El Big Bang explicado: la teoría sobre el origen de todo

• La teoría del Big Bang es la teoría que explica el origen del universo y por qué se sigue expandiendo. 
• Esta teoría fue creada por Georges Lemaître a partir de los descubrimientos de Edwin Hubble y Albert Einstein. 
• Según la teoría, el universo empezó siendo un punto infinitesimalmente pequeño que se fue expandiendo. 
• Tenemos varias razones para pensar que esta teoría es correcta: el universo se sigue expandiendo y las temperaturas que muestra el fondo de microondas (CMB) solo pueden ser explicadas por la teoría del Big Bang. 
• Toda la materia existente en el universo provino de los primeros segundos del Big Bang.

Esta teoría explica cómo se formó el universo en el que todos vivimos. Según el Big Bang, toda la materia que existe, incluso aquella de la que estamos formados nosotros, se creó hace más de 13 mil millones de años. 

Aunque puede ser útil imaginar al Big Bang como la explosión de una bomba en la Tierra, de acuerdo con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN por sus siglas en francés) esta analogía tiene importantes limitaciones. Mientras que una bomba de hidrógeno (un tipo de bomba nuclear) puede causar una explosión que se expande a 300 metros por segundo y cuyo centro tiene una temperatura de 100 millones de grados centígrados; el Big Bang tuvo una energía de mil billones de grados centígrados a la velocidad de la luz (un millón de veces más rápido que la bomba).

(Fotografía del hongo de la primera bomba de hidrógeno probada por los Estados Unidos en 1952 en Enewetak, un atolón de las Islas Marshall en el Océano Pacífico. Foto: Reuters)

Por último, el CERN afirma que hay una característica fundamental que diferencia a una bomba del Big Bang. Mientras que una explosión normal se expande a través del aire (o del espacio), el Big Bang no se expandió a través de nada: antes del Big Bang no existía espacio, ni tiempo. Más bien, los físicos creen que el Big Bang creó y extendió el espacio mismo. Un proceso que hasta hoy sigue ocurriendo.

Como explica Charlie Wood, físico y divulgador científico, por buena parte de la historia se pensó que los cielos eran eternos y estáticos. Sin embargo, en la década de 1920, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió no solo que existían otras galaxias aparte de la Vía Láctea, sino que además se alejaban de la Tierra, lo cual indicaba que el universo se estaba expandiendo.

ENTÉRATE DE MÁS: ¿Cómo la luz nos ayuda a conocer que el universo se está expandiendo? 

Tras este descubrimiento, Georges Lemaître, un sacerdote y físico, propuso la teoría del Big Bang. Lemaître estudió física en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) durante el periodo de 1925 a 1927. Durante sus estudios, él conoció los descubrimientos de Hubble sobre la expansión del universo. En 1927, luego de convertirse en profesor de Astrofísica en la Universidad Católica de Lovaina (Bélgica), postuló su teoría usando como marco la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Él pensó que, si el universo se estaba expendiendo, en retrospectiva este pudo haber empezado como un “átomo primordial”. 

Si bien esta es la teoría que actualmente usamos para comprender el origen del universo, no fue aceptada desde el inicio. De hecho, el término Big Bang no fue acuñado originalmente por Lemaître, sino por uno de sus críticos, Fred Hoyle, quien, en uno de sus debates, afirmó que la idea de que “toda la materia del universo fue creada en un gran bang en un particular tiempo remoto” era irracional.

Sin embargo, algunos cosmólogos opinan que este es un mal nombre para la teoría. Un mejor nombre, según Paul Steinhardt, cosmólogo de la Universidad de Princeton, sería “el gran estiramiento”, dado que la imagen de una explosión causa una serie de malentendidos. ¿Por qué? Porque una explosión implica un punto central y una frontera que se expande, y elementos livianos que se mueven más rápido que los elementos pesados. Sin embargo, la expansión del universo no sigue este patrón: no hay centro, no tiene fronteras y las galaxias más pequeñas se apartan al mismo ritmo que las grandes, y aquellas más distantes lo hacen más rápido. 

Aun así, el nombre se quedó con nosotros. Pero ¿qué pruebas tenemos de esta teoría?

Como explica Matthew O’Dowd, astrofísico y profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía del Lehman College de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, sabemos que el universo se está expandiendo. 

En 1929, Edwin Hubble mostró que el ritmo al que las otras galaxias se alejaban de nosotros era proporcional a la distancia que nos separaba. Esto llevó a los astrónomos a concluir que el universo se estaba expandiendo.

ENTÉRATE DE MÁS: ¿Cómo la luz nos ayuda a saber que el universo se está expandiendo?

Hubble pudo probar su descubrimiento gracias a un hecho importante: la luz de las demás galaxias está desplazada hacia el rojo (redshift, concepto que vimos en un informe anterior). ¿Qué quiere decir esto? Como te contamos en otra oportunidad, lo que llamamos luz en realidad es radiación electromagnética que viaja en forma de ondas. La luz, además, se puede dividir en los distintos colores que vemos y cada uno tiene su propia longitud de onda, como se muestra en la imagen de abajo.

A medida que la luz se desplaza por el universo, su longitud de onda se va estirando, tendiendo así hacia el rojo. Según O’Dowd, mientras más lejos esté una galaxia de nosotros, más estirada será la longitud de su onda de luz cuando esta llegue a la Tierra. Es más, a veces la longitud de onda se estira tanto que la luz deja de ser perceptible para el ojo humano.

Lo más interesante es que este estiramiento de la longitud de onda de la luz es proporcional a qué tan lejos de nuestro planeta está la galaxia que la emite.

Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, este fenómeno ocurre porque el espacio mismo se está expandiendo. Dicho de otro modo, la luz se corre hacia el rojo en su camino por el universo porque este está en una continua expansión.

La expansión del universo es una de las pruebas que tenemos de la teoría del Big Bang y esta teoría es consistente con la teoría de la relatividad general. Si quieres saber más sobre el redshift y la expansión del universo, puedes ver nuestro informe sobre el tema.

ENTÉRATE DE MÁS: Detectando ondas gravitacionales: una verificación más de la teoría de Einstein

Ahora, existe otra prueba más del Big Bang. O’Dowd afirma que, si usamos la matemática de la teoría general de la relatividad, podemos “retroceder el tiempo” y calcular cómo era el universo en sus primeros instantes. 

Algunos cosmólogos piensan que, en el instante cero, el universo era un punto infinitesimalmente pequeño. Otros piensan que no. ¿Por qué? Porque si bien la teoría de la relatividad es muy buena, su maquinaria matemática no funcionaría para explicar qué pasaría en este punto infinitesimalmente pequeño. Sin embargo, sí es posible usarla para explicar qué pasó en sus primeros momentos de vida. 

En sus primeros momentos, explica O’Dowd, el universo era tan caliente, denso y opaco como el interior de una estrella: un océano de protones y electrones. Durante esta época, la luz deambuló por este océano, pero de manera dispersa. La NASA pone el siguiente ejemplo: la luz al inicio del universo no se movía libremente como lo hace hoy habitualmente en la Tierra, sino que estaba dispersa, como ocurre cuando estamos en una densa niebla. Si quieres ver una explicación más detallada de este fenómeno, puedes ver este video:

A medida que el universo se fue expandiendo, se enfrió y alrededor de 400 mil años después del inicio de su expansión se formaron los primeros átomos de hidrógeno. En ese momento, la luz infrarroja que estuvo atrapada en este océano primordial fue liberada. Actualmente, podemos ver esta luz, aunque ya no como luz infrarroja, sino como microondas debido a que se estiró al viajar por el espacio: a esto lo llamamos el Fondo Cósmico de Microondas o CMB.

El CMB es una luz tenue que llena todo el universo. Incluso, llega a la Tierra desde todas las direcciones con una intensidad uniforme. Esta luz es la más antigua que podemos ver, aunque no con nuestros ojos. Como explica Elizabeth Howell, máster en estudios de ciencias espaciales en la Universidad de Dakota del Norte, esta luz es invisible para nosotros porque se manifiesta como microondas, una parte del espectro electromagnético que no podemos visualizar. 

Sin embargo, es posible detectarla con instrumentos especializados. En la imagen de abajo podemos ver el CMB que ha detectado la NASA en el espacio. La imagen está proyectada en forma de óvalo, como cuando proyectamos el globo terráqueo en un mapa.

(Fuente: Wikipedia)

Como explica la NASA, cuando vemos la luz de objetos lejanos, en realidad vemos algo que ha ocurrido hace muchísimos años, dependiendo de qué tan lejos estén estos objetos. Por ejemplo, si observamos la galaxia de Andrómeda, la galaxia más grande cercana a la nuestra, vemos cómo fue hace 2.5 millones de años. La luz del CMB fue emitida hace 13.7 mil millones de años aproximadamente. Por eso, al estudiarla, podemos conocer las propiedades del universo en su edad temprana. Pero ¿qué nos dice este CMB?

Según O’Dowd, el CMB muestra un patrón de radiación que sería imposible de explicar sin un universo mucho más pequeño, caliente y denso, por lo que al menos la teoría del Big Bang funciona hasta ese momento. El CMB nos muestra, por ejemplo, un patrón de temperatura con diferencias muy pequeñas. Según la NASA, explicaciones alternativas han sido creadas, pero todas han fallado para explicar este fenómeno, por lo que el Big Bang sigue siendo nuestra mejor explicación.

Por último, los patrones que se ven en el CMB predicen que ciertas galaxias y conjuntos de galaxias se formarían en ciertas partes del universo, lo cual podemos observar cuando vemos al espacio. Por estas razones, los científicos piensan que la teoría del Big Bang es cierta.

Una última pregunta interesante es qué pasó en los primeros instantes del Big Bang. ¿Cómo se formó todo lo que compone actualmente el universo? En el siguiente video del canal Kurzgesagt, puedes ver este proceso explicado de manera animada. O puedes continuar con nuestra explicación detallada.

Según el CERN, en los primeros instantes del Big Bang no había demasiado calor como para que se formen átomos, como el hidrógeno (el elemento más abundante del universo). En estos primeros instantes, mucho antes que se cumpla un segundo (10 a la menos 32), solo había quarks y fotones. Los quarks son las partículas fundamentales que forman los neutrones y los protones (partículas que a su vez forman los núcleos de los átomos). A este momento se le llama la época de los quarks. Si quieres saber más de los quarks, puedes entrar a nuestro informe sobre las fuerzas fundamentales de la física. 

A medida que pasó el tiempo, el universo se fue expandiendo, haciendo que las temperaturas bajen. Antes de que se cumpla el primer segundo de la existencia del universo, en el primer microsegundo (10 a la menos 6), los quarks se agrupan en protones y neutrones. 

Tras este primer microsegundo, el universo ya tenía 100 mil millones de kilómetros y se empezaron a formar los primeros átomos de hidrógeno. A medida que se expandía, el universo se enfrió más. Después de los 200 primeros segundos, empezó lo que los científicos llaman la época oscura, dado que el gas de hidrógeno no permitía que la luz se mueva y tampoco había estrellas. 

(Imagen: NASA)

El gráfico de arriba muestra la historia de nuestro universo. Hasta ahora solo hemos cubierto una fracción desde su inicio: los primeros segundos. El CMB que podemos detectar actualmente ocurrió aproximadamente 375 mil años después del inicio del universo. 

Posteriormente, luego de millones de años, se formaron las primeras estrellas como se aprecia en el gráfico. Luego, hace mil millones de años, la gravedad causó que los átomos se junten en grandes nubes de gas, formando así colecciones de estrellas, que ahora llamamos galaxias. 

Las estrellas, mediante un proceso que se llama fusión nuclear, crearon otros átomos como el helio, el carbono y el hierro. Aquellas más grandes explotaron esparciendo estos elementos en el cosmos. Estos mismos elementos cocinados en las estrellas son los que conforman los planetas. Finalmente, en un pequeño planeta azul, llamado Tierra, aparecieron las plantas, los animales y nosotros. Por eso es que el astrofísico Carl Sagan decía que los humanos somos, al final del día, materia de antiguas estrellas.

ENTÉRATE DE MÁS: La Tierra: ¿cómo se formó nuestro hogar y cuándo apareció la vida?