartando una gran cantidad de alternativas que no pueden reproducir estos éxitos. Hoy en día, hay tres ingredientes adicionales que hemos aprendido (¡y probado y verificado!) que también están presentes en el Universo: la materia oscura, que se agrupa y gravita pero no choca con la materia normal o los fotones, la energía oscura, que se comporta como una forma de energía inherente al espacio mismo, y la inflación cósmica, que limita qué tan atrás en el pasado podemos extrapolar el Big Bang caliente antes de que la materia y la radiación ya no dominaran los contenidos de energía del Universo. 

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Toda nuestra historia cósmica es teóricamente bien entendida, pero sólo cualitativamente. Es al confirmar y revelar observacionalmente varias etapas en el pasado de nuestro Universo que deben haber ocurrido, como cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, y cómo el Universo se expandió con el tiempo, que realmente podemos llegar a comprender nuestro cosmos. Las firmas de reliquias impresas en nuestro Universo desde un estado inflacionario antes del Big Bang caliente nos dan una forma única de probar nuestra historia cósmica, pero incluso este marco tiene limitaciones fundamentales. (Crédito: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation) 

Esta imagen nos permite hacer algo notable. La inflación nos permite describir las condiciones iniciales del Universo al comienzo del Big Bang caliente: qué tan caliente y denso era, cuál era el espectro inicial de imperfecciones de densidad, incluyendo que eran todas fluctuaciones aleatorias adiabáticas y gaussianas, y cuál era la magnitud de estas fluctuaciones en todas las escalas cósmicas. Nuestro conocimiento del Modelo Estándar, más las adiciones de materia oscura y energía oscura, nos permiten establecer cuáles fueron los diversos tipos, energías y abundancias de todas las diferentes especies de energía en todo momento cósmico. 

Desde ese punto de partida, nuestro conocimiento de las leyes e interacciones que gobiernan el Universo nos permite evolucionar en el tiempo estas condiciones iniciales desde el comienzo del Big Bang hasta el día de hoy. Podemos hacer predicciones teóricas y realizar simulaciones numéricas que nos digan qué debería surgir, y cuándo, en un Universo en expansión que comienza con un Big Bang caliente y las propiedades que hemos determinado que debería tener. El acuerdo entre la teoría y la observación es espectacular, y aunque todavía quedan algunos enigmas, nunca ha surgido un desafío serio a este paradigma, desde mediados de la década de 1960 en adelante.