Un grupo de científicos aplicó un nuevo modelo matemático, basado en la combinación de la Teoría General de la Relatividad y la mecánica cuántica, que permite obtener detalles del universo antes del Big Bang: antes de la gran explosión existía un universo en contracción que "rebotó" en un Big Bounce o Gran Rebote para dar origen a nuestro universo actual.
La idea de que el universo comenzó con un Big Bang ha sido una gran barrera en los intentos científicos de entender el origen de nuestro universo en expansión.
Esto es así porque la física imperante en el inicio no nos es accesible, aunque sí lo es, aquello que ocurrió algunos segundos después de ese momento.
Como se describe en la Teoría General de la Relatividad de Einstein, el origen del Big Bang es un estado matemático -una singularidad de cero volumen que sin embargo contiene infinita densidad y energía.
A pesar de esto, Martin Bojowald profesor asistente de física en la Universidad Penn State han usado un nuevo modelo matemático para meterse en territorio desconocido: ¿Qué ocurrió ANTES del Big Bang?
El modelo usado combina la Teorgía de la Relavitivad con la física cuántica, específicamente la teoría Loop Quantum Gravity (Gravedad cuántica de bucles). La teoría está siendo desarrollada en el Penn State Institute for Gravitational Physics and Geometry y es un nuevo acercamiento a la meta de unificación de la relatividad con la cuántica.
Usando esta teoría, los científicos rastrearon hacia atrás el universo y encontraron que su punto de comienzo tenía un mínimo volumen que no es cero y una energía máxima que no es infinita. Como resultado, las ecuaciones continuaron produciendo resultados matemáticos válido incluso antes del Big Bang. Básicamente, con este método se pierde la singularidad que impedía avanzar en los cálculos. Pero, avanzar ¿hacia dónde?. Pues hacia un universo anterior que antes de colapsar, "rebotó" generando el universo actual. La idea del Universo oscilante no es nueva, fue propuesta por Richard Tolman, del Instituto Tecnológico de California, cuyos estudios y propuestas fueron publicados a comienzos de la década de 1930.
Esta teoría de gravedad cuántica indica que la fábrica del espacio-tiempo tiene una geometría atómica que está tejido con una dimensión cuántica. Esta fábrica se desgarró bajo las extremas condiciones dominantes por la física cuántica cerca del Gran Rebote, causando que la gravedad se vuelva fuertemente repulsiva, por lo que, en vez de desaparecer hasta el infinito como se predice en la Teoría de la Relatividad, el universo rebotó en el Gran Rebote que dio nacimiento a nuestro universo en expansión. La teoría revela un universo en contracción antes del Gran Rebote, con una geometría espacio-temporal que era similar a la del univeso actual.
Bojowald encontró que tenía que crear un nuevo modelo matemático para usar con la teoría del Bucle de gravedad cuántica para explorar el universo antes del Gran Rebote (Big Bounce) con más precisión.
Además de ser más preciso, el nuevo modelo es más corto. El científico reformuló los modelos usando una descripción matemática diferente lo que le permitió resolver explicitamente las ecuaciones y obtener una fuerte simplificación.
Las ecuaciones del modelo requieren parámetros para describir el estado del actual universo con precisión.Luego usó ese modelo para viajar atrás en el tiempo, "des-evolucionando" el universo para revelar su estado en tiempos anteriores.
Las ecuaciones del modelo contienen algunos parámetros "libres" que no son conocidos con precisión, aunque necesarios para describir ciertas propiedades. Bojowald descubrió que dos de estos parámetros son complementarios: uno es relevante casi exclusivamente luego del Big Bounce y el otro casi exclusivamente luego del Gran Rebote.
Los dos parámetros libres, que se encontraron complementarios, representan la incertidumbre cuántica en el volumen total del universo antes y después del Big Bang. "Estas incertidumbres son parámetros adicionales que aplican cuando pones un sistema en un contexto cuántico, como una teoría de la gravedad cuántica", comentó el científico. "Es similar a las relaciones de incertidumbre en física cuántica, donde hay complentaridad entre la posición de un objeto y su velocidad - si puedes medir una no puedes simultáneamente medir la otra". Similarmente, el estudio indica que hay complementaridad entre los factores de incertidumbre para el volumen del universo antes y después del Big Bounce. "Para todos los propósitos prácticos, la precisión de los factores de incertidumbre para el volumen del universo previo nunca será determinada por un procedimiento de cálculo hacia atrás desde condiciones actuales del universo, incluso con mediciones más exactas que seamos capaces de hacer".
"Un problema con el modelo número anterior es que no ves claramente qué son realmente los parámetros libres y cuál es su influencia. Este modelo matemático te da una mejorada expresión que contiene todos los parámetros libres y puedes inmediatamente ver la influencia de cada uno", explicó Bojowald.
El científico alcanzó una conclusión adicional luego de encontrar que al menos uno de los parámetros del universo previo no sobrevivió el Big Bounce. Esto permite pensar que los sucesivos universos no serán réplicas perfectas uno de otro. "La recurrencia eterna de universos absolutamente idénticos parece ser prevenida por la aparente existencia de un intrínseco olvido cósmico".
¿Por qué me creo... el Big Bang?
La respuesta a por qué nos debemos creer esa historia del Big Bang no es corta precisamente, pero no porque haga falta mucha retórica, sino por la cantidad y solidez de todas las pruebas que soportan esta teoría.
¿Por qué es esta teoría tan importante?
El Big Bang juega el mismo papel que la evolución de Darwin en nuestras ideas sobre el Universo: ya no hace falta inventarse a un ser superior que haya ido creando galaxias, estrellas y planetas. El Big Bang obliga a los defensores de un dios a acorralarlo antes de los primeros 10-43 segundos después del Comienzo...después de ese punto, la "hipótesis de dios no ha sido necesaria", como diría Laplace.
Aclaraciones
Hay que aclarar que la teoría en sí no dice cómo empezó en Universo, aunque se pueda pensar lo contrario por el nombre. Lo único que dice es que el Universo ha estado creciendo desde su comienzo (momento exacto que, aún, no tiene explicación científica).
Uno de los errores más comunes es pensar que el Big Bang ocurrió en algún lugar. En realidad no es que la materia saliera de una "explosión", sino que toda la materia, y el espacio en sí, era minúsculo en un comienzo, para ir creciendo a lo largo de una serie de fases hasta llegar a hoy día.
Si midieras el tamaño de la pantalla que ahora mismo lees y la volvieras a medir mañana, esta habría crecido sin duda (¡pero una cantidad por supuesto ridícula!). Igual ocurre con la Tierra y el resto del Universo. Esa es en realidad la esencia del Big Bang.
Las pruebas
1) Ley de Hubble
Cuanto más lejos estan los objetos en el Universo, más rápido se alejan de nosotros. Esto lo descubrió Hubble en 1929 mediante el desplazamiento hacia el color rojo en la luz de estrellas y galaxias lejanas.
Aunque a veces ésto se explica como consecuencia del efecto Doppler, la realidad es otra: conforme la luz viaja hacia nosotros durante millones de años, ha ido sufriendo la expansión del espacio, dando lugar al cambio de frecuencia.
2) Abundancia de elementos químicos ligeros
Hasta 300.000 años tras el Comienzo, el universo era un plasma de nucleos, electrones y radiación (fotones). A partir de ese momento, la expansión (y el enfriamiento que conlleva) permitió que los electrones y los nucleos se empezaran a combinar para formar átomos más o menos estables.
Y como la Naturaleza tiende a los mínimos de energía, los átomos más fáciles de formar fueron el Hidrógeno y el Helio. Con el tiempo, se formarían estrellas con estos materiales, y esas estrellas, al morir, esparcerían el resto de componentes pesados que habían ido creándose en su interior por fusión nuclear. Literalmente, todos nosotros estamos hechos de "polvo de estrellas".
Las observaciones están totalmente en consonancia con las abundancias de materiales que predice este modelo.
3) La radiación de fondo: existencia.
Siguiendo con ese momento a los 300.000 años desde el inicio en que el Universo se hizo transparente, la teoría del Big Bang predice que el plasma habría tenido tiempo de sobra de llegar a un equilibrio térmico, de modo que en el momento en que se hizo transparente la radiación que se quedó debería ser la de un cuerpo negro.
Para mí esta es una de las mejores pruebas, ya que los datos encajan tan exactamente que es imposible pensar que pueda haber algo erróneo:
[size=12]4) La radiación de fondo: irregularidades.
A pesar de que esta radiación de fondo es prácticamente igual en todas direcciones en que se mire (solo varía en aproximadamente 1 parte por 2000), sí que existen irregularidades, como se ve en este último mapa realizado por el satélite WMAP:[/size]
[font=Arial]Pero en lugar de suponer un problema, esta es otra de las mejores pruebas del Big Bang, ya que en este caso las predicciones teóricas encajan mejor, si cabe, con las observaciones (el gráfico representa el espectro de potencia de las variaciones):
[/font]
5) Edad de las estrellas.
La edad de las estrellas, aún dentro de las incertidumbres que se manejan, siempre concuerdan con el modelo del Big Bang, y por supuesto, aunque parezca trivial, ¡no se ha encontrado ninguna estrella de mayor edad que el Universo!.
6) ¡Consistencia!
Hay más argumentos técnicos a favor del Big Bang, pero me quedo con esta sencilla reflexión: todas las pruebas, independientemente, apuntan en la misma dirección.
Si fijamos un radiotelescopio lo suficientemente sensible en una dirección particular del cielo podremos sintonizar una señal muy débil con un máximo centrado en una frecuencia de unos 280 GHz, que corresponde al rango de las microondas en el espectro electromagnético. En casa podemos recibir una parte de la señal como parte de la nieve que llega a un canal de televisión en blanco.
Si nuestro radiotelescopio fuera capaz de sintonizar frecuencias cercanas a los 280 GHz, observaríamos que la intensidad de la señal disminuye a ambos lados de una forma particular y sorprendentemente equivalente a la señal que mediríamos a la salida de un pequeño agujero realizado en las paredes perfectamente absorbentes de un objeto hueco (un cuerpo negro) a unos 2,73 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Técnicamente se suele llamar a esta señal Fondo Cósmico de Microondas (es habitual utilizar las siglas inglesas CMB, de Cosmic Microwave Background).
Sólo el modelo del Big Bang nos da una respuesta simple a la existencia de este fondo de microondas. Si el universo está en expansión, éste podría haber sido más pequeño, más denso y más caliente en el pasado. En algún momento la temperatura era tan alta que ni siquiera los átomos podían existir como tales, encontrándose los electrones desligados de los núcleos. En esas condiciones los electrones interaccionan con las partículas de luz (los fotones) de una forma muy eficiente. En otras palabras, la luz estaba en estrecho contacto con la materia alcanzando ambas un equilibrio térmico perfecto. Pero la expansión del universo enfriaba el entorno hasta que alcanzados unos 3000K los electrones empezaron a combinarse rápidamente con los núcleos formando átomos*. En ese momento la luz empezó a viajar libremente**, encontrando cada vez menos electrones a su paso. Esa luz sigue entre nosotros (unos 400 fotones por metro cúbico), pero la expansión del universo ha tenido como efecto el disminuir drásticamente la frecuencia hasta convertirla en microondas.
El CMB fue detectado por primera vez por dos técnicos de los laboratorios Bell, Arno Penzias y Bob Wilson en 1965 (ver una historia detallada del la predicción y la detección de esta señal).
Poco después del descubrimiento de la radiación de fondo, en 1967 Sachs y Wolf (1967, ApJ, 147, 73) sugerían que los primeros agrupamiento de materia que terminarían por formar las grandes estructuras galácticas que vemos en la actualidad podrían haber producido fluctuaciones de la intensidad de la radiación de fondo en regiones diferentes del cielo. Esto sería debido básicamente a que los fotones que nos han llegado desde regiones de mayor densidad de materia tienen que escalar la barrera mayor de potencial gravitatorio y perder energía (ver Martin White & Wayne Hu 1996 para una derivación pedagógica del efecto).
Diagrama espacio-tiempo "conforme" donde se representa la variación del potencial f(x) = -GM/r en el momento en que la radiación se desacopló de la materia (superficie del último scattering). Las zonas coloreadas de gris indican cúmulos de mayor densidad de materia (Ned Wright's Cosmology Tutorial)
Sachs y Wolfe esperaban que las variaciones producidas fueran tan apreciables como del 1%. Pero hoy se sabe que el universo es mucho más homogéneo de lo que sospechaban Sachs y Wolf.
Representación de la temperatura de la radiación de fondo en todo el cielo en una escala de color tal que negro representa 0 K y blanco 3 K. Para apreciar diferencias, tendríamos que ser capaces de diferencial una variación del color de alrededor de algunas parte por diez mil (Ned Wright's Cosmology Tutorial)
El primer tipo de variación detectada fue la anisotropía dipolar en 1969 por Conklin. COBE produjo un mapa de esta anisotropía dipolar con mayor sensibilidad que el original de Conklin. Este tipo de anisotropía es debida al movimiento del Sistema Solar con respecto a un sistema de referencia comovil con la expansión del universo.
Anisotropía dipolar. La parte roja es más caliente por un factor v/c T0 y la zona azul más fría por el mismo factor. De ello puede ser inferida una velocidad del Sistema Solar con respecto al universo observable de 370 km/s en dirección a a = 11.2h, d = -7º. Podemos decir que un sistema de referencia donde esta anisotropía dipolar fuese cero constituye un sistema de referencia de particular importancia en cosmología que denominamos sistema de referencia comóvil y que puede usarse por cualquier observador para medir lo que se denomina su velocidad peculiar.
Las anisotropías debidas al efecto predicho por Sachs y Wolfe fueron medidas por COBE en un rango de algunas partes en 100,000
Mapa del cielo donde los diferentes tonos de color significan diferentes temperaturas con rojo más caliente y azul más frío. El mapa de la izquierda incluye la emisión galáctica y la anisotropía dipolar. En el mapa de la derecha han sido restadas todas las contribuciones quedando las anisotropías propias del efecto Sachs y Wolf y algo de ruido (¡o más bien bastante!) de los instrumentos de medida
Para entender un poco mejor lo que en realidad estamos viendo cuando miramos el mapa de las fluctuaciones obtenido por COBE vamos a construir un mapa similar de la superficie terrestre. Si COBE hubiera mapeado la Tierra de la misma manera hubiera obtenido (con alta resolución angular y sin ruido experimental) una representación bidimensional con el siguiente aspecto.
Sin embargo, la resolución angular máxima de COBE era de unos 7º, por lo que los detalles separados por menos de 7º quedarán borrados, obteniendo una imagen borrosa como la que se presenta a continuación.
Pero además los instrumentos de COBE presentaban gran cantidad de ruido, tal y como cuando uno tiene mal sintonizado un canal de televisión. Si añadimos una cantidad de ruido semejante a la de COBE, nuestra imagen se convertiría en
Pero afortunadamente un puede reconocer algunas formas dentro de este ruido suavizando un poco el mapa (de una manera similar al suavizado que hace algunos programas de retoque fotográfico), de tal manera que finalmente se obtiene
Este mapa es el análogo terrestre de la imagen de las fluctuaciones de la radiación de fondo obtenidas por COBE.
Pero no se decepcione el lector. El rango de fluctuación medida equivale a unos 30 microKelvin en temperatura. Esto se puede convertir en potencial gravitatorio mediante el resultado obtenido por Sachs and Wolf y el resultado en una diferencia de potencial equivalente a una diferencia de alturas de 2 ua (unidades astronómicas), considerando una aceleración de la gravedad constante e igual a la existente en la superficie de la Tierra: los valles de potencial en el universo primitivo eran realmente bastante apreciables.
La resolución angular de COBE no permite observar los detalles de la formación de estructuras aún tan grandes como supercúmulos de galaxias (para ello se necesitarían una resolución al menos de medio grado). Sin embargo, si extrapolamos los resultados a menores escalas conseguimos que los pozos de potencial sean lo suficientemente grandes para formar las estructuras que vemos en la actualidad. Esto sería así si no hubiera algún efecto que también produjera cambios de energía de los fotones de la radiación de fondo. Si la mayoría de materia necesaria para explicar, con estos datos, la formación de estructura fuera materia bariónica normal, los electrones libres existentes antes de la recombinación dispersarían a los fotones y sería un mecanismo responsable de que no encajaran en la imagen de extrapolación de los datos de COBE a escalas más pequeñas. Por tanto es necesario invocar materia oscura no bariónica que no interaccionara con los fotones de la radiación de fondo.
La idea de extrapolar los datos de COBE a menores escalas proviene de las predicciones del modelo inflacionario de un espectro de fluctuaciones (tamaño de la variación de la temperatura con respecto a la distancia angular considerada) de igual potencia en todas las escalas. Los datos de COBE son en principio consistentes con este modelo
Comparación entre los datos de COBE y la predicción de un modelo con igual contribución de las fluctuaciones de la radiación de fondo en todas las escalas.Ned Wright's Cosmology Tutorial
Pero, ¿qué fenómeno físico puede explicar las características del espectro de las variaciones de temperatura observado?. Siguiendo Inflación, las fluctuaciones cuánticas aleatorias producidas cuando el universo tenía la escala de Planck, fueron amplificadas por la expansión exponencial del universo hasta escalas cosmológicas, convirtiéndose en variaciones de densidad. En escalas grandes (mayores de 1º en el cielo actual), estas variaciones de densidad quedaron congeladas. Pero en la fase de gas caliente en el universo primigenio, las variaciones de la densidad en pequeñas escalas (<~1º) se propagarían al modo de ondas acústicas. Dicha onda acústica se producirían por el hecho de que los fotones de luz tienden a dispersar la materia mientras que ésta tira gravitatoriamente del entorno, produciéndose dos efectos contrapuestos: cuando la densidad disminuye debido a la acción dispersora de los fotones, su presión pierde eficiencia y empieza a ganar el tirón gravitatorio que vuelve a aumentar la densidad en un ciclo que se autoalimenta a sí mismo creando ondas acústicas.
Si pudiéramos estar en aquel ambiente infernal de la creación seríamos capaces de oír un ruido característico de esas ondas acústicas de densidad. Entre todo ese ruido distinguiríamos (con los oídos apropiados claro, de unos cuantos parsecs de tamaño) una nota particular que destaca entre todas las demás, una longitud de onda que la expansión del universo ha alargado unas 1100 veces de tamaño y que ahora podríamos observar como un máximo de variación de la temperatura del fondo cósmico entre dos regiones del cielo separadas angularmente algo menos de 1º.
La razón de la existencia de una frecuencia que destaca sobre las demás está relacionada con el hecho de que los modos de oscilación acústicos no pueden estar coordinados más allá de la distancia que ha viajado la luz desde el comienzo del universo.
Por su puesto que no podemos oír la música de la creación (¡bueno realmente sí!), pero sí al menos representar sus notas. La posición exacta de esa nota destacada depende de la densidad total de materia y energía del universo. Un poco más denso y la escala angular será algo mayor; un poco menos denso y la escala se hará menor.
Datos de COBE
Representación de las variaciones del fondo cósmico de microondas. Las zonas rojas corresponden a zonas ligeramente más calientes y las azules a zonas ligeramente más frías que la media de 2.73 K. Se representa la señal pura esperada producida por las ondas acústicas de periodicidad l = 2 correspondiente a una escala angular de 90º, de periodicidad l = 16, correspondiente a unos 11º y los datos obtenidos por COBE , donde supuestamente deben estar la contribución de todos los modos de oscilación. Ned Wright's Cosmology Tutorial
Espectro de potencias del Fondo Cósmico de Microondas en escalas menor que ~1º. A partir de un determinado momento (zeq ~ 3200) el universo pasa de estar dominado por la radiación a estar dominado por materia. Las sobredensidades de materia oscura empiezan entonces a aumentar y a oscilar debido a las fuerzas contrapuestas de la gravedad y la presión de radiación. En el periodo del desacople entre la materia y la radiación (Dz ~ 195) la presión de radiación es cada vez menor y el tamaño de la sobredensidad o las zonas de baja densidad determina la amplitud de la potencia como una función de la escala (compresiones y rarefacciones adiabática, es decir sin intercambio de calor con el medio).
El movimiento del gas produce además una contribución Doppler desfasado respecto a la contribución adiabática. Estas compresiones y rarefacciones quedan impresas en la radiación resultando un espectro análogo al producido por las ondas estacionarias producidas en un punteo de la cuerda de una guitarra. La dependencia del tipo de espectro con los parámetros cosmológicos puede verse con animaciones.
En noviembre de 1999 llegaban a los medios de comunicación los resultados preliminares del proyecto Boomerang, un globo estratosférico provisto de un pequeño radiotelescopio capaz de medir variaciones de la temperatura del fondo de microondas en escalas de hasta 1/5 de grado. Los datos de la muestra obtenida, que cubría un 1% del cielo, fueron publicados en la revista Nature en Abril de 2000. Habían descubierto el rastro dejado por la contribución principal de las ondas acústicas. El denominado técnicamente primer pico Doppler estaba justo donde cabría esperar si la densidad total del universo fuera igual a la densidad crítica; el universo tiene geometría espacial euclídea, o en términos más coloquiales, el universo parece ser plano.
Comparación entre los mapas de COBE y WMAP. La resolución angular de WMAP es unas 20 veces mejor (unos 20 minutos de arco). El azul más oscuro corresponde a temperaturas de unos 200 microKelvin por debajo de la media de 2,728 Kelvin. El color varía gradualmente por el espectro visible hasta el rojo más oscuro que representa temperaturas de 200 microkelvin por encima de la media.
Separación del mapa de fluctuaciones en escalas mayores de 1º (arriba) y escalas menores que 1º (abajo). Las fluctuaciones mayores que un grado corresponden a la contribución de las fluctuaciones cuánticas congeladas y amplificadas en el periodo inflacionario hasta escalas de tamaño cosmológico en algún momento entre la época de Planck y el primer picosegundo (10-12 s).
El mapa de abajo muestra la contribución de las ondas acústicas cuando el universo tenía unos 400,000 años.