Continuando con la serie de Doce cosas, aquí les traigo la posta sobre el Big Bang. Por ahora tenemos: Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol, Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones, y la nueva de hoy.
1. El Big Bang no es una explosión. La expresión fue inventada por un opositor a la teoría para referirse al estado inicial del universo de manera despectiva. Pero un nombre marketinero nunca muere, por más inexacto que sea. El Big Bang no es una explosión, es el estado denso y caliente del universo primitivo.
2. El Big Bang ocurrió en todos lados. Siempre se lo representa como una explosión ocurriendo ahí, en algún lugar del espacio, tal vez con la silueta de Neil deGrasse de espaldas a nosotros como testigo privilegiado. Pero el Big Bang no fue una explosión, y no ocurrió en un lugar del espacio. Todo el universo era denso y caliente, y se expandía rápidamente. Todo. El Big Bang ocurrió aquí, entre la tecla F y la tecla H de mi teclado, por ejemplo.
3. Tres físicos entran a un bar... Un cura belga, un aviador soviético y un señor del país anteriormente llamado Holanda, fueron los pioneros de la teoría, que nació incluso antes de que Edwin Hubble encontrara la primera evidencia de que el universo se estaba expandiendo. Explorando las consecuencias de la teoría de la relatividad de Einstein, el padre Georges Lemaître llegó a la conclusión de que el universo tenía que estar expandiéndose, y en una reunión mundial de astronomía lo convenció a Hubble de que usara su recientemente descubierta técnica de medir la distancia a las galaxias para explorarlo. Jugó también un rol fundamental Willem de Sitter, que en la Holanda neutral durante la Primera Guerra Mundial hizo de nexo entre los físicos alemanes y los aliados. Se escribía con Einstein mediante postales, ya que habían descubierto que la censura bélica no las revisaba como hacían con las cartas. De Sitter fue un defensor de la constante cosmológica como causante de la expansión, una idea similar a la de la inflación cósmica y la energía oscura. Por su parte, Alexander Friedmann encontró la ecuación de movimiento del universo, es decir la manera en que el universo se expande. La solución de la ecuación de Friedmann, para el caso de una métrica plana (la que favorecen las observaciones actuales), se llama universo de Einstein-de Sitter. Volviendo de su luna de miel, en una estación de tren, Friedmann compró una pera, la comió sin lavarla, y se murió.
4. Si el universo se estaba expandiendo, como sugería el descubrimiento de la recesión de las galaxias y describía la teoría general de la relatividad, en el pasado tenía que haber sido más chico. Y en el pasado lejano, muy chico, y caliente (el Big Bang). Un objeto caliente, brilla. Y el brillo emitido por ese universo caliente primigenio todavía debería estar entre nosotros. Otro físico soviético, George Gamow, predijo su existencia en los años 30's y calculó en qué región del espectro electromagnético debía estar. Esa radiación, en la frecuencia de las microondas, recién fue observada tres décadas después, en los 60's, por Arno Penzias y Robert Wilson. El descubrimiento de este fondo cósmico de microondas fue casual, mientras calibraban una antena para probar las primeras comunicaciones vía satélite. Tenían una "estática" que no lograban eliminar, ni siquiera después de rasquetear lo que llamaron "material dieléctrico blanco" que las palomas depositaban en el interior de la antena. Era tal como lo habían predicho 30 años antes. A veces las cosas llevan tiempo.
5. El tamaño del universo. Uno suele imaginar que el universo era súper chiquito en ese estado denso y caliente original. En algún momento, efectivamente, fue muy chiquito. Pero en el momento en que los fotones del fondo cósmico de microondas empezaron su viaje, un evento que los astrónomos llaman recombinación, no era tan chiquito. Medía unos 40 millones de años luz de radio, como de acá al cúmulo de Virgo. No había estrellas ni galaxias, sólo una inmensa masa (1083 átomos) de hidrógeno y helio a unos 3000 grados, llenando todo el universo de manera pareja y uniforme. Esto fue cuando el universo tenía 380 mil años.
6. Antes sí, fue mucho más chiquito y más caliente. En algún momento la temperatura fue la adecuada para que ocurrieran reacciones nucleares, como en el centro de las estrellas. El mismo George Gamow, junto con su alumno Ralph Alpher, en la década del 40 calcularon la física nuclear en ese estado, y encontraron que cuando el universo tenía 3 minutos de edad se formaron los núcleos de los átomos primordiales: hidrógeno en un 75%, 25% de helio, y muy poquito deuterio, helio-3 y litio. Gamow, que era muy chistoso, incluyó entre los autores a Hans Bethe, sin decirle nada, para que la lista de autores fuera Alpher, Bethe, Gamow, que suenan como las primeras letras del alfabeto griego. El trabajo, publicado en 1948, quedó inmortalizado como el paper alfa-beta-gamma.
7. ¿Quién mide la edad del universo? ¿Hay algún reloj cósmico donde se pueda leer el número? No. La edad del universo no se mide, se calcula, usando una teoría matemática que incorpora todo lo que sabemos sobre la evolución del universo: la relatividad general, que describe la dinámica del espacio-tiempo, y la teoría cuántica de campos, que describe lo que le pasa a la materia. Es un modelo complicado, no son cuatro ecuaciones como la teoría del campo electromagnético de Maxwell. Y tiene un montón de parámetros, que hay que obtener de mediciones. Usando todo junto, teoría y mediciones, se calculan los demás parámetros, entre ellos la edad del universo. Hacia mediados de la década de 1990 los cálculos llevaban semanas de cómputo. Y entonces un chico argentino genial, Matías Zaldarriaga, físico de la UBA, en su trabajo de doctorado inventó un nuevo método de cálculo, que redujo el tiempo a minutos. Hoy en día podés correr tu propio cálculo en segundos, online, en servidores de la NASA: CAMB.
8. La principal fuente de datos para parametrizar el modelo es el mencionado fondo cósmico de microondas. Como las microondas no penetran bien la atmósfera terrestre (las absorbe el vapor de agua), recién en la Era Espacial tuvimos buenos datos cubriendo todo el cielo. Hubo tres generaciones de satélites: COBE, WMAP y Planck, cuyos datos finales se publicaron en 2018, casi 100 años después de que Einstein publicó la teoría. Los datos medidos por Planck tienen enorme sensibilidad y resolución espacial, y muestran que las microondas cósmicas viene de todas direcciones con asombrosa uniformidad. Los astrónomos las caracterizan como una temperatura, que resulta ser de 2.725 K (270 grados Celsius bajo cero, reíte de la ola polar). La diferencia entre los puntos un poquito más calientes y los más fríos es de una parte en 100 mil. El satélite Planck logró que la cosmología, que era un ciencia en la que los errores de medición eran por ejemplo un factor 2, alcanzara una precisión comparable a cualquier ciencia de laboratorio.
9. La uniformidad de la temperatura del fondo cósmico de microondas planteaba varios problemas. Imaginen que medimos la temperatura de todos los mates que se están tomando en este momento en la Argentina, y que nos da que todos ellos están a 75.324 °C, con precisión de un milésimo de grado. ¡Sería rarísimo! ¿Cómo puede ser, si están lejos cada uno del otro, no están en contacto, los preparó distinta gente, calentando el agua de distintas maneras, etc? Bueno, era algo así con el fondo cósmico de microondas. Tenía que haber un mecanismo físico que lo explicara. En la década de 1980 se propuso una teoría para resolver este "problema del horizonte" y otros: la inflación cósmica. La inflación, además, hizo un puñado de predicciones, casi todas las cuales fueron verificadas mediante observaciones, en particular las de Planck. Así que hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico, aunque todavía hay cosas que no terminan de definirse.
10. Si el universo se hubiera originado como imaginaron Lemaître, Friedmann, Gamow, etc, en el instante inicial habría tenido tamaño nulo, densidad infinita y temperatura infinita. Esa situación se llama singularidad, y es medio imposible de tragar. Una magnitud física no puede ser realmente infinita. Aunque mucha gente sigue creyendo que ese origen singular es parte de la "teoría del Big Bang", es una creencia que atrasa 40 años. La inflación es un mecanismo que probablemente permite evitar la singularidad, y los datos de Planck apoyan el hecho de que no la hubo: la temperatura no llegó ni cerca de la llamada "escala de Planck", y mucho menos de infinito. Hay que decir que, aparte de que hay detalles que no se entienden, la inflación no es la única teoría posible para describir ese estado inicial del universo. Otro físico argentino, Jorge Pullin (este es del Balseiro), es uno de los autores de una de las alternativas, llamada Loop Quantum Gravity, que los seguidores de la sitcom The Big Bang Theory recordarán como la teoría en que se puso a trabajar Sheldon cuando se desencantó de la Teoría de Cuerdas.
11. Así como existe un fondo cósmico de microondas, debería haber un fondo cósmico de neutrinos, producidos en las reacciones nucleares de la nucleosíntesis primordial, a los 3 minutos de edad del universo. Los neutrinos son de por sí muy difíciles de observar, ya que interactúan muy poco con el resto de la materia. Estos neutrinos, además, debido a la expansión del universo, tendrían hoy en día una energía pequeñísima (del orden de 0.000001 a 0.0001 electronvolts, para los que saben). Pero bueno, tal vez en el futuro alguien descubra cómo observarlos. Por ahora, existen apenas algunos indicios indirectos de su existencia.
12. Después de la recombinación pasaron millones de años hasta que se formaron las primeras estrellas. Millones de años nos parece mucho a nosotros, pero para el universo no es tanto. Se formaron las primeras estrellas, de puro hidrógeno y helio, los primeros agujeros negros gigantes, y las galaxias, entre ellas la Vía Láctea. Sí, la Vía Láctea es casi tan antigua como el universo, si bien evolucionó fusionándose con otras galaxias, por supuesto. Los cúmulos globulares, en particular, tan lindos de ver en el telescopio (Omega Centauri, 47 Tucanae, etc), son tan antiguos como el universo. El Sol, el sistema solar y la Tierra no son tan antiguos. Ya habían pasado generaciones de estrellas, que enriquecieron la materia de la galaxia con elementos pesados, cuando se formó el Sol, y al mismo tiempo la Tierra, en la cual muy poquito después algunas moléculas desafiaron la segunda ley de la termodinámica y se organizaron para vivir y reproducirse. La vida comenzó en la Tierra hace tal vez 4000 millones de años. No es tan antigua como el universo, pero es una fracción significativa de su existencia. Así de insignificantes como somos en la inmensidad del espacio cósmico, no somos insignificantes en la historia del universo.
13. Yapa: en la "estática" que escuchamos entre dos estaciones de radio, o entre dos canales de televisión (modelos antiguos, donde se pueda sintonizar entre estaciones), más o menos un 0.5% son fotones de la época de la recombinación. Hacelo, escuchalo: es una reliquia del universo bebé. Lo conté una vez aquí, y hace poco hice la cuenta de otra manera en el curso de Astrofísica para físicos curiosos en el Balseiro. Tal vez lo vuelva a contar.
Les recuerdo las otras dos notas con Doce cosas que (tal vez) no sabías:
Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre el Sol.
Doce cosas que (tal vez) no sabías sobre las constelaciones.
¡Ya van tres docenas!
En el gráfico final, las flechas horizontales están a escala, a diferencia de lo que ocurre en las representaciones más habituales de la historia del universo, como la de aquí abajo, que estudiaremos otro día. La dirección vertical, en cambio, no está en escala: entre el extremo izquierdo (la recombinación) y el derecho (el universo visible) hay un factor 1100 de escala.
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