La historia de la teoría del Big Bang comenzó con el desarrollo del Big Bang a partir de observaciones y consideraciones teóricas. Gran parte del trabajo teórico en cosmología ahora implica extensiones y refinamientos del modelo básico del Big Bang. La teoría en sí fue formalizada originalmente por el padre Georges Lemaître en 1927. [1] La ley de Hubble sobre la expansión del universo proporcionó un apoyo fundamental a la teoría.
En la filosofía medieval , hubo mucho debate sobre si el universo tenía un pasado finito o infinito (véase Finitismo temporal ). La filosofía de Aristóteles sostenía que el universo tenía un pasado infinito, lo que causó problemas a los filósofos judíos e islámicos del pasado que no pudieron conciliar la concepción aristotélica de lo eterno con la visión abrahámica de la creación . [2] Como resultado, una variedad de argumentos lógicos para que el universo tuviera un pasado finito fueron desarrollados por John Philoponus , Al-Kindi , Saadia Gaon , Al-Ghazali e Immanuel Kant , entre otros. [3]
El teólogo inglés Robert Grosseteste exploró la naturaleza de la materia y el cosmos en su tratado De Luce ( Sobre la luz ) de 1225. Describió el nacimiento del universo en una explosión y la cristalización de la materia para formar estrellas y planetas en un conjunto de esferas anidadas alrededor de la Tierra. De Luce es el primer intento de describir los cielos y la Tierra utilizando un único conjunto de leyes físicas. [4]
En 1610, Johannes Kepler utilizó el cielo nocturno oscuro para argumentar a favor de un universo finito. Setenta y siete años después, Isaac Newton describió el movimiento a gran escala en todo el universo.
La descripción de un universo que se expande y se contrae de manera cíclica fue propuesta por primera vez en un poema publicado en 1791 por Erasmus Darwin . Edgar Allan Poe presentó un sistema cíclico similar en su ensayo de 1848 titulado Eureka: A Prose Poem ; obviamente no se trata de una obra científica, pero Poe, aunque partía de principios metafísicos, intentó explicar el universo utilizando el conocimiento físico y mental contemporáneo. Ignorado por la comunidad científica y a menudo malinterpretado por los críticos literarios, sus implicaciones científicas han sido reevaluadas en los últimos tiempos.
Según Poe, el estado inicial de la materia era una única "Partícula Primordial". La "Volición Divina", manifestándose como una fuerza repulsiva, fragmentó la Partícula Primordial en átomos. Los átomos se esparcieron uniformemente por el espacio, hasta que la fuerza repulsiva se detuvo y la atracción apareció como reacción: entonces la materia comenzó a agruparse formando estrellas y sistemas estelares, mientras que el universo material se unió nuevamente por la gravedad, colapsando finalmente y terminando por regresar al estado de Partícula Primordial para comenzar nuevamente el proceso de repulsión y atracción. Esta parte de Eureka describe un universo evolutivo newtoniano que comparte varias propiedades con los modelos relativistas, y por esta razón Poe anticipa algunos temas de la cosmología moderna. [5]
Observacionalmente, en la década de 1910, Vesto Slipher y más tarde, Carl Wilhelm Wirtz , determinaron que la mayoría de las nebulosas espirales (ahora llamadas galaxias espirales ) se alejaban de la Tierra. Slipher utilizó la espectroscopia para investigar los períodos de rotación de los planetas, la composición de las atmósferas planetarias y fue el primero en observar las velocidades radiales de las galaxias. Wirtz observó un corrimiento al rojo sistemático de las nebulosas, que era difícil de interpretar en términos de una cosmología en la que el universo está lleno de estrellas y nebulosas de manera más o menos uniforme. No eran conscientes de las implicaciones cosmológicas, ni de que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias fuera de nuestra propia Vía Láctea . [6]
También en esa década, se descubrió que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein no admitía soluciones cosmológicas estáticas , dadas las suposiciones básicas de la cosmología descritas en los fundamentos teóricos del Big Bang . El universo (es decir, la métrica del espacio-tiempo) se describía mediante un tensor métrico que se expandía o se contraía (es decir, no era constante ni invariante). Este resultado, que surgió de una evaluación de las ecuaciones de campo de la teoría general, llevó al propio Einstein a considerar en un primer momento que su formulación de las ecuaciones de campo de la teoría general podía ser errónea, y trató de corregirla añadiendo una constante cosmológica . Esta constante devolvería a la descripción del espacio-tiempo de la teoría general un tensor métrico invariante para el tejido del espacio/existencia. La primera persona que aplicó seriamente la relatividad general a la cosmología sin la constante cosmológica estabilizadora fue Alexander Friedmann . Friedmann derivó la solución del universo en expansión a las ecuaciones de campo de la relatividad general en 1922. Los artículos de Friedmann de 1924 incluyeron " Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung des Raumes " ( Acerca de la posibilidad de un mundo con curvatura negativa constante ) que fue publicado por la Academia de Ciencias de Berlín el 7 de enero de 1924. [7] Las ecuaciones de Friedmann describen el universo de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker .
En 1927, el físico belga Georges Lemaitre propuso un modelo de expansión del universo para explicar los corrimientos al rojo observados en las nebulosas espirales y calculó la ley de Hubble . Basó su teoría en el trabajo de Einstein y De Sitter y derivó de forma independiente las ecuaciones de Friedmann para un universo en expansión. Además, los corrimientos al rojo en sí mismos no eran constantes, sino que variaban de tal manera que conducían a la conclusión de que existía una relación definida entre la cantidad de corrimientos al rojo de las nebulosas y su distancia a los observadores.
En 1929, Edwin Hubble proporcionó una base observacional integral para la teoría de Lemaitre. Las observaciones experimentales de Hubble descubrieron que, en relación con la Tierra y todos los demás cuerpos observados, las galaxias se alejan en todas las direcciones a velocidades (calculadas a partir de sus desplazamientos al rojo observados) directamente proporcionales a su distancia de la Tierra y entre sí. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon la Ley de Distancia al Desplazamiento al Rojo empírica de las galaxias, hoy conocida como Ley de Hubble , que, una vez que el desplazamiento al rojo se interpreta como una medida de la velocidad de recesión, es consistente con las soluciones de las Ecuaciones de Relatividad General de Einstein para un universo homogéneo e isótropo en expansión. La ley establece que cuanto mayor sea la distancia entre dos galaxias, mayor será su velocidad relativa de separación. En 1929, Edwin Hubble descubrió que la mayor parte del universo se estaba expandiendo y alejándose de todo lo demás. Si todo se está alejando de todo lo demás, entonces se debería pensar que todo estuvo alguna vez más cerca. La conclusión lógica es que en algún momento, toda la materia comenzó a partir de un único punto de unos pocos milímetros de diámetro antes de explotar hacia el exterior. Hacía tanto calor que solo consistió en energía bruta durante cientos de miles de años antes de que la materia pudiera formarse. Lo que haya ocurrido tuvo que desatar una fuerza insondable, ya que el universo sigue expandiéndose miles de millones de años después. La teoría que ideó para explicar lo que descubrió se llama teoría del Big Bang. [ cita requerida ]
En 1931, Lemaître propuso en su " hipótesis del átomo primitivo " que el universo comenzó con la "explosión" del " átomo primitivo ", lo que más tarde se denominó el Big Bang. Lemaître primero consideró que los rayos cósmicos eran los restos del evento, aunque ahora se sabe que se originaron dentro de la galaxia local . Lemaître tuvo que esperar hasta poco antes de su muerte para enterarse del descubrimiento de la radiación de fondo de microondas cósmica , la radiación remanente de una fase densa y caliente en el universo primitivo. [8]
La ley de Hubble había sugerido que el universo se estaba expandiendo, contradiciendo el principio cosmológico según el cual el universo, cuando se observa en escalas de distancia suficientemente grandes, no tiene direcciones o lugares preferidos. La idea de Hubble permitió que se sugirieran dos hipótesis opuestas. Una era el Big Bang de Lemaître, defendido y desarrollado por George Gamow . El otro modelo era la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle , en la que se crearía nueva materia a medida que las galaxias se alejaran unas de otras. En este modelo, el universo es aproximadamente el mismo en cualquier momento. En realidad, fue Hoyle quien acuñó el nombre de la teoría de Lemaître, refiriéndose a ella como "esta idea del 'big bang'" durante una transmisión de radio el 28 de marzo de 1949, en el Tercer Programa de la BBC . Se informa popularmente que Hoyle, que favorecía un modelo cosmológico alternativo de " estado estacionario ", pretendía que esto fuera peyorativo, pero Hoyle lo negó explícitamente y dijo que era solo una imagen llamativa destinada a resaltar la diferencia entre los dos modelos. [9] Hoyle repitió el término en otras emisiones a principios de 1950, como parte de una serie de cinco conferencias tituladas La naturaleza del universo . El texto de cada conferencia se publicó en The Listener una semana después de la emisión, la primera vez que el término "big bang" apareció impreso. [10] A medida que aumentaba la evidencia a favor del modelo del Big Bang y el consenso se generalizaba, el propio Hoyle, aunque algo a regañadientes, lo admitió al formular un nuevo modelo cosmológico al que otros científicos se refirieron más tarde como el "Steady Bang". [11]
Desde aproximadamente 1950 hasta 1965, el apoyo a estas teorías estuvo dividido de manera uniforme, con un ligero desequilibrio que surgió del hecho de que la teoría del Big Bang podía explicar tanto la formación como las abundancias observadas de hidrógeno y helio , mientras que el Estado Estacionario podía explicar cómo se formaron, pero no por qué deberían tener las abundancias observadas. Sin embargo, la evidencia observacional comenzó a apoyar la idea de que el universo evolucionó a partir de un estado denso y caliente. Se observó que objetos como cuásares y radiogalaxias eran mucho más comunes a grandes distancias (por lo tanto, en el pasado distante) que en el universo cercano, mientras que el Estado Estacionario predijo que las propiedades promedio del universo deberían permanecer inmutables con el tiempo. Además, el descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas en 1964 se consideró la sentencia de muerte del Estado Estacionario, aunque esta predicción fue solo cualitativa y no pudo predecir la temperatura exacta del CMB. (La predicción clave del Big Bang es el espectro de cuerpo negro del CMB, que no se midió con alta precisión hasta COBE en 1990). Después de alguna reformulación, el Big Bang ha sido considerado como la mejor teoría del origen y evolución del cosmos. Antes de finales de la década de 1960, muchos cosmólogos pensaban que la singularidad infinitamente densa y físicamente paradójica en el momento inicial del modelo cosmológico de Friedmann podría evitarse permitiendo un universo que se contrajera antes de entrar en el estado denso caliente y comenzar a expandirse nuevamente. Esto se formalizó como el universo oscilante de Richard Tolman . En los años sesenta, Stephen Hawking y otros demostraron que esta idea era inviable, [ cita requerida ] y la singularidad es una característica esencial de la física descrita por la gravedad de Einstein. Esto llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar la noción de que el universo como lo describe actualmente la física de la relatividad general tiene una edad finita. Sin embargo, debido a la falta de una teoría de la gravedad cuántica , no hay forma de decir si la singularidad es un punto de origen real del universo, o si los procesos físicos que gobiernan el régimen hacen que el universo sea efectivamente eterno en su carácter.
Durante las décadas de 1970 y 1980, la mayoría de los cosmólogos aceptaron el Big Bang, pero persistían varios enigmas, entre ellos el no descubrimiento de anisotropías en el CMB y observaciones ocasionales que insinuaban desviaciones de un espectro de cuerpo negro; por lo tanto, la teoría no fue confirmada con mucha fuerza.
En la década de 1990 y principios del siglo XXI se lograron enormes avances en la cosmología del Big Bang, como resultado de importantes avances en la tecnología de telescopios en combinación con grandes cantidades de datos satelitales, como COBE , el telescopio espacial Hubble y WMAP .
En 1990, las mediciones del satélite COBE mostraron que el espectro del CMB coincide con un cuerpo negro de 2,725 K con una precisión muy alta; las desviaciones no superan las 2 partes.100 000. Esto demostró que las afirmaciones anteriores sobre desviaciones espectrales eran incorrectas y, en esencia, demostró que el universo era caliente y denso en el pasado, ya que ningún otro mecanismo conocido puede producir un cuerpo negro con tanta precisión. Otras observaciones del COBE en 1992 descubrieron las anisotropías muy pequeñas del CMB a gran escala, aproximadamente como se predijo a partir de los modelos del Big Bang con materia oscura . A partir de entonces, los modelos de cosmología no estándar sin alguna forma de Big Bang se volvieron muy raros en las principales revistas astronómicas.
En 1998, las mediciones de supernovas distantes indicaron que la expansión del universo se está acelerando, y esto fue respaldado por otras observaciones, incluidas las observaciones del CMB desde la Tierra y los estudios del desplazamiento al rojo de grandes galaxias. En 1999-2000, las observaciones del CMB desde los globos Boomerang y Maxima mostraron que la geometría del universo es casi plana; luego, en 2001, el estudio del desplazamiento al rojo de galaxias 2dFGRS estimó la densidad media de materia en torno al 25-30 por ciento de la densidad crítica.
Entre 2001 y 2010, la sonda espacial WMAP de la NASA tomó imágenes muy detalladas del universo mediante la radiación de fondo cósmico de microondas. Las imágenes pueden interpretarse como una señal de que el universo tiene 13.700 millones de años (con un margen de error del uno por ciento) y de que el modelo Lambda-CDM y la teoría inflacionaria son correctos. Ninguna otra teoría cosmológica puede explicar hasta ahora una gama tan amplia de parámetros observados, desde la relación entre la abundancia de elementos en el universo primitivo y la estructura del fondo cósmico de microondas, la mayor abundancia observada de núcleos galácticos activos en el universo primitivo y las masas observadas de los cúmulos de galaxias .
En 2013 y 2015, la nave espacial Planck de la ESA publicó imágenes aún más detalladas del fondo cósmico de microondas, que muestran una coherencia con el modelo Lambda-CDM con una precisión aún mayor.
Gran parte del trabajo actual en cosmología incluye comprender cómo se forman las galaxias en el contexto del Big Bang, comprender qué sucedió en los primeros tiempos después del Big Bang y conciliar las observaciones con la teoría básica. Los cosmólogos continúan calculando muchos de los parámetros del Big Bang con un nuevo nivel de precisión y realizan observaciones más detalladas que se espera que proporcionen pistas sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura , y que prueben la teoría de la relatividad general a escala cósmica.
