Aunmas_ciencia_016
15 Junio 2002
Revisado y actualizado a Abril 2008
Juan Chamero
Fuente 1: Big-Bang, Wikipedia
Fuente 2: NASA, Universo
Fuente 3: Línea de Tiempos, Wikipedia
Fuente 4: Proyecto CBI/Caltech
Big Bang
Gráfica del Big Bang realizada por el proyecto WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. WMAP es una misión satelital para detectar y medir en el cielo la temperatura del calor radiante remanente del BB. La misión es conducida por el Profesor Charles L. Bennett de la Universidad Johns Hopkins University, conjuntamente con la NASA Goddard Space Flight Center y con la Universidad de Princenton.
El Big Bang en el Tiempo
¿Qué conocimiento básico es necesario para poder entender este cronograma?
Nociones elementales de física, a saber: Mecánica Clásica Newtoniana, Teoría de la Relatividad Einsteniana, nociones de Mecánica Cuántica, y últimamente Teoría de Las Cuerdas. Las cuatro primeras forman parte de la formación secundaria convencional por lo que suponemos el lector sabe de su existencia y en qué dominios y fenómenos son aplicables. Solo pues una muy breve introducción a la última.
Algo sobre teoría de las cuerdas
En la física de las partículas elementales han aparecido teorías que tratan a éstas no como objetos o “puntos” sin dimensión en el espacio-tiempo sino como objetos unidimensionales infinitésimos del tipo “cuerdas vibrantes”. A diferentes vibraciones de las cuerdas corresponden distintas partículas o sub partículas. Este concepto fue introducido en los tempranos 70 para intentar describir la “fuerza fuerte” y llegó a ser muy popular en la década del 80 al demostrarse que esas teorías podían, en forma coherente, describir a través de la Mecánica Cuántica las otras tres fuerzas: la Fuerza Gravitacional, la Fuerza Débil y las Fuerza Electromagnética. El único problema encontrado hasta ahora para obtener un visión cuántica unificada es la Fuerza Gravitacional que conduce a la inclusión de cantidades infinitas en los cálculos. Las Teorías de Cuerdas más consistentes proponen un espacio de 11 dimensiones: 4 se corresponden con nuestras tres dimensiones espaciales y el tiempo como cuarta, y las siete restantes están “enrolladas” y no son perceptibles.
El mundo de lo multidimensional
Si entender nuestro espacio-tiempo de cuatro dimensiones es ya bastante complejo y requiere gran imaginación, el entender algunas teorías de cuerdas de hasta 11 dimensiones requiere de algunos trucos y analogías topológicas. En el mundo físico matemático implica entrar en el dominio de los “manifolds”, de objetos y criaturas abstractas en múltiples dimensiones. Veamos cómo podemos llegar al menos a intuir algo de lo arriba expresado, cuatro dimensiones, digamos “normales” y siete “enrolladas”. ¿Qué puede significar eso?.
Una analogía estándar es considerar al espacio multidimensional (mayor que 4) como una manguera de riego extendida. Si la miramos a cierta distancia podríamos entenderla como unidimensional. Acerquémonos ahora y tratemos de imaginarnos lo suficientemente pequeños como para entrar en su interior o por las dudas mejor imaginemos que lanzamos hacia adentro una muy pequeña bola. Esta se moverá “linealmente. Al aproximarnos descubrimos que tiene una sección circular y si ahora nos animamos a entrar en ella con las características de una hormiga, viajaríamos por sus paredes descubriendo su naturales bi-dimensional. Si entráramos como un mosquito notaríamos su tridimensionalidad. Lo que apreciamos es que hemos podido distinguir más dimensiones a medida que nos acercamos. Así las “dimensiones extra” a nuestra percepción habitual podemos imaginarlas como perceptibles a muy corta distancia o experimentado con objetos extremadamente pequeños y dentro de la dualidad onda-partícula.
Calabi-Yau manifold, 6D
EL UNIVERSO MUY TEMPRANO
Todas las ideas de esta etapa son especulaciones no soportadas aún por experimento alguno. Las etapas son más o menos secuenciales pero como podrán apreciar hay superposiciones.
Antes del Big Bang
No existía el tiempo y por eso algunos le llaman Era Pre Agustiniana, rememorando al santo y filósofo san Agustín quien creía que Dios había creado el tiempo como una propiedad del universo. Con ello los astrofísicos quieren significar la singularidad gravitacional de un “punto geométrico” en el instante “CERO” del Big Bang pues la palabra “antes” dejaría de tener sentido.
La Epoca Planck
Hasta 10 elevado a la menos 43 segundos después del Big Bang
Si vale la hipótesis de súper simetría las cuatro fuerzas fundamentales tienen la misma intensidad y posiblemente estén unificadas como una única fuerza. Poco es lo que se sabe de esta época. La teoría de la relatividad general de Einstein propone una singularidad gravitacional antes de esta época aunque la teoría dejaría de tener validez por efectos cuánticos. Los astrofísicos esperan que las teorías de la gravedad cuántica complementada con la teoría de cuerdas pueda conducir a una mejor comprensión de ésta época.
La Epoca de la Gran Unificación
Entre 10 elevado a la menos 43 segundos y 10 elevado a la menos 36segundos posteriores al BB
A medida que el universo se expande y se enfría, la gravedad comienza a separarse de la interacción fundamental del electromagnetismo, y las que luego serán las fuerzas nucleares débiles y fuertes. Luego se produciría la rotura del lazo entre las dos fuerzas nucleares. La fuerza unificada agruparía a muchas más fuerzas de las que nada se dice aparte de las citadas. Algunas teorías predicen la aparición en ésta época de monopolos magnéticos.
La Época de la Fuerza Electro Débil
Entre 10 elevado a la menos 36 segundos y 10 elevado a la menos 12 segundos posteriores al BB
La temperatura es ya lo suficientemente baja (10 elevado a la 28 grados K) como para que la Fuerza Nuclear Fuerte se separe de la de la Fuerza Electro Débil. Esta fase activa a su vez un periodo de expansión exponencial conocido como “inflación cósmica”. Al fin de esta inflación las interacciones entre partículas son tan fuertes como para crear un gran número de partículas exóticas: bosones W, bosones Z y bosones Higgs.
La Época Inflacionaria
Entre 10 elevado a la menos 36 segundos y 10 elevado a la menos 32 segundos después del BB
Durante ésta época el universo se achata y entra rápidamente en una fase de expansión homogénea e isotrópica y comienzan a aparecer las primeras semillas de formaciones estructuradas. Parte de la energía de los fotones se convierte en quarks virtuales e hiperones pero de vida efímera. Un posible escenario es que la tremenda cantidad de calor y energía fue creada –supuestamente antes era frío y vacío- debido al cambio de fase al terminar la inflación.
U cerrado, U hiperbólico, U plano
Recalentamiento
La expansión exponencial de la inflación cesa y la energía potencial del campo inflacionario decae en un caliente plasma relativista de partículas. Si la gran unificación es una característica de nuestro universo la inflación cósmica debería ocurrir durante o después de la rotura de la simetría unificadora. Caso contrario deberíamos haber detectado monopolos magnéticos en nuestro universo. En este periodo el universo esta dominado por radiación en forma de quarks, electrones y neutrinos.
Bariogénesis
Hasta ahora no se ha podido explicar porque hay mucho más bariones que anti-bariones. Para explicar esto las condiciones de Sakharov deberían haberse cumplido en algún momento luego de la inflación.
EL UNIVERSO TEMPRANO
Al término de la inflación, el universo está compuesto por un plasma de quark-gluones. A partir de aquí la física del universo es más comprensible y menos especulativa.
Rotura de la Súper simetría (SUSY)
Si la súper simetría es una propiedad de nuestro universo, debe haberse roto entonces a una energía tan baja como 1Tev, la escala de la simetría electro débil. Las masas de las partículas y de sus “súper compañeros” ya no serán iguales, lo que podría explicar porque no se han observado hasta ahora súper compañeros de partículas conocidas.
La Época Quark
Entre 10 elevado a la menos 12 segundos y 10 elevado a la menos 6 segundos después del BB
En la rotura de la simetría electro débil, al fin de la Época de la Fuerza Electro Débil, todas las partículas elementales habrían adquirido sus masas vía el “mecanismo Higgs” en el cual el boson Higgs adquiere su valor esperado de vacío. Las interacciones de las cuatro fuerzas toman su forma actual pero la temperatura del universo es todavía demasiado alta para permitir que los quarks se junten para formar hadrones.
La Época de los hadrones
Entre 10 elevado a la menos 6 segundos y 1 segundo después del BB
El plasma de quark-gluones que compone el U se enfría hasta que hadrones, incluyendo bariones tales como protones y neutrones puedan formarse. Aproximadamente 1 segundo después del BB los neutrinos se desacoplan y comienzan a viajar libremente por el espacio. El “fondo cósmico de neutrinos”, de muy difícil observación, es análogo a la “radiación cósmica de fondo” que es emitida mucho mas tarde.
La Época de los Leptones
Entre 1 segundo y 3 minutos después del BB
La mayoría de los hadrones y anti-hadrones se aniquilan entre si al fin de la Época de los hadrones dejando leptones y anti-leptones como dueños del universo. Aproximadamente 3 segundos después del BB la temperatura del universo cae a un punto tal que pares lepton/anti-lepton no son maá creados y la mayor parte se aniquilan entre si dejando solo un residuo de leptones.
La Época de los Fotones
Entre 3 minutos y 380.000 años después del BB
Después de la aniquilación entre leptones y anti-leptones la energía del U es dominada por los fotones. Estos fotones siguen interactuando frecuentemente con protones cargados y eventualmente con núcleos y continuaron haciéndolo a lo largo de 300.000 años.
Núcleo síntesis
Entre 3 minutos y 20 minutos después del BB
Durante la Época de los Fotones la temperatura del U cae hasta el punto que puden comenzar a formarse los núcleos atómicos. Los protones (iones de hidrógeno) y los neutrones comenzaron a combinarse en núcleos atómicos en un proceso de fusión nuclear. Sin embargo, la núcleo síntesis solo dura diez y siete minutos luego de los cuales la temperatura y densidad del universo cae a un punto tal en el que no es más posible la fusión nuclear. En este momento hay casi tres veces más hidrógeno que helio-4 y solo trazas de otros núcleos.
El dominio de la materia – 70.000 años
En este momento las densidades de la materia no relativista -núcleos atómicos- y radiación relativista –fotones- son iguales. La longitud Jeans, que determina las más pequeñas estructuras que pueden formarse debido a competencia entre atracciones gravitacionales y efectos de presión, comienza a decaer y las perturbaciones, en lugar de desaparecer vía radiación, comienzan a crecer en amplitud.
Recombinación – 240.000 a 310.000 años
Los átomos de hidrogeno y helio comienzan a formarse y la densidad del U cae. Durante la recombinación, ocurren desacoplamientos causando que los fotones evolucionen por su lado. Esto es muy importante pues los fotones que componen el fondo de microondas cósmicas es una foto del universo de esa época. El hidrógeno y el helio están al principio ionizados, sin electrones en órbita. A medida que el U se enfría los electrones son capturados neutralizando las cargas eléctricas. Es éste un proceso rápido, más para el helio que para el hidrógeno, y conocido como recombinación. Al fin del proceso los átomos son neutros, los fotones pueden fluir libremente y el U se convierte en transparente. Los fotones emitidos justo después de la recombinación dan lugar a lo que se conoce como radiación CMB o Fondo de Radiación Cósmica y que lleva en sí las características del U de esa época.
La Edad Oscura
Antes de producirse el desacoplamiento la mayor parte de los fotones del U interactuaban con electrones y protones en el fluido fotones-bariones. El U es opaco o nublado. Había luz pero no una luz que pudiera observarse desde un telescopio. La masa barionica del U consistía de plasma ionizado que se comportaba como neutral cuando ganaba electrones libres durante recombinaciones y de allí generando la CMB. Cuando los fotones se desacoplaron el U pasó a ser transparente. En este punto la única radiación emitida era la línea espectral del hidrogeno neutro de 21 centímetros. Actualmente se esta tratando de obtener trazas de ésta débil radiación, lo que seria mas útil que el fondo de microondas cósmico para estudiar el U temprano.
FORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA
La formación de estructuras en el modelo del BB procede en forma jerárquica, de las pequeñas a las grandes. Las primeras estructuras fueron los quasars, los cuales se cree eran brillantes, tempranas galaxias activas y estrellas del tipo Población III. Antes de esta época la evolución del U se podía entender a través de la teoría de la perturbación lineal cosmológica: es decir, todas las estructuras pueden ser entendidas como desviaciones de un U homogéneamente perfecto. A nivel computacional esto es fácil de implementar. Sin embargo se forman estructuras no lineales mucho más difíciles de estudiar, por ejemplo las simulaciones de N-cuerpos con billones de partículas.
Reionizacion
Los primeros quasars se formaron por colapso gravitacional. La intensa radiación emitida re-ionizó el U. A partir de este momento podemos imaginar al U compuesto por plasma.
Formación de las estrellas
Las primeras estrellas, fundamentalmente las de Población III, conforman y arrancan el proceso de transformar los elementos livianos formados inicialmente, hidrogeno helio y litio, en elementos más pesados. Sin embargo no han quedado estrellas del tipo Población III por lo cual su formación es aún un misterio.
Formación de Galaxias
Grandes volúmenes de materia colapsan para formar una galaxia. Estrellas de Población II se formaron en este proceso temprano y las de Población I más tarde. Recientes investigaciones llevadas a cabo por el proyecto “Zoológico de Galaxias” sugiere que las galaxias tienen una violación de paridad, expresada por un mayor numero de galaxias que. vistas desde la tierra, giran en el sentido contrario al de las agujas del reloj.
Formación de grupos, clusters y súper clusters
La atracción gravitacional empuja a las galaxias entre si para formar grupos, clusters y súper clusters.
Formación de nuestro sistema solar – 8.000 millones de años
Finalmente se forman los objetos de nuestro sistema solar. Nuestro sol es una estrella de generación tardía, que como tal incorpora los residuos de muchas generaciones de estrellas más tempranas y que se ha formado aproximadamente 5.000 millones de años atrás, o aproximadamente de 8.000 a 9.000 millones de años luego del BB.
Hoy: a 13.700 millones de años del Big Bang
Las mejores estimaciones de la vida del U actual es de 13.700 millones de años desde el BB. Dado que la expansión del universo parece acelerarse, los súper clusters son probablemente las mayores estructuras que formaran el universo del futuro. La expansión acelerada actual impide que otras estructuras inflacionarias entren en el horizonte e impide que se formen nuevas estructuras gravitacionales.
DESTINO ULTIMO DEL UNIVERSO
Aparte de interpretar lo que ocurrió en las etapas muy temprana, se requieren avances en física fundamental para poder predecir con cierta certeza el destino ultimo del U. Listamos algunas de las posibilidades:
Muerte calórica: dentro de 1 a 100 trillones de años
Este escenario es considerado el más probable, de continuar la expansión. Dentro de una escala de tiempo medida en trillones de años las estrellas se quemaran totalmente y el U se tornará oscuro, aproximándose a un estado de alta entropía. En una escala de tiempo mayor luego de esto las galaxias colapsarán en agujeros negros los que luego se evaporarán según la radiación de Hawkins. En algunas Teorías de Gran Unificación, el decaimiento protónico convertirá el gas residual en positrones y electrones los cuales a su vez se recombinarán en fotones. En estos casos el U consistirá indefinidamente de un baño de radiación uniforme, la cual lentamente se correrá hacia el rojo del espectro a energías cada vez menores, terminando finalmente en una gran congelación.
El Gran Colapso: dentro de 100 billones de años ¿?
Si la densidad de energía de la energía oscura fuera negativa o el universo se cerrara, sería posible que la expansión del U revirtiera su marcha contrayéndose hacia un estado muy denso y caliente. Esto seria equivalente a ir hacia atrás en el tiempo. Esta hipótesis es frecuentemente presentada como parte de un modelo de U oscilatorio. Observaciones actuales sugieren que este modelo es improbable y que la expansión seguiría su marcha.
La Gran Rotura
Este escenario es posible solo si la densidad de energía de la energía oscura actual creciera sin límite a lo largo del tiempo. Tal energía oscura, denominada “energía fantasma” no se parece a ninguna clase de energía, excepto la energía de las partículas virtuales. En este caso la expansión del U crecería sin limites. Los sistemas gravitacionales tales como los clusters de galaxias, galaxias y finalmente el sistema solar se desgarrarían en pedazos. Eventualmente la expansión sería tan rápida que superaría a las fuerzas electromagnéticas que mantienen unidos átomos y moléculas. Finalmente, los núcleos atómicos se partirían en pedazos y el U que conocemos terminaría como una extraña singularidad gravitacional. En otras palabras, el U se expandiría tanto que la fuerza electromagnética que mantiene a las cosas juntas no podría hacer frente a la expansión.
Caso de Metaestabilidad del Vacío
Si nuestro U estuviera en un falso vacío de larga vida, seria posible que sufriera una especie de efecto túnel hacia un estado de menor energía. Si esto ocurriera todas las estructuras se destrozarían en forma instantánea, sin ningún tipo de aviso previo.
Estudios sobre la infancia del cosmos
El Instituto de Tecnología de California, Caltech, con un telescopio de alta resolución instalado a 5080 metros de altura en el desierto de Atacama en Chile, tomó la imagen más nítida hasta el momento del origen del universo.
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Fuente: Caltech, CBI en Atacama
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Para estudiar la infancia del cosmos, los primeros instantes de la gigantesca explosión del Big Bang, se necesitan telescopios de alta resolución. Para ello, un potente telescopio desarrollado por el Instituto de Tecnología de California, Caltech, se instaló a 5080 metros de altura en el desierto de Atacama en Chile, a 50 kilómetros de San Pedro de Atacama, por ser una región que posee el cielo más límpido del mundo para éste tipo de observaciones astronómicas, desde el cual se tomó la imagen más nítida hasta el momento del origen del universo.
El radiotelescopio, denominado Generador de Imágenes del Fondo del Universo o CBI (por sus siglas en inglés), consiste en 13 antenas de radio individuales sobre una sola montura que pueden ser dirigidas hacia un punto en el espacio. Cada antena es un reflector parabólico de 90 centímetros. Las señales recibidas son combinadas y analizadas por supercomputadoras que captan un espectro de radiación.
La imagen captó al universo a la temprana edad de 300 mil años.
El universo a la edad de 300 mil años (foto: Caltech).
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Crédito: CBI/Caltech/Fundación Nacional de Ciencias USALa imagen es de una radiación procedente de tres pedazos de cielo de aproximadamente dos grados cuadrados (cuatro veces el diámetro de La Luna). Los colores representan la intensidad de la radiación, donde el rojo corresponde a manchas frías y el blanco a manchas calientes, Las fluctuaciones en intensidad son de unos 100 micro grados Kelvin sobre una temperatura de 2.73 grados Kelvin
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La directora del Departamento de Astronomía de la Universidad de Chile, María Teresa Ruiz, dijo a la BBC de Londres que pudieron observar las primeras semillas de las galaxias que, millones de años después, engendrarían planetas como el nuestro.
La figura muestra un universo con irregularidades desde su infancia. Esto va en apoyo de la teoría del Big Bang que afirma que el universo comenzó con una tremenda explosión, luego sufrió una muy rápida inflación y luego comenzaron a desarrollarse las primeras galaxias. La imagen muestra las primeras fluctuaciones de densidad de lo que inicialmente tuviera una distribución uniforme, ocurrido a los 300.000 años de la explosión, esencialmente grumos de la supuesta radiación de microondas cósmica de fondo -CMB- en Inglés), que es ubicua en todo el universo. Por primera vez se ven las semillas de los cúmulos de galaxias.
El CMB fue predecido en 1940 pero recién detectado en 1965. Por décadas, luego de su descubrimiento, la radiación de fondo aparecía como una temperatura uniforme por todo el espacio. Sólo en los tempranos 90, el COBE, Satélite Explorador del Fondo Cósmico, detectó variaciones de temperatura que según los cosmologistas podrían ser las semillas de la estructura del universo.
Los modelos computacionales ven éstas variaciones como filamentos de materia conectados a nodos como una tela de araña. Acumulaciones de hidrógeno, como gotas sobre la tela de araña. Cada gota tiene masa, gravedad y velocidad aleatoria, y eventualmente son atraidos a los nodos. La materia se junta con materia y nacen las galaxias, muchas de ellas en grandes cúmulos. Hasta hace poco los cosmologistas creían que éste proceso era ayudado por una significativa cantidad de materia y energía invisible, las llamadas materias y energías oscuras. Los nuevos resultados muestran la posible existencia de estos fenómenos extraños.
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