por Hugh Ross
La cosmología del big bang es un tema explosivo. En el último siglo han surgido reacciones acaloradas -y una enconada resistencia- de direcciones opuestas pero, irónicamente, por el mismo tipo de razones: razones religiosas. Un grupo de opositores al big bang incluye a quienes entienden las implicaciones de la teoría; el otro, a los que las malentienden.
Las personas del primer grupo entienden que el big bang niega el concepto de un universo no creado o autoexistente. La teoría del big bang, basada en datos acumulados durante siglos, apunta a un inicio sobrenatural y un Iniciador con propósito (por lo tanto, personal) y trascendente (más allá de los límites del espacio, el tiempo, la materia y la energía). Evidentemente quienes rechazan la realidad de Dios o la posibilidad de conocer a Dios encuentran que esta idea es repugnante, una afrenta a su cosmovisión filosófica. Es también ofensivo para quienes escriben universo con U mayúscula, que han sido entrenados para ver al universo como la realidad última y como la totalidad de todo lo que es real. De nuevo, su respuesta es religiosa.
Las personas del segundo grupo odian al big bang porque piensan, erróneamente, que argumenta a favor de, en vez de en contra de, una teoría de los orígenes sin Dios. Asocian al "big bang" con el azar ciego. Lo ven como una explosión aleatoria, caótica y no causada, cuando en realidad representa exactamente lo opuesto. Rechazan la fecha que da para el principio del universo, pensando que reconocer unos pocos miles de millones de años significa desacreditar la autoridad de sus libros sagrados, sea el Corán, el libro de Mormón o la Biblia.1,2 Comprensiblemente, estas personas predicen la destrucción final de la teoría o escogen vivir con una contradicción en el centro mismo de su sistema de creencia.
A pesar de la oposición de sus enemigos declarados, los elementos fundamentales del modelo del big bang - en realidad, un racimo de modelos que difieren ligeramente entre sí-permanecen firmes. De hecho, están más firmes ahora que nunca, con la ayuda de sus aliados más poderosos e importantes: los hechos de la naturaleza y las maravillas tecnológicas que los traen a luz, así como los hombres y mujeres que buscan e informan estos datos.3 Las siguientes páginas son un resumen de los datos acumulados que apoyan al big bang, prestando atención especial a ocho de las confirmaciones más recientes e importantes.
Un término problemático
El big bang (en inglés, "gran explosión") NO es una gran explosión, de la forma que lo entiende la mayoría de los legos. Esta expresión evoca imágenes de estallidos de bombas o explosiones de dinamita. Una "explosión" de este tipo produciría desorden y destrucción. En realidad, esta "explosión" representa una liberación inmensamente poderosa pero cuidadosamente planeada de materia, energía, espacio y tiempo dentro de los límites estrictos de constantes y leyes físicas que tienen un cuidadoso ajuste fino que rigen su comportamiento y sus interacciones.4 El poder y el cuidado que revela esta explosión excede el potencial de diseño humano en varios órdenes de magnitud.
Entonces, ¿por qué usan este término los astrónomos? La respuesta más sencilla es que, para bien o para mal, cuesta sacarse de encima un apodo. En este caso, el término no vino de los proponentes de la teoría sino, más bien, como uno podría suponer, de un oponente hostil. El astrónomo británico Sir Fred Hoyle acuñó la frase en la década de 1950, en un intento de ridiculizar al big bang, el prometedor contendiente de su hipótesis del "estado estacionario". Él se oponía a toda teoría que pusiera el origen o Causa del universo fuera del universo mismo y, por lo tanto -de acuerdo con su forma de pensar- fuera del dominio de la investigación científica.5
Por la razón que fuera, tal vez por su sencillez o por su aliteración pegajosa, el término se mantuvo. Nadie encontró un rótulo más fácil de recordar y más breve para "la expansión cósmica precisamente controlada a partir de una 'semilla' infinitamente o casi infinitamente compacta y caliente, traída a la existencia por un Creador que vive más allá del cosmos". Lo preciso pero inmanejable dio lugar a lo manejable pero desorientador.
Una multiplicidad de modelos
Los primeros intentos de describir el universo del big bang -tanto como una docena- demostraron ser sólidos en sus trazos amplios y sencillos, pero débiles en sus detalles complejos. Así que han sido reemplazados por modelos más refinados. Los científicos están acostumbrados a este proceso de proponer y refinar modelos teóricos. Los periodistas -y aún los escritores de libros de texto- a veces entienden mal, sin embargo, y sin darse cuenta distorsionan lo que está ocurriendo.
Los informes del derrocamiento del "modelo estándar del big bang" ilustran este punto. Ese modelo, desarrollado en la década de 1960, identificó a la materia como el factor que determina la velocidad a la que el universo se expande desde su punto de partida. También suponía que toda la materia del universo es materia ordinaria, el tipo que interactúa de formas conocidas con la gravedad y la radiación. Descubrimientos posteriores mostraron que la situación es mucho más compleja. La materia es sólo uno de los determinantes de la velocidad de expansión, y hay un tipo de materia extraordinaria (llamada materia "exótica") que no sólo existe sino que influencia más fuertemente el desarrollo del universo que la materia ordinaria.
La información de la destrucción del modelo del "estándar del big bang" fue interpretada por algunos lectores como el fin del big bang. Por el contrario, los descubrimientos que contradijeron el modelo estándar dieron lugar a un modelo más robusto -en realidad, un conjunto de modelos que intentan contestar nuevas preguntas. Más de una vez, a medida que uno de estos modelos era reemplazado por una variante más refinada, aparecían noticias que proclamaban la destrucción de la teoría del big bang, cuando tendrían que haber especificado que se trataba de un modelo del big bang.
Actualmente los cosmólogos (las personas que estudian el origen y las características del universo) están investigando al menos tres o cuatro docenas de variaciones más nuevas sobre el tema del big bang. Los científicos esperan que surjan aún más variantes a medida que los avances tecnológicos ponen más datos a su disposición. Esta proliferación de modelos del big bang con ligeras variaciones en realidad habla de la vitalidad y viabilidad de la teoría.
Tiene sentido que los primeros modelos propuestos hayan sido simples y esquemáticos. Las observaciones en ese momento, si bien adecuadas para apoyar los principios fundamentales del big bang, eran insuficientes para explorar y explicar los detalles. A medida que las evidencias se han vuelto más numerosas y más precisas, los astrónomos han descubierto detalles y sutilezas adicionales, características que estaban previamente más allá de su capacidad de discernimiento.
Detalles nuevos, por supuesto, significan "reconstrucciones" más precisas de lo que realmente ocurrió "en el principio". Cada generación de modelos más nuevos y más detallados del big bang permite a los investigadores hacer predicciones más precisas de lo que debería descubrirse con la ayuda de nuevos instrumentos y técnicas.
A medida que cada ola de predicciones demuestra ser verdadera, los investigadores adquieren una mayor certeza de que están en la pista correcta, y obtienen nuevo material con el cual construir modelos más precisos e intrincados. La verificación de estos modelos, a su vez, da lugar a un nuevo nivel de certeza y una nueva generación de predicciones y avances. Este proceso ha sido constante por varias décadas ahora, y sus éxitos están documentados no sólo en revistas técnicas sino en titulares de periódicos en todo el mundo.
Reseña de las evidencias del big bang
La mayoría de los libros de textos actualmente en uso en las escuelas medias, institutos de enseñanza secundaria y universidades describen sólo tres o cuatro evidencias que apoyan la cosmología del big bang. Esta lista breve tiene sentido para un científico, que no ve ninguna necesidad de reiterar evidencias a favor de una tierra redonda o de los protones y electrones. Pero a los científicos que escriben libros de texto tal vez les falta ser conscientes de las nubes de duda y confusión que aun sobrevuelan las mentes de los no científicos.
Un propósito de este artículo es ayudar a salvar la brecha entre las fronteras de la ciencia y la comprensión popular. Este propósito, sin embargo, sólo puede ser realizado parcialmente en el ámbito de una revista. El espacio no nos permite dar una explicación o siquiera una descripción adecuada de cada descubrimiento que apoya al big bang. Sí permite dos cosas, sin embargo. Primero, permite dar una simple lista de treinta evidencias (citando una o dos fuentes primarias y una fuente secundaria que da una lista amplia de otras fuentes primarias), demostrando la amplitud y profundidad de esa evidencia. Segundo, permite una descripción más detallada de los hallazgos nuevos más poderosos que apoyan el evento de creación del big bang.
Lista resumida de evidencias a favor del evento de creación del big bang
1. Existencia y temperatura de la radiación cósmica de fondo6
Ralph Alpher y Robert Herman calcularon en 1948 que el enfriamiento del evento de creación del big bang arrojaría una leve radiación cósmica de fondo con una temperatura actual de aproximadamente 5° Kelvin (-455°F).7 En 1965 Arno Penzias y Robert Wilson detectaron una radiación de fondo cósmica y determinaron que su temperatura era de aproximadamente 3° Kelvin (-457°F).8
2. Característica de cuerpo negro de la radiación cósmica de fondo9
Se midieron las diferencias entre el espectro de la radiación cósmica de fondo y el espectro esperado para un radiador perfecto y fueron menores que 0,03 por ciento a lo largo de todo el rango de longitudes de onda observadas.10 La única explicación posible para un concordancia tan extrema es que todo el universo tiene que haberse expandido desde un inicio infinitamente o casi infinitamente caliente y compacto.
3. Velocidad de enfriamiento de la radiación cósmica de fondo11
Según el big bang, cuanto mayor es la edad y más se ha expandido el universo, más fría debe ser su radiación cósmica de fondo. Las mediciones de la radiación cósmica de fondo a distancias tan grandes que estamos mirando atrás a cuando el universo tenía sólo la mitad, un cuarto o un octavo de su edad presente muestran temperaturas que son más calientes que la presente -2.726°K- en exactamente la cantidad que predice la teoría del big bang.12 Es decir, que los astrónomos realmente ven al universo enfriarse cada vez más con el tiempo.
4. Uniformidad de temperatura de la radiación cósmica de fondo13
La temperatura de la radiación cósmica de fondo varía en no más de una parte en diez mil dondequiera miren los astrónomos, desde una dirección del cielo a otra.14 Una uniformidad tan elevada sólo puede explicarse si la radiación de fondo surge de un evento de creación primordial sumamente caliente.
5. Proporción entre fotones y bariones15
La proporción entre fotones y bariones (protones y neutrones) en el universo es mayor que 100.000.000 a 1.16 Esta proporción significa que el universo es tan extremadamente entrópico (eficiente en la radiación del calor y la luz) que sólo puede ser explicado como una rápida explosión desde un estado infinitamente o casi infinitamente caliente y denso.
6. Fluctuaciones de temperatura en la radiación cósmica de fondo17
Para que galaxias y racimos de galaxias se formen a partir de un evento de creación del big bang, las mediciones de fluctuaciones de temperatura en mapas de la radiación cósmica de fondo deben estar en el orden de una parte en cien mil. Las fluctuaciones predichas fueron detectadas en el nivel esperado.18
7. Espectro de potencia de las fluctuaciones de temperatura en la radiación cósmica de fondo19
Para un universo del big bang con una geometría adecuada para la formación de estrellas y planetas sustentadores de vida, las fluctuaciones de temperatura en la radiación cósmica de fondo deben tener un pico en una resolución angular cercana a un grado con varias otros picos menores en otras resoluciones. En otras palabras, el gráfico del espectro de potencia se parecerá a un gráfico de campana con algunos subpicos al lado del pico principal. El experimento con el globo Boomerang realizado en abril pasado confirmó esta predicción del big bang.20 (Ver la sección en este artículo sobre las abundancias del deuterio y el litio para otra confirmación de este descubrimiento.)
8. Velocidad de la expansión cósmica21
Un evento de creación del big bang implica una expansión universal del universo desde un inicio varios miles de millones de años atrás. Las mediciones más cuidadosas de las velocidades de las galaxias establecen que dicha expansión cósmica ha estado ocurriendo durante los últimos 14.900 millones de años,22 una medición de la edad cósmica que es consistente con mediciones hechas con otros medios.23 (Algunas de las otras mediciones se describen en los párrafos que siguen.)
9. Órbitas estables de estrellas y planetas24
Nuestro universo permite órbitas estables de planetas alrededor de las estrellas y de estrellas alrededor de los núcleos de las galaxias. Dichas órbitas estables son físicamente imposibles a menos que el universo esté formado por tres dimensiones de espacio muy grandes y en rápida expansión. (Sigue una explicación de esta prueba.)
10. Existencia de vida y de humanos25
La vida y los humanos requieren una estrella estable como nuestro Sol. Sin embargo, si el universo se enfriara demasiado lentamente, las galaxias atraparían la radiación tan eficazmente que impedirían toda fragmentación en estrellas. Si el universo se enfriara demasiado rápidamente, ninguna galaxia o estrella se condensaría a partir del gas cósmico. Si el universo se expandiera demasiado lentamente, el universo se colapsaría antes que las estrellas del tipo del Sol alcanzaran su fase de combustión estable. Si se expandiera demasiado rápidamente, ninguna galaxia o estrella se condensaría a partir de la expansión general..
11. Abundancia de helio en el universo26
(explicado en los párrafos que siguen.)
12. Abundancia de deuterio (hidrógeno pesado) en el universo27
(explicado en los párrafos que siguen.)
13. Abundancia de litio en el universo27
(explicado en los párrafos que siguen.)
14. Evidencias a favor de la relatividad general28
Mediciones recientes de la teoría de la relatividad general la afirman como el principio verificado más exhaustivamente y mejor probado de toda la física.29 La solución a las ecuaciones de la relatividad general demuestra que el universo debe estar expandiéndose desde un inicio en el pasado finito.
15. Teorema del espacio-tiempo de la relatividad general30
Un teorema matemático desarrollado por Stephen Hawking y Roger Penrose en 1970 establece que, si el universo contiene masa y si su dinámica está regida por la relatividad general, entonces el tiempo mismo debe ser finito y debe haber sido creado cuando el universo fue creado.31 Demuestra que debe existir una CAUSA responsable de traer al universo a la existencia, una causa que existe y opera "trascendentalmente", fuera e independientemente de la materia, la energía y todas las dimensiones cósmicas del espacio-tiempo.
16. Mediciones de la densidad de energía del espacio32
Albert Einstein y Arthur Eddington buscaron escapar del big bang alterando la teoría de la relatividad para que incluyera un término de densidad de energía del espacio cósmico (también conocido como constante cosmológica) y asignando un valor específico a ese término. Recientemente los astrónomos determinaron que ciertamente existe un término de densidad de energía del espacio cósmico.33 Sin embargo, su valor demuestra que los modelos alternativos de Einstein y Eddington son incorrectos. El valor medido en realidad aumenta la evidencia a favor del big bang, estableciendo que el universo seguirá expandiéndose a una velocidad cada vez mayor.
17. Cálculo de la creación de diez dimensiones34
En 1995, un equipo de estudiosos liderado por Andrew Strominger demostró que sólo en un universo formado en diez dimensiones de espacio-tiempo, seis de los cuales dejaron de expandirse cuando el universo tenía una diezmillonésima de billonésima de billonésima de billonésima de segundo de edad, es posible que coexistan la gravedad y la mecánica cuántica.35-37 Su demostración también confirmó exitosamente tanto la relatividad especial como la general, y resolvió una cantidad de problemas pendientes tanto de la física de partículas como de la física de los agujeros negros. Este hallazgo implica que el big bang y las leyes de la física son válidas tan atrás como el evento de creación mismo.
18. Edades de las estrellas38
Según la teoría del big bang, distintos tipos de estrellas se forman en distintas épocas. Los colores y temperaturas de superficie de las estrellas dicen a los astrónomos cuánto tiempo han estado ardiendo éstas. Estos tiempos de combustión medidos son consistentes con el big bang. También son consistentes con todos los demás métodos de medición del tiempo hasta el evento cósmico de creación. (Ver este artículo para las últimas mediciones.)
19. Edades de las galaxias39
Según la teoría del big bang, casi todas las galaxias del universo se formaron temprano en su historia, dentro de una ventana de tiempo de unos cuatro mil millones de años. En efecto, las mediciones de los astrónomos indican que las galaxias tienen la edad que predice el modelo.40
20. Reducción del congestionamiento de las galaxias41
El big bang predice que las galaxias se separarán cada vez más entre sí a medida que se expande el universo. Las imágenes del Telescopio Espacial Hubble muestran que, cuanto más lejos uno mira en el cosmos (y, por lo tanto, debido a la velocidad finita de la luz, cuanto más atrás en el tiempo), más congestionadas están las galaxias.42 De hecho, al mirar atrás al momento en que el universo tenía sólo la tercera parte de su edad actual, las imágenes del Telescopio Espacial Hubble revelan galaxias tan abarrotadas entre sí que están literalmente arrancándose los brazos espirales unas a otras.
21. Álbum fotográfico de la historia del universo43
Dado que el big bang predice que casi todas las galaxias se forman aproximadamente en el mismo momento (ver la evidencia18), y dado que las galaxias cambian de apariencia significativamente al envejecer, puede esperarse que las imágenes de porciones del universo a distancias progresivamente mayores (y, debido a la velocidad finita de la luz, más y más lejos en el tiempo) muestren cambios dramáticos en la apariencia de las galaxias. Las imágenes del Telescopio Espacial Hubble confirman los cambios predichos.44 (Para más detalles, ver los párrafos que siguen.)
22. Proporción entre materia ordinaria y materia exótica45
En un universo del big bang, las galaxias y las estrellas pueden desarrollarse como sitios adecuados para sustentar vida sólo si el cosmos exhibe cierta relación entre la materia exótica (materia que no interactúa bien con la radiación) y la materia ordinaria (materia que interactúa fuertemente con la radiación). Esa proporción crucial es de aproximadamente cinco o seis a uno. Mediciones recientes revelan justamente esta proporción para el universo.46
23. Abundancia de berilio y boro en las estrellas antiguas47
Mucho antes de que se formaran las primeras estrellas, durante los primeros pocos minutos luego de su aparición en un estallido, la bola de fuego del big bang generó cantidades muy pequeñas de boro y berilio -es decir, si y sólo si el universo contiene una cantidad significativa de materia exótica. Los astrónomos han confirmado que existen boro y berilio primordiales en las cantidades predichas por la teoría del big bang y por la cantidad medida de materia exótica.48
24. Cantidades de estrellas de población I, II y III
(Ver el párrafo que sigue.)
25. Población, ubicaciones y tipos de agujeros negros y estrellas neutrónicas.49
Luego de muchos miles de millones de años de estar ardiendo una estrella, un universo del big bang con las características adecuadas para sustentar vida produce una población relativamente pequeña de agujeros negros de masa estelar y una población mayor de estrellas neutrónicas. Las galaxias grandes producen agujeros negros supermasivos (que exceden un millón de masas solares) en sus núcleos centrales. Los astrónomos, de hecho, observan las poblaciones, ubicaciones y tipos de agujeros negros y estrellas neutrónicas predichas.50
26. Dispersión de racimos de estrellas y racimos de galaxias51
El big bang predice que, al expandirse el universo, distintos tipos de racimos de estrellas y racimos de galaxias se dispersarán a velocidades específicas (y crecientes). También predice que los racimos de estrellas más densos se mantendrán juntos, pero las velocidades orbitales de las estrellas alrededor del centro del racimo "evolucionará" hacia una condición aleatoria predecible conocida como virialización. Los tiempos viriales dependen de la masa y tamaño del racimo y de las masas individuales de las estrellas. Los astrónomos observan las velocidades de dispersión y los tiempos viriales predichos por el big bang.
27. Cantidad y tipo de dimensiones de espacio-tiempo52
Un universo del big bang del tipo que permita un sitio apto para sustentar vida física debe comenzar con diez dimensiones del espacio-tiempo en rápida expansión. Alrededor de 10-43 segundos (alrededor de una diez millonésima de billonésima de billonésima de billonésima de segundo) luego del evento de creación, seis de las diez dimensiones deben dejar de expandirse, mientras que las otras cuatro siguen expandiéndose a una gran velocidad. Varios experimentos y cálculos confirman que vivimos en este tipo de universo.
28. Masas y sabores de los neutrinos53
Todos los modelos del big bang actualmente viables exigen que la forma de materia dominante en el universo sea una forma de materia exótica llamada "materia oscura fría". Los astrónomos y físicos ya saben que los neutrinos son muy abundantes en el universo y que son "fríos" y "oscuros". Experimentos recientes establecen que los neutrinos oscilan (es decir, se transforman) de un sabor o tipo a otro (los tres sabores de neutrinos son: electrón, muón y tau).54 Esta oscilación implica que una partícula de neutrino debe tener una masa entre unas pocas mil millonésimas y una millonésima de la masa del electrón. Este rango de masas para el neutrino satisface el requerimiento para los modelos del big bang viables.
29. Poblaciones y tipos de partículas fundamentales.55, 56
En el big bang, el rápido enfriamiento del universo desde una temperatura casi infinitamente alta y un estado casi infinitamente denso generará una colección de diferentes partículas fundamentales de propiedades y poblaciones predecibles. Experimentos con aceleradores de partículas que duplican las condiciones de temperatura y densidad del universo primitivo han verificado todos los tipos y poblaciones de partículas predichos que están dentro de los límites de energía de los aceleradores de partículas.
30. Densidad cósmica de protones y neutrones
(Ver párrafos que siguen.)
Un álbum de fotos del big bang
La evidencia más fácil de entender en apoyo del big bang viene de fotografías. Con la ayuda de varios dispositivos de imágenes, uno puede llegar a disfrutar una especie de secuencia de fotos con retardo del big bang. Las imágenes muestran al universo en diversas etapas de "crecimiento", así como una cámara con retardo captura una flor abriéndose o un álbum de fotos documenta el desarrollo de una persona desde su nacimiento en adelante.
Este tipo de álbum es posible gracias al tiempo de viaje de la luz (o radiación). Por ejemplo, observar una galaxia distante a 5.000 millones de años luz de distancia equivale a ver esa galaxia 5.000 millones de años atrás, cuando la luz que está ingresando ahora en un telescopio terrestre comenzó su viaje a través del espacio. En cierto sentido, los astrónomos sólo pueden capturar vistazos del pasado, no del presente, cuando miran hacia afuera al espacio.
Gracias al Telescopio Keck y el Telescopio Espacial Hubble, los astrónomos ahora tienen una historia fotográfica del universo que cubre casi 14.000 millones de años. Comienza cuando el universo tenía sólo quinientos millones de años de edad y lo sigue hasta la "edad mediana", donde se encuentra aún. La secuencia de imágenes [imágenes no disponibles en línea] presenta puntos destacados de este álbum de fotos cósmico. La foto (a) muestra al universo en lo que equivale a su primera infancia, antes que existan las galaxias; (b) muestra la etapa de "bebé", cuando las galaxias recién formadas están tan abarrotadas que se arrancan los brazos espirales entre sí; (c) muestra al universo joven, un tiempo cuando la mayoría de las galaxias siguen generando nuevas estrellas activamente y los choques de galaxias son frecuentes; y (d) captura la entrada del universo a la edad mediana, un tiempo en que casi todas las galaxias han dejado de formar nuevas estrellas y los choques de galaxias son raros.
La Figura X merece una atención especial. Captura el instante en la historia cósmica en que la luz se separó por primera vez de la oscuridad, antes que existiera ninguna estrella o galaxia. Nos muestra el universo con apenas 300.000 años de edad, sólo el 0,002 por ciento de su edad actual.
Estas imágenes son testimonio de que el universo está lejos de ser estático. Se expandió a partir de un volumen diminuto y cambió según un patrón predecible mientras crecía, un patrón del big bang. Una imagen sigue valiendo mil palabras, y tal vez más.57
La abundancia de helio coincide con la predicción del big bang
La teoría del big bang predice que la mayor parte del helio del universo se formó muy poco tiempo después del evento de creación. Según el big bang, el universo estaba infinitamente o casi infinitamente caliente en el momento de la creación. Al expandirse el cosmos, se enfrió, como ocurre con la cámara de combustión en un motor de pistón.
Para cuando el universo tenía un milisegundo de edad, se había estabilizado en un mar de protones y neutrones. El único elemento en existencia en ese momento era el simple hidrógeno, descrito con un único protón. Durante unos 20 segundos, cuando el universo tenía menos de cuatro minutos de edad, alcanzó la temperatura correcta para que ocurriera la fusión nuclear. En ese punto, los protones y neutrones se fusionaron entre sí para formar elementos más pesados que el hidrógeno simple.
Según esta teoría, casi exactamente una cuarta parte del hidrógeno del universo, por masa, se convirtió en helio durante ese período de 20 segundos. Excepto por diminutas cantidades de litio, berilio, boro y deuterio (que es hidrógeno con un protón y un neutrón en su núcleo), todos los demás elementos que existen en el universo fueron producidos mucho más tarde, junto con un poco de helio adicional, en los hornos nucleares de los núcleos de las estrellas.
Una de las formas en que los astrónomos pueden verificar la teoría del big bang es medir la cantidad de helio en objetos que están tan lejos (y, por tanto, están siendo vistos muy atrás en el tiempo) que antedatan a toda combustión estelar significativa. Una segunda forma es examinar objetos donde ha ocurrido poca combustión estelar. Es decir, los astrónomos pueden buscar y hacer mediciones en objetos relativamente cercanos en los cuales la formación de estrellas concluyó rápidamente, demasiado rápidamente como para contribuir significativamente a la abundancia total de helio.
En 1994, los astrónomos midieron por primera vez la abundancia del helio en nubes de gas intergalácticas muy distantes.58 Estas mediciones, confirmadas recientemente por mediciones adicionales,59 revelaron la presencia de helio en la cantidad predicha por el modelo del big bang.
En el último número de 1999 de Astrophysical Journal, un equipo de astrónomos estadounidenses y ucranianos publicó una prueba más a favor del evento de creación del big bang.60 Los seis investigadores usaron el Telescopio de Espejos Múltiples y el Telescopio Keck para verificar la cantidad de helio en dos de las galaxias con mayor deficiencia de elementos pesados conocidas (las galaxias compactas azules I Zwicky 18 y SBS 0335-052). Determinaron que el helio comprendía 0,2462 ± 0,0015 de la masa total de esas galaxias. Luego de restar una cantidad muy pequeña de helio producido por estrellas en las dos galaxias, derivaron una abundancia de helio primordial de 0,2452 ± 0,0015, consistente con los hallazgos en objetos distantes y antiguos. Este valor es tan próximo a la predicción del big bang que el equipo concluyó que "apoya fuertemente la teoría estándar de la nucleosíntesis del big bang".61
Durante los meses posteriores a la difusión de esa publicación, los astrónomos canadienses han refinado los datos del equipo estadounidense-ucraniano.62 Su corrección (basada en la eliminación de datos de nebulosas excitadas por estrellas calientes dentro de las galaxias) arrojó una abundancia primordial del helio 1,5 por ciento mayor y 20 por ciento más precisa que el primer conjunto de valores. El nuevo valor está tan cerca del valor esperado teóricamente como para hacerlo indistinguible.63
Las abundancias de deuterio y litio coinciden con la predicción del big bang
Todo el deuterio (hidrógeno pesado) y litio que existen hoy fueron producidos durante los primeros cuatro minutos de la creación, nos dice la teoría del big bang. Sin embargo, no permanece todo ese deuterio y litio, porque la combustión estelar consume esos elementos, en vez de producir más. Al buscar medir la abundancia de deuterio y litio y comparar esas cantidades con las cantidades predichas por el modelo del big bang, los astrónomos se centraron nuevamente en sistemas extremadamente distantes, y también en sistemas más cercanos en los que ha habido poca combustión estelar. Con la ayuda significativa de los Telescopios Keck 64-66 y de la imagen del "Campo Profundo del Hubble" (una "foto" compaginada a partir de capa tras capa de exposiciones del Telescopio Espacial Hubble a la misma parte del cielo),67 cinco equipos diferentes produjeron mediciones.68, 69 En palabras de ellos, las abundancias de deuterio y litio coinciden "extremadamente bien" con las predicciones del big bang. 70
Densidad de protones y neutrones
La teoría del big bang no produce las estrellas y planetas necesarios para la vida y los elementos necesarios para la vida a menos que la densidad cósmica de bariones (protones y neutrones) asuma un valor específico. Este valor es alrededor de cuatro o cinco por ciento de la densidad de masa que sería necesaria, por sí misma, para hacer que la expansión del universo se detenga finalmente, lo que los astrónomos denominan densidad crítica. Por lo tanto, una verificación obvia del big bang sería ver si la densidad de bariones se aproxima al 4 ó 5 por ciento de la densidad crítica.
Hasta hace poco, la determinación de las abundancias del helio, deuterio o litio primordiales era la única forma confiable de conseguir una medida de la densidad de bariones en el universo. Los mejores resultados vinieron de los cinco equipos mencionados en la sección anterior. Ellos determinaron que la densidad de bariones equivale a 0,04 a 0,05 de la densidad crítica.
Durante el último año los astrónomos han desarrollado tres métodos nuevos e independientes para medir la densidad de bariones cósmica. El más espectacular y preciso de estos tres nuevos métodos viene de los mapas de fluctuaciones de temperatura de la radiación cósmica de fondo del Boomerang (ver el último número de Facts for Faith para los detalles). A partir del vuelo de prueba norteamericano del globo de gran altura Boomerang, la densidad cósmica de bariones fue medida en 0,05 de la densidad crítica.71 Los otros dos métodos dieron un valor promedio aproximado de 0,03.72-74 Estas confirmaciones independientes de la densidad de bariones cósmica deducida a partir de las abundancia de el helio, deuterio y litio primordiales brindan aun más evidencia a favor del evento de creación del big bang.
La velocidad de expansión cósmica coincide con la predicción del big bang
Una forma obvia de verificar el big bang es afirmar que el universo ciertamente se está expandiendo a partir de un volumen infinitésimo y medir la velocidad de su expansión desde el inicio hasta el momento presente. Si bien esta tarea podría parecer simple en principio, en la práctica no lo es. Las mediciones con la precisión adecuada son enormemente difíciles de realizar. Sólo en los últimos años se han vuelto posibles mediciones tan precisas (o casi tan precisas) como las demás evidencias del big bang.
Cinco métodos (algunos independientes, algunos levemente dependientes) para medir la velocidad de expansión cósmica se han desarrollado y aplicado ahora (ver Tabla 2). El promedio de los cinco métodos arroja una velocidad de 64 kilómetros por segundo por megaparsec (un megaparsec = la distancia que recorre la luz en 3,26 millones de años). Si hacemos retroceder la expansión a esta velocidad, implica que el universo tiene aproximadamente 14.600 millones de años de edad.
El "término de densidad de energía", recientemente descubierto, agrega otros 500 millones de años, sugiriendo que el universo tiene unos 15.100 millones de años de edad.75, 76 Esta cifra sirve como confirmación del modelo debido a su consistencia con otros indicadores de edad, incluyendo la radiación cósmica de fondo, la abundancia de diversos elementos radiométricos77 y las edades medidas de las estrellas más antiguas (ver abajo).
Tabla 1: Últimas mediciones de la velocidad de expansión cósmica
Los astrónomos han desarrollado y refinado cinco herramientas de medición para determinar la velocidad de expansión del universo, lo que llaman la "constante de Hubble". Un megaparsec = la distancia que recorre la luz en 3,26 millones de años.
Método
Valor de la Constante de Hubble
efecto de lente gravitatorio 66 km/seg/megaparsec78-82
Tully-Fisher 61 km/seg/megaparsec83-86
distancias de las cefeidas a las galaxias 62 km/seg/megaparsec87-90
supernovas tipo Ia 61 km/seg/megaparsec91-94
mediciones de distancias geométricas 71 km/seg/megaparsec95-98
promedio de valores medidos 64 km/seg/megaparsec
cálculo de edad basado en el promedio de los valores 14.600 millones de años
corrección por el término de densidad de energía +500 millones de años
cálculo de edad corregido 15.100 millones de años
Las poblaciones de estrellas encajan en el escenario del big bang
La teoría del big bang propone que tres generaciones distintas de estrellas se formaron en ciertos intervalos luego del evento de creación. Los astrónomos se refieren creativamente a estas generaciones como estrellas de población III, población II y población I. El sistema de numeración parece estar invertido, ya que las estrellas de población III son las más antiguas, pero estas fueron las últimas en ser descubiertas y estudiadas; de ahí el sistema de numeración confuso.
Según el big bang, las estrellas de población III se formaron cuando el universo tenía apenas quinientos millones de años. Para entonces, la materia se había condensado adecuadamente para que las estrellas comiencen a combinarse. Sin embargo, dado que el universo se había expandido tan poco a esta altura, la densidad promedio de los gases era mucho mayor que la densidad observada hoy. Por lo tanto, las estrellas más primitivas eran mayormente estrellas supergigantes. Este tipo de estrellas se consumen muy rápidamente (hablando astronómicamente), en menos de diez millones de años. Finalizan con explosiones catastróficas, dispersando sus cenizas por todo el cosmos.
Dado el breve tiempo de combustión y la formación temprana de este tipo de estrellas, los teóricos del big bang concluyen que pocas estrellas de población III, si hay alguna, deberían ser observables todavía. Sin embargo, sus restos deberían serlo. Las estrellas de población III dejan una firma distintiva de elementos en sus cenizas esparcidas. Esta firma se encuentra en todas las nubes de gas distantes del universo.
Hace poco surgió evidencia de que algunas de las raras estrellas de poca masa de población III pueden haber sido encontradas.99, 100 Su baja masa significa que pueden arder el tiempo suficiente como para que los astrónomos puedan encontrarlas hoy. Han sido difíciles de detectar, sin embargo, porque absorben las cenizas de las gigantescas estrellas de población III, lo cual las disfraza. Recientemente, sin embargo, los físicos estelares han desarrollado herramientas para distinguir a los sobrevivientes de población III de las estrellas de población II más jóvenes que se forman a partir de las cenizas de las supergigantes de población III.101, 102
La teoría del big bang hace tres predicciones importantes acerca de las estrellas de población II: 1) este grupo debería ser el de mayor población de estrellas, dado que se formó cuando las galaxias eran jóvenes y en el pico de su eficiencia de formación de estrellas; 2) deberían ser más numerosas en ciertos lugares, como los racimos globulares, donde la formación de estrellas primitivas ocurre más eficientemente y 3) deberían venir en todos los tamaños, en todas las categorías de masas, de bajas a elevadas, sin favorecer a una categoría por sobre otra. Las tres predicciones son respaldadas por las observaciones de los astrónomos durante las últimas décadas.
La tercera generación de estrellas, las estrellas de población I (incluyendo el Sol de la Tierra), se formaron a partir de las cenizas esparcidas de las estrellas de población II más grandes. Estas cenizas son fáciles de distinguir de las cenizas de población III, porque son al menos 50 por ciento más ricas en elementos pesados (más pesados que el helio). Las nebulosas gaseosas (o nubes de gas) dispersas por los brazos espirales de la Vía Láctea y las corrientes de gas que la Vía Láctea roba de las galaxias enanas cercanas son, en realidad, "montículos de cenizas" de estrellas de población II gigantes.
La teoría del big bang dice que la formación de estrellas cesó en su mayor parte poco después de la formación de las estrellas de población II. Por lo tanto, la mayor parte de las galaxias están desprovistas, o casi desprovistas, de estrellas de población I. El big bang también dice que en las pocas galaxias donde sí se forman estrellas de población I, el período más intenso de formación de estrellas fueron los últimos miles de millones de años, y las regiones de formación más intensa de estrellas son las regiones más densas, como los núcleos y los brazos espirales. (Algunas también se habrían formado en lo que los astrónomos llaman galaxias "irregulares".) Todas estas características han demostrado ser verdaderas y han sido confirmadas por observaciones.
¿Permite el big bang la formación de estrellas de población IV en el futuro? Sí, lo permite. Pero predice que esta población debería ser muy pequeña comparada con las otras tres. Dondequiera que miran los astrónomos en el universo, ven señales de que la formación de estrellas pronto cesará completamente, aun en aquellas galaxias todavía activas en la formación de estrellas. ("Pronto" para un astrónomo no es mañana o el año próximo, sino algunos miles de millones de años a partir de hoy.) Los astrónomos anticipan, por ejemplo, que la galaxia de la Vía Láctea experimentará un "breve" estallido de formación de estrellas cuando atraiga la Gran Nube de Magallanes (su galaxia compañera) a su región central dentro de cuatro o cinco mil millones de años. Ya el universo es lo suficientemente antiguo como para que este tipo de incidentes sean raros.
Las estrellas más antiguas cuentan su historia
Dado que la teoría del big bang indica cuándo las estrellas de población II se formaron -la era en que las galaxias empezaron a tomar forma, aproximadamente entre 500 y 1500 millones de años luego del evento de creación-, los astrónomos pueden verificar la teoría determinando la edad de las estrellas visibles más antiguas. Al agregar 500 a 1500 millones de años a esa edad, pueden comparar la suma con las fechas de creación sugeridas por otras mediciones independientes.
Una dificultad de esta prueba aparentemente sencilla es que las estrellas, como algunas personas, a veces ocultan bien su edad. Las estrellas en racimos densos, sin embargo, pueden ser datadas más fácilmente que otras, y los racimos globulares parecen comprender las estrellas de población II más antiguas. La Tabla 3 indica las fechas más precisas de los racimos globulares de estrellas en cinco galaxias diferentes. También incluye el límite que los investigadores han puesto recientemente a las estrellas enanas blancas más antiguas de la galaxia de la Tierra.
Tabla 2: Últimas mediciones de las estrellas de población II más antiguas
Grupo de estrellas
Edades medidas (miles de millones de años)
promedio de todos los racimos globulares de nuestra galaxia 12,9 ± 1,5103
47 Tucanae (racimo globular más antiguo de nuestra galaxia) 14,1 ± 1,0104
globulares de la Gran Nube de Magallanes igual que para la Vía Láctea105
racimo globular en la galaxia enana WLM 14,8 ±0,06106
racimos globulares en la galaxia enana Formax igual que para la Vía Láctea107
promedio de todos los globulares de nuestra galaxia menos que 14,0108
enanas blancas más antiguas de nuestra galaxia más que 12,6109
promedio de todos los racimos globulares en M87 (una galaxia supergigante) 13,0110
* promedio de todos los resultados = 13.500 millones de años
Los números indican que los racimos globulares se formaron dentro de una ventana de tiempo de dos a tres mil millones de años, aproximadamente consistente de galaxia a galaxia.111 Si uno agrega a sus edades los años anteriores a la formación de estrellas de población II (1.000 ± 500 millones de años), la edad derivada encaja asombrosamente bien con todos los demás métodos para determinar cuánto tiempo hace que el universo se ha estado expandiendo desde el evento de creación.
La estabilidad de las estrellas y sus órbitas encajan en el cuadro del big bang
Las órbitas estables y las estrellas estables son posibles sólo en un universo del big bang. Su existencia es una de las pruebas más definidas a favor del big bang. (Dicho sea de paso, la vida no sería posible a menos que los planetas orbiten con estabilidad, las estrellas ardan con estabilidad y las estrellas orbiten los núcleos de las galaxias con estabilidad.112, 113)
Esta estabilidad exige gravedad, y no sólo cualquier fuerza de gravedad sino una gravedad que opera según la ley del inverso del cuadrado. La gravedad que opera en ese nivel exige tres dimensiones de espacio: el universo del big bang.
En dos dimensiones de espacio, la gravedad obedecería una ley diferente (los objetos con masa se atraerían unos a otros en proporción a la inversa de la distancia que los separa). En cuatro dimensiones de espacio, la gravedad obedecería una ley diferente (los cuerpos masivos se atraerían entre sí en proporción a la inversa del cubo de la distancia que los separa).
La estabilidad bajo la influencia de la gravedad exige a su vez que las tres dimensiones de espacio sea grandes (significativamente desenrolladas de su fuerte enrollamiento original). En caso contrario, las galaxias estarían tan juntas como para hacer estragos en las órbitas de los planetas. Cuando las galaxias están demasiado juntas, las colisiones y los encuentros cercanos de galaxias alteran catastróficamente las órbitas de las estrellas. Asimismo, cuando las estrellas están demasiado cerca entre sí, sus tironeos gravitatorios mutuos alteran catastróficamente las órbitas de sus planetas.
Las tres dimensiones de espacio deben estar expandiéndose a una velocidad particular también. Un universo que se expande demasiado lentamente producirá sólo estrellas neutrónicas y agujeros negros. Un universo que se expande demasiado rápidamente no producirá ninguna estrella y, por lo tanto, ningún planeta y, por supuesto, ninguna órbita estable.
El hecho simple es este: los humanos observan que las galaxias, las estrellas y los planetas existen, y que existen con la estabilidad adecuada como para permitir a los humanos existir y observarlos. Este hecho, por sí mismo, argumenta a favor del big bang. En realidad, argumenta a favor de un subconjunto específico de modelos del big bang. Aun este estrechamiento y refinamiento de la teoría original sirve como evidencia de que la teoría es correcta.
Impacto apologético de la cosmología del big bang
Si bien el caso a favor del big bang -es decir el evento de creación- descansa sobre evidencia convincente -hay quienes la llamarían abrumadora-, la teoría aún tiene sus críticos. Parte del escepticismo puede ser atribuible a la brecha de comunicación entre los científicos y el resto del mundo. Algunas de las evidencias son tan nuevas que la mayoría de las personas todavía no las han escuchado. Algunas, incluyendo las más antiguas, son tan técnicas que pocas personas entienden su importancia. Sigue habiendo necesidad de una mejor educación y una comunicación más clara. De hecho, es lo que motiva la publicación de este artículo.
Sin embargo, las brechas de comunicación y de educación explican sólo parte del escepticismo. Hay cuestiones espirituales involucradas también. Los pocos astrónomos que todavía se oponen al big bang abiertamente lo hacen no por razones científicas sino por razones personales y teológicas.
El libro The Fingerprint of God cuenta la historia de la primera reacción de los astrónomos a los hallazgos que confirmaron un inicio cósmico y, por lo tanto, un Iniciador. Algunos expresaron abiertamente su opinión de que el big bang era "filosóficamente repugnante". Durante décadas inventaron una hipótesis cósmica tras otra en un intento fútil por evadir los hechos evidentes. Cuando todas sus hipótesis no pasaron las pruebas de las verificaciones observacionales, muchos de esos astrónomos concedieron, acaso a regañadientes, el premio cósmico al big bang.
Hoy, sólo un puñado de astrónomos sigue resistiendo el big bang. Sin embargo, su resistencia está basada, no en lo que las observaciones y experimentos pueden verificar, sino más bien en lo que las observaciones y los experimentos jamás podrán verificar. Si bien sus artículos aparecen en revistas científicas, se ocupan de la metafísica antes que de la física, de la teología (más precisamente, en la antiteología) más que de la ciencia. Las evidencias que apoyan al big bang apuntan claramente más allá del "poder razonador superior" que reconoció Einstein o algún indefinido "Diseñador inteligente" que está logrando popularidad hoy. La evidencia física apunta clara y consistentemente al Dios de la Biblia.
La teoría de la relatividad general, que dio origen al big bang, estipula que el universo tuvo un inicio y, específicamente, un inicio "trascendente". El teoría del espacio-tiempo de la relatividad general afirma que la materia, la energía y todas las dimensiones del espacio-tiempo asociadas con el universo comenzaron en un tiempo finito, y además que la Causa del universo trae a la existencia toda la materia, la energía y las dimensiones del espacio-tiempo desde una realidad más allá de la materia, energía, espacio y tiempo. Este ajuste fino extremo de los parámetros del big bang que son necesarios para que la vida física sea posible en el universo excede en muchos órdenes de magnitud las capacidades de diseño de los seres humanos. La importancia de la cosmovisión de estas conclusiones no puede ser eludida. Ningún sistema filosófico o doctrina religiosa del mundo encaja con ellas como la Biblia. No sólo encaja con ellas, sino que las anticipa en varios miles de años.
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Traducción: Alejandro Field -- Original: "A Beginner's - and Expert's - Guide to the Big Bang"
