El Big Bang en 7 puntos (I)

El Big Bang es un asunto que ha hecho correr mucha tinta en el debate ciencia/fe. ¿Por qué esta vieja idea de casi 100 años ha pasado a ser considerada como el escenario que más cuadra con las observaciones y las teorías que tenemos? Me gustaría explicarlo en 7 puntos¹:

1. Primeras sospechas – Teoría

2. Primeras sospechas – Observaciones

3. Las sospechas confirmadas – La radiación de fondo de microondas (RFM)

4. La nucleosíntesis primordial

5. La formación de las estructuras primordiales

6. Las oscilaciones acústicas de bariones

7. El consenso y sus límites

1 Primeras sospechas - Teoría

Durante los años 1920, Alexander Friedman y Georges Lemaître² empezaron a aplicar la recién estrenada teoría de la relatividad general de Einstein al universo entero. Lemaître se dio cuenta de que las ecuaciones de Einstein describen un universo en el que los objetos se alejan los unos de los otros. Y cuanto más distantes, más rápidamente. Siendo “D” la distancia entre dos objetos celestes y "V" su velocidad de alejamiento, Lemaître encontró que las ecuaciones de Einstein llevan a este resultado:

V = HD

donde H es una constante. La imagen, utilizada a menudo, de puntos pegados en un globo y alejándose los unos de los otros mientras el globo se infla, es bastante buena. La superficie del globo seria el espacio. Y cuando se infla, dos galaxias pegadas encima se alejan la una de la otra. Dos años más tarde, las observaciones confirmaron esta ley.

2 Primerias sospechas – Observaciones

A finales de los años 1920, Edwin Hubble empezó a medir la relación entre la velocidad de objetos celestes y su distancia a la tierra.

¿Cómo se miden estas velocidades? Exactamente del mismo modo que los radares de “tráfico” miden la de su coche: midiendo las longitudes de onda de la luz emitida por los átomos de estos objetos. Su desplazamiento con respecto a las longitudes de onda de los mismos átomos en reposo –lo que se conoce como efecto Doppler─ indica la velocidad del objeto.

¿Cómo se miden estas distancias? Hay un gran número de métodos para medir la distancia que nos separa de las estrellas. El artículo de Wikipedia sobre el tema es muy informativo al respecto. Sin entrar en detalles, destaquemos dos puntos importantes:

- Algunos métodos, como el puramente geométrico del “paralaje”, funcionan hasta unos 60.000 años luz³. Otros, como el método de las Cefeidas, hasta unos millones de años luz. Otros métodos, aún más lejos. Cada método cubre un intervalo de distancia.

- Cosa importante: los intervalos se solapan ampliamente, lo que permite comprobarlos entre sí. Un ejemplo entre muchísimos: la distancia a la Gran Nube de Magallanes se evaluó al menos 80 veces, y mediante 21 métodos diferentes⁴. Todas coinciden en dar una distancia de 160.000 años luz, con un error en más o en menos del 20%.

Pero volvamos a Hubble. Comparando la distancia “D” y la velocidad de “V” de decenas de objetos celestes, Hubble encontró que las dos parecían proporcionales entre sí, es decir:

V = HD

donde “H” es la famosa constante de Hubble. Se parece bastante a la relación encontrada por Lemaître, ¿no? Casi 100 años después, numerosas observaciones adicionales han confirmado ampliamente esta relación⁵ y el valor de “H” es de 70 (km/s) / Mpc. ¿Qué es esto? Un “Mpc” es un “megaparsec” o “un millón de parsecs”, es decir, 3,2 millones de años luz. La relación “V=HD” significa que dos puntos del universo que disten entre sí 3,2 millones de años luz se alejan el uno del otro a la velocidad de 70 km/s. Si están separados por 2 x 3,2 millones de años luz, se alejan a 2 × 70 km/s, etc⁶.

Por lo tanto, si observo que las galaxias se alejan las unas de las otras, ¿por qué no rebobinar la película mentalmente? ¿Podría ser que hayan estado juntas en el pasado? ¿Que todas hayan salido del mismo sitio⁷, en una especie de “Big Bang”? Si además la relatividad general dice lo mismo, comienzo a tener serias sospechas de que en realidad haya sido así.

Es como si tuviera una serie de fotos mostrando dos pelotas de tenis alejándose la una de la otra. Puedo utilizar las imágenes para dibujar sus trayectorias. También puedo escribir las ecuaciones del movimiento de las bolas. Si en ambos casos descubro que las pelotas chocaron, pocas dudas quedan de que en realidad lo hayan hecho. Y para disiparlas, siempre se pueden buscar vestigios de la probable colisión. Es exactamente lo que se hizo con el Big Bang.

3 Las sospechas confirmadas - La radiación de fondo de microondas (RFM)

Supongamos que estamos en tierra batida. Cuando las pelotas chocaron, tuvieron que dejar una pequeña nube de tierra batida en el lugar de la colisión.

Algo parecido ocurrió con la RFM. Si toda la materia del universo estuvo concentrada en un punto en el pasado, su temperatura y densidad debieron ser muy altas. En estas condiciones, la luz se acopla íntimamente a la materia. Los “granos de la luz”, denominados fotones, son absorbidos por la materia, emitidos por la misma, re-absorbidos, re-emitidos, etc. de forma permanente, al igual que una pelota de golf rebota sin cesar en los árboles de un bosque denso.

Si este universo denso está en expansión, su temperatura y densidad bajarán, y llegará un momento en que la luz chocará con menos frecuencia con la materia, después en raras ocasiones y, finalmente, casi nunca. Además, la materia fría interactúa menos con la luz que la materia caliente⁸. El bosque se ha convertido en un campo de golf donde las bolas nunca chocan con los árboles. Una vez liberada de su vínculo con la materia, la luz ya no interactúa con nada más. Y la luz liberada en este momento, aun debería estar aquí hoy.

Tal es el razonamiento que se hizo a finales de los 1940. Por supuesto, se pusieron a calcular cuales deberían ser las características de esta luz, o radiación. Concretamente, esto significa calcular el porcentaje de fotones (los “granos” de luz) de tal color, y de tal otro color, y de tal otro, etc. (incluso si corresponden a radiaciones no visibles). Es lo que se llama el “espectro” de la luz. Predijeron un espectro con una forma matemática determinada⁹ que depende tan solo de un parámetro: su temperatura. Al igual que el sol nos manda una radiación correspondiente a una temperatura de unos 5.000 grados, los cálculos de la época concluyeron que el Big Bang debería haber dejado atrás una radiación que correspondería hoy a una temperatura de 5 grados (Kelvin).

En 1964, 20 años después de esas predicciones, la famosa radiación de fondo de microondas (RFM) se descubrió por casualidad. La forma matemática del espectro se corresponde casi perfectamente con las predicciones. El espectro observado corresponde a una temperatura de 2,7 grados Kelvin, muy próxima a los 5 grados calculados en la infancia de la cosmología.

Hoy en día, la RFM ha sido estudiada con una precisión sin precedentes, confirmando entre otras cosas lo que habíamos aprendido en 1964. Cosa interesante, la estructura de la RFM depende de la constante de Hubble (la “H” de la primera parte) y, por lo tanto, proporciona una segunda manera de calcularla. Ambos métodos (medición de la RFM, y medición del cociente “velocidad de alejamiento” divida por “distancia”) proporcionan valores muy similares.

Por cierto, ¿quieren calcular el tiempo transcurrido desde el Big Bang? Se puede inferir a partir de la observación de la RFM, pero eso no resulta fácil de explicar. El resultado es unos 13.800 millones de años. En cambio, una estimación desde la ley de Hubble es muy fácil: La edad del universo es la inversa de la constante de Hubble D/V = 1/H. Así llegamos a 14.000 millones de años.¹⁰

Aunque no sea perfectamente precisa, bajo ningún concepto esta “estimación” podría acercarse a los 6.000 años que algunos siguen empeñados en defender (véase un artículo sobre ese tema en esta web). ¡Al igual que ninguna “estimación”, por muy tosca que sea, de la distancia Barcelona-La Coruña podría ser tan equivocada como para dar… 43 centímetros! Se trataría de un error de exactamente la misma proporción (igual de equivocada sería una medición de la longitud de Australia en sentido norte al sur que diera como resultado 145 cm, como ya se comentó en esta web).

La existencia de la RFM está considerada con toda justicia como una de las principales pruebas de la realidad del Big Bang. La observación de la expansión del universo y la relatividad general de Einstein indicaban que el universo había tenido un pasado muy caliente y denso. La RFM fue la primera evidencia prevista, y luego observada. No sería la única. Lo veremos la próxima semana.

Notas

1^ Este artículo es una versión actualizada del publicado en 2015 en francés: http://www.scienceetfoi.com/ressources/pourquoi-le-big-bang/.

2^ Friedman en 1924 y Lemaître en 1927. Howard Robertson (1928) y Arthur Walker (1932) llegaron a resultados similares de forma independiente. Respecto a Lemaître, véase: http://protestantedigital.com/magacin/12347/Georges_Lemaicirctre_80_aniversario_de_la_Teoria_del_Big_Bang

3^ Mientras escribo estas líneas, el satélite Europeo Gaia está midiendo literalmente miles de millones de paralajes hasta unos 30.000 años luz. El record de distancia medida por paralaje es 66.000 años luz.

4^ http://adsabs.harvard.edu/abs/2002AJ....123..473B No doy la dirección del artículo mismo, sino la dirección de su ficha en la base de datos “NASA ADS”. Dicha ficha, además de indicar dónde encontrar el trabajo, también permite identificar, por ejemplo, todos los trabajos posteriores que lo mencionaron.

5^ Ver por ejemplo http://adsabs.harvard.edu/abs/2001ApJ...553...47F

 6^ Esta ley implica que dos galaxias que disten de más de 300.000/70 = 4.285 Mpc se alejan más rápido que la luz. ¿Habrá una contradicción con la relatividad especial (RE) de Einstein?

No. Primero, la relatividad general, es decir, la teoría de la gravedad de Einstein, está basada en la RE. Por lo tanto, no puede haber contradicción matemática entre ambas. ¿Cómo entonces entender esta consecuencia de la expansión el universo?

En la RE, el espacio mismo permanece quieto. Es estático. Y en estas condiciones, dos objetos no pueden alejarse más rápido que la luz. Pero eso ya no vale cuando el espacio NO es estático. En nuestro universo en expansión, las galaxias se alejan porque el espacio mismo se dilata, al igual que si estamos en dos cintas transportadoras en sentido contrario, nos alejamos el uno del otro, incluso sin hacer nada.

Entonces, en nuestro universo, la RE se cumple a pequeñas escalas, en situaciones en las que el espacio puede considerarse estático. Cabe notar que aquí, “pequeña” sigue siendo más grande que nuestra propia galaxia. Pero a gran escala, a causa de la expansión, dos objetos pueden alejarse más rápido que la luz. No son los objetos los que se mueven, sino el espacio.

7^ Este punto puede ser sutil. Sin embargo, podemos simplificar sin traicionar demasiado el tema.

8^ Me refiero a “ionizada”, cuando la materia caliente es un plasma.

9^ Espectro de Planck.

10^ La cantidad 1/H es un tiempo. 70 (km/s)/Mpc, son 2,27·10^-18 s^-1, de modo que 1/H = 1,4 ·10¹⁰ años. En los 1920, Hubble midió un valor de H=500 (km/s)/Mpc porque se equivocó en sus mediciones de distancia. Tal valor de H le daba al universo 2.000 millones de años de edad, en una época en la que se empezaba a sospechar seriamente que la edad de Tierra era mayor que eso. La teoría del Big Bang no tuvo una infancia fácil.