1. La Cosmología Moderna
La cosmología moderna tiene como objetivo el estudio de la totalidad del universo. Es una rama de la astronomía que se centra en la estructura, el origen y el desarrollo del cosmos.
La astronomía, por su parte, estudia los astros que componen el universo a partir de la información proporcionada por la radiación electromagnética que emiten, como la luz visible, infrarroja, ultravioleta y rayos X.
Para describir el universo de forma idealizada, la cosmología utiliza modelos matemáticos. Estos modelos consisten en conjuntos de ecuaciones que describen sistemas físicos, como el universo, y permiten profundizar en el estudio de sus propiedades, incluso predecir nuevos estados al modificar variables.
2. Modelo del Universo Estático e Infinito
A principios del siglo XX, el modelo cosmológico aceptado era el del universo estático, eterno e infinito, sin principio ni fin. En 1927, Albert Einstein presentó su teoría de la relatividad general, que proporcionaba la descripción matemática más completa del universo hasta entonces. Sus ecuaciones predecían un modelo de universo en expansión, pero la idea de Einstein de un cosmos eterno e inmóvil era tan fuerte que introdujo un factor (la constante cosmológica) para forzar a su modelo a permanecer estático.
3. Modelo del Universo Dinámico y Finito: El Big Bang
En 1929, Edwin Hubble demostró experimentalmente que las galaxias se alejan unas de otras, lo que indica que el universo está en expansión. Esta expansión implica que hubo un momento inicial en el que todas las galaxias estaban juntas, lo que sugiere un origen del universo.
El modelo cosmológico del Big Bang, ampliamente aceptado por los cosmólogos actuales, propone que el universo es dinámico y finito, y que se originó en una explosión a partir de un punto inmaterial infinitamente denso y caliente. Desde entonces, el universo no ha dejado de expandirse, impulsado por una energía enigmática e invisible conocida como energía oscura.
4. Modelo del Universo Dinámico e Infinito: El Estado Estacionario
El modelo del estado estacionario es una alternativa al Big Bang. Admite la expansión del universo, pero lo concibe como infinito, sin un principio definido, donde la materia se genera continuamente mediante mecanismos desconocidos.
5. La Expansión del Universo
Durante mucho tiempo, los astrónomos creyeron que la Vía Láctea era todo el universo. En 1924, Edwin Hubble descubrió que lo que se creía que eran nebulosas lejanas eran en realidad galaxias similares a la nuestra. En 1929, Hubble hizo otro hallazgo crucial: midió las distancias a la Tierra de varias galaxias y comprobó que se alejan unas de otras, confirmando la expansión del universo.
La ley de Hubble establece que la velocidad de alejamiento de una galaxia es directamente proporcional a su distancia.
6. Medida de la Velocidad de Alejamiento de las Galaxias
La luz de las estrellas en las galaxias contiene una mezcla de colores o radiaciones de diferentes longitudes de onda que se pueden separar con un espectroscopio, creando un espectro. Cada espectro está formado por los siete colores del arcoíris (la luz roja tiene la mayor longitud de onda y la luz violeta la menor) y sobre ellos se superponen bandas oscuras de absorción. Estas bandas corresponden a la presencia de elementos químicos en el gas interestelar de la galaxia que absorben parte de la radiación.
Estos espectros son como huellas dactilares, ya que cada elemento químico tiene su propio patrón de absorción. La posición de las bandas de absorción, es decir, la longitud de onda en la que aparecen, es una constante característica de cada elemento.
Edwin Hubble midió la posición de las bandas espectrales de absorción de elementos químicos presentes en varias galaxias a diferentes distancias de la Tierra y comparó estos espectros con los obtenidos en el laboratorio. Descubrió que las bandas de absorción experimentaban desplazamientos hacia longitudes de onda mayores (hacia el rojo) que eran más pronunciados cuanto más lejos estaban las galaxias. Este fenómeno, conocido como desplazamiento al rojo de las líneas espectrales, se debe al efecto Doppler y significa que las galaxias se alejan unas de otras.
¿Cómo varía la longitud de onda en el efecto Doppler? El físico alemán Doppler descubrió que cuando una onda es emitida por un objeto en movimiento, la longitud de onda percibida por un observador es diferente a la emitida por el objeto: la longitud de onda es mayor si el objeto se aleja del observador y menor si se acerca.
7. El Big Bang: La Gran Explosión
El desplazamiento al rojo indica que el universo se expande. Si invertimos el movimiento de alejamiento de las galaxias durante un tiempo igual a la edad del universo, llegaríamos a la conclusión de que todas las galaxias se encontraban en un mismo punto en el mismo instante, marcando el origen del universo.
El modelo del Big Bang deduce que, a partir del ritmo de expansión actual, toda la materia del universo, las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y fuerza nuclear débil), la energía, el espacio, el tiempo y el vacío se encontraban en forma de una singularidad: un punto inmaterial infinitamente denso y caliente, de radio nulo, en condiciones tan extremas que las leyes de la física actual tienen dificultades para describir.
8. La Cuenta Atrás: El Amanecer del Tiempo
En medio de la nada absoluta, se produjo una explosión, el Big Bang, que generó una minúscula mota de luz radiante infinitamente caliente. En ese mismo instante, nació el espacio en su interior. A partir de ese momento, se formó el universo, que no ha dejado de expandirse, impulsado por una enigmática energía oscura, enfriándose cada vez más.
La energía de la radiación era tan intensa en los primeros instantes del universo que se convertía espontáneamente en partículas minúsculas de materia llamadas quarks y leptones. A medida que el espacio y el tiempo se expandían, esta especie de sopa caliente de materia primordial se enfrió gradualmente y generó inmensas nubes de hidrógeno y helio, a partir de las cuales se formaron las galaxias. Además, hizo su aparición un tipo de materia, de naturaleza no del todo conocida, llamada materia oscura.
La cosmología ha reconstruido la historia cósmica en nueve grandes eras.
9. Recreación del Universo Primitivo: Las Eras del Universo
- Era de Planck: el primer instante. La temperatura y la densidad eran tan altas que las cuatro fuerzas fundamentales estaban unificadas en una única superfuerza, la electro-nuclear-gravitatoria, y toda la materia se encontraba en forma de energía.
- Era de la Gran Unificación. Se separó la fuerza de la gravedad de las otras tres fuerzas, que permanecieron unidas como la fuerza electro-nuclear.
- Era de Inflación. La expansión del espacio-tiempo y el enfriamiento permitieron la separación de la fuerza nuclear fuerte, quedando unidas la fuerza nuclear débil y la electromagnética.
- Era Electrodébil: la energía se convierte en materia. Existían tres fuerzas: gravedad, fuerza nuclear fuerte y fuerza electrodébil.
- Era Hadrónica. Se separaron la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética. Se formaron partículas hadrónicas (protones y neutrones), que constituyeron los núcleos de los primeros elementos químicos, junto con otras partículas como los mesones y sus antipartículas.
- Era Leptónica. Aparecieron los leptones (electrones). Al final de esta era, desapareció la antimateria.
- Era de Nucleosíntesis. Comenzó en el primer segundo. Aparecieron los núcleos de hidrógeno, helio y litio, formando un plasma.
- Era de los Átomos y de la Radiación. Aparecieron los átomos de hidrógeno y helio, volviéndose el universo transparente a la radiación.
10. De los Excrementos de las Palomas al Big Bang: Descubrimiento de la Radiación de Fondo
En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson estaban ajustando una antena muy sensible de un radiotelescopio cuando detectaron un ruido de fondo persistente que no podían atribuir a ninguna fuente conocida. Inicialmente, pensaron que se debía a los excrementos de las palomas que habían anidado en la antena, pero después de limpiarla, el ruido persistía.
Finalmente, llegaron a la conclusión de que esta débil señal de radio correspondía a la predicha por George Gamow en su modelo cosmológico: era el eco del Big Bang, la radiación residual de la gran explosión, a la que denominaron radiación de fondo de microondas.