Todo empezó con una gran explosión
Desde el principio hasta el fin del Universo Todo empezó con una gran explosión.
Por Dan Hooper.
Traducción y comentarios: Jesús Guerrero ALDA.
07 de enero de 2021.
Los primeros momentos de nuestro Universo son los más difíciles de explorar. Pero tienen la clave para comprender el cosmos.
Aunque las partículas subatómicas son demasiado pequeñas para verlas, ciertos detectores hacen visibles las huellas dejadas cuando chocan e interactúan. Estas llamadas pantallas de eventos son hermosas e informativas, lo que permite a los investigadores rastrear las interacciones de las partículas, como observar las marcas de derrape dejadas por la colisión de un automóvil. Crédito: CERN.
A lo largo del siglo pasado, los astrónomos y físicos han producido un relato increíblemente rico y detallado de la historia de nuestro Universo. En 13.800 millones de años, nuestro Universo se ha expandido y transformado desde el estado denso y caliente que llamamos Big Bang al vasto cosmos en el que nos encontramos viviendo hoy.
Esta imagen no se basa en meras especulaciones o teorizaciones, sino que se basa sólidamente en un enorme cuerpo de evidencias empíricas. Hemos medido directamente cómo nuestro Universo se ha expandido y evolucionado durante los últimos miles de millones de años, así como también cómo se formaron las galaxias y los cúmulos de galaxias. Mirando hacia atrás aún más en el tiempo, hemos escudriñado la luz que se liberó durante la formación de los primeros átomos, solo 380.000 años después del Big Bang. Incluso hemos medido las abundancias de deuterio, helio y litio que se forjaron mediante fusión nuclear en los primeros segundos de nuestro Universo. A través de estas y otras observaciones, nos hemos convertido en las primeras generaciones en comprender el pasado lejano de nuestro Universo.
El Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra, Suiza, cuya circunferencia es de casi 27 km, permite a los físicos recrear las condiciones del Universo primitivo. Al romper las partículas a altas velocidades, los investigadores pueden estudiar la interacción de la materia y la energía en condiciones que no existen en la actualidad. Crédito: CERN.
Remontándose.
Pero cuando intentamos retroceder aún más en el tiempo, antes de esos primeros segundos, nos encontramos casi sin observaciones directas para probar nuestras teorías. Para nuestra considerable frustración, la más intrigante de todas las épocas permanece oculta a nuestra vista, enterrada bajo capas aún impenetrables de energía, distancia y tiempo.
Sin embargo, eso no ha impedido que los físicos aprendan sobre esta era formativa de la historia cósmica. En lugar de depender de los telescopios, utilizamos aceleradores de partículas para recrear las condiciones que se encontraron en todo nuestro Universo durante la primera fracción de segundo después del Big Bang. Estas espectaculares máquinas aceleran haces de partículas, típicamente protones o electrones, a las velocidades más altas posibles y luego chocan entre sí. A través del poder de la ecuación más famosa de Einstein, E = mc2, la energía cinética del movimiento en estas colisiones puede transformarse en materia.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), por ejemplo, es capaz de crear todas las especies de partículas conocidas, desde electrones y fotones hasta bosones de Higgs y quarks superiores. El Universo primitivo estaba lleno de este tipo de partículas, todas interactuando constantemente entre sí, siendo creadas y destruidas repetidamente. Al utilizar el LHC para recrear y estudiar estas condiciones, hemos comenzado a reconstruir la historia de los primeros instantes de nuestro Universo.
El Big Bang dio a luz al cosmos en un instante. Nuestro Universo infantil, que comenzó siendo infinitesimalmente pequeño y extremadamente caliente, se expandió y enfrió rápidamente, dando lugar a las partículas que vemos esparcidas por él hoy. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Un Universo en cambio.
Una billonésima de segundo después del Big Bang, todo nuestro Universo se llenó de un plasma de energía increíblemente caliente y denso. En todos los rincones del espacio, la temperatura era mil millones de veces más alta que el núcleo del Sol, y la densidad de energía era equivalente a más de 1036 kilogramos por metro cúbico. En estas condiciones ultracalientes y ultradensas, cada partícula se estrellaba constantemente contra otras. Incluso en una fracción de una billonésima de segundo, la energía que posee una partícula determinada cambiaría de forma muchos billones de veces. La energía en forma de electrón podría convertirse en un fotón, luego en un bosón de Higgs, seguido de la creación de un quark top, transformándose una y otra vez. Nada fue permanente en esta era. Todo estaba cambiando.
Se predijo por primera vez que existía en 1948 y se observó en 1965, el fondo cósmico de microondas a menudo se conoce como el resplandor del Big Bang. Esta radiación, que se emitió 380.000 años después del Big Bang y llena el Universo, representa el momento en que el mismo se enfrió lo suficiente como para permitir que los átomos se formasen y la luz viajase libremente a través del espacio. Crédito: ESA, Planck.
Durante estos primeros momentos, el espacio se expandió a un ritmo asombroso. Entre 10-12 y 10-9 segundos después del Big Bang, el volumen de nuestro Universo aumentó en un factor de aproximadamente 30.000 y la temperatura se redujo en un factor de 30. En solo 10-10 segundos, la temperatura había bajado lo suficiente como para que los quarks superiores, la más masiva de las partículas conocidas, comenzaran a desaparecer con más frecuencia de la que se estaban creando. En una fracción de un abrir y cerrar de ojos, los quarks superiores, los bosones de Higgs, los bosones Z y los bosones W habían desaparecido casi por completo de nuestro Universo.
Con el paso del tiempo, la composición de las partículas que se encuentran en todo nuestro Universo continuó evolucionando. Esto comenzó con la desaparición de las formas más pesadas de materia, pero pronto siguieron otros cambios.
Por ejemplo, hasta este momento, los quarks y los gluones, las partículas subatómicas que unen a los quarks en núcleos atómicos, habían sido partículas libres. Es decir, un quark o un gluón dado se movería a través del espacio por sí solo, interactuando con otras formas de materia y energía como lo haría cualquier otra partícula. Pero alrededor de 10 millonésimas de segundo más o menos después del Big Bang, estas partículas comenzaron a sentirse irresistiblemente atraídas entre sí. En una fracción de milisegundo, todos los quarks y gluones se unieron en pequeños grupos, formando objetos compuestos como protones y neutrones, los componentes básicos de los elementos futuros.
Hoy en día, las partículas que componen la materia normal, conocidas como bariones, consisten en quarks (partículas más pequeñas) unidas por gluones (blancos). Sin embargo, inmediatamente después del Big Bang, el Universo estaba tan caliente que los quarks y gluones se movían libremente sin pegarse. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.
Buscando respuestas.
No hay duda de que vivimos en una época dorada de la cosmología. Hoy sabemos mucho más sobre nuestro Universo y su historia de lo que podríamos haber imaginado hace solo unas décadas. Pero a pesar de estos éxitos, hay muchas preguntas desconcertantes que siguen sin respuesta.
Por un lado, para explicar el simple hecho de que los átomos existen en nuestro Universo, sabemos que debe haber habido un poco más de materia que antimateria desde el principio, o de lo contrario toda la materia habría sido aniquilada por su equivalente de antimateria. Pero la causa de este desequilibrio sigue siendo un misterio.
También sabemos que la materia oscura, la sustancia desconocida que constituye la mayor parte de la materia del Universo, se formó en algún momento del primer segundo después del Big Bang, pero no sabemos cómo ni cuándo.
Quizás lo más sorprendente de todo es que para explicar la forma y uniformidad observadas de nuestro Universo, los cosmólogos se han visto obligados a concluir que el espacio debe haber experimentado un breve período de expansión hiperrápida durante sus primeros momentos. Esta era de inflación cósmica dejó nuestro Universo completamente transformado y, sin embargo, sabemos muy poco sobre ella.
Misterios como estos continúan impulsando el campo de la cosmología. Nuevos telescopios y experimentos, así como nuevas ideas creativas, sin duda nos revelarán nuevas facetas de nuestro Universo y su historia temprana, así como el camino que tomó desde allí hasta aquí.
Fuente: