Evidencia experimental del Big Bang

EVIDENCIA EXPERIMENTAL DEL BIG

BANG

Cada año que pasa, encontramos más evidencia experimental de que el big bang ocurrió hace aproximadamente entre quince y veinte mil millones de años.* Revisemos algunos de estos resultados experimentales.

En primer lugar, el hecho de que las estrellas se están alejando de nosotros a velocidades fantásticas ha sido verificado repetidamente midiendo la distorsión de su luz estelar (denominada desplazamiento hacia el rojo).

La luz estelar de una estrella que se aleja está desplazada hacia longitudes de onda más largas -es decir, hacia el extremo rojo del espectro- de la misma forma que el pitido de un tren en movimiento suena más agudo de lo normal cuando se acerca y más grave cuando se aleja. Esto se denomina efecto Dopler. Además, la ley de Hubble afirma que cuanto más lejana está la estrella o la galaxia, más rapidamente se aleja de nosotros. Este hecho, anunciado por primera vez por el astrónomo Edwin Hubble en 1929, ha sido verificado experimentalmente durante los últimos cincuenta años.

[Por lo tanto] no vemos ningún desplazamiento hacia el azul de las galaxias distantes, lo que significaría un universo en contracción.

En segundo lugar, sabemos que la distorción de los elementos químicos en nuestra galaxia está en un acuerdo casi exacto con la predicción de producción de elementos pesados en el big bang y en las estrellas. En el big bang primigenio, debido al enorme calor, los núcleos elementales de hidrógeno chocaron entre sí a velocidades suficientmente grandes para fusionarse, dando lugar a un nuevo elemento: el helio. La teoría del big bang predice que la proporción entre helio e hidrógeno en el universo debería ser aproximadamente de un 25 por 100 de helio frente al 75 por 100 de hidrógeno. Esto está de acuerdo con los resultados observacionales sobre la abundancia de helio en el universo.

En tercer lugar, los objetos más antiguos del universo tienen una edad de entre 10.000 y 15.000 millones de años, de acuerdo con la cruda estimación del big bang. No vemos ninguna evidencia de objetos más viejos que el big bang. Puesto que los materiales radiactivos se desintegran (por ejemplo, vía las interacciones débiles) a un ritmo exactamente conocido, es posible decir la edad de un objeto calculando la abundancia relativa de ciertos materiales radiactivos. Por ejemplo, la mitad de una sutancia radiactiva llamada carbono-14 se desintegra cada 5.730 años, lo que nos permite determinar la edad de objetos arqueológicos que contienen carbono. Otros elementos radiactivos (como el uranio-238, con una vida media de más 4.000 millones de años) nos permiten determinar la edad de las rocas lunares (traídas por la misión Apolo).

Las rocas y meteoritos más viejos encontrados en la Tierra datan de ntre 4.000 y 5.000 millones de años, que es la edad aproximada del sistema solar. Calculando la masa de ciertas estrellas cuya evolución es conocida, podemos demostrar que las estrellas mpas viejas de nuestra galaxia se remotan alrededor de 10.000 millones de años.

En cuarto lugar, y lo más importante, el big bang produjo un “eco” cósmico reverberando en el univero que debería ser medible por nuestros instrumentos. De hecho, Arno Penzias y Roberto Wilson de los Bell Telephone Laboratories ganaron el premio Noble en 1978 por detectarr este eco del big bang, una radiación de microondas que impregna todo el universo conocido. El que el eco del big bang debería estar circulando por el universo miles de millones de años después del sueceso fue predicho por primera vez por George Gamow y sus discípulos Ralph Alpher y Robert Herman, pero nadie les tomó en serio. La propia idea de medir el eco de la Creación parecía extravagante cuando la propusieron pro primera vez poco después de la segunda guerra mundial.

Su lógica, sin embargo, era aplastante. Cualquier objeto, cuando se calienta, emite radiación de forma gradual. Esta es la razón de que el hierro se ponga al rojo vivo cuando lo calentamos en un horno. Cuanto más caliente está el hierro, mayor es la frecuencia de la radiación que emite. Una fórmula matemática exacta, la ley de Stefan-Boltzmann, relaciona la frecuencia de la luz (o el color, en este caso) con la temperatura** (De hecho, así es como los científicos determinan la temperatura de la superficie de una estrella lejana, examinando su color). Esta radiación se denomina “Radiación de Cuerpo Negro”.

Cuando el hierro se enfría, la frecuencia de la radiación emitida también decrece, hasta que el hierro ya no emite en el intervalo visible. El hierro vuelve a su color normal. Pero continúa emitideno radiación infrarroja invisible. Así es como los visores nocturnos del ejército operan en la oscuridad. De noche, los objetos relativamente calientes, tales como los soldados enemigos o los carros de combate, puede estar ocultos en la oscuridad, pero continúan emitiendo radiación de cuerpo negro invisible en forma de radiación infrarroja, que puede ser captada por gafas especiales de infrarrojos.

Esta también es la razón de que nuestro automóvil cerrado se caliente durante el verano. La luz solar atraviesa los cristales del automóvil y calienta el interior. A medida que se calienta, empieza a emitir radiación de cuerpo negro en forma de radiación infrarroja. Sin embargo, la radiación infrarroja no atraviesa muy bien el vidrio, y por lo tanto queda atrapada dentro del automovil, incrementando espectacularmente su temperatura. (Análogamente, la radiación de cuerpo negro produce el efecto invernadero. Al igual que el vidrio, los altos niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, causados por la comubustión de combustible fósiles, pueden atrapar la radiación de cuerpo negro infrarroja en la Tierra y, de este modo, calentar gradualmente el planeta).

Gamow razonó que el big bang era inicialmente muy caliente, y que por lo tanto sería un cuerpo negro ideal emisor de radiación. Aunque la tecnología de los años cuarenta era demasiado primitiva para captar esta débil señal de la Creación y predecir con fiabilidad que un día nuestros instrumentos serían suficientemente sensibles para detectar esta radiación “fósil”. La lógica que había detrás de su razonamiento era la siguiente: alrededor de 300.000 años después del big bang, el universo se enfrió hasta el punto en el que los átomos pudieron empezar a componerse; los electrones pudieron empezar a rodear a los protones y formas átomos estables, que ya no serían destruidos por la intensa radiación que impregnaba el universo.

Antes de este momento, el universo estaba tan caliente que los átomos eran inmediatamente descompuestos por la radiación en cuanto se formaban. Esto signficaba que el universo era opaco, como una niebla espesa absorbente e impenetrable. Sin embargo, al cabo de 300.000 años la radiación ya no era suficientmente fuerte para romper los átomos, y por lo tanto la luz podía atravesar grandes distancias sin ser dispersa. En otras palabras, el universo se hizo repentinamente negro y transparente al cabo de 300.000 años. (Estamos acostumbrado a oír hablar de la “oscuridad del espacio exterior” que olvidamos que el universo primitivo no era transparente en absoluto, sino que estaba lleno de radiación opaca y turbulenta).

Al cabo de 300.000 años, la radiación electromagnética ya no interaccionaba tan fuertemente con la materia, y así se convirtió en radiación de cuerpo negro. Poco a poco, a medida que el universo se enfriaba, la frecuencia de esta radiación decreció. Gamow y sus discípulos calcularon que la radiación estaría muy por debajo del dominio infrarrojo, en la región de las microondas. Gamow razonaba que explorando los cielos en busca de una fuente uniforme e isotrópica de radiación de microondas, uno sería capaz de detectar dicha radiación y descubrir el eco del big bang.

La predicción de Gamow quedó en el olvido durante muchas décadas, hasta que la radiación de fondo de microondas fue descubierta casi por casualidad en 1965. Penzias y Wilson encontraron una misteriosa radiación de fondo que impregnaba todo el espacio cuando conectaronsu nueva antena reflectora en Holmdel, New Jersey. Al principio, pensaron que esta radiación indeseada se debía a ruido eléctrico causado por contaminantes, tales como excrementos de pájaros en su antena. Pero cuando desmontaron y limpiaron grandes porciones de la antena, descubrieron que el “ruido parásito” persistía.

Simúltaneamente, los físicos Robert Dicke y James Peebles de la Universidad de Princeton estaban reconsiderando el viejo cálculo de Gamow. Cuando Penzias y Wilson fueron informados finalmente del trabajo de los físicos de Princeton, quedó claro que había una relación directa entre sus resultados. Se dice que, cuando comprendieron que esta radiación de fondo podría ser el eco del big gang original, exclamaron: “¡O hemos visto un montón de m... de pájaro, o hemos visto la creación del univero!”. Descubrieron que esta radiación de fondo uniforme era casi exactamente la misma que había sido predicha años antes por George Gamow y sus colaboradores si el big bang hubiese dejado un manto residual de radiación que se hubiera enfriado hasta 3° K.

Michio Kaku. Hiperespacio. 5Ta ed. España:

Critica, 2009. (Drakontos Bolsillo, 15) p.

285-290

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* Dato de 1984 cuando se publico por primera vez el libro de Hiperespacio de Michio Kaku. 

** La ley que liga la temperatura con el color de la radiación (o más exactamente, con la longitud de onda para la que la emisión es máxima) se denomina, en realidad, ley de desplazamiento de Wien. La ley de Stefan-Boltzmann establece que la radiación total es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta.