Cómo se originó el universo: así comenzó todo hace 13 800 millones de años

Se cumplieron a finales de 2024 cuarenta años justos del lanzamiento del disco “Menos mal que nos queda Portugal” de la banda viguesa Siniestro Total. Entre sus surcos sonaba la canción “¿Quiénes somos? ¿De dónde venimos? ¿A dónde vamos?” donde, además de las cuestiones titulares y entre muchas otras de inmensa profundidad, también se preguntaban cuándo fue el gran estallido, si se expande el Universo y si es cóncavo o convexo.

Cuarenta años después podemos responder al menos algunas de esas preguntas con cierta seguridad. Seguimos sin saber bien qué es el ser, qué es la esencia, qué es la nada o qué es la eternidad. Pero podemos decir algo sobre cómo se originó el universo.

Por un motivo u otro, muchas veces me ha tocado contestar a esta pregunta, rodeado de públicos de lo más variado. Como astrónomo interesado en el origen de universo, puedo contestar diciendo algo parecido a:

“Hace unos 13 800 millones de años, en un instante, aparecieron a la vez el espacio, el tiempo, la materia y la energía. La densidad y la temperatura eran al inicio inimaginablemente altas. Desde entonces el espacio ha ido expandiéndose, la temperatura ha ido cayendo, y todas las estructuras que vemos a nuestro alrededor fueron formándose progresivamente mientras el universo se enfriaba y, en cierto modo, se congelaba.”

Esta última idea es solo un símil, claro, pero es importante entenderla en profundidad. Todos hemos visto fundirse cubitos de hielo a 0° y hervir agua al calentarla hasta 100°. Si seguimos calentando el agua aumentamos la energía disponible, de manera que al llegar a unos 2200° se romperán también sus moléculas, y en vez de tener agua (H₂O) nos encontraremos con una mezcla de moléculas de hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). Subiendo más la temperatura, quebraremos también esas moléculas, y hacia 5000° ya solo tendremos una mezcla de átomos de hidrógeno y oxígeno.

Al tocar los 10 000°, notaremos algo peculiar: los propios átomos de hidrógeno se deshacen, y empezamos a encontrar electrones y núcleos libres —un proceso que continuará hasta que, bien pasados los 10 000° los átomos de oxígeno vayan disgregándose también. A temperaturas mucho más altas (ya en los millones, cientos de millones de grados y más allá) los núcleos atómicos tampoco podrán aguantar y se disgregarán en protones y neutrones. Y, en el límite, estos mismos se descompondrán en los quarks que los forman: las partículas más elementales que conocemos.

¿Por qué me he desviado de la pregunta original y me he lanzado a hablar de todo esto que ocurriría al calentar sin límites un cubito de hielo? Pues porque ese camino, pero a la inversa, es exactamente el que suponemos que ha seguido el universo desde aquel primer instante hace 13800 millones de años. En su estado inicial, la temperatura era tan inimaginablemente alta que solamente podía existir una sopa de partículas absolutamente elementales (quarks, electrones, neutrinos,…). Costó solo un segundo alcanzar la temperatura en que protones y neutrones podían coexistir, y solo unos minutos enfriarlos hasta que los núcleos atómicos pudieron sobrevivir. 380 000 años después (un parpadeo en la historia del universo) los propios átomos ya podían aguantar la temperatura ambiente, de modo que los núcleos y los electrones se combinaron e hicieron que, por primera vez, el universo fuera un lugar eléctricamente neutro.

Desde entonces (¡13 800 millones de años menos casi nada!) el universo ha ido enfriándose y viendo cómo aquellos átomos han ido agrupándose, formando nubes de gas, galaxias, y estrellas. Estas han brillado y creado nuevos y más complejos elementos en su interior, han ido terminando sus vidas y vertiendo dichos elementos al espacio. Con ellos se formaron nuevas generaciones de estrellas, muchas de ellas rodeadas de planetas. Algunos de esos planetas eran rocosos y permitieron la formación de océanos en sus superficies. 

Y al menos en uno de ellos que giraba en torno a una estrella estable de masa mediana, rico en agua y en moléculas formadas por largas cadenas de carbono, aparecieron seres que un día se preguntaron “¿Cómo se originó el Universo?”

Epígrafe 1: partículas elementales

El modelo estándar de la Física de Partículas nos dice que las partículas más elementales que constituyen la materia son un conjunto relativamente pequeño. Tenemos tres parejas de quarks (llamados de modo bastante absurdo “arriba” y “abajo”, “extraño” y “encanto”, y “cima” y “fondo”), tres partículas de carga negativa (el electrón, el muón, y el tau), y tres partículas casi indetectables asociadas a las anteriores llamadas neutrinos (de tipo electrón, muón y tau respectivamente). 

Existen además otras partículas que no forman la materia como tal, sino que se encargan de transmitir interacciones, entre ellas el fotón, la “partícula de luz”. Cada una de todas ellas tiene una partícula que en cierto modo es su reverso, formando parte de lo que conocemos como “antimateria” (¡en realidad nadie sabe aún si los neutrinos son o no su propia antipartícula!).

Epígrafe 2: el fondo cósmico de microondas.

El fondo cósmico de microondas, uno de los conceptos clave y una de las imágenes más icónicas de la cosmología moderna, es la radiación que nos llega hoy en día desde todas las direcciones y que proviene de aquel primer instante en el tiempo en que el universo se volvió neutro y, por tanto, transparente a la luz, 380 000 años después del origen. 

Resulta paradójico que llamamos a ese instante “el momento de la recombinación”… ¡A pesar de que los núcleos atómicos y los electrones nunca se habían “combinado” antes!

Epígrafe 3: el “big bang”

Puede que al leer esto haya notado que he evitado decir “big bang” o “gran explosión” en todo momento. El motivo es que es un nombre muy desafortunado, que de modo natural nos remite a la idea de una expansión a partir de un centro, con un borde, a través de un medio… todos ellos conceptos equívocos. Desgraciadamente, es también un nombre muy gráfico, y por eso ha triunfado desde que lo acuñó Fred Hoyle hace 75 años.

Una forma satisfactoria de evitar esa idea de una explosión que ocurre en un cierto lugar es imaginar que todo el espacio, con sus tres dimensiones y su volumen posiblemente infinito, aparece en el momento del origen, y desde ese momento se expande globalmente de modo continuado.

Cortesía de Muy Interesante

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