la teoria del big bang

    la teoria del big bang





 Curiosamente, la expresión Big Bang proviene -a su pesar- del astrofísico inglés Fred Hoyle, uno de los detractores de esta teoría y, a su vez, uno de los principales defensores de la teoría del estado estacionario, quien en 1949, durante una intervención en la BBC dijo, para mofarse, que el modelo descrito era sólo un big bang (gran explosión). No obstante, hay que tener en cuenta que en el inicio del Universo ni hubo explosión ni fue grande, pues en rigor surgió de una «singularidad» infinitamente pequeña, seguida de la expansión del propio espacio.^[1]
La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxias y los cambios de posición entre ellas, permitiendo extrapolar las condiciones del Universo antes o después en el tiempo.
Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que, en el pasado, el Universo tenía una temperatura más alta y mayor densidad y, por tanto, las condiciones del Universo actual son muy diferentes de las condiciones del Universo pasado. A partir de este modelo, George Gamow en 1948 pudo predecir que debería de haber evidencias de un fenómeno que más tarde sería bautizado como radiación de fondo de microondas.

Descripción del Big Bang

El Universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal.

Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación big bang (gran explosión): en cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo, habría sido el mismo big bang lo que habría generado las dimensiones desde una singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.
Basándose en medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años. Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo.
El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogénea e isótropamente de una energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitantes. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.
Aproximadamente 10^-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas.
Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.
El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.
Más misterios aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10^-33 segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de la gran unificación. En el "primer instante", la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad gravitacional en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica. La comprensión de este período de la historia del universo figura entre los mayores problemas no resueltos de la física.

Base teorica

En su forma actual, la teoría del Big Bang depende de tres suposiciones:

1. La universalidad de las leyes de la física, en particular de la teoría de la relatividad general
2. El principio cosmológico
3. El principio de Copérnico

Inicialmente, estas tres ideas fueron tomadas como postulados, pero actualmente se intenta verificar cada una de ellas. La universalidad de las leyes de la física ha sido verificada al nivel de las más grandes constantes físicas, llevando su margen de error hasta el orden de 10^-5. La isotropía del universo que define el principio cosmológico ha sido verificada hasta un orden de 10^-5. Actualmente se intenta verificar el principio de Copérnico observando la interacción entre grupos de galaxias y el CMB por medio del efecto Sunyaev-Zeldovich con un nivel de exactitud del 1 por ciento.
La teoría del Big Bang utiliza el postulado de Weyl para medir sin ambigüedad el tiempo en cualquier momento en el pasado a partir del la época de Planck. Las medidas en este sistema dependen de coordenadas conformales, en las cuales las llamadas distancias codesplazantes y los tiempos conformales permiten no considerar la expansión del universo para las medidas de espacio-tiempo. En ese sistema de coordenadas, los objetos que se mueven con el flujo cosmológico mantienen siempre la misma distancia codesplazante, y el horizonte o límite del universo se fija por el tiempo codesplazante.
Visto así, el Big Bang no es una explosión de materia que se aleja para llenar un universo vacío; es el espacio-tiempo el que se extiende.Y es su expansión la que causa el incremento de la distancia física entre dos puntos fijos en nuestro universo.Cuando los objetos están ligados entre ellos (por ejemplo, por una galaxia), no se alejan con la expansión del espacio-tiempo, debido a que se asume que las leyes de la física que los gobiernan son uniformes e independientes del espacio métrico. Más aún, la expansión del universo en las escalas actuales locales es tan pequeña que cualquier dependencia de las leyes de la física en la expansión no sería medible con las técnicas actuales.

Bueno amigos  quiero que sepan q este es mi primer post , y bueno no espero mucho pero aporto con algo que se y que he aprendido y que muchos deberian conocerlo.




Aca les va algo de lo q aprendido sobre el colosal universo:

Basandonos en el hecho en que la energia puede convertirse en materia . la teoria nos dice que unos 15 mil millones de años, el universo no tenia existencia,ni tanpoco elespacio vacio.No habia tienpo , ni materia, nada, tan solo un espacio de materia tan pequeño con una densidad tan enorme como para contener todo el universo en esa, por asi decirlo cabeza de un afiler.Toda esa energia concentrada en un punto tan minusculo tubo que liberarse dando asi la explosion llamada big bang.

Luego de la gran explosion los miles de particulas se fueron esparciendo atraves del espacio en forma circular al punto de la explocion.Pasaron 300.000 mil años recien para que se pudiran formar los primeros atomos, la tenperatura en esos momentos era similar a la del sol.

A partir de este hecho se enpezo a conformar el universo que hoy conocemos con sus respectivas galaxias, planetas y nuestra tan querida TIERRA.
BIG BANG : LA GRAN EXPLOSION
http://youtu.be/_AmFcBWBAoY


http://youtu.be/6LyzCEFATY0


evidencias


En general, se consideran tres las evidencias empíricas que apoyan la teoría cosmológica del Big Bang. Éstas son: la expansión del universo que se expresa en la Ley de Hubble y que se puede apreciar en el corrimiento hacia el rojo de las galaxias, las medidas detalladas del fondo cósmico de microondas, y la abundancia de elementos ligeros. Además, la función de correlación de la estructura a gran escala del Universo encaja con la teoría del Big Bang.

Expansión expresada en la ley de Hubble

Artículo principal: Ley de Hubble

De la observación de galaxias y quasares lejanos se desprende la idea de que estos objetos experimentan un corrimiento hacia el rojo, lo que quiere decir que la luz que emiten se ha desplazado proporcionalmente hacia longitudes de onda más largas. Esto se comprueba tomando el espectro de los objetos y comparando, después, el patrón espectroscópico de las líneas de emisión o absorción correspondientes a átomos de los elementos que interactúan con la radiación. En este análisis se puede apreciar cierto corrimiento hacia el rojo, lo que se explica por una velocidad recesional correspondiente al efecto Doppler en la radiación. Al representar estas velocidades recesionales frente a las distancias respecto a los objetos, se observa que guardan una relación lineal, conocida como Ley de Hubble:

donde v es la velocidad recesional, D es la distancia al objeto y H₀ es la constante de Hubble, que el satélite WMAP estimó en 71 ± 4 km/s/Mpc.

Radiación cósmica de fondo

Artículo principal: Radiación de fondo de microondas

Imagen de la radiación de fondo de microondas.

Una de las predicciones de la teoría del Big Bang es la existencia de la radiación cósmica de fondo, radiación de fondo de microondas o CMB (Cosmic microwave background). El universo temprano, debido a su alta temperatura, se habría llenado de luz emitida por sus otros componentes. Mientras el universo se enfriaba debido a la expansión, su temperatura habría caído por debajo de 3.000 K. Por encima de esta temperatura, los electrones y protones están separados, haciendo el universo opaco a la luz. Por debajo de los 3.000 K se forman los átomos, permitiendo el paso de la luz a través del gas del universo. Esto es lo que se conoce como disociación de fotones.
La radiación en este momento habría tenido el espectro del cuerpo negro y habría viajado libremente durante el resto de vida del universo, sufriendo un corrimiento hacia el rojo como consecuencia de la expansión de Hubble. Esto hace variar el espectro del cuerpo negro de 3.345 K a un espectro del cuerpo negro con una temperatura mucho menor. La radiación, vista desde cualquier punto del universo, parecerá provenir de todas las direcciones en el espacio.
En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, mientras desarrollaban una serie de observaciones de diagnóstico con un receptor de microondas propiedad de los Laboratorios Bell, descubrieron la radiación cósmica de fondo. Ello proporcionó una confirmación sustancial de las predicciones generales respecto al CMB —la radiación resultó ser isótropa y constante, con un espectro del cuerpo negro de cerca de 3 K— e inclinó la balanza hacia la hipótesis del Big Bang. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel por su descubrimiento.
En 1989, la NASA lanzó el COBE (Cosmic background Explorer) y los resultados iniciales, proporcionados en 1990, fueron consistentes con las predicciones generales de la teoría del Big Bang acerca de la CMB. El COBE halló una temperatura residual de 2.726 K, y determinó que el CMB era isótropo en torno a una de cada 10⁵ partes. Durante la década de los 90 se investigó más extensamente la anisotropía en el CMB mediante un gran número de experimentos en tierra y, midiendo la distancia angular media (la distancia en el cielo) de las anisotropías, se vio que el universo era geométricamente plano.
A principios de 2003 se dieron a conocer los resultados de la Sonda Wilkinson de Anisotropías del fondo de Microondas (en inglés Wilkinson Microwave Anisotropy Probe o WMAP), mejorando los que hasta entonces eran los valores más precisos de algunos parámetros cosmológicos. (Véase también experimentos sobre el fondo cósmico de microondas). Este satélite también refutó varios modelos inflacionistas específicos, pero los resultados eran constantes con la teoría de la inflación en general.

Teoría del Big Bang

Abstract: La mayoría de los cosmólogos cree actualmente que el Universo inició su existencia con una enorme explosión , a partir de un estado extraordinariamente pequeño, caliente y denso: el Big Bang. Esta aceptación general es el resultado de los éxitos alcanzados por la teoría del Big Bang, en la predicción y descubrimiento de fenómenos físicos que se adaptan al modelo. Como toda teoría, su validez se funda en su capacidad predictiva y el hecho de que sus predicciones sean verificadas por las observaciones. ________________________________________________________________________
I. INTRODUCCIÓN


Después de haber elaborado la teoría de la Relatividad General, Einstein se propuso utilizarla para tratar de entender cómo era el Cosmos. Sus cálculos indicaban que el Universo no podía ser estable: debía estar expandiéndose o colapsando. Como Einstein creía que el Universo era estable, propuso la existencia de una fuerza opuesta a la gravedad que permitiría que el Universo fuera estacionario. Por su parte el físico y matemático Alexander Friedmann siguió trabajando en el camino correcto, aceptando las consecuencias de la Relatividad General y elaboró, ya en 1922, modelos que describían al Universo en expansión.
La vision que se tenía del cosmos hasta principios del siglo XX nos ubicaba siendo parte de un sistema achatado que contenía todas las estrellas. En 1924, el astrónomo Edwin Hubble descubrió que lo que se conocía en ese entonces como nebulosas espirales, eran otras galaxies en realidad, las cuales se encontraban a grandisimas distancias y estaban formadas por millones de estrellas. En los años siguientes Hubble se dedicó a medir sus distancias y sus velocidades y llegó a la conclusion de que las galaxies se estaban alejando unas de las otras: en otras palabras el Universo estaba en expansión.
Fue a partir de esto que los astrónomos comenzaron a preguntarse cómo comenzó esta expansión. La misma física que hoy nos permite entender por qué brillan las estrellas, cuál es el origen del hombre o por qué no hay aire en la Luna, indicaba que el Universo debio tener un comienzo muy caliente y que parte de ese calor podría detectarse en la banda de las microondas ( o radiación de fondo),las cuales fueron detectadas en el 1965.
Si imaginamos que retrocedemos en el tiempo descubriremos que las galaxias se hallaban más próximas entre sí que ahora. Cuanto más atrás en el tiempo, más cerca estarán unas de otras, de manera que es posible imaginar un instante en cual todas las galaxias se encontraban comprimidas en un volumen muy pequeño. Las ecuaciones de la teoría de la relatividad se han verificado experimentalmente con suficiente precisión para describir el comportamiento del universo y establecen que la compresión podría hacerse tan grande que el universo se convertiría en un punto sin dimensiones y en consecuencia de densidad infinita. La materia y la energía tal como las conocemos no existirían, y las nociones de espacio y tiempo no tendrían sentido.
La teoría del Big-Bang plantea que el universo surgió de una explosión inicial que ocasionó la expansión de la materia desde un estado de condensación extrema.
El hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios de la Gran Explosión, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas.
A causa de su elevadísima
II. LA RADIACIÓN CÓSMICA DE FONDO


En 1965, dos científicos de los Bell Laboratories que trataban de poner en funcionamiento un potente nuevo radio receptor de microondas veían obstaculizados sus esfuerzos. Arno Penzias y Robert Wilson pensaron que habían encontrado la clave del problema cuando descubrieron un nido de palomas en la enorme antena, pero la expulsión de las aves no solucionó el problema. Continuaron investigando su origen hasta encontrarlo, un hallazgo que les valió el Premio Nobel de Física de 1978.
Penzias y Wilson observaron que la misteriosa radiación de microondas procedía de más allá de su receptor, de más allá de la Tierra e incluso de más allá de nuestra galaxia. Parecía como si todo el universo emitiese un leve “fulgor” de radiación de microondas en cualquier dirección hacia la cual apuntasen su antena. Su descubrimiento, actualmente denominado radiación cósmica de fondo, parece ser el remanente diluido del intenso calor y luz desprendidos en los momentos iniciales de la explosión primordial.
La radiación de fondo cósmico puede compararse al calor y la luz que desprende el rescoldo de un fuego. Esa radiación ya no se halla en la región visible del espectro electromagnético sino en la infrarroja. Podría decirse que el “rescoldo” de la bola de fuego original del universo se encuentra a estas alturas muy frío y no emite ya ni tan solo radiación infrarroja. En su lugar se desprende radiación de microondas, de longitud de onda mayor y menor energía, detectable solamente mediante receptores de alta sensibilidad. Como cualquier radiación, las microondas existen en forma de “partículas de luz”, llamadas fotones; los fotones de la radiación de fondo cósmico corresponden a una temperatura tremendamente baja, de tres grados por encima del cero absoluto.
Sorprendentemente, casi veinte años antes de su descubrimiento, el científico George Gamow había predicho la existencia de dicha radiación de fondo cósmico como resultado de su modelo “caliente” del universo. Utilizando el modelo de otros astrofísicos que predijeron en 1948 que el enfriamiento gradual del universo desde su fase incandescente inicial debería conducir, en el momento presente, a una radiación de fondo correspondiente a una temperatura cinco grados por encima del cero absoluto. Hoy en día, la presencia universal de ese fondo de radiación de microondas convence a la mayoría de científicos de que el universo no sólo tuvo un principio sino que dicho principio tuvo lugar en forma de una gigantesca explosión o “Big Bang”.
III. TEORÍA DEL BIG BANG

En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión (Big Bang), cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos. Cálculos más
recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios de la Gran Explosión, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios
del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.
Según se expandía el Universo, la radiación residual de la Gran Explosión continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos -270 °C. Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría de la Gran Explosión.
Al ocurrir la Gran Explosión, la materia de la bola de fuego fue despedida en todas las direcciones, pero no simplemente en forma de neutrones, protones y electrones, sino en verdaderas y gigantescas nubes, las más externas a mayor velocidad, las más internas, lógicamente a menor velocidad, frenadas por las capas exteriors, de estas nubes se formarían las estrellas, galaxias, cúmulos y supercúmulos y nos daría una explicación de por qué las galaxias más lejanas se observan con una velocidad relativa de separación o alejamiento mayor. Al no existir nada alrededor de esta gigantesca bola de fuego, las velocidades de estas nubes solo podrían ser frenadas unas a otras por la acción de la gravedad de las mismas, pero esta acción se iría debilitando con el tiempo, por la mayor distancia de separación entre sí.
Donde ocurrió la Gran Explosión, sólo quedaría un gran vacío, cada vez mayor y su localización podría ser posible detectarlo. Por un lado las variaciones de temperatura remanente hacia dónde esté ese gran vacío debe ser menor. Por otro lado, determinando la dirección de los vectores de velocidad real (no relativo) de las galaxias, donde se corten las colas de estos vectores, se encontrará el centro de la Gran Explosión. Adicionalmente se puede comprobar con observaciones astronómicas para verificar si existen grandes vacíos en el lugar estimado anteriormente.
En 1977, un equipo de astrónomos de Berkely, a bordo de un U-2 descubrieron una diminuta variación en el fondo de microondas. Descubrieron que el cielo era de tres milésimas de grado más caliente en la dirección del extremo austral de la constelación de Leo y más fría de modo equivalente en la dirección opuesta. Es decir, más caliente hacia donde vamos y más fría de donde venimos. Aquí tenemos ya un gran vector. En igual forma con las últimas mediciones hechas del corrimiento hacia el rojo, se ha determinado que toda la vía láctea se mueve en la dirección de Virgo y ésta a su vez en la dirección general de Hidra-Centauro , lo que nos permitiría determinar otro gran vector. Finalmente se han observado grandes vacíos de millones años luz de diámetro, como el vacío del Boyero, que aparentemente no tienen explicación posiblemente y en uno de esos grandes vacíos podría estar el centro del Universo.
IV. EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO SEGÚN LA TEORÍA DEL BIG BANG




Todos los hechos expuestos hasta ahora dan soporte a la hipótesis de que el universo comenzó súbitamente, a partir de un estado inicial a muy altas temperatura y densidad, y que comenzó a expandirse hace entre 10 y 20 mil millones de años. Es lo que se denomina Teoría del Big Bang. Normalmente, se considera que la historia del universo, desde sus principios, ha pasado por cuatro fases de duraciones muy diferentes y progresivamente más largas.
La era hadrónica: Se denomina así a causa de que, durante su transcurso, las partículas gobernadas por la interacción fuerte (protones, neutrones y otras partículas pesadas) eran las protagonistas principales. Esta era se subdivide en diversas partes. El tiempo de Plank, de una duración de 10-43s ,para el cual no tenemos todavía una teoría física que explique el comportamiento. La temperatura durante este tiempo era del orden de 1309 ºC. El tiempo de Gran Unificación, durante el cual las interacciones fuerte, débil y electromagnética no se podían distinguir. Sólo la gravedad estaba separada de las otras fuerzas. Esta fase acaba cuando la temperatura llega a 1300 ºC, a un tiempo del orden de 10-32s. Al final de este período la fuerza fuerte se separa de las otras y aparecen los quarks y otras partículas relacionadas con ellos. Igualmente, el final de la etapa viene señalada por la bariosíntesis, es decir, la formación de los protones y de los neutrones y la aniquilación de sus antipartículas. El tiempo de la interacción electrodébil, que se acaba cuando las fuerzas débil y electromagnética se separan, a un tiempo del orden de 10-7s y a una temperatura alrededor de 1288 ºC.
La era leptónica: Durante esta era las partículas protagonistas son los leptones, especialmente los electrones y los positrones, que están en equilibrio térmico con la radiación. Esta era se acabó cuando el universo tenía una edad de unos 10 segundos, una temperatura de 10784 ºC y una densidad 104 veces la del agua.
La era radiativa: Al principio de esta era empieza la nucleosíntesis cosmológica que llevará a las abundancias de helio, deuterio y litio que actualmente encontrarnos en el universo. Durante esta era, los leptones dejan de estar en equilibrio con la radiación. Esto comporta que los neutrones, que hasta entonces estaban en equilibrio con los protones, dejan de estarlo, ya que se desintegran dando protones, electrones y antineutrinos, mientras que el proceso inverso ya no se puede dar. Esto explica que actualmente en el universo haya muchos más protones que neutrones. Durante esta era, el universo estaba dominado por la radiación. La energía contenida en la radiación era superior a la contenida en la materia, a causa de la alta temperatura. Podemos decir que el universo era «brillante», dominado por la luz, y la materia estaba completamente ionizada. Esta era duró del orden de un millón de años y se acabó cuando la temperatura había bajado hasta unos 10.000 ºC y la densidad hasta unos 10-21g/cm3.
La era estelar: Al final de la era radiativa, la materia deja de estar ionizada. Es decir, los protones y los electrones se combinan para dar átomos de hidrógeno. El universo se vuelve neutro y oscuro. La luz deja de interaccionar con la materia y empieza a viajar libremente por el universo. Estos fotones son los que hoy día podemos detectar, después de haberse enfriado hasta 276 ºC, en forma de radiación de fondo de microondas. Este es el momento más antiguo del cual podemos tener datos observacionales, gracias a esta radiación de fondo. Cualquier cosa que existiera anteriormente desapareció a causa de la interacción permanente entre materia y energía. A partir de ahora cada una evolucionará por su lado. Los astros actuales todavía no existían. Só1o una nube de hidrógeno y helio. Al principio de esta época tuvo que haber grandes fluctuaciones que conducirían a la fragmentación del gas y, a la larga, a la formación de los cúmulos de galaxias y de las zonas vacías entre ellas. Después se formarían las galaxias y, más tarde, a partir de unos 1.000 millones de años desde el principio, las primeras estrellas. La luz volvía al universo y comenzaban a ser visibles las estructuras actuales.
Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).
Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado. La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.
Como la luz de las galaxias más alejadas ha estado viajando cientos de miles de años, el Universo se observa como aparecía en el pasado lejano. Al utilizar nuevos detectores infrarrojos conocidos como series de gran formato, los astrónomos del Observatorio Mauna Kea, en Hawaii, han registrado cientos de galaxias, las más mortecinas jamás observadas, la mayoría de ellas agrupadas a una distancia de 600.000 años luz. Una anomalía en esta visión del Universo de hace 600.000 años es que, más que una mezcla de tipos galácticos, predomina un tipo: una clase de galaxias pequeñas y compactas que contienen muchas menos estrellas que la Vía Láctea u otras de su clase. Las jóvenes galaxias espirales y elípticas que se observan en la actualidad se pueden haber formado por la fusión de fragmentos galácticos de masa baja, relativamente tarde en la historia del Universo, mucho después de la Gran Explosión, y pueden representar cada uno de los estadios en la evolución del Universo.
Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar a la Gran Explosión. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinitud de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario. Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría,

encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no es la gravedad sino los fenómenos del plasma, la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.

EL BIG BANG

A. El big bang. B. Un plan muy preciso. C. Estrellas A. EL BIG BANG 1. ¿Cómo fue el big bang al comienzo? El universo empezó como un punto muy pesado y ardiente. Un volumen mínimo con una energía enorme. Hablamos de cien quintillones de grados de temperatura en una densidad de trillones de trillones de Kg/l. 2. ¿Cómo fueron los primeros minutos después del big bang? Enseguida surgieron quarks, electrones y fotones. Luego protones y neutrones. Estamos a billones de grados y a 10.000 millonésimas de segundo después del big bang. A los tres minutos del big bang, la temperatura baja a mil millones de grados y se forman los núcleos de hidrógeno pesado y helio. La expansión continúa (actualmente el universo sigue expandiéndose). 3. Hidrógeno, helio y luz.- 300.000 años después del big bang, la temperatura desciende a 5727° y el universo es mil veces más pequeño que el actual. Entonces se forman los átomos de hidrógeno y helio. Se separa la luz de la materia y el universo se vuelve transparente. (Esta luz intensísima se detecta hoy como radiación cósmica de fondo). 4. ¿Estrellas y planetas? Mil millones de años después del big bang y a 255° bajo cero surgen las estrellas a partir del hidrógeno. En las estrellas se formaron los demás elementos químicos: carbono, oxígeno, neón, etc. Algunas estrellas de gran masa estallaron, y esparcieron esos elementos en masas ardientes que originaron los planetas. 5. ¿Que edad tiene el universo actual? Actualmente estamos a unos 15.000 millones de años del big bang y a 270° bajo cero. B. UN PLAN MUY PRECISO 1. ¿Una explosión bien calculada? El big bang fue una explosión calculada con gran precisión. Una trillonésima de energía mayor o menor habría destruido el universo que empezaba a formarse. Si la expansión hubiera sido más lenta, la fuerza de la gravedad habría vencido y se habría producido una implosión al juntarse todo de nuevo. Si la expansión hubiera sido más rápida, la materia cósmica se habría dispersado completamente y no se habrían formado galaxias. Actualmente el universo continúa expandiéndose, justo a la velocidad precisa para que no se produzca un desastre. 2. Las cuatro fuerzas.- Instantes después del big bang, entraron en acción las cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Estas fuerzas tomaron valores muy precisos. Si hubieran tomado otros, el universo actual no se habría formado. Por ejemplo, si la fuerza de gravedad hubiera sido mayor, se habría colapsado; y si hubiera sido menor, se habría dispersado tan rápido que nada quedaría unido. 3. Materia y antimateria.- En los primeros instantes del big bang surgieron quarks y electrones con sus correspondientes antipartículas. Al chocar se destruían produciéndose fotones. Pero hubo un exceso de materia por encima de la antimateria, y por este curioso excedente el universo continuó su desarrollo. El choque materia-antimateria produjo la energía conveniente, pero no se aniquiló todo porque hubo más abundancia de materia. 4. Los quarks son precisamente así.- Entre las primeras partículas que surgieron están los quarks u y d. Con ellos se formaron los protones y neutrones. Los protones tienen dos quarks u y uno d. Los neutrones tienen dos quarks d y uno u. Los quarks u tienen una carga eléctrica de + 2/3. Los quarks d tienen una carga eléctrica de -1/3. De este modo tan preciso surgieron los protones con carga +1, y los neutrones con carga 0. 5. Nacen los átomos.- Instantes después del big bang, la fuerza nuclear fuerte unió los quarks u y d para formar protones y neutrones, el núcleo de los átomos. La fuerza electromagnética enlazó los protones y electrones, que tenían precisamente la misma carga eléctrica, y así el átomo fue estable. Las partículas que lo forman y las fuerzas que las unen fueron precisamente las idóneas que se necesitaban para obtener este resultado. 6. Estabilidad del neutrón.- Los neutrones libres son inestables y se desintegran en quince minutos, -dando un protón, un electrón y un antineutrino-. En cambio dentro del núcleo, los neutrones son completamente estables. A los tres minutos del big bang se formaron núcleos de hidrógeno pesado y helio. Y de este modo no desaparecieron los neutrones. 7. La masa del neutrón.- El neutrón resultó un poquito más pesado que el protón. Si hubiera sido al revés, los protones serían los inestables y por tanto los átomos de hidrógeno también. Y sin hidrógeno no habría estrellas ni sol. 8. Y giraron y giraron.- Los electrones se pusieron a girar alrededor de los núcleos y esto evitó que chocaran con el núcleo atraídos por la fuerza electromagnética. Igualmente, la luna gira alrededor de la tierra y ésta alrededor del sol igualando así la atracción gravitatoria con la fuerza centrífuga. Estos giros continuos evitan el colapso del universo. C. ESTRELLAS 1. ¿Cómo nacen las estrellas?.- En unas nubes de hidrógeno se producen compresiones por gravedad y se alcanza el millón de grados. A esta temperatura se unen los núcleos de hidrógeno pesado liberando energía hasta llegar a los 10 millones de grados. Con esta temperatura se unen los núcleos de hidrógeno liberando energía que ilumina la estrella. Si sólo se quemara hidrógeno pesado, la combustión sería a una velocidad explosiva (bombas H). Si no hubiera hidrógeno pesado, no empezaría a fusionarse el hidrógeno normal. Esta proporción precisa de ambos hidrógenos hace que las estrellas y el sol existan. 2. Equilibrio en las estrellas.- Las estrellas tiene una masa enorme -el sol pesa 744 veces más que los planetas juntos-. La fuerza de la gravedad es tremenda, y también lo es la fuerza expansiva de la fusión nuclear del hidrógeno. Ambas fuerzas se equilibran exactamente y la estrella ni implosiona ni se disgrega en el espacio. 3. Las estrellas fabrican elementos.- Dos núcleos de hidrógeno al fusionarse originan helio desprendiendo gran energía que enciende la estrella. Dos núcleos de helio se unen dando berilio. Pero precisamente el berilio es inestable y se descompone enseguida. Sin embargo tiene tiempo de recibir un tercer núcleo de helio y entonces se origina el carbono que es estable y las fuerzas nucleares tienden a formarlo. A su vez el carbono con un núcleo de helio forma el oxígeno; pero todo el carbono no desaparece pues el núcleo de oxígeno no facilita tanto su formación. De este modo hay un equilibrio muy preciso que permite la formación de carbono y oxígeno imprescindibles en la vida terrestre. 4. ¿Algún detalle sobre el sol?.- La temperatura superficial del sol es de unos 5727° y se mantiene estable. Si variara sólo 10°, no habría vida en la tierra. Similar desastre sucedería si el sol estuviera a una distancia diferente. El sol es una estrella enana amarilla. Si fuera del tipo azul, ya se habría extinguido. Si fuera del tipo rojo, no calentaría suficientemente la tierra.

EVOLUCIÓN DEL UNIVERSO
Uno de los problemas sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).
Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado. La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.
Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar a la Gran Explosión. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario. Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que una minoría, encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.

Problemas comunes

Históricamente, han surgido varios problemas dentro de la teoría del Big Bang. Algunos de ellos sólo tienen interés histórico y han sido evitados, ya sea por medio de modificaciones a la teoría o como resultado de observaciones más precisas. Otros aspectos, como el problema de la penumbra en cúspide y el problema de la galaxia enana de materia oscura fría, no se consideran graves, dado que pueden resolverse a través de un perfeccionamiento de la teoría.
Existe un pequeño número de proponentes de cosmologías no estándar que piensan que no hubo Big Bang. Afirman que las soluciones a los problemas conocidos del Big Bang contienen modificaciones ad hoc y agregados a la teoría. Las partes más atacadas de la teoría incluyen lo concerniente a la materia oscura, la energía oscura y la inflación cósmica. Cada una de estas características del universo ha sido sugerida mediante observaciones de la radiación de fondo de microondas, la estructura a gran escala del cosmos y las supernovas de tipo IA, pero se encuentran en la frontera de la física moderna (ver problemas no resueltos de la física). Si bien los efectos gravitacionales de materia y energía oscuras son bien conocidos de forma observacional y teórica, todavía no han sido incorporados al modelo estándar de la física de partículas de forma aceptable. Estos aspectos de la cosmología estándar siguen sin tener una explicación adecuada, pero la mayoría de los astrónomos y los físicos aceptan que la concordancia entre la teoría del Big Bang y la evidencia observacional es tan cercana que permite establecer con cierta seguridad casi todos los aspectos básicos de la teoría.
Los siguientes son algunos de los problemas y enigmas comunes del Big Bang.

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