Tomó un poco más de siete días crear el universo tal como lo conocemos hoy en día. SPACE.com mira los misterios de los cielos en nuestra serie de ocho partes: La historia & El futuro del Cosmos. Esta es la parte 5 de esa serie.

Nuestro universo nació hace unos 13.700 millones de años en una expansión masiva que voló el espacio como un globo gigantesco.

Eso, en pocas palabras, es la teoría del Big Bang, que prácticamente todos los cosmólogos y físicos teóricos respaldan. La evidencia que apoya la idea es extensa y convincente. Sabemos, por ejemplo, que el universo aún se está expandiendo, incluso ahora, a un ritmo cada vez más acelerado.

Los científicos también han descubierto una huella térmica predicha del Big Bang, la radiación de fondo de microondas cósmica que impregna el universo. Y no vemos ningún objeto, obviamente, de más de 13,7 mil millones de años, lo que sugiere que nuestro universo nació alrededor de esa época.

«Todas estas cosas pusieron el Big Bang sobre una base extremadamente sólida», dijo el astrofísico Alex Filippenko de la Universidad de California, Berkeley. «El Big Bang es una teoría enormemente exitosa.»

Entonces, ¿qué nos enseña esta teoría? ¿Qué sucedió realmente en el nacimiento de nuestro universo, y cómo tomó la forma que observamos hoy?

El principio

La teoría tradicional del Big Bang postula que nuestro universo comenzó con una singularidad, un punto de densidad y temperatura infinitas cuya naturaleza es difícil de comprender para nuestras mentes. Sin embargo, esto puede no reflejar con precisión la realidad, dicen los investigadores, porque la idea de singularidad se basa en la teoría de la relatividad general de Einstein.

«El problema es que no hay razón alguna para creer en la relatividad general en ese régimen», dijo Sean Carroll, físico teórico de Caltech. «Va a estar mal, porque no tiene en cuenta la mecánica cuántica. Y la mecánica cuántica ciertamente va a ser importante una vez que llegues a ese lugar en la historia del universo.»

Así que el principio del universo sigue siendo bastante turbio. Los científicos creen que pueden captar la historia entre 10 y 36 segundos menos, una trillonésima de trillonésima de segundo, después del Big Bang.

En ese momento, creen, el universo sufrió un período extremadamente breve y dramático de inflación, expandiéndose más rápido que la velocidad de la luz. Duplicó su tamaño quizás 100 veces o más, todo en el lapso de unas pocas fracciones de segundo.

(La inflación puede parecer violar la teoría de la relatividad especial, pero ese no es el caso, dicen los científicos. La relatividad especial sostiene que ninguna información o materia puede ser transportada entre dos puntos en el espacio más rápido que la velocidad de la luz. Pero la inflación era una expansión del espacio en sí.)

«La inflación fue el ‘bang’ del Big Bang», dijo Filippenko SPACE.com » Antes de la inflación, solo había un poco de cosas, muy posiblemente, expandiéndose un poco. Necesitábamos algo como inflación para hacer grande el universo.»

Este universo en rápida expansión estaba prácticamente vacío de materia, pero albergaba enormes cantidades de energía oscura, según la teoría. La energía oscura es la fuerza misteriosa que los científicos creen que está impulsando la expansión acelerada actual del universo.

Durante la inflación, la energía oscura hizo el universo suave y acelerar. Pero no se quedó por mucho tiempo.

«Era solo energía oscura temporal», dijo Carroll SPACE.com » Se convirtió en materia ordinaria y radiación a través de un proceso llamado recalentamiento. El universo pasó de ser frío durante la inflación a ser caliente de nuevo cuando toda la energía oscura se fue.»

Los científicos no saben qué podría haber estimulado la inflación. Esa sigue siendo una de las preguntas clave en la cosmología del Big Bang, dijo Filippenko.

Otra idea

La mayoría de los cosmólogos consideran que la inflación es la teoría principal para explicar las características del universo, específicamente, por qué es relativamente plano y homogéneo, con aproximadamente la misma cantidad de cosas distribuidas por igual en todas las direcciones.

Varias líneas de evidencia apuntan a que la inflación es una realidad, dijo el físico teórico Andy Albrecht de la Universidad de California, Davis.

«Todos encajan muy bien con la imagen inflacionaria», dijo Albrecht, uno de los arquitectos de la teoría de la inflación. «La inflación ha ido increíblemente bien.»

Sin embargo, la inflación no es la única idea que intenta explicar la estructura del universo. Los teóricos han ideado otro, llamado modelo cíclico, que se basa en un concepto anterior llamado universo ekpirótico.

Esta idea sostiene que nuestro universo no surgió de un solo punto, ni nada parecido. Más bien, «rebotó» hacia la expansión — a un ritmo mucho más tranquilo de lo que predice la teoría de la inflación-de un universo preexistente que se había estado contrayendo. Si esta teoría es correcta, es probable que nuestro universo haya sufrido una sucesión interminable de» flequillos «y » abdominales».»

«El comienzo de nuestro universo habría sido bonito y finito», dijo Burt Ovrut de la Universidad de Pensilvania, uno de los creadores de la teoría ekpirótica.

El modelo cíclico postula que nuestro universo consta de 11 dimensiones, de las cuales solo podemos observar cuatro (tres de espacio y una de tiempo). Nuestra parte cuatridimensional del universo se llama brana (abreviatura de membrana).

Podría haber otras branas acechando en el espacio de 11 dimensiones, la idea es. Una colisión entre dos branas podría haber sacudido el universo de contracción a expansión, estimulando el Big Bang que vemos hoy en día.

Buscando ondas gravitacionales

Pronto, los científicos pueden saber con certeza qué teoría-la inflación o el modelo cíclico — es una mejor representación de la realidad.

Por ejemplo, es probable que la inflación produzca ondas gravitacionales mucho más fuertes que un «rebote» ekpirótico, dijo Filippenko. Así que los investigadores están buscando signos de estas distorsiones teóricas del espacio-tiempo, que aún no se han observado.

El satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, lanzado en 2009, puede encontrar ondas gravitacionales elusivas. También puede reunir otras pruebas que podrían inclinar la balanza de cualquier manera, dijo Ovrut.

«Estas son cosas que, dentro de los próximos 10 años, se discutirán y, con suerte, se decidirán», dijo Ovrut SPACE.com.

El universo que conocemos toma forma

Los cosmólogos sospechan que las cuatro fuerzas que gobiernan el universo — la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débiles y fuertes — se unificaron en una sola fuerza en el nacimiento del universo, aplastadas juntas debido a las temperaturas y densidades extremas involucradas.

Pero las cosas cambiaron a medida que el universo se expandía y se enfriaba. Alrededor de la época de la inflación, la fuerza fuerte probablemente se separó. Y alrededor de 10 billones de segundos después del Big Bang, las fuerzas electromagnéticas y débiles también se volvieron distintas.

Justo después de la inflación, el universo probablemente se llenó con un plasma denso y caliente. Pero alrededor de 1 microsegundo (10 a los menos 6 segundos) aproximadamente, se había enfriado lo suficiente como para permitir la formación de los primeros protones y neutrones, piensan los investigadores.

En los primeros tres minutos después del Big Bang, estos protones y neutrones comenzaron a fusionarse, formando deuterio (también conocido como hidrógeno pesado). Los átomos de deuterio se unieron entre sí, formando helio-4.

Recombinación: El universo se vuelve transparente

Estos átomos recién creados estaban cargados positivamente, ya que el universo todavía estaba demasiado caliente para favorecer la captura de electrones.

Pero eso cambió unos 380.000 años después del Big Bang. En una época conocida como recombinación, los iones de hidrógeno y helio comenzaron a enganchar electrones, formando átomos eléctricamente neutros. La luz dispersa significativamente los electrones y protones libres, pero mucho menos los átomos neutros. Así que los fotones ahora eran mucho más libres para navegar por el universo.

La recombinación cambió drásticamente el aspecto del universo; había sido una niebla opaca, y ahora se volvió transparente. La radiación de fondo cósmico de microondas que observamos hoy en día data de esta era.

Pero aún así, el universo estuvo bastante oscuro durante mucho tiempo después de la recombinación, solo se iluminó verdaderamente cuando las primeras estrellas comenzaron a brillar unos 300 millones de años después del Big Bang. Ayudaron a deshacer mucho de lo que la recombinación había logrado. Estas primeras estrellas — y quizás algunas otras fuentes misteriosas-arrojaron suficiente radiación para dividir la mayor parte del hidrógeno del universo en sus protones y electrones constituyentes.

Este proceso, conocido como reionización, parece haber seguido su curso alrededor de 1 mil millones de años después del Big Bang. El universo no es opaco hoy, como lo era antes de la recombinación, porque se ha expandido tanto. La materia del universo es muy diluida y, por lo tanto, las interacciones de dispersión de fotones son relativamente raras, dicen los científicos.

Con el tiempo, las estrellas gravitaron juntas para formar galaxias, lo que llevó a una estructura cada vez más a gran escala en el universo. Los planetas se unieron alrededor de algunas estrellas de nueva formación, incluido nuestro propio sol. Y hace 3,8 mil millones de años, la vida echó raíces en la Tierra.

¿Antes del Big Bang?

Mientras que mucho sobre los primeros momentos del universo sigue siendo especulativo, la cuestión de lo que precedió al Big Bang es aún más misteriosa y difícil de abordar.

Para empezar, la pregunta en sí puede ser absurda. Si el universo vino de la nada, como algunos teóricos creen, el Big Bang marca el instante en que el tiempo mismo comenzó. En ese caso, no habría tal cosa como «antes», dijo Carroll.

Pero algunas concepciones del nacimiento del universo pueden proponer posibles respuestas. El modelo cíclico, por ejemplo, sugiere que un universo en contracción precedió a nuestro universo en expansión. Carroll, también, puede imaginar algo que existía antes del Big Bang.

«Podría ser simplemente un espacio vacío que existía antes de que ocurriera nuestro Big Bang, luego una fluctuación cuántica dio a luz a un universo como el nuestro», dijo. «Puedes imaginar una pequeña burbuja de espacio que se pellizca a través de una fluctuación y se llena con solo una pequeña porción de energía, que luego puede crecer en el universo que vemos a través de la inflación.»

Filippenko también sospecha que algo en esa línea podría ser cierto.

«Creo que el tiempo en nuestro universo comenzó con el Big Bang, pero creo que éramos una fluctuación de un predecesor, un universo madre», dijo Filippenko.

¿Lo sabremos alguna vez?

Los cosmólogos y físicos están trabajando duro para refinar sus teorías y llevar los primeros momentos del universo a un enfoque cada vez más nítido. Pero, ¿sabrán de verdad lo que pasó en el Big Bang?

Es un desafío desalentador, especialmente porque los investigadores están trabajando en un retiro de 13,7 mil millones de años. Pero no descartes la ciencia, dijo Carroll. Después de todo, hace 100 años, la gente entendía muy poco sobre el universo. No sabíamos de la relatividad general, por ejemplo, o de la mecánica cuántica. No sabíamos que el universo se estaba expandiendo, y no sabíamos del Big Bang.

«Ahora sabemos todas estas cosas», dijo Carroll. «El ritmo de progreso es sorprendentemente rápido, por lo que nunca me rendiría al pesimismo. No hay razón en la historia reciente de la cosmología y la física para ser pesimistas sobre nuestras perspectivas de entender el Big Bang.»

Albrecht expresó un optimismo similar, diciendo que un día podríamos incluso averiguar qué, si es que había algo, antes del Big Bang.

«Baso mi esperanza en el hecho de que la cosmología ha sido tan exitosa», dijo SPACE.com. » Parece que la naturaleza nos ha enviado un mensaje claro de que realmente podemos hacer ciencia con el universo.»

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