Origen del Universo

M. en C. Rafael Govea Villaseñor

LA TEORIA DE LA GRAN EXPLOSION (T. DEL BIG BANG).

Esta teoría propone que toda la materia y la energía del Universo estuvieron concentradas en un espacio casi nulo, en un "punto" que en cierto momento estalló. De modo que el Universo que hoy conocemos es el resultado de los cambios ocurridos a la materia y a la energía durante todo este tiempo en que el Cosmos se ha expandido a causa de esa gigantesca explosión.

El alejamiento de las galaxias fue descubierto por el astrónomo norteamericano Edwin Hubble en 1929 al estudiar el espectro de la luz proveniente de ellas. Dichos espectros muestran un corrimiento hacia el rojo, que interpretado con el efecto Doppler quiere decir que los objetos que emitieron esa luz se alejan del observador. Pero él no extrajo las conclusiones teóricas de sus datos.

Debes de tener presente que es difícil atribuir está teoría sólo a ciertos científicos porque ella es el resultado del trabajo de muchas personas. Por razones históricas primero se descubrió la expansión del Universo y luego los científicos cayeron en cuenta del significado de dicho descubrimiento, la misma Teoría de la Gran Explosión. Por ello sólo mencionaremos eventualmente a algunos personajes importantes sin pretender que ellos son los únicos autores de la teoría.

Lógicamente, si el Universo proviene de una explosión sin precedentes, entonces los objetos, como las galaxias, que lo conforman deben alejarse los unos de los otros. Provocando con ello que el espacio tenga cada vez menos densidad de materia. Y eso es precisamente lo que descubrió Hubble en 1929, el alejamiento de la las galaxias entre sí.

Por el momento existen varias versiones de la Teoría de Gran Explosión compitiendo entre sí y buscando confirmación observacional y experimental. Esas versiones derivan de la aplicación de las leyes y teorías de la física hoy conocidas y de ciertas suposiciones sobre las condiciones iniciales del Cosmos.

La disputa no se ha resuelto aún. Por ello, aquí sólo vamos a narrar una de las alternativas de modo simplificado, sin pretender que es la opción correcta de la teoría del big bang. Pues lo que nos interesa es fijar una idea general de la teoría más aceptada por los especialistas. (Las observaciones del satélite COBE muestran apoyo a la versión estándar de la teoría del Big Bang denominada Universo inflacionario. Véase: Casoli, F. (1992) Los grumos del Big Bang Mundo Científico 129: 960.)

Para ello, empezaremos viajando al pasado guiados por la teoría y los conocimientos de los cosmólogos.

Viajemos, pues, al pasado remoto del cosmos, hace unos 10,000 ó 20,000 millones de años, por entonces el Universo era, o casi era, un punto geométrico. Fíjate muy bien en lo que significa eso:
¿Cuánto vale el ancho de un punto? ¿Cuánto vale el largo de un punto? ¿Cuánto vale el grosor de un punto?__________.

¡Por supuesto que cero en todas las preguntas! Dado que un punto es un lugar geométrico sin dimensiones. Como consecuencia obvia, la Temperatura, la presión y la densidad de la materia eran casi infinitas en esa circunstancia; ya que si el volumen es cero, no importa cuanta masa posea el Cosmos su densidad será igual a la:

Densidad del Universo = Masa del Universo/volumen del Universo = Mu/Vu = infinito (El símbolo de infinito no aparece el conjunto de caracteres del blog).

¿El signo  de infinito representa a un número?

¡Claro que no! Como aprendiste en secundaria o en bachillerato y no obstante que a ese signo lo usamos para representar una cantidad indefinida, muy grande, más grande que cualesquier número, las propiedades de un infinito no son las de un número; porque si sumamos
infinito + infinito, la suma no es igual a 2 infinitos) sino a simplemente infinito)

A diferencia de un número cualquiera, por ejemplo:

a, ya que: a + a = 2a

ó el número X, ya que: X + X = 2X.

Ahora bien, por razones que no son aún muy claras ese Universo puntual explotó de una manera brutal dando inicio al cosmos, al tiempo y al espacio. Desde luego eso implicó que conforme este se expandía, su enorme temperatura (Para medir la temperatura en estos casos se usa la escala Kelvin de temperaturas absolutas. Un grado Kelvin (ºK) vale lo mismo que un ºC, sólo que la escala Kelvin mide la temperatura desde el cero absoluto ubicado a 273.15º debajo del punto de fusión del H2O. Así pues 0 ºC = 273.15 ºK) y densidad fueran disminuyendo.

¿Por qué empezó a enfriarse el Universo? por que como tú sabes, los gases se enfrían cuando se expanden. Puedes incluso demostrarlo con un experimento. Haz lo siguiente:

Consigue un fijador o un desodorante en spray.
Toca el recipiente ¿Qué temperatura tiene? ¿La temperatura del envase será igual a la de su contenido? Por supuesto que igual la temperatura del medio, si ha tenido tiempo suficiente para llegar al equilibrio. Si dudas que sea así, puedes dejarlo en una mesa un buen rato para que el contenido equilibre su temperatura con la del recipiente.

Ahora dirige un chorro del spray a tu muñeca (como cuando se prueba la temperatura de la leche de una mamila). Observa como el chorro se expande. Siente la temperatura del chorro. ¿Cómo fue la temperatura del chorro en expansión con respecto a la del bote?

Por lo tanto ¿Qué pasó después del inicio de la expansión del Universo? ¿Cuáles estructuras materiales fueron apareciendo conforme transcurría el tiempo? ¿Cómo fueron cambiando el tamaño y las condiciones del Cosmos? Veámoslo:

Así, del mismo modo en que el chorro del spray se enfría al expandirse, el Cosmos se ha ido enfriando y por ello han ido cambiando su presión y su densidad permitiendo que la materia adopte diversas formas.

Lógicamente cuando el Universo era tan pequeño como un punto no podía tener átomos, planetas o galaxias pues estos objetos son muy grandes y no pueden existir a la temperatura y presión que había entonces (cercanas al infinito).

Fíjate que para expresar cantidades muy grandes o muy pequeñas es práctico usar una notación en base a potencias de diez. Donde 10^-35 equivale a 1.0x10^-35 porque todo número siempre está multiplicado por el neutro multiplicativo, el dígito uno. Como éste es un entero, tiene al punto decimal a su derecha y el exponente del número «10» nos dice cuantos lugares hay que desplazar al punto; a la derecha si es positivo o a la izquierda si es negativo. Por ej.

10^3 = 1.0(10^3) = 1000;

10^4 = 1.0(10^-4) = 0.0001 y

2.3 x 10^5 = 230,000.

No obstante ello, en ese momento inicial si había materia y energía aunque en un estado muy diferente al actual. Recuerda que la materia y la energía no se crean ni se destruyen solo se transforman entre sí.

Entonces, cuando apenas habían transcurrido 10^-35 segundos y la temperatura era de unos 10^27 ºK aparecieron irregularidades que al pasar el tiempo se amplificaron originando a las demás estructuras del Cosmos. También en ese instante se liberaron grandes cantidades de energía haciendo que el cosmos se expandiera exponencialmente.

10^-32 segundos después del inicio del big bang, el Universo era del tamaño de una naranja y pasó a expandirse linealmente y la gran cantidad de energía presente hizo que aparecieran pares de partículas de materia y antimateria. Por entonces la temperatura era del orden de los 10^26 ºK. El Universo era tan caliente que sólo permitía la existencia de una especie de guisado de partículas denominado "caldo de quarks" cuyos ingredientes eran: los quarks, los antiquarks, los electrones (e-), los antielectrones (e+), los fotones y otros objetos semejantes.

Los Quarks son las partículas más pequeñas hasta hoy conocidas. De hecho se considera que las partículas verdaderamente elementales son doce: Seis quarks y seis leptones (como el electrón y el neutrino). Por ciertas razones, los quarks, no pueden observarse fuera del interior de los protones y neutrones a los cuales constituyen. Un protón está formado por dos quark «arriba» y un quark «abajo», en cambio un neutrón lo forman dos quarks «abajo» y uno «arriba».

A los 10^-12 segundos el Cosmos era apenas del tamaño de una esfera de 150 millones de Km de diámetro, es decir, semejante a la distancia que hay entre la Tierra y el Sol (una unidad astronómica).

La materia y la energía se interconviertían constantemente la una en la otra. Por ejemplo, los quarks y los antiquarks al chocar se transformaban en fotones y los fotones al encontrarse se convertían en un par de partículas: quark - antiquark.

A ese proceso los físicos lo llaman Aniquilación. Como, en ese momento, la temperatura era del orden de 10^15 ºK entonces el proceso era completamente reversible. Los quarks se transformaban en luz (fotones) y la luz en quarks:

quark + antiquark <---> fotones

10^-6 segundos después del inicio de la gran explosión la temperatura ya había disminuido hasta unos 10^13 ºK. Esto tuvo dos consecuencias:

1. Los quarks y los antiquarks pudieron asociarse mediante la interacción nuclear fuerte dando lugar a una clase de partículas que los físicos denominan Hadrones. Los protones (p+) y los neutrones (nº) pertenecen a este tipo de partículas al igual que sus antipartículas.

2. La aniquilación dejó de ser un proceso reversible y las partículas de antimateria y de materia reaccionaron dando lugar sólo a fotones. Por ello ahora, casi no hay antipartículas en el Universo y sólo gracias a que existió un ligero exceso de materia; es que hoy encontramos unas cuantas partículas, las cuales constituyen los objetos que nos rodean y a nosotros mismos.

Escribimos «unas cuantas» porque cada una de ellas sobrevivió a la aniquilación de 10^9 partículas de materia y a otras tantas de antimateria dando lugar ese enorme número de fotones.
Por ello el Cosmos, que en ese momento era del tamaño del sistema planetario Solar, era una mezcla de hadrones (p+ y nº), leptones (e- y neutrinos), fotones y sus antipartículas.

Cuando habían transcurrido apenas tres minutos desde el big bang, el Universo estaba lo suficientemente frío (de 10^6 a 10^7 ºK) como para permitir, durante unas decenas de segundos, la asociación de cierta cantidad de protones y neutrones formando con ello los núcleos de helio (He) y si acaso, unos cuantos de Li.

Este importantísimo acontecimiento se denomina Nucleosíntesis primordial (sin- = unir, -sis = proceso). Así pues, en ese momento, el Cosmos estaba formado por una especie de gas de núcleos atómicos en expansión. ¼ de cuya masa era de núcleos de He^2+ y ¾ de núcleos de H^+. Todos ellos mezclados con una nube de electrones.

Tuvieron que pasar más de quinientos mil años (>0.5x10^5 años) para que ocurriera otro evento importante, la Formación de los átomos. Cuando la expansión disminuyó la temperatura a unos 3000 ºK los electrones pudieron formar envolturas alrededor de los núcleos de hidrógeno y helio.

Esta formación de átomos liberó una enorme cantidad de energía en forma de fotones (luz).
A partir de este momento la luz dejó de interaccionar con la materia y aquella pudo desplazarse libremente por un Cosmos conformado por un gas neutral de H y He en proporción de ¾ a ¼ y si acaso una pizca de átomos de Li.

El último proceso relevante sugerido por la teoría de la gran explosión es la Fragmentación del Universo y ocurrió mil millones de años después del inicio del Big Bang (10^9 años).

La nube de gas atómico formada tiempo antes no pudo seguir expandiéndose de manera pareja, pues la fuerza de gravedad logró romperla en trozos. Primero muy grandes, luego estos en otros más pequeños y estos últimos en otros aún más diminutos. En este momento el Cosmos estaba ya muy frío pues sólo tenía 15ºK, es decir, cerca de 258 ºC bajo cero y estaba constituido por extensas nubes de gas de H y He, de galaxias en formación (los enigmáticos cuásares) y las primeras estrellas.

Analiza la figura del inicio de esta entrada, donde tienes esquematizada a la Teoría del Big Bang como una gráfica de temperatura contra el tiempo transcurridesde el inicio de la granexplosión. Trata de recordar los eventos que sugiere la teoría y descubre como se representan en la figura.
Recuerda que eres tú quien aprende siempre y cuando tus neuronas trabajen.

Contesta las siguientes preguntas:
Escribe los símbolos de los núcleos atómicos formados en ese momento: _____________________.
Anota, también la proporción de la masa del Universo que estaba constituida por ellos: ________.
¿A qué temperatura se formaron los primeros átomos del Universo? __________________________ºK. )
¿A qué Elementos químicos pertenecían los átomos formados? _______________________________.
Cuando se formaron las galaxias y las primeras estrellas ¿Cuánto tiempo había ya transcurrido desde el inicio del Big bang? _________________________ _______________________________________.
¿Cuánto tiempo pasó antes de que se iniciara la Nucleosíntesis primordial?____________________.
¿De qué elementos químicos se formaron las galaxias y las estrellas? ___________________________.
¿Las galaxias actuales se encuentran a mayor o a menor distancia que antes? ________________.

Ahora fíjate en la gráfica del inicio de esta entrada y responde:

¿A qué distancia se encontrarán las galaxias si se alejan a una velocidad igual a 1000 Km/s? ________ megaparsecs. (Un megaparsec es una unidad astronómica equivalente a un millón de parsec, es decir cerca de 3.26 millones de años-luz de distancia)

¿A qué distancia se encontrarán las galaxias si se alejan a una velocidad igual a 500 Km/s? ________ ___________________________.

¿A qué distancia se encontrarán todas las galaxias si se alejan a una velocidad igual a cero? ___________ __________________________.

¡Claro! pues toda la materia estará en el mismo lugar. Y ¡eso ocurrió hace mucho tiempo!
Edwin Hubble descubrió ese alejamiento de las galaxias estableciendo la ley que lleva su nombre descrita en la gráfica y cuya ecuación es V=H0d. donde V = la velocidad de alejamiento de las galaxias, H0 = constante cosmológica de Hubble y d = a la distancia entre dos galaxias.

Cómo tú ya conoces estas ecuaciones:

1. V=Hod

2. V=d/t.

Y es lógico que V = V entonces tu puedes encontrar la fórmula para encontrar la edad del Cosmos con unas cuantas operaciones algebraicas de primero de secundaria. (Iguala los segundos miembros de ambas ecuaciones y despeja al tiempo «t»)

Así pues, el tiempo transcurrido desde el big bang se calcula con la ecuación: to =

Ahora, para conocer efectivamente el tiempo transcu¬rrido desde el inicio del Big bang (to) sólo necesitamos medir el valor de Ho, pero como puedes ver de la misma gráfica, los datos no tienen la exactitud adecuada para saber con seguridad el valor de la constante de Hubble (Ho) y a través de ella la "edad" del Universo que en la actualidad se estima entre los 13 y los 20 mil millones de años. Los últimos datos publicados dan una “edad” de menos de 15 mil millones de años (15 x 10^9 años). Busca esos datos de fuentes fidedignas.

Date cuenta que a lo largo del tiempo, la estructura del Universo se ha ido modificando y ha aumentado el número de niveles de organización existentes, los cuales han ido apareciendo uno tras otro debido a que el cambio en las condiciones de temperatura, presión y densidad del Universo fue permitiendo la aparición de interacciones cada vez más complejas entre sus constituyentes. De allí que eso sea congruente con la evolución química planteada por la teoría de la Síntesis abiótica.

Una lista de las pruebas científicas más importantes acumuladas puedes leerlas en la tabla

Principales pruebas de la Teoría de la Gran explosión.
Predicciones/Puebas de la Gran Explosión

1. Expansión del Universo/ Corrimiento al rojo de la luz de las galaxias. (Hubble, 1929) Interpretado con base en el efecto Doppler.

2. Nucleosíntesis de He e H a los 3 minutos de la gran explosión en una proporción de ¼ : ¾ / Composición química a gran escala del Universo, ¼ de la masa es helio y ¾ hidrógeno.

3. Formación de átomos hace aproximadamente 1 millón de años después de la gran explosión emitiendo luz./ La radiación (luz) isótropa de 2.7ºK (1965). Recientemente el satélite COBE midió la radiación con gran precisión demostrando coincidencia con la predicción

4. Existencia de sólo 3 ó 4 familias de partículas elementales (quarks + leptones)/ Mediciones hechas en el gran colisionador de protones del CERN en Ginebra demuestran que sólo hay 3 familias de partículas.

5. El Universo no puede ser más joven que sus primeras estrellas/ La edad de las estrellas más viejas conocidas de acuerdo a nuestras observaciones y de los modelos de evolución estelar está entre los 12 x 10^9 y los 17 x 10^9 años.

6. Las primeras estrellas se formaron de un gas muy pobre en elementos Z>2, puesto que la nucleosíntesis primordial duro muy poco tiempo./ La composición química de las estrellas más viejas demuestra que casi no tienen elementos más pesados que el helio.

7. Aniquilación de la materia y la antimateria con la sobrevivencia de un exceso de materia y la formación de grandes cantidades de fotones (luz). / La abundancia de fotones en el Universo es de 1 fotón por cada 109 protones y neutrones..

Llena la tabla siguiente y elabora un diagrama de flujo y envía a ambos a mi correo: govearraf@gmail.com.


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El diagrama de flujo tiene la estructura que sigue, una serie de objetos que se suceden en el tiempo devido a una serie de procesos:

objeto -----> objeto -----> objeto ----->
---->proceso ----> proceso ----> proceso

Andamio de recopilación de Información

Tiempo transcurridos desde el Big bang	Temperatura del Universo (ºK)	Tamaño del Universo	Eventos importantes	Objetos materiales existentes en cada momento
10-35 segundos
10-32 segundos
10-12 segundos
10-6 segundos
3 minutos
»106 años
»109 años