En cosmología, se entiende por Big Bang, o Gran Explosión en español, al comienzo del universo, es decir, el punto inicial del cual surgió la materia, el espacio y el tiempo. La teoría del Big Bang es el modelo cosmológico predominante para los períodos conocidos más antiguos del universo y su posterior evolución a gran escala. El modelo estándar afirma que el universo se hallaba en un estado de muy alta densidad y temperatura y luego se expandió.
De acuerdo con el modelo cosmológico estándar, el Big Bang tuvo lugar hace unos 13 797 millones de años. Mediciones modernas datan este momento hace aproximadamente 13 800 millones de años, que sería por tanto la edad del universo. El modelo estándar no trata de explicar la causa de este hecho en sí, sino la evolución del universo temprano en un rango temporal que abarca desde un tiempo de Planck (aprox. 10-43 segundos después del inicio).
El término "Big Bang" proviene del astrofísico Fred Hoyle, que lo utilizó a modo de burla. También lo llamó originalmente "átomo primigenio" o "huevo cósmico" el astrofísico y sacerdote Georges Lemaître.
El Camino Hacia la Teoría del Big Bang
Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis de esta explicación. La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y avances teóricos. La teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (es decir, el universo debe estar o bien en expansión o bien en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica.
Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de esta, como si el universo se expandiera constantemente. En 1929, Edwin Hubble realizó observaciones que sirvieron de fundamento para comprobar la teoría de Lemaître. Hubble probó que las nebulosas espirales son galaxias y midió sus distancias observando las estrellas variables cefeidas en galaxias distantes. Descubrió que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia. Según el principio cosmológico, el alejamiento de las galaxias sugería que el universo está en expansión. Esta idea originó dos hipótesis opuestas: la teoría Big Bang de Lemaître, apoyada y desarrollada por George Gamow, y el modelo de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, según la cual se genera nueva materia mientras las galaxias se alejan entre sí.
En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow (1904-1968) planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión ("big bang"). 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.
Evidencias Empíricas del Big Bang
En general se consideran tres las evidencias empíricas que apoyan la teoría cosmológica del Big Bang. Estas son: la expansión del universo que se expresa en la ley de Hubble y que se puede apreciar en el corrimiento hacia el rojo de las galaxias, las medidas detalladas del fondo cósmico de microondas, y la abundancia de elementos ligeros.
1. Expansión del Universo (Ley de Hubble): De la observación de galaxias y cuásares lejanos se desprende la idea de que estos objetos experimentan un corrimiento hacia el rojo, lo que quiere decir que la luz que emiten se ha desplazado proporcionalmente hacia longitudes de onda más largas. Esto se comprueba tomando el espectro de los objetos y comparando, después, el patrón espectroscópico de las líneas de emisión o absorción correspondientes a átomos de los elementos que interactúan con la radiación. En este análisis se puede apreciar cierto corrimiento hacia el rojo, lo que se explica por una velocidad recesional correspondiente al efecto Doppler en la radiación.
2. Radiación de Fondo Cósmico de Microondas (CMB): Una de las predicciones de la teoría del Big Bang es la existencia de la radiación cósmica de fondo, radiación de fondo de microondas o CMB (Cosmic microwave background). El universo temprano, debido a su alta temperatura, se habría llenado de luz emitida por sus otros componentes. Mientras el universo se enfriaba debido a la expansión, su temperatura habría caído por debajo de 3000 K. Por encima de esta temperatura, los electrones y proto... 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.
3. Abundancia de Elementos Ligeros: La nucleosíntesis primordial, ocurrida en los primeros minutos después del Big Bang, predice las proporciones de los elementos ligeros como el hidrógeno, el helio y el litio. Las observaciones de la abundancia de estos elementos en el universo primitivo coinciden notablemente con las predicciones teóricas, lo que constituye una fuerte evidencia a favor del modelo del Big Bang.
Evolución del Universo Post-Big Bang
Después de la expansión inicial, el universo se enfrió lo suficiente para permitir la formación de las partículas subatómicas y más tarde simples átomos. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se unieron más tarde debido a la gravedad y formaron estrellas y galaxias. Después del Big Bang, y esto ya no forma parte de la teoría, el universo sufrió progresivos enfriamiento y expansión cuyo desarrollo posterior determinaron procesos que se pueden observar en la física de partículas.
Aproximadamente 10-35 segundos después del tiempo de Planck, un cambio de fase causó que el universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del universo, la temperatura descendió y, debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los cuarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase que rompieron la simetría, con lo que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el universo la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300 000 años los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Al pasar el tiempo algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, se hicieron más densas y formaron nubes, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan.
El universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente de lo esperado a grandes distancias.
Desafíos y Preguntas Abiertas
Una dificultad de los modelos cosmológicos de tipo Big Bang es explicar el problema del horizonte: el carácter isótropo del universo y su distribución homogénea de materia y radiación de acuerdo con el principio cosmológico. En el "primer instante", la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10-33 segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de la gran unificación.
Uno de los grandes problemas científicos 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 diferencia entre los métodos de medición de la masa de galaxias y cúmulos de galaxias 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.
La física actual no conoce ninguna explicación sobre qué ocurrió "antes" del Big Bang ni sobre el origen del propio Big Bang, ya que no hay tiempo "antes" del inicio del tiempo ("así como no tiene sentido preguntar qué hay al norte del polo norte"), aunque se han postulado hipótesis sobre el destino final del universo: una expansión indefinida (véase Big Rip y Big Freeze); colapso debido a la atracción gravitatoria (véase Big Crunch); o bien un modelo cíclico con período de expansión y contracción (véase Big Bounce).