La teoría del Big Bang

por Fran J. Velasco Lozano

En el siglo XVII, un filósofo y matemático amante de los astros apuntó su telescopio hacia el cielo, su nombre ha pasado a la posteridad y muchos lo consideran el padre de la astronomía: se trata de Galileo Galilei. Recién inventado el telescopio, Galileo fabricó su propio modelo unas veinte veces más potente y al apuntarlo hacia la Luna observó que no era una esfera perfecta, como se creía, sino que tenía cráteres y protuberancias: fue la primera vez que un instrumento complejo ayudaba a comprender mejor el cielo.

Galileo fue un pionero en la observación tecnológica del cosmos y, sobre sus hombros, nuevos cerebros han ayudado a comprenderlo mejor. La teoría del Big Bang no existiría sin la insistencia de incontables personas que se han empeñado en responder una pregunta, tal vez la más trascendental de todas las que nos hemos hecho: ¿De dónde venimos?

Alrededor de 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher realizó importantes descubrimientos en relación a las galaxias vecinas a la Vía Láctea, que, en aquel momento, a falta de tecnología de observación suficientemente precisa, se pensaba que eran nebulosas (cúmulos de gas). Pasarían dos décadas hasta que Edwin Hubble descubriera que en realidad se trata de galaxias enteras, más allá de nuestra isla cósmica, pero Slipher ya detectó que estas “manchas” se alejan de nosotros.

Otros científicos, como el astrónomo alemán Carl Wilhelm Wirtz, estudiaron este distanciamiento y en 1922, el matemático ruso Aleksandr Fridman formuló la primera teoría del origen del Universo fundamentada en la expansión.

El astrónomo belga Georges Lemaître formuló una teoría similar en 1927, utilizando las palabras “huevo cósmico” para referirse al Universo en sus orígenes. Lemaître era sacerdote de la iglesia católica además de astrónomo y cuando hablaba de la creación, hablaba de la obra divina; se dice que fue él quien dio el nombre de “Big Bang” a la teoría, pero hay diferentes versiones de la historia.

En 1929, el ya citado astrónomo estadounidense Edwin Hubble realizó un descubrimiento que cambió por completo nuestra visión del cosmos. Hubble descubrió, como hemos comentado arriba, que nuestra galaxia solo es un cúmulo estelar más entre miles de millones de cúmulos que llenan un Universo mucho más grande de lo que se pensaba. Aunque no recibió el premio Nobel, se ha honrado la memoria de Hubble poniéndole su nombre al importante telescopio del que hemos oído hablar tantas veces en las últimas décadas.

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Edwin Hubble. Imagen de https://es.wikipedia.org/

Hubble no solo determinó la distancia a la que se encontraban las recién descubiertas galaxias, también calculó la velocidad a la que se alejan y comprobó que es proporcional a la distancia que las separa de nosotros: cuanto más lejana es la galaxia, más rápido se aleja de nosotros, lo que pasó a conocerse como la ley de Hubble.

Georges Lemaître había elaborado una teoría similar dos años atrás y el descubrimiento que sustentó la teoría del Big Bang puede ser atribuido a ambos. Al parecer Hubble no tenía constancia del artículo de Lemaître expuesto en la revista francesa Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, ya que dicha revista no tenía demasiada repercusión en una época en la que el eje central del pensamiento científico se hallaba en Inglaterra.

Cuando unos años después Hubble publicó su trabajo, Lemaître preparó una traducción en la que eliminó algunas partes por ser inexactas. Hasta hace unos años se pensaba que el trabajo del astrónomo belga había sido censurado por Hubble, pero nuevos indicios demuestran que fue el propio Lemaître quien eliminó algunos apartados: consideró que algunos de los datos de su ensayo, tomados con la tecnología de cuatro años atrás, resultaban imprecisos. Al estar su trabajo incompleto, Hubble obtuvo el mérito del descubrimiento, pero todavía hoy la comunidad científica reclama un telescopio con el nombre de Lemaître.

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Georges Lemaître. Imagen de https://es.wikipedia.org/

En esa misma década, un trabajador de una oficina de patentes meditaba sobre la naturaleza del espacio y el tiempo, un hombre sencillo que ha pasado a la historia como uno de los más grandes físicos: Albert Einstein. Su teoría de la relatividad marcó un antes y un después en nuestra concepción del Universo.

Según Einstein, el espacio y el tiempo están unidos formando un solo tejido, el espacio-tiempo, que se deforma en presencia de un cuerpo que tenga masa. La gravedad, como la provocada por la Tierra o el Sol, es el efecto de esta deformación del espacio-tiempo.

Einstein determinó que, si toda la materia del espacio provocaba esta deformación, las estrellas (aún no se hablaba de galaxias) debían estar cayendo hacia el centro por efecto de la gravedad o siendo impulsadas hacia fuera por causa de la supuesta explosión: el Universo debía estar en expansión o en contracción. Pero en seguida descartó esta posibilidad, Einstein consideraba que el Universo debía ser estático, así que incluyó en su teoría la constante cosmológica, una fuerza repulsiva que, en oposición a la gravedad, ayudaba a mantener el cosmos en equilibrio.

Cuando Hubble descubrió que el cosmos se hallaba definitivamente en expansión, Einstein consideró que la constante cosmológica había sido el mayor error de su vida. Más tarde, la constante cosmológica sería reutilizada para explicar la expansión acelerada del espacio. Esta fuerza repulsiva, hoy llamada energía oscura, está alejando a cada vez mayor velocidad las galaxias, que de lo contrario estarían frenando por efecto de la gravedad.

Las ideas de Albert Einstein acerca de la naturaleza del espacio-tiempo, así como su famosa ecuación para determinar cómo la energía se transforma en materia y viceversa, han sido imprescindibles para elaborar la teoría del Big Bang. Pocas personas han cambiado nuestra visión del mundo como lo hizo Einstein y aún hoy nuevas incógnitas se resuelven con la relatividad general.

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Albert Einstein. Imagen de https://es.wikipedia.org/

Las observaciones de Hubble dieron también soporte a la teoría del Big Bang y en 1948 comenzó a ser popularizada por el físico ucraniano George Gamow.

Por otro lado, la expansión del Universo inspiró una nueva teoría: la teoría del estado estacionario. Fred Hoyle, junto con sus colegas Hermann Bondi y Thomas Gold, propusieron en 1949 un concepto de Universo que se expande indefinidamente mientras continúa creando materia “desde dentro”, es decir, que mientras se expande se va llenando de nueva materia.

Según Hoyle, la creación de nueva materia resultaba imponderable con los instrumentos disponibles. Bajo este prisma el Universo puede explicarse sin un inicio: el ciclo de creación podría ser eterno y no tendríamos por qué hablar de un origen y un destino.

Muchos científicos disconformes con la teoría del Big Bang sostenían que, de ser cierta, tendría que haber radiación de baja energía proveniente de todos los puntos del espacio, pues una explosión de tales magnitudes aún hoy mostraría un tenue brillo.

Esta remanencia, que llamamos radiación de fondo de microondas, no tardaría mucho en ser descubierta; la teoría del estado estacionario dejaría de equipararse en adeptos a la teoría del Big Bang y ésta poco a poco acabaría siendo aceptada por la mayoría de los científicos. En poco más de una década, dos físicos estadounidenses de los Laboratorios Bell se encontraron por accidente con un extraño sonido de fondo en una de sus antenas.

La Bell Telephone era una empresa de telecomunicaciones cofundada en 1877 por Alexander Graham Bell. En 1964, la empresa construyó una impresionante antena de radio, la más precisa creada hasta la fecha, con la primera intención de establecer comunicaciones con el satélite Echo; más tarde, fue aplicada a la radioastronomía.

Cuando Arno Penzias y Robert Wilson se disponían a utilizarla para medir las ondas de radio que emite nuestra galaxia, detectaron una señal que parecía proceder de todas direcciones.

Penzias y Wilson descartaron las posibles fuentes de la radiación: los átomos de la propia máquina, la atmósfera terrestre, incluso los excrementos de las palomas que habían anidado en la antena. Tras limpiar el receptor y batallar con unas aves que siempre volvían, consiguieron aislar por fin todas las posibles fuentes de la señal, pero aquel “eco” seguía sonando.

Después de comprobar que no había ningún fallo en la antena, Penzias y Wilson empezaron a sospechar que aquella radiación provenía de todos los puntos del espacio. Sin saber qué era, comenzaron a analizarlo y se dieron cuenta de que tenía la misma intensidad sin importar a dónde apuntaran la antena y venía de más allá de las estrellas.

En una conversación con el radioastrónomo Bernard Burke, Penzias le explicó que no entendía los resultados, Burke le respondió que creía saber qué era esta interferencia.

Bernard Burke había oído hablar a uno de sus colegas acerca de un tal Phillip James Edwin Peebles, de Princeston, que había dado una conferencia recientemente en la Universidad Johns Hopkins. Peebles afirmaba que debía haber una radiación de fondo de baja energía, remanente de la enorme energía producida en el Big Bang; calculó que debía ser de unos 10 grados Kelvin.

Cuando Burke recibió la llamada de Penzias, le explicó que la interferencia no era sino lo que Peebles andaba buscando. Tras esta casual contrastación, la teoría del Big Bang fue finalmente aceptada por la mayoría de los cosmólogos. Arno Penzias y Robert Wilson ganaron el premio Nobel unos años después de su descubrimiento.

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Arno Penzias y Robert Wilson. Imagen de bbc.co.uk

En 1989 se lanzó el satélite COBE (Cosmic Background Explorer), creado específicamente para medir la radiación de fondo de microondas, y durante los siguientes años, otros proyectos de exploración espacial ayudarían a afianzar la teoría del Big Bang.

En 2001 se lanzó la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), también diseñada para escanear el fondo de microondas. La WMAP, mucho más precisa que el COBE, determinó que la radiación de fondo no es homogénea como se creía: algunas zonas del universo primitivo estaban ligeramente más calientes que otras. Como exponemos en El Universo que Cae, el motivo por el que podemos hacernos la pregunta “¿de dónde venimos?” es que el cosmos nació irregular.

Enlaces relacionados:

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