¿Cuál es el origen del universo y cómo fueron sus primeros días?
El telescopio espacial James Webb de la NASA captó esta imagen de los icónicos Pilares de la Creación, una pequeña región llena de estrellas recién formadas dentro de la vasta nebulosa del Águila, a unos 6500 años luz de distancia.
La teoría mejor avalada sobre el origen del universo se centra en un acontecimiento conocido como el Big Bang. Esta teoría nació de la observación de que otras galaxias se alejan de la nuestra a gran velocidad en todas direcciones, como si todas hubieran sido impulsadas por una antigua fuerza explosiva.
Un sacerdote belga llamado Georges Lemaître sugirió por primera vez la teoría del Big Bang en la década de 1920, cuando teorizó que el universo comenzó a partir de un único átomo primordial. La idea recibió un gran impulso con las observaciones de Edwin Hubble de que las galaxias se alejan de nosotros a gran velocidad en todas direcciones, así como con el descubrimiento en la década de 1960 de la radiación cósmica de microondas (interpretada como ecos del Big Bang) por Arno Penzias y Robert Wilson.
Otros trabajos han contribuido a aclarar el ritmo del Big Bang. Esta es la teoría: en los primeros 10^-43 segundos de su existencia, el universo era muy compacto, menos de un millón de billones del tamaño de un átomo. Se cree que en un estado tan incomprensiblemente denso y energético, las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil) se forjaron en una sola fuerza, pero nuestras teorías actuales aún no han descubierto cómo funcionaría una fuerza única y unificada. Para lograrlo, necesitaríamos saber cómo funciona la gravedad a escala subatómica, pero actualmente no lo sabemos.
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También se cree que la proximidad extrema permitió que las primeras partículas del universo se mezclaran, se entremezclaran y se asentaran aproximadamente a la misma temperatura. Después, en una fracción de segundo inimaginablemente pequeña, toda esa materia y energía se expandieron hacia el exterior de forma más o menos uniforme, con pequeñas variaciones debidas a fluctuaciones a escala cuántica. Este modelo de expansión vertiginosa, llamado inflación, puede explicar por qué el universo tiene una temperatura y una distribución de la materia tan uniformes.
Tras la inflación, el universo siguió expandiéndose, pero a un ritmo mucho más lento. Aún no está claro qué impulsó exactamente la inflación.
Las secuelas de la inflación cósmica
Con el paso del tiempo y el enfriamiento de la materia, empezaron a formarse partículas más diversas, que acabaron condensándose en las estrellas y galaxias de nuestro universo actual.
Cuando el universo tenía una milmillonésima de segundo, se había enfriado lo suficiente como para que las cuatro fuerzas fundamentales se separaran entre sí. También se formaron las partículas fundamentales del universo. Sin embargo, aún estaba tan caliente que estas partículas todavía no se habían reunido en muchas de las partículas subatómicas que tenemos hoy en día, como el protón.
A medida que el universo seguía expandiéndose, esta sopa primordial tan caliente (llamada plasma de quarks y gluones) continuó enfriándose. Algunos colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, son lo suficientemente potentes como para recrear el plasma de quarks y gluones.
La radiación en el universo primitivo era tan intensa que la colisión de fotones podía formar pares de partículas de materia y antimateria, que es como la materia normal en todos los sentidos excepto en la carga eléctrica opuesta.
Se cree que el universo primitivo contenía cantidades iguales de materia y antimateria. Pero al enfriarse el universo, los fotones dejaron de tener la fuerza suficiente para formar pares de materia y antimateria. Así que muchas partículas de materia y antimateria se emparejaron y se aniquilaron mutuamente.
De algún modo, algo de materia sobrante sobrevivió, y ahora es de lo que están hechos los seres humanos, los planetas y las galaxias. Nuestra existencia es una clara señal de que las leyes de la naturaleza tratan la materia y la antimateria de forma ligeramente diferente. Los investigadores han observado experimentalmente este desequilibrio de las reglas, llamado violación CP, en acción. Los físicos siguen tratando de averiguar exactamente cómo se impuso la materia en el universo primitivo.
Una partícula diminuta y fantasmal llamada neutrino y su homóloga antimateria, el antineutrino, podrían arrojar algo de luz sobre el asunto, y dos grandes experimentos, llamados DUNE e Hyper-Kamiokande, están utilizando estas partículas sin carga y casi sin masa para intentar resolver el misterio.
La galaxia de Andrómeda o M31 es la mayor galaxia vecina de la Vía Láctea. En esta imagen basada en datos de la NASA y la Agencia Espacial Europea, el rojo indica gas hidrógeno; el verde, polvo frío; y el polvo más caliente se muestra en azul.
Cómo era el universo en sus orígenes
En el primer segundo del universo, este se enfrió lo suficiente como para que la materia restante se fusionara en protones y neutrones, las conocidas partículas que forman los núcleos de los átomos.
Al cabo de tres minutos, los protones y neutrones se habían reunido en núcleos de hidrógeno y helio. En masa, el hidrógeno constituía el 75% de la materia del universo primitivo, y el helio, el 25%. La abundancia de helio es una predicción clave de la teoría del Big Bang, y ha sido confirmada por observaciones científicas.
A pesar de tener núcleos atómicos, el joven universo aún estaba demasiado caliente para que los electrones se asentaran a su alrededor y formaran átomos estables. La materia del universo seguía siendo una niebla cargada eléctricamente y tan densa que a la luz le costaba atravesarla. Tuvieron que pasar otros 380 000 años aproximadamente para que se enfriara lo suficiente como para que se formaran átomos neutros, un momento crucial llamado recombinación. El enfriamiento del universo lo hizo transparente por primera vez, lo que permitió que los fotones que revoloteaban en su interior lo atravesaran sin obstáculos.
Este resplandor primigenio todavía se percibe hoy en día como radiación cósmica de fondo de microondas, presente en todo el universo. Esta radiación es similar a la que se utiliza para transmitir señales de televisión a través de antenas. Pero es la radiación más antigua que se conoce y puede contener muchos secretos sobre los primeros momentos del universo.
La luz más antigua del universo, conocida como fondo cósmico de microondas, se encuentra en todo el cosmos. Cuando esta radiación atraviesa los cúmulos de galaxias en su camino hacia la Tierra, se distorsiona. Los científicos pueden medir esta distorsión en cúmulos de galaxias masivos conocidos como RX J1347.5-1145 (en la imagen) y utilizarla para encontrar nuevos cúmulos de galaxias.
La materia solo constituye una pequeña fracción del universo. Los científicos creen que la energía y la materia oscuras constituyen el resto. El lejano cúmulo de galaxias IDCS 1426 (en la imagen), que tiene 500 billones de veces la masa del Sol, se estima que obtiene el 90% de su masa de la materia oscura.
Origen del universo: desde las primeras estrellas hasta hoy
No hubo una sola estrella en el universo hasta unos 180 millones de años después del Big Bang. La gravedad tardó ese tiempo en reunir nubes de hidrógeno y convertirlas. Muchos físicos creen que vastas nubes de materia oscura, un material aún desconocido que supera en más de cinco a uno a la materia visible, proporcionaron un andamiaje gravitatorio para las primeras galaxias y estrellas.
Una vez que se encendieron las primeras estrellas del universo, la luz que desataron tuvo la fuerza suficiente para despojar de nuevo de electrones a los átomos neutros, un capítulo clave llamado reionización.
Los científicos han intentado vislumbrar este “amanecer cósmico”, pero los resultados han sido dispares. En 2018, un equipo australiano anunció haber detectado indicios de la formación de las primeras estrellas alrededor de 180 millones de años después del Big Bang, aunque otros grupos no han podido recrear sus resultados.
Hacia 300 millones de años después del Big Bang, nacieron las primeras galaxias. En los miles de millones de años transcurridos desde entonces, se han formado y vuelto a formar estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, hasta dar lugar a nuestra galaxia, la Vía Láctea, y a nuestro hogar cósmico, el sistema solar.
Incluso ahora, el universo está en expansión. Para sorpresa de los astrónomos, el ritmo se está acelerando. Las estimaciones del ritmo de expansión varían, pero los datos del telescopio espacial James Webb se suman a un creciente conjunto de pruebas de que es significativamente más rápido de lo que debería ser.
Se cree que esta aceleración está impulsada por una fuerza que repele la gravedad llamada energía oscura. Aún no sabemos qué es la energía oscura, pero se cree que constituye el 68% de la materia y la energía totales del universo. La materia oscura constituye otro 27 %. En esencia, toda la materia que has visto (desde tu primer amor hasta las estrellas) representa menos del 5% del universo.
