Representación oblonga de la evolución del universo a lo largo de 13.770 millones de años (expansión en 3D sobre un plano plano). La extrema izquierda representa el primer instante del Universo antes de su crecimiento exponencial en todas las direcciones. Su tamaño está representado por la extensión vertical de la cuadrícula en este gráfico. Esta representación en 3D sobre un plano plano muestra la expansión del Universo observable, lo cual no es perfecto. En realidad, es más como una esfera, con nosotros en el centro. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons (Dominio público).
Este artículo presenta el modelo cosmológico del Big Bang, nacido de los trabajos de Lemaître y Friedmann en la década de 1920. El Universo nació hace 13.770 millones de años de un estado extremadamente denso y caliente. La inflación (~10⁻³² s) precedió a la formación de los quarks, luego de los protones y neutrones (~10⁻⁶ s). A los 3 minutos, el 98% de la masa estaba constituida (núcleos de hidrógeno y helio). A los 380.000 años, la recombinación formó los primeros átomos estables, haciendo el Universo transparente. La radiación fósil (CMB, ~2,725 K), detectada en 1965 por Penzias y Wilson, es el vestigio de esta época. Sus anisotropías, medidas por COBE, WMAP y Planck, revelan las fluctuaciones de densidad en el origen de las galaxias.
El Big Bang es el modelo cosmológico que describe el origen del Universo hace 13.770 millones de años, a partir de un estado extremadamente denso y caliente. El espacio, el tiempo y la materia nacieron en ese instante, en una "explosión primordial" cuyo nombre fue dado irónicamente por Fred Hoyle en la década de 1950. Las primeras fracciones de segundo vieron la inflación (~10⁻³² s) y la aparición de las partículas elementales. A los 10⁻⁶ s, la fuerza nuclear fuerte ensambló los quarks en protones y neutrones. A los 3 minutos, se formaron los núcleos de hidrógeno y helio, constituyendo el 98% de la masa del Universo. Durante 380.000 años, el Universo permaneció como un plasma opaco. Luego, la recombinación permitió la formación de los primeros átomos estables, haciendo el Universo transparente. La radiación fósil (CMB, ~2,725 K), detectada en 1965 por Penzias y Wilson, es el vestigio de esta época. Sus fluctuaciones de temperatura (~10⁻⁵) son las semillas de las galaxias. El Universo continúa expandiéndose, y su horizonte cósmico retrocede, ocultándonos parte del infinito.
Hace 13.770 millones de años, una formidable explosión llamada Big Bang dio origen al espacio, al tiempo y a la materia. En este caos de un calor inimaginable, una burbuja se hinchó, se extendió en todas las direcciones y se enfrió lentamente.
El término "Big Bang" fue acuñado en la década de 1950 por el astrofísico inglés Fred Hoyle (1915-2001) para designar irónicamente el concepto de "explosión primordial". Este modelo cosmológico fue desarrollado en la década de 1920 por el astrofísico belga Georges Lemaître (1894-1966) y el físico ruso Alexander Friedmann (1888-1925).
La historia del Big Bang no prejuzga la existencia de un "instante inicial" o un comienzo.
Sin embargo, incluso hoy, captamos en el cielo un rastro de este origen al que llamamos "radiación fósil". Esta radiación es una radiación de microondas de baja temperatura, del orden de 3 K. Esta radiación nos llega desde todas las direcciones del cosmos. Se le llaman así porque forma un fondo para todas las fuentes de radio puntuales que han sido detectadas por los radiotelescopios.
El Big Bang fue detectado en 1965 por Arno Allan Penzias (1933-2024) y Robert Woodrow Wilson (1936-). Fueron recompensados con el Premio Nobel de Física en 1978.
Al principio no había nada, ni materia, ni vacío, el tiempo y el espacio no existían. De un punto más pequeño que un átomo, una energía infinita generó el universo.
Todo comienza una fracción infinitesimal de segundo después de la explosión primordial, el Big Bang. El tiempo comienza a transcurrir, el cosmos entero se dibuja de golpe. Es el mayor misterio de todos los tiempos.
Antes de este período, no sabemos nada; no hay tiempo cero, el tiempo no existe, no tenemos datos para decir que hay algo. Para los científicos, el reloj cósmico da su primer golpe a los 10^-43 segundos (tiempo de Planck). El universo es un vacío burbujeante de energía muy densa e increíblemente caliente; luego, se supone, se hincha bruscamente: es la inflación. A los 10^-32 segundos, surgen los primeros elementos de materia acompañados de antimateria (partículas elementales y antipartículas).
Luego, la fuerza nuclear fuerte, a los 10^-6 segundos (una millonésima de segundo), ensamblará los quarks, 3 por 3, para formar protones y neutrones y crear los núcleos (hidrógeno, helio).
A los 3 minutos, el 98% de la masa del universo estaba constituida. Nada nuevo hasta los 380.000 años, el final de la era radiactiva.
Comienza entonces la era material y aparece la segunda fuerza, la fuerza electromagnética. Construye los átomos de hidrógeno y helio combinando electrones con núcleos. El Universo, siempre en expansión y enfriamiento, ve cómo la fuerza gravitacional agrupa los átomos en estructuras más complejas. Es el nacimiento de las galaxias y las estrellas.
Según el modelo teórico del Big Bang, la radiación fósil de microondas es un residuo de la energía reinante en el momento de la formación de los primeros átomos estables del Universo. La radiación se convierte en materia. Esto ocurre aproximadamente 380.000 años después de la explosión primordial.
Datos del satélite COBE (Cosmic Background Explorer) han mostrado que esta radiación no es tan uniforme como creían los científicos. Aparecen zonas de intensidad variable arbitrariamente. Estas fluctuaciones de densidad del Universo primordial serían el origen de la formación de las galaxias.
Representación del Universo observable en forma de rodajas de espacio en 2 dimensiones, apiladas según el eje del tiempo. Esta representación es falsa, porque el Universo posee 3 dimensiones espaciales: cada rodaja circular debería ser en realidad una esfera. Además, el Big Bang no ocurrió en un punto preciso del espacio: es el espacio mismo el que nació y se extiende desde entonces, en todas las direcciones y en todo punto. Crédito de la imagen: Por diseño de Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, Enlace.
El Universo observable se representa aquí como una pila de rodajas en 2 dimensiones, cada una representando la imagen del Universo en el pasado (como las imágenes de una película). El último círculo ubicado en la parte superior, el más grande, representa el universo de hoy. Los diámetros de los círculos representan el tamaño del Universo, que disminuye a medida que retrocedemos en el tiempo.
Pero en realidad, el Universo se extiende en todas las direcciones. Por lo tanto, debemos reemplazar cada rodaja, es decir, cada círculo, por una esfera. Tendríamos así, no una pila de círculos en 2 dimensiones, sino una pila de esferas en 3 dimensiones, lo cual es imposible de imaginar para nuestro cerebro.
En esta representación imperfecta, estamos, al igual que todas las galaxias del universo, en el último círculo. Debido a la expansión del Universo, todo parece alejarse de nosotros, sin importar la dirección en la que miremos. Es como estar en la superficie de un globo y verlo inflarse.
No podemos ver más allá del círculo que es nuestro horizonte, porque la luz tiene una velocidad finita. La luz de los objetos más allá de este "horizonte cósmico" no ha tenido suficiente tiempo para alcanzarnos desde el Big Bang.
El "globo" se infla, pero el horizonte no se aleja; así, las galaxias cercanas al horizonte terminan por desaparecer.
Más allá del universo observable, probablemente hay un infinito de galaxias que no podemos ver. ¡Incluso es posible que haya un infinito de universos!
El Big Bang es el modelo cosmológico que describe el origen del Universo. Hace 13.770 millones de años, el Universo nació de un estado extremadamente denso y caliente, una "singularidad" donde el espacio, el tiempo y la materia comenzaron a existir. El término, acuñado por Fred Hoyle en la década de 1950, se refiere irónicamente a esta "explosión primordial". El modelo fue desarrollado por Georges Lemaître y Alexander Friedmann en la década de 1920. El Big Bang no es una explosión en el espacio, sino una expansión del espacio en sí mismo.
Los primeros momentos están marcados por etapas clave:
• 0 a 10⁻⁴³ s (tiempo de Planck): Las leyes actuales de la física no se aplican. El Universo es un "vacío burbujeante" de energía increíblemente densa.
• ~10⁻³² s: Período de inflación cósmica, el Universo se expande exponencialmente. Aparecen las primeras partículas elementales y antipartículas.
• ~10⁻⁶ s: La fuerza nuclear fuerte ensambla los quarks en protones y neutrones.
• ~3 minutos: La nucleosíntesis primordial forma los núcleos de hidrógeno (75%) y helio (25%), constituyendo el 98% de la masa del Universo.
La radiación fósil (o CMB, Fondo Cósmico de Microondas) es el vestigio del Big Bang. Fue emitida aproximadamente 380.000 años después de la explosión primordial, cuando el Universo se había enfriado lo suficiente como para permitir la recombinación de electrones y protones en átomos de hidrógeno, haciendo el Universo transparente. Esta radiación, que inunda todo el espacio, tiene una temperatura actual de ~2,725 K y se encuentra en el rango de microondas. Detectada en 1965 por Penzias y Wilson (Premio Nobel 1978), es la prueba directa del Big Bang. Sus anisotropías (fluctuaciones de temperatura del orden de 10⁻⁵) son las semillas de las galaxias.
La inflación cósmica es un período de expansión exponencial del Universo, ocurrido aproximadamente 10⁻³² s después del Big Bang. Explica varias observaciones:
• ¿Por qué el Universo es tan uniforme a gran escala (problema del horizonte)?
• ¿Por qué el Universo es espacialmente plano (problema de la planitud)?
• ¿De dónde vienen las fluctuaciones de densidad que dieron origen a las galaxias?
La inflación fue propuesta por Alan Guth en la década de 1980 y está confirmada por las observaciones de la radiación fósil.
Después de la recombinación (380.000 años), el Universo entró en la era material:
• La gravedad comenzó a agrupar los átomos de hidrógeno y helio en estructuras más densas.
• Estas regiones más densas atrajeron más materia, formando las primeras estrellas (cientos de millones de años después del Big Bang).
• Las estrellas se agruparon en galaxias, luego en cúmulos de galaxias.
• La energía oscura, descubierta en la década de 1990, aceleró la expansión del Universo.
Hoy, el Universo continúa expandiéndose y enfriándose, y su horizonte cósmico retrocede.
No, no podemos ver más allá del Universo observable, que está delimitado por un "horizonte cósmico". Más allá de este horizonte, la luz de los objetos no ha tenido suficiente tiempo para alcanzarnos desde el Big Bang (la luz tiene una velocidad finita). El Universo observable es una burbuja esférica centrada en nosotros, con un radio de aproximadamente 46.500 millones de años luz (debido a la expansión). Más allá, probablemente hay otras galaxias, o incluso un infinito de universos (multiverso), pero estas regiones son inaccesibles para nosotros para siempre.
La radiación fósil fue descubierta accidentalmente en 1965 por los físicos estadounidenses Arno Penzias y Robert Wilson. Estaban trabajando en una antena de cuerno (Holmdel, Nueva Jersey) y detectaron un "ruido" de fondo persistente que provenía de todas las direcciones y que no podían eliminar. Después de descartar todas las causas posibles (excrementos de palomas, interferencias), se dieron cuenta de que habían detectado la radiación fósil predicha por el modelo del Big Bang. Este descubrimiento les valió el Premio Nobel de Física en 1978.
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