La Expansión del Universo

El universo en el que vivimos se esta expandiendo. Nosotros lo sabemos porque vemos galaxias y grupos de galaxias moviendose constantemente hacia "afuera" del universo. Esta expansion ocurre porque todo el material en el universo fue hecho en movimiento cuando se produjo el Big Bang.

Aqui hay 6 preguntas sobre el Universo y su expansion :

(1) Donde esta el centro del Universo?

No hay centro del universo porque no hay borde del universo. En un universo finito, el espacio es curvado por eso si viajas miles de millones de años luz en linea recta eventualmente terminaras donde empezaste. Es tambien posible que nuestro universo sea infinito. En ambos ejemplos, grupos de galaxias llenan el universo y se alejan entre si haciendo que el universo se expanda.

Un ejemplo de un pequeño universo que contiene solo 48 estrellas. Una nave vuela entre estas estrellas y no encuentra el borde del universo. Si sale de un lado del universo aparece en el otro lado. Las personas de la nave ve un infinito numero de estrellas a su alrededor. Este universo no tiene limites ni centro.

(2) En que lugar del Universo ocurrio el Big Bang?

Hay un concepto comun sobre el Big Bang, que fue una gran explosion que ocurrio en un lugar vacio de espacio y la explosion se expandio por el espacio vacio. Esto esta errado.

Espacio y tiempo fueron creados en el Big Bang. Al principo del universo el espacio estaba completamente lleno de materia. La materia era originalmente muy caliente y muy densa y luego se expandio y enfrio para eventualmente producir las estrellas y galaxias que vemos en el universo actual.

A pesar de que el espacio halla estado en un simple punto en el Big Bang, es igualmente posible que el espacio fuera infinito en el Big Bang. En cualquiera de los dos escenarios el espacio estaba completamente lleno de materia que se expandio.

No hay centro de la expansion, el universo se expande en todos las direcciones. Observadores en cualquier galaxia ve muchas de las otras galaxias alejandose de el.

La unica respuesta a la pregunta "Donde ocurrio el Big Bang?" es que ocurrio en todos lados del Universo.

(3) Esta la Tierra expandiendose junto con el Universo?

La Tierra no se esta expandiendo al igual que el Sistema Solar, tampoco la Via Lactea. Estos objetos formados bajo la influencia de la gravedad han cesado su movimiento expansivo. La gravedad tambien mantiene juntas a las galaxias en grupos o clusters. Principalmente estos grupos son los que se alejan en el Universo.

4) Que existe fuera del Universo?

El espacio fue creado en el Big Bang. Nuestro Universo no tiene bordes - por lo tanto no hay "afuera". Es posible que nuestro Universo sea parte de una infinidad de Universos, pero que estos Universos no necesariamente necesiten "espacio".

(5) Que existia antes del Big Bang?

El tiempo fue creado en el Big Bang - no sabemos si existia antes. Esta pregunta es muy dificil de contestar. Algunas teorias sugieren que nuestro Universo es parte de una infinidad de otros Universos ( llamado un "multiverso" ) que son continuamente creados. Esto es posible pero muy dificil de probar.

(6) Si el universo tiene 15 mil millones de años, como una galaxia pudo haber viajado mas de 15 mil millones de años luz?

Es probable que nuestro Universo sea infinito y que estaba lleno de materia al momento del Big Bang. En el universo de los comienzos es muy posible que todo se expandiera mucho mas rapido que la velocidad de la luz. Es tambien posible "inflar" el espacio para que de esa forma el espacio entre las particulas se incremente enormemente.

Imaginemos que las galaxias son como bolas en una manta de goma, si nosotros estiramos la manta, las bolas se alejaran. No hay limites en cuan rapido el espacio puede expandirse.

El espacio es la geometria del universo. Cambios en el tamaño o forma del espacio ocurre por el movimiento de la materia y de la energia en el Universo.

En esta sección corresponde estudiar cómo se construye matemáticamente una ecuación dinámica del universo. Para ello, partamos introducciendo las componentes de la métrica RW en la ecuación tensorial de Einstein. En este proceso, nos encontraremos con que esa ecuación se simplifica considerablemente y sólo conserva dos componentes:

[11] (dR/dt)²/R² + k/R² = 8pGr/3

He aquí, la «ecuación dinámica del universo». Ella entrega la relación entre la materia-energía (representada por la densidad de energía r) y la geometría del espacio. Su formulación es igual a la de su homóloga newtoniana (ecuación [3]), pero su interpretación es diferente. El componente (dR/dt)²/R² de dimensión [t]-² se puede interpretar como una curvatura del tiempo. En consecuencia, de nuevo nos encontramos con la idea general de la relatividad: la materia (componente de la derecha) curva el espaciotiempo (componente de la izquierda). Con respecto al término kR², éste representa la curvatura espacial.

Se llama densidad crítica r_c a la correspondiente a k =0 y, en la ecuación [11] está su definición: (dR/dt)²/R² º 8pGr_c/3. Esta densidad sirve para normalizar las densidades cosmológicas: se expresa W_i = r_i/r_c la relación entre una densidad r_i y la densidad crítica.

Ahora bien, en el modelo newtoniano el futuro del universo se encuentra determinado por el valor de k y, si k = -1, es infinita en el tiempo; entonces las galaxias se alejan indefinidamente. Por el contrario, si k = 1, el universo terminará por contraerse sobre sí mismo. Cuando se da el caso de k = 0, ello corresponde a un universo de volumen infinito y de curvatura nula, o sea, de una geometría plana y de una duración en el tiempo infinita.

Estamos aquí frente a una ecuación de gran trascendencia cosmológica. En primer lugar, ella nos dice que un universo que sólo contiene energías cinéticas y gravitatorias no es estático. Por otra parte, como su equivalente newtoniana, iguala la derivada temporal del parámetro de expansión (dR/dt) a una sumatoria de términos que no guardan ninguna relación para ser nula.

Para Einstein, lo anterior, era indeseable para su formulación matemática. En consecuencia, agrega a su ecuación tensorial un nuevo término L g_mn, donde L es la constante cosmológica:
[12]
S'_mn = S_mn + L g_mn = GT_mn
En el plano geométrico, el término introducidos por Einstein da al universo una curvatura intrínseca. Ella caracterizaría el espacio de un universo vacío, o sea, T_mn = 0.
Ahora, la ecuación dinámica para un modelo homogéneo, entonces, se estructura de la siguiente forma:
[13]
(dR/dt)²/R² + k/R² = 8pGr/3 + L/3
se trata de una ecuación que ya vimos en el modelo newtoniano, pero que aquí posee una fuerza adicional.

En el desarrollo matemático que realiza Einstein sobre esta materia, asume la decisión arbitraria de dar a L el valor exacto requerido para obtener dR/dt = 0. Al hacerlo, aparentemente sin advertirlo, pasa sin más junto a un descubrimiento importante: la evolución del cosmos. Más adelante, veremos que la solución de Einstein no tiene nada de estable. Incluso si L es arbitrariamente elegida para neutralizar la expansión observada, ya que cualquier perturbación, por insignificante que ella sea, bastará para provocar un desequilibrio e inducir un movimiento de conjunto (expansión o contracción). Por añadidura, las observaciones de Hubble muestran, algunos años después, que (dR/dt)/R › 0.

Con la ecuación de conservación del tensor energía-momento de la relatividad general (ecuación [7]), aplicada al universo isótropo y homogéneo, se halla la ecuación termodinámica del Big Bang:
[14]
dr/dt + 3(r + P) (dR/dt)/R = 0
Al igual que su equivalente newtoniana, vincula la variación de la densidad de energía a la ecuación de estado de la materia cósmica.
Es necesario subrayar aquí algo que nos va a ser de mucha utilidad más tarde: un universo estático (dr/dt = 0) exigiría la existencia de una presión negativa, dada matemáticamente por P = -r. Con semejante estado, una ecuación de esas características es de aplicación en el dominio de las energías cuánticas.

El modelo matemático, que hemos estado describiendo en las secciones anteriores, podemos adaptarlo para realizar las observaciones astronómicas con el objeto de estudiar el pasado del universo. En efecto, se asignan a cada galaxia coordenadas espaciales fijas (coordenadas comóviles) r_g, q_g,F_g. Seleccionemos dos galaxias separadas por la distancia r sobre la métrica. En el instante t₁, si r « R_c su distancia física es d₁ = rR₁. La expansión del espacio arrastra las galaxias. Entre los tiempos t₁ y t₂, su distancia aumenta hasta d₂/d₁ = R₂/R₁.

Desde los trabajos de Hubble a la fecha, las observaciones que se realizan a las galaxias muestran que la luz que emiten éstas se desplaza hacia el rojo. Una radiación emitida con la longitud de onda l_e en el instante t_e es recibida con la longitud de onda l₀, o sea, ahora. Se define Z, el factor de desplazamiento, por:

[15]
1 + Z = l₀/l_e

En que las longitudes de ondas son afectadas por la expansión del espacio como a la distancia entre las galaxias. Para demostrarlo, recordemos que los fotones siguen trayectorias caracterizadas por la expresión ds² = 0 (ecuación [9]). La distancia física cdt recorrida por un fotón en un tiempo dt está dada por la ecuación [10]. Es decir, un fotón emitido en r_e, t_e y recibido por el observador (r₀ = 0) en el tiempo t₀. La distancia recorrida (sobre la métrica) por este fotón durante su trayectoria está dada por:
[16]
donde S(x) = seno x,x, shx en que k = 1, 0, -1, respectivamente.
Ahora bien, para poder unir el enrojecimiento de las galaxias con la geometría del universo en expansión, debemos considerar la emisión de dos máximos de una onda luminosa, en los instantes t_e y (t_e + l_e/c). El primer máximo nos llega en t₀ y el segundo en t₀ + dt₀ = (t₀ + l₀/c₀). Integrando la ecuación [16] para las dos emisiones y restando, se obtiene la relación l₀/R₀ = l_e/R_e y entonces:
[17]
1 + z = l₀/l_e = R₀/R_e

Donde el factor R(t) describe la expansión del espacio en que las galaxias están situadas (y con relación al cual están casi inmóviles). La definición de z muestra el efecto de esta expansión en las longitudes de onda luminosas, igual como si éstas participaran en los mismos efectos de ella.

Aprovechemos la ocasión para señalar que el factor z se ha transformado en uno de los parámetros más útiles de la cosmología, ya que posibilita el poder determinar el incremento de la distancia entre dos galaxias. Por ejemplo, si un quásar de z = 4 se halla hoy a una distancia d₀, entonces cuando emitió la luz l_e que recibimos con l₀, se hallaba a d_e(z)/d₀ = (1 + z)^-1, o sea, a un 20% de la distancia donde se le ubica actualmente. A medida que tiene lugar esta expansión, las densidades numéricas n(z) de partículas estables varían como n(z) = n₀(1 + z)³.

Aunque anteriormente ya lo expresamos, más adelante estudiaremos matemáticamente que durante la mayor parte de la historia del universo, la temperatura de la radiación varía con la inversa del factor de escala: T_e/T₀ µ R₀/R_e. La densidad de energía de la radiación r(T) está dada por r(T_e)/r(T₀) = (T_e/T₀)⁴ = (1 + z)⁴.

¿Puede la imagen de una galaxia desmenuzar el tejido espacio-tiempo?

La definida imagen de una galaxia que flota a medio camino de un parte a otra del Universo, podría hacer trizas las modernas teorías sobre la estructura del espacio y el tiempo, y variar el modo en que los astrofísicos ven el Big-Bang, de acuerdo con dos científicos de la Universidad de Alabama en Hunstville (UAH).

Sus hallazgos pueden proporcionar tambien importantes pistas (y causar un cataclismo en torno al tema en cuestión) respecto a los intentos de fusionar las dos teorías científicas principales desarrolladas durante la última centuria: la teoría de la Relatividad General de Einstein, y la teoría cuántica de Planck.

Empleando imágenes tomadas por el Telescopipo Espacial Hubble de galaxias situadas al menos a 4.000 millones de años-luz de la Tierra, los doctores Richard Lieu y Lloyd Hillman, de la UAH, realizaron algunos ensayos para probar una popular teoría de la moderna física cuántica: el tiempo fluye en porciones cuánticas increíblemente reducidas, pero finitas y medibles.

Lieu y Hillman buscaron en la imágenes del Hubble determinados patrones, que no deberían aparecer si las nociones que prevalecen sobre tiempo cuántico fuesen correctas. Lieu, uno de los investigadores, habría anticipado con seguridad, que estos rasgos no se mostrarían. En lugar de ello, cada imagen mostraba inesperadamente un agudo patrón de interferometría, un anillo alrededor de la galaxia.

A partir de estos datos, el equipo de la UAH fue capaz de determinar que la velocidad de esa luz no fluctuó más que unas pocas partes en 10^-32 a medida que viajaba a través del Cosmos. Esta medida es significativamente más exacta de lo que sería posible si las teorías cuánticas de tiempo y espacio fuesen correctas.

Este descubrimiento creará problemas a los astrofísicos y cosmólogos que están de acuerdo con la teoría de Einstein en que el tiempo, la gravedad y el tejido del espacio, son manifestaciones distintas de un mismo fenómeno, un poco como el trueno y el relámpago son diferentes señales de una tormenta. Más recientemente, cuando los científicos teorizaron respecto a los cuantos de energía que constituyen la gravedad, denominados gravitones, adquirió sentido pues la idea de que el tiempo y el espacio tambien se componen de porciones cuánticas afines.

Todo ello nos lleva a las nociones de tiempo y espacio de Planck: las menores medidas de tiempo y distancia. Ambas se basan en cálculos de la radiación más energética teóricamente posible. En un segundo hay 5x10^-44 intervalos de tiempo de Planck. La longitud de Planck es la distancia que un rayo de luz recorre en ese tiempo: 10^-33 centímetros.

Al unir el concepto de gravitones con la medida de tiempo más corta posible, la teoría cuántica sostiene que el tiempo se movería en piezas de minúsculo tamaño, porciones de tiempo de Planck, como los granos que atraviesan caóticamente un reloj de arena, o una secuencia de agitadas tomas congeladas que en promedio duran un tiempo de Planck, en vez de un flujo continuo sin "costuras".

El tiempo y distancias menores que la escala de Planck están "borrosos" ya que no pueden ser medidos. Si hay un límite finito para las unidades más pequeñas de tiempo y espacio, significa entonces que existen límites para la precisisión con que los científicos podrán medir cosas tales como la velocidad de la luz.

Esta limitación abre una posibilidad para las fluctuaciones en la velocidad de la luz a la escala de Planck; pero al resultar ínfimas en extremo, sólo se tornarán evidentes en luz que haya viajado a través de enormes distancias. Un prolongado viaje ofrece una oportunidad a las ligeras variaciones de velocidad de desplegarse y hacerse perceptibles. Se trata del mismo principio que puede aplicarse a los acontecimientos deportivos: por ejemplo, un corredor más veloz que sus oponentes en un 1%, ganará una carrera de 100 metros con una ligera ventaja, que se hace notar tan sólo a través de una instantánea fotográfica; en cambio, este corredor en una marathon se encontrará cientos de metros por delante de sus contrincantes cuando finalice la carrera.

Después de miles de millones de años, los componentes más veloces de una onda de luz estarán en cabeza bastante alejados, y los componentes lentos retrasados, y entonces el frente de onda de la luz se encontrará lo suficientemente distorsionado (desdibujado) para que el efecto pueda ser observado y medido a través de un telescopio. Éste era el tipo de distorsión que Lieu y Hallman esperaban hallar en las imágenes del Hubble. El hecho de no encontrarla, significa que el tiempo no es una función cuántica, y se desliza fluídamente a intervalos infinitamente menores que el tiempo de Planck.

Si el tiempo no se convierte en algo "borroso" por debajo del intervalo de Planck, este descubrimiento puede representar problemas para varios modelos astrofísicos y cosmológicos. La teoría del Big-Bang supone que en el instante de la creación, la densidad y temperatura de la singularidad que se transformó en el Universo, deberían haber sido infinitas. Para evitar este complicado problema, los teóricos recurrieron al tiempo de Planck: si el instante de la creación fue tambien un evento cuántico, cuando ambos, espacio y tiempo, estuviesen desfigurados, no serían necesarias una densidad y temperatura infinitas al comienzo del Big-Bang.

Si realmente el tiempo corre de este modo hacia delante incluso a escalas de Planck, se hace necesario reconciliar el modelo del Big-Bang con un acontecimiento que no está justo fuera de escala: permanece en el infinito.

	¿Dónde ocurrió el Big Bang? por Gonzalo Esteban López

La mayoría de nosotros, pensamos que el Big Bang fue una explosión en un punto a partir de la cual se creó todo el resto del Universo. Es decir, todos creemos que al principio todo era espacio vacío, y que de repente, en un cierto punto del Espacio ocurrió la gran explosión, el Big Bang, y la materia se empezó a expandir por todo ese espacio vacío. Pues bien, la pregunta lógica que cualquier persona se puede hacer es: ¿Dónde se encuentra el centro del Universo?, ¿Dónde se encuentra ese punto donde ocurrió el Big Bang?, ¿Hacia donde tengo que mirar cuando dirijo mi vista al cielo?.

Bien, antes de responder a esta pregunta tengo que aclarar un par de detalles. Lo que voy a contaros en mi respuesta es simplemente una aclaración de la teoría del Big Bang, pero, ni todos los científicos del mundo coinciden en que esta es la teoría correcta, ni todos los científicos que creen en ella están de acuerdo en el valor de muchos de los parámetros que la definen. Estamos hablando de Cosmología, del Universo entero, de sus orígenes, cuestiones en las que es muuuy difícil obtener datos, que además suelen llevar grandes errores por la dificultad que entraña su medición. ¿Que quiero decir con esto?, que la teoría del Big Bang o teoría Estándar es, actualmente, la más aceptada, porque es la que ha obtenido una mayor confirmación por los datos experimentales, sin embargo, no tiene por que ser la correcta, quien sabe. Ahí queda eso.

Una vez dicho esto, podemos abordar la anterior cuestión, ¿En qué punto ocurrió el Big Bang?. La respuesta, es que ese punto no existe, el Big Bang sucedió en todos y cada uno de los puntos del Espacio a la vez. Toma ya.

Me explico, la idea de que toda la materia del Universo estaba concentrada en único punto del Espacio es errónea. Lo que la teoría del Big Bang dice es que, entonces todo el Espacio estaba concentrado, y que se produjo una explosión del mismo espacio. De esta forma, no es la materia la que se expande, sino el mismo espacio. En la figura de abajo se puede observar mejor lo que quiero decir.

Incorrecto: el espacio es estático y las galaxias se expanden en él.

Correcto: el espacio es dinámico y las galaxias se expanden con él.

En cada punto del espacio se ¡creaba! más espacio, y aún en la actualidad esto sigue ocurriendo. En principio, y debido a la atracción gravitatoria de la materia entre si, la expansión del espacio se va frenando según pasa el tiempo, aunque otra posibilidad que también se baraja (debido a recientes resultados experimentales) es la de que la expansión se acelera en el tiempo, debido a una especie de gravedad negativa llamada Energía Oscura. Pero todavía no se tiene claro si el Universo llegará a pararse y volverá a contraerse o por lo contrario si seguirá expandiéndose eternamente. De este modo toda zona se aleja del resto de zonas del Universo a una velocidad proporcional al espacio existente entre ellas, es decir, a su distancia (Famosa "Ley de Hubble" sacada de los datos experimentales).

En fin, en este artículo solo quería aclarar ese concepto de la Teoría del Big Bang. No me voy a extender más. Si queréis que profundice más en algo de lo que he comentado, o en algún otro tema en particular, escribidme, haré los artículos sucesivos en función a vuestras peticiones

BIG BANG. ORIGEN DEL UNIVERSO

Según la hipótesis que planteo en estas páginas, el origen de nuestro universo sería una partícula de Planck con densidad de energía 1,23 10⁹³ g/cc, Radio longitud de Planck y edad tiempo de Planck, generada por el colapso de una estrella masiva en el núcleo de una galaxia joven en un universo mas antiguo que el nuestro del que seríamos "hijo". Este fenómeno sería facilmente asimilable a lo que ahora podemos observar como cuasar. Con un simple cálculo, podemos ver que durante el primer segundo el universo creció hasta 2 10³⁸ g. Si calculamos las temperaturas en diversos momentos de su historia (cada momento se caracteriza por un número entero N) conociendo la densidad r = 3 m_p / 8 p N² l_p³, podemos verificar que las temperaturas se corresponden fielmente a las teóricas del universo según la versión standard del Big Bang

Podríamos considerarlo como el momento de la concepción de un universo. A continuación trataré de dar una interpretación de los resultados encontrados en los epígrafes anteriores.

La hipótesis en la que se basa este modelo propone un universo con 6 dimensiones macroscópicas, tres temporales y tres espaciales y otras tres microscópicas. Estas dimensiones nacen a partir de la aparición de los diversos tipos de sucesos, es decir, el devenir histórico del universo no sería una sucesión de sucesos desarrollados en estas dimensiones, sino el surgimiento de diversos tipos de sucesos que darán lugar a la dimensionalidad del universo al ser observados (las interacciones son los mecanismos de observación), las dimensiones de los universos son parámetros que permiten describir los sucesos.

No todos los sucesos debieron surgir al inicio del universo. El primer suceso (Big Bang) define la coordenada cosmológica t₃ y es generado por la interacción unificada (interacción entre universos). Posteriormente nace la interacción gravitatoria, ésta da lugar a la aparición de sucesos gravitatorios (redistribución de las densidades de energía) definiendo la coordenada gravitatoria t₁ y las espaciales x, y y z. Durante un determinado tiempo (medido sobre t₃) el universo careció de cualquier otro tipo de suceso, desde el punto de vista de la historia de los sucesos electromagnéticos (coordenada t₂) este periodo puede ser identificado con el periodo inflacionario propuesto por Alan Guth. Este periodo, medido sobre la coordenada cosmológica, pudo durar 19.000 millones de años, no existirían las cargas eléctricas y durante él pudieron formarse grandes acumulaciones de energía precursoras de las actuales galaxias. Al llegar al tamaño adecuado (ver epígrafe 12), surgió la flecha del tiempo electromagnética (coordenada t₂) y con ella las cargas electricas, las acumulaciones de energía anteriores se convirtieron en pequeños Big-Bang. Las ondas de choque al encontrase unas con otras generaron las estructuras a gran escala formando las galaxias que se observan ahora. Los sucesos en el ámbito de las partículas elementales (interacciones fuerte, débil y electromagnética), como he indicado antes, surgieron posteriormente en el momento en que nacieron las cargas de color, débiles y eléctricas (ver epígrafe 12), es decir, en el momento en que pudo instaurarse flechas del tiempo en cada ámbito (roturas de simetrías). El concepto tiempo en este caso se refiere a la "función tiempo", para los quarks en el interior de los hadrones, nuestro espacio tridimensional es su tiempo tridimensional. El estado del universo posterior a la instauración de estas flechas del tiempo se caracteriza por su carácter estacionario. Encontrandonos actualmente en uno de estos estados estacionarios. Este proceso es similar al que sufren un protón y un electrón al formar un átomo.

Esta instauración de flechas del tiempo (roturas de simetrías) implica la definición de todos los sucesos, de todas las cadenas de causa-efecto desde el comienzo hasta el final de todas las historias. Con el Big Bang se crearon todas las posibles Historias. Este modelo compatibiliza la interpretación de Coppenagüe de la mecánica cuántica con la interpretación transaccional de John Cramer y con la de múltiples mundos de Everett-Wheeler. También explica la no localidad del Universo.

Sin embargo, desde nuestro punto de vista como observadores en el tiempo t₂, el universo aparece en expansión con un aparente freno geométrico gravitatorio. Si hacemos el esfuerzo de imaginarnos el aspecto del universo como observadores en el tiempo t₁, nos daríamos cuenta de que en este nuevo universo el aspecto es en contracción con un aparente freno geométrico electromagnético. ¿Cuál es el aspecto "real" del universo?. Si recordamos el epígrafe 1, las partículas 1/2 masa de Planck, que sirven de portadoras de la interacción entre universos, entran con energía mecánica total nula. Este hecho unido a la criticidad intrínseca que propone este modelo para la energía total del universo respalda la asunción del estado estacionario como la mejor descripción para nuestro universo actualmente.

La propuesta cosmológica del modelo Universo Viviente podríamos resumirla de la siguiente forma: El Universo nació al eclosionar un agujero negro en nuestro Universo madre, este suceso se puede identificar con el Big Bang y generó la coordenada cosmológica t₃ y las espaciales. Creció hasta alcanzar diversos estados estacionarios (estáticos) de equilibrio entre la interacción con su Universo Madre y la interacción con sus diversos Universos hijos (nucleos de galaxias), estos estados estacionarios permiten la aparición de sucesos electromagnéticos y gravitatorios generando las coordenadas temporales electromagnéticas y gravitatoria, en la primera se observa al universo en expansión en la segunda se observa al universo en contracción. Actualmente nos encontramos en el último estado estacionario.

Después del Big Bang

A través de la constante de Hubble se puede determinar matemáticamente la edad del universo, ya que la inversa de ese valor es de unos 15 mil millones de años; que es el tiempo transcurrido desde el primer gran estallido, el Big Bang hasta la época actual. El Big Bang fue bautizado por el astrónomo inglés Fred Hoyle en 1950 como el instante inicial de la gran explosión que habría dado comienzo al espacio y al tiempo.

Sea cual fuera el mecanismo que dio inicio al Big Bang, éste debió ser muy rápido: el universo pasó de ser denso y caliente (instante "cero" del tiempo) a ser casi vacío y frío (instante actual). De la situación del universo antes del Big Bang no se sabe nada, ni siguiera puede imaginarse cómo comenzó. Puede estimarse que antes de conformadas las galaxias, la densidad de materia del universo habría sido infinita o extremadamente grande; por lo tanto, el análisis del universo puede iniciarse un instante después del Big Bang, en el cual la densidad resulte ahora finita, aunque extraordinariamente enorme Algo similar se puede decir con respecto a la temperatura. En las regiones de mayor temperatura se acumuló la materia que luego dio origen a las galaxias y posteriormente a las estrellas. Se pueden analizar los procesos físicos que se desarrollaron después del Big Bang desde el tiempo de 10^-43 seg después del inicio del universo.

Al momento del Big Bang las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravitación, fuerza fuerte, electromagnetismo, fuerza débil formaron una única fuerza, la superfuerza, que a medida que el universo se expande se separan una de otra. Luego aparecen los protones y neutrones que componen los núcleos del hidrógeno, deuterio, helio y litio. Al proseguir el enfiriamiento del universo los electrones se unen a los núcleos átomicos y forman los átomos neutros. Posteriormente la radiación y la materia que cubren todo el universo se separan, lo que se define como el descople. Aparecen luego las galaxias, las estrellas y los planetas.

En ese momento junto a la materia no condensada, debió existir un campo de radiación tan intenso cuyos residuos deberían poder observarse en la actualidad. Al respecto surge un dato observacional importante: en 1965 A. Penzias y R.Wilson detectaron una radiación en las longitudes de onda de radio, que corresponden a una temperatura extremadamente baja: unos

(T = 3 K, donde "K" es el símbolo de las temperaturas en la escala Kelvin, donde el "cero" corresponde a -273ºC).

Esa radiación predicha por G.Gamow en 1948 se conoce como radiación cósmica de fondo y se supone que se habría generado cuando en el universo se desacopló la radiación de la materia. Tenía una edad de unos 300.000 años y una temperatura de unos 3000 K. En aquel momento todavía no se habían formado ni las galaxias ni las estrellas ni los planetas.

Una característica de esa radiación es que se distribuye de manera uniforme en todo el cielo, sin que se note ninguna dirección preferencial; a propósito, es una de las pruebas convincentes de que el Big Bang realmente sucedió fue la detección de esa radiación de fondo abarcado todo el espacio. El estudio de esa radiación permite obtener información sobre las condiciones del universo en sus comienzos; por ejemplo, el satélite COBE encontró en 1992, tenues fluctuaciones de temperatura en la radiación de fondo, las que se han interpretado también como una confirmación de que el Big Bang existió. Esas fluctuaciones de radiación indican variaciones de densidad de la materia.

Las abundancias observadas de hidrógeno, deuterio, helio y litio en las nebulosas gaseosas y en las estrellas coinciden con las estimadas en los procesos de evolución del universo, lo que confirma también la existencia del Big Bang.

A continuación se mencionan los principales fenómenos ocurridos luego del estallido inicial de acuerdo a las modernas teorías cosmológicas. (Se indica con T la temperatura del universo en ese instante).

Instante	Acontecimiento
0	Big Bang. Origen del tiempo, el espacio y la energía del universo que conocemos.
10^-43 seg	Instante después del Big Bang en que puede analizarse los procesos físicos que se desarrollaron posteriormente. T =10³² K
10^-36 seg	Se separa la fuerza fuerte. El volumen del universo comienza una muy rápida expansión: es el universo inflacionario.T = 10²⁷ K
10^-32 seg	Termina la época inflacionaria. Plasma ionizado de materia y radiación. T = 10²⁶K
10^-12	Separación de la fuerza débil del electromagnetismo. T = 10¹⁵K
10^-6	Los quarks se unen de a tres para formar protones y neutrones. T = 10¹³K
10^-2 seg	Una sopa de materia y radiación interaccionan en equilibrio térmico.T = 10¹¹ K
1 seg	Aparecen los neutrinos. T= 10¹⁰ K
10² seg	Protones y electrones forman los primeros átomos de hidrógeno. T = 10⁹ K
10³ seg	Los protones y los neutrones se unen, formando núcleos de helio. El universo ahora está compuesto de un 25% de núcleos de helio y un 75% de hidrógeno. T = 10⁸K
1 año	La temperatura ambiente del universo es aproximadamente la del centro de una estrella. T= 10⁷K
5.10⁵ años	Origen de la radiación cósmica de fondo. En lo sucesivo, la materia puede condensarse en galaxias y estrellas. T = 10⁵K
10⁹ años	Aparecen las protogalaxias y se forman los cúmulos globulares. Comienza la época de los quásares. T = 10² K
10¹⁰ años	El Sol y los planetas se condensan a partir de una nube de gas y polvo en un brazo espiral de la Vía Láctea.
3.10¹⁰ años	La Tierra se ha enfríado lo suficiente para formar una corteza sólida; es la edad de las más antiguas rocas terrestres.

LOS PUNTOS DÉBILES

DEL MODELO DEL BIG BANG

A pesar de la consistencia lógica y el éxito predictivo del modelo estándar para el período que sigue al primer centésimo de segundo posterior al big bang quedan preguntas que atañen al estado inicial del universo para tiempos anteriores (quizá hasta su estado inicial) y que –aparentemente- deben ser contestadas por las cosmologías cuántica y de partículas. Estas son algunas de las preguntas:

El Problema de la Geometría y la Edad del Universo: Cómo es que la densidad de material del universo es tan cercana al valor crítico?

El Problema del Horizonte: Si nos detenemos a pensar un poco observaremos que la homogeneidad e isotropía del universo implican que las propiedades de regiones causalmente desconectadas (es decir sin eventos comunes) del universo son las mismas, cómo es posible que esto ocurra?, El problema se nota más al considerar el CMB cuyas variaciones son de aproximadamente 1 parte en 10.000.

El problema de la Materia Oscura: De qué está hecho el universo?, falta materia?.

El Problema de las Fluctuaciones de Densidad: Es claro que las fluctuaciones en la densidad que dieron origen a la formación de galaxias tienen su origen en un futuro tan remoto que el modelo estándar no puede decir nada al respecto, así que debemos preguntarnos: cuáles (y cuando actúaron) serán los fenómenos físicos que dieron pie a la aparición de tales fluctuaciones ?

El problema de la Constante Cosmológica: Como podemos explicar el hecho de que la constante cosmológica es 120 ordenes de magnitud más chica que lo que se estima al aplicar (crudamente) la mecánica cuántica a la teoría de Einstein?

El problema de las Reliquias Exóticas: Las transiciones de fase durante el período primordial del universo debió dar lugar a la aparición de defectos topológicos (como por ejemplo monopolos), por qué no los detectamos hoy día?.

El Problema de la Singularidad: Cuál es la descripción del universo en el instante inicial: t=0?

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