¿Qué significa el Big Bang?

Después de un fuego artificial podemos señalar dónde explotó: de allí salieron las chispas. El nombre «Big Bang» parece prometer la misma historia para las galaxias. ¿Dónde deberíamos buscar su centro?

El modelo del Big Bang caliente describe cómo el Universo se expandió y enfrió a partir de un estado temprano caliente y denso. No es una explosión de materia en un espacio vacío preexistente ni demuestra un comienzo absoluto de todo. Estas distinciones permiten entender qué respaldan realmente las observaciones. PDG: modelo y evidencias, §22.1.

¿Qué cambia al rebobinar la historia cósmica?

A gran escala aumentan las distancias entre regiones que siguen la expansión general. Al retroceder en el modelo obtenemos separaciones menores y una densidad media mayor. Esto no significa que la Tierra, los átomos o cada galaxia individual se estiren hoy de la misma manera: los sistemas ligados requieren otro tratamiento.

También cambió la radiación. Al expandirse el Universo, aumenta la longitud de onda de la luz cósmica que viaja libremente y disminuye la energía de cada fotón. Para la radiación térmica, esto supone una temperatura menor. Hacia el pasado llegamos a un entorno más caliente donde los átomos habituales aún no podían permanecer neutros durante mucho tiempo. PDG: corrimiento al rojo, ecuación 22.5; enfriamiento, §22.3.1.

No imaginemos estrellas ya formadas apretadas dentro de una caja. La fase caliente temprana no contenía la población actual de galaxias. La expansión fue cambiando las condiciones de las propias partículas, los núcleos, los átomos y, mucho después, las estrellas.

Un volumen mayor contiene radiación más fría

Comparemos dos estados ilustrativos de un volumen que participa en la expansión. En el segundo, sus tres dimensiones lineales se han duplicado. Para radiación térmica libre sin calentamiento adicional, la temperatura se reduce a la mitad. Elegimos 6000 y 3000 K de manera arbitraria: ilustran una proporción, no dos acontecimientos cósmicos fechados con precisión.

Un volumen ilustrativo se enfría al expandirse

Antes

Tamaño lineal: 1
Volumen: 1
Temperatura de los fotones: 6000 K
Densidad de energía de los fotones: 1

Después

Tamaño lineal: 2
Volumen: 8
Temperatura de los fotones: 3000 K
Densidad de energía de los fotones: 1/16

Gas de fotones ilustrativo que se expande sin calentamiento adicional. Las aristas del segundo cubo miden el doble y su volumen es 8 veces mayor. Los cubos representan un volumen comóvil elegido, no paredes ni todo el Universo. 6000 y 3000 K son temperaturas arbitrarias del ejemplo, no observaciones fechadas. La densidad de energía se normaliza al primer estado.

¿Por qué la densidad de energía de la radiación ha disminuido 16 veces? Los fotones ocupan un volumen 8 veces mayor y cada uno tiene además la mitad de energía. Son dos efectos distintos. Para materia ordinaria no relativista con partículas conservadas, la densidad de masa cambia de otra forma: solo inversamente al volumen.

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¿De dónde salen los factores 2, 8 y 16?

El factor de escala $a$ describe el cambio de las distancias a gran escala. Es adimensional; importa la razón entre sus valores en dos momentos. Para un gas de fotones que se expande adiabáticamente sin recibir calor, $T\propto a^{-1}$ y el volumen $V\propto a^3$ . Por tanto, si $a_2/a_1=2$ ,

\begin{aligned} T_2&=T_1/2,\\ V_2&=8V_1. \end{aligned}

La densidad de energía de los fotones $u_\gamma$ es proporcional a $T^4$ , de modo que

$\frac{u_{\gamma,2}}{u_{\gamma,1}}=\frac{1}{2^4}=\frac{1}{16}.$

Aquí las temperaturas están en kelvin. No podemos dividir por dos un número de grados Celsius: su cero es diferente. Tampoco debemos extender esta ley sencilla de los fotones, sin correcciones, a todas las transformaciones tempranas de partículas: algunas transfirieron energía a la radiación. PDG: ecuaciones 22.40–22.41 y calentamiento por aniquilación, §22.3.3.

Reconstruimos la historia mediante distintas huellas

La expansión por sí sola no establece un pasado caliente. Otras observaciones deben encajar en la misma historia.

El fondo cósmico de microondas llena el cielo y presenta un espectro casi térmico, con una temperatura actual cercana a 2,7 K. En el Universo temprano y caliente los fotones interactuaban repetidamente con la materia; después el medio se hizo mucho más transparente y la expansión desplazó esa luz hacia las microondas. No es luz de estrellas actuales que simplemente se haya debilitado. NASA: luz antigua y enfriamiento.

La abundancia de núcleos ligeros ofrece otra prueba. Las reacciones nucleares en un entorno caliente predicen cantidades, entre ellas las de deuterio y helio-4, que se comparan con mediciones astronómicas. Esto no implica que todos los elementos químicos aparecieran de golpe. Para el litio persiste una conocida discrepancia entre la predicción estándar y ciertas observaciones. Cooke: nucleosíntesis, secciones 1 y 3.4.

El argumento sólido es la concordancia entre distintas huellas, no un fotograma de la «explosión». Los telescopios que observan galaxias lejanas ven objetos de épocas posteriores. No han fotografiado el comienzo absoluto del tiempo. NASA: qué observan Webb y las misiones del fondo cósmico.

Una historia caliente y un comienzo último son afirmaciones diferentes

En modelos clásicos sencillos, retroceder hacia tiempos cada vez más tempranos conduce a una singularidad: la descripción se vuelve infinita o no puede continuarse. Esto señala un límite del modelo, no un punto infinitamente caliente que hayamos medido. Las condiciones extremadamente tempranas requieren una descripción que incluya las propiedades cuánticas de la gravedad. Einstein Online: dos significados del Big Bang.

La inflación es una hipótesis de expansión acelerada muy temprana que explica varias características del Universo. Es distinta del pasado caliente respaldado por las observaciones y su mecanismo físico no se ha establecido. No conviene dibujar una «película» continua que dé por igualmente conocidas todas las etapas tempranas.

De ello no se deduce ni «antes no había nada» ni «antes existía otro universo» como conclusiones firmes. El Big Bang caliente ofrece una historia comprobable de expansión, enfriamiento y aparición de formas familiares de materia. Por qué comenzó esa historia y si algo la precedió siguen siendo preguntas abiertas.

«El gran enfriamiento después de un estado caliente» sería un nombre menos memorable, pero recordaría menos a los fuegos artificiales. Para entender las pruebas, resulta más útil seguir cómo la luz revela el pasado que buscar en el cielo el lugar de una explosión.