Historia de la teoría del Big Bang

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 implica ahora extensiones y refinamientos del modelo básico del Big Bang. La teoría en sí fue formalizada originalmente por el sacerdote católico belga, físico teórico, matemático, astrónomo y profesor de física Georges Lemaître.

Filosofía y finitismo temporal medieval

En la filosofía medieval, hubo mucho debate sobre si el universo tenía un pasado finito o infinito (ver Finitismo temporal). La filosofía de Aristóteles sostenía que el universo tenía un pasado infinito, lo que causó problemas a los filósofos judíos e islámicos medievales que no pudieron reconciliar la concepción aristotélica de lo eterno con la visión abrahámica de la creación. Como resultado, John Philoponus, Al-Kindi, Saadia Gaon, Al-Ghazali e Immanuel Kant, entre otros, desarrollaron una variedad de argumentos lógicos para que el universo tenga un pasado finito.

En su tratado de 1225 De Luce (Sobre la luz), el teólogo inglés Robert Grosseteste exploró la naturaleza de la materia y el cosmos. 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.

En 1610, Johannes Kepler usó el cielo nocturno oscuro para defender 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 expandía y contraía de manera cíclica se presentó 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 es un trabajo científico, pero Poe, partiendo de principios metafísicos, trató de explicar el universo utilizando el conocimiento físico y mental contemporáneo. Ignorada por la comunidad científica y muchas veces incomprendida 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". El "Querer Divino", manifestándose como una fuerza repulsiva, fragmentó la Partícula Primordial en átomos. Los átomos se esparcen uniformemente por todo el espacio, hasta que la fuerza repulsiva se detiene y la atracción aparece como una reacción: entonces la materia comienza a agruparse formando estrellas y sistemas estelares, mientras que el universo material se vuelve a juntar por la gravedad, colapsando finalmente y terminando eventualmente regresando al Etapa de Partícula Primordial para comenzar nuevamente el proceso de repulsión y atracción. Esta parte de Eureka describe un universo evolutivo newtoniano que comparte una serie de propiedades con los modelos relativistas, y por esta razón Poe anticipa algunos temas de la cosmología moderna.

Desarrollos científicos de principios del siglo XX.

Observacionalmente, en la década de 1910, Vesto Slipher y más tarde, Carl Wilhelm Wirtz, determinaron que la mayoría de las nebulosas espirales (ahora llamadas correctamente galaxias espirales) se estaban alejando 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 desplazamiento hacia el rojo sistemático de las nebulosas, que era difícil de interpretar en términos de una cosmología en la que el universo está lleno de forma más o menos uniforme de estrellas y nebulosas. No eran conscientes de las implicaciones cosmológicas, ni de que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias fuera de nuestra propia Vía Láctea.

También en esa década, se descubrió que la teoría de la relatividad general de Albert Einstein no admitía soluciones cosmológicas estáticas, dados los supuestos básicos de la cosmología descritos en los fundamentos teóricos del Big Bang. El universo (es decir, la métrica del espacio-tiempo) fue descrito por un tensor métrico que se expandía o se contraía (es decir, no era constante ni invariante). Este resultado, proveniente de una evaluación de las ecuaciones de campo de la teoría general, llevó al propio Einstein en un principio a considerar que su formulación de las ecuaciones de campo de la teoría general puede estar equivocada, y trató de corregirlo agregando una constante cosmológica. Esta constante devolvería a la descripción del espacio-tiempo de la teoría general un tensor métrico invariable para el tejido del espacio/existencia. La primera persona en aplicar 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 incluían "Über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativor Krümmung des Raumes "(Sobre 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. Las ecuaciones de Friedmann describen el universo de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker.

En 1927, el sacerdote católico belga Georges Lemaitre propuso un modelo en expansión para el universo para explicar los desplazamientos hacia el 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 desplazamientos hacia el rojo en sí mismos no eran constantes, sino que variaban de tal manera que se llegaba a la conclusión de que había una relación definida entre la cantidad de desplazamiento hacia el rojo de las nebulosas y su distancia de los observadores.

En 1929, Edwin Hubble proporcionó una base de observación integral para la teoría de Lemaitre. Las observaciones experimentales del 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 corrimientos al rojo observados) directamente proporcionales a su distancia de la Tierra y entre sí. En 1929, Hubble y Milton Humason formularon la ley empírica de la distancia al rojo de las galaxias, hoy conocida como la ley de Hubble, que, una vez que el corrimiento al rojo se interpreta como una medida de la velocidad de recesión, es consistente con las soluciones de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein para un homogéneo, espacio isotrópico en expansión. La naturaleza isotrópica de la expansión era prueba directa de que era el espacio (el tejido de la existencia) mismo el que se estaba expandiendo, no los cuerpos en el espacio que simplemente se estaban moviendo más hacia el exterior y separándose en un vacío vacío preexistente infinitamente más grande. Fue esta interpretación la que condujo al concepto del universo 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 debe pensar que todo estuvo alguna vez más cerca. La conclusión lógica es que, en algún momento, toda la materia comenzó desde un solo punto de unos pocos milímetros de ancho antes de explotar hacia afuera. Hacía tanto calor que consistió solo en energía bruta durante cientos de miles de años antes de que pudiera formarse la materia. Lo que sea que sucedió tuvo que desatar una fuerza insondable, ya que el universo todavía se está expandiendo miles de millones de años después. La teoría que ideó para explicar lo que encontró se llama la teoría del Big Bang.

En 1931, Lemaître propuso en su " hipótesis del átomo primitivo" (hipótesis del átomo primitivo) que el universo comenzó con la "explosión" del "átomo primitivo", lo que más tarde se denominó Big Bang. Lemaître primero tomó los rayos cósmicos como los restos del evento, aunque ahora se sabe que se originaron dentro de la galaxia local. Lemaitre tuvo que esperar hasta poco antes de su muerte para enterarse del descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas, la radiación remanente de una fase densa y caliente en el universo primitivo.

Teoría del Big Bang vs. Teoría del Estado Estacionario

La Ley de Hubble había sugerido que el universo se estaba expandiendo, contradiciendo el principio cosmológico por el cual el universo, cuando se ve en escalas de distancia suficientemente grandes, no tiene direcciones ni lugares preferidos. La idea de Hubble permitió sugerir dos hipótesis opuestas. Uno fue 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 una alternativa " Hoyle repitió el término en otras transmisiones a principios de 1950, como parte de una serie de cinco conferencias titulada La naturaleza del universo. El texto de cada conferencia se publicó en The Listener una semana después de la transmisión, la primera vez que apareció impreso el término "big bang". A medida que aumentaba la evidencia a favor del modelo del Big Bang y el consenso se generalizaba, el propio Hoyle, aunque un poco a regañadientes, lo admitió al formular un nuevo modelo cosmológico al que otros científicos se refirieron más tarde como "Steady Bang".

1950 a 1990

Desde alrededor de 1950 hasta 1965, el apoyo a estas teorías estuvo dividido equitativamente, 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 producían. 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 los cuásares y las 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 no deberían cambiar con el tiempo. Además, el descubrimiento de la radiación cósmica de fondo de microondas en 1964 se consideró la sentencia de muerte del estado estacionario, aunque esta predicción fue solo cualitativa y no logró 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 gran precisión hasta el COBE en 1990). Después de algunas reformulaciones, 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 pensaron que la singularidad infinitamente densa y físicamente paradójica en el momento inicial del modelo cosmológico de Friedmann podría evitarse permitiendo un universo que se contraía 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 sesenta,y la singularidad es un rasgo 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 tal 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 para el universo, o si los procesos físicos que gobiernan el régimen hacen que el universo sea efectivamente de carácter eterno.

Durante las décadas de 1970 y 1980, la mayoría de los cosmólogos aceptaron el Big Bang, pero quedaron varios acertijos, incluido 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 se confirmó con mucha fuerza.

1990 en adelante

Se realizaron grandes avances en la cosmología del Big Bang en la década de 1990 y principios del siglo XXI, como resultado de los grandes 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 excedan las 2 partes en100 000. Esto demostró que las afirmaciones anteriores de 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 de astronomía.

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 CMB basadas en tierra y las encuestas de desplazamiento al rojo de galaxias grandes. En 1999-2000, las observaciones CMB transportadas por globos de Boomerang y Maxima mostraron que la geometría del universo es casi plana, luego, en 2001, el estudio de desplazamiento al rojo de galaxias 2dFGRS estimó la densidad media de materia alrededor del 25-30 por ciento de la densidad crítica.

De 2001 a 2010, la nave espacial WMAP de la NASA tomó fotografías muy detalladas del universo por medio de la radiación de fondo cósmico de microondas. Las imágenes pueden interpretarse para indicar que el universo tiene 13.700 millones de años (con un error del uno por ciento) y que el modelo Lambda-CDM y la teoría inflacionaria son correctos. Ninguna otra teoría cosmológica puede explicar todavía una gama tan amplia de parámetros observados, desde la relación de las abundancias elementales en el universo primitivo hasta la estructura del fondo cósmico de microondas, la mayor abundancia observada de núcleos galácticos activos en el universo primitivo y la masas de cúmulos de galaxias.

En 2013 y 2015, la nave espacial Planck de la ESA publicó imágenes aún más detalladas del fondo cósmico de microondas, mostrando consistencia 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 reconciliar las observaciones con la teoría básica. Los cosmólogos continúan calculando muchos de los parámetros del Big Bang a un nuevo nivel de precisión y llevan a cabo observaciones más detalladas que se espera proporcionen pistas sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura, y para probar la teoría de la Relatividad General en escalas cósmicas.