Origen y Evolución del Universo: Del Big Bang al Big Crunch

El Big Bang: Origen del Universo

El Big Bang, literalmente "gran estallido", constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo. La materia, hasta ese momento, era un punto de densidad infinita, que en un momento dado "explota" generando la expansión de la materia en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.

Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo este va ocupando más espacio expandiendo su superficie. Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial estaba constituida exclusivamente por partículas elementales: electrones, positrones, mesones, bariones, neutrinos, fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.

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 o 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 del Big Bang, 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 del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-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 del Big Bang.

El Universo: ¿Abierto o Cerrado?

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.

Desarrollos en Cosmología Teórica

Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. 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, mantiene 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.

El Big Crunch: ¿El Fin del Universo?

En cosmología, la Gran Implosión (también conocida como Gran Colapso o directamente mediante el término inglés Big Crunch) es una de las teorías que se barajan sobre el destino último del universo.

La Teoría de la Gran Implosión

La teoría de la Gran Implosión propone un universo cerrado. Según esta teoría, si el universo tiene una densidad crítica superior a 3 átomos por metro cúbico, la expansión del universo, producida en teoría por la Gran Explosión (o Big Bang) irá frenándose poco a poco hasta que finalmente comiencen nuevamente a acercarse todos los elementos que conforman el universo, volviendo al punto original en el que todo el universo se comprimirá y condensará destruyendo toda la materia en un único punto de energía como el anterior a la Teoría de la Gran Explosión.

El momento en el cual acabaría por pararse la expansión del universo y empezara la contracción depende de la densidad crítica del Universo; obviamente, a mayor densidad mayor rapidez de frenado y contracción -y a menor densidad, más tiempo para que se desarrollaran eventos que se prevé tendrían lugar en un universo en expansión perpetua-. La fase de contracción sería casi simétrica a la fase de expansión. En primer lugar, debido a la finitud de la velocidad de la luz, los astrónomos tardarían en ver cómo el desplazamiento al rojo de las galaxias distantes va desapareciendo primero de las más cercanas y finalmente de las más alejadas y se convierte en todas ellas en un desplazamiento al azul. La temperatura de la radiación cósmica empezaría a aumentar y llegaría un momento en el que sería idéntica a la actual, cuando el universo tuviera el mismo tamaño que hoy -aunque su evolución habría proseguido con el tiempo y no sería un universo cómo el actual, sino en el mejor de los casos un universo menos rico en estrellas y más abundante en cadáveres estelares-.

La fase de contracción seguiría inexorablemente, y con ella el aumento de la temperatura de dicha radiación. Llegaría un momento en que todas las galaxias se fundieran en una -aunque los choques entre estrellas serían aún raros-. Mientras, la temperatura del fondo de radiación iría subiendo y empezaría a poner en peligro la supervivencia de las formas de vida que existieran por entonces, en un principio las que vivieran en planetas de tipo terrestre. En un momento dado, dicha temperatura sería de 300 grados Kelvin, impidiendo a los planetas antes mencionados deshacerse del calor acumulado y acabando por hacerse inhabitables (un auténtico efecto invernadero a escala global). Más adelante, y con una contracción cada vez más acelerada -y junto a ella un aumento desbocado de la temperatura de la radiación cósmica- el universo se convertiría en un lugar infernal e inhabitable -al menos para seres cómo nosotros y sin ayuda tecnológica- con temperaturas de miles de grados debido a una radiación cósmica a esa temperatura y a colisiones entre estrellas al disponer éstas de cada vez menos espacio. Al parecer, las estrellas serían en su mayoría destruidas no por colisiones entre ellas sino por el aumento de temperatura del universo. Este llegaría a estar tan caliente que las estrellas no podrían deshacerse del calor acumulado en su interior y pasarían a absorberlo del exterior (cociéndose en cierto modo), hasta acabar por estallar. Tras ello, sólo quedarían agujeros negros y un plasma cada vez más caliente (muy distinto al existente tras el nacimiento del universo debido a que procedería de estructuras ya desaparecidas, por lo cual mostraría una gran asimetría en la densidad que presentara en diferentes puntos) en el que el aumento de temperatura destruiría primero los átomos y luego las propias partículas elementales, sólo dejando quarks. A la vez que los agujeros negros empezaban a fusionarse entre sí y a absorber materia hasta dar lugar a un único "super" agujero negro que significaría el fin del espacio, del tiempo, y de todo; del mismo modo que no tiene sentido preguntarse qué había "antes" de la Gran Explosión, tampoco puede preguntarse qué habría "después" del Gran Crujido.

El Universo Oscilatorio

Según esta teoría, tras la Gran Implosión podría tener lugar una nueva Gran Explosión; e incluso este universo podría proceder de un universo anterior que también se comprimió en su Gran Implosión. Si esto hubiera ocurrido repetidas veces, nos encontraríamos ante un universo oscilatorio; donde cada universo termina con una Gran Implosión y da lugar a un nuevo universo con una Gran Explosión. Sin embargo, no sólo no se conoce qué podría provocar tal rebote sino que la teoría de un universo oscilante entra en contradicción con la segunda ley de la termodinámica; a menos que en cada ciclo se produjera una destrucción y reinicio totales del universo, con la desaparición de las leyes físicas existentes y la aparición de nuevas leyes físicas o la entropía se "rebobinara" durante la fase de contracción (por ejemplo, se ha sugerido que el tiempo iría al revés durante esta fase), la radiación existente en el universo aumentaría a costa de la materia -debido a las reacciones de fusión nuclear producidas en el interior de las estrellas, en las que parte de la materia que compone los átomos que se fusionan se transforma en energía-, con el resultado de que los "rebotes" serían cada vez más largos, hasta llegar a un escenario no demasiado diferente de la expansión indefinida -por no hablar de que la cantidad de agujeros negros iría aumentando en cada ciclo-; todo ello tendría como consecuencia que debería haber habido un número finito de ciclos antes del actual. Además, el reciente descubrimiento de la energía oscura ha provocado que muchos cosmólogos abandonen la teoría de este universo oscilante y junto con otros descubrimientos, también la de que el universo sea cerrado, aunque al no conocerse bien la naturaleza de la energía oscura aún no puede descartarse por completo un colapso futuro.