Como gotas de lluvia cayendo sobre un lago: grandes éxitos de la teoría del Big Bang

¿Quién no se ha quedado absorto viendo caer las primeras gotas de lluvia sobre un charco o un lago? Es hipnótico comprobar cómo crean olas concéntricas. Una vez que ya han caído muchas gotas, la superficie del lago se llena de ondulaciones y esa primera simetría circular se difumina y se pierde para siempre. O no... ¿Creen posible que estudiando la maraña de ondulaciones del agua en un determinado momento podamos conocer dónde cayeron las gotas de agua, o cuántas y cómo eran? Pues algo muy parecido constituye una de las predicciones más fascinantes, por no decir increíble y aun así comprobada, de la teoría del Big Bang.

Las gotas cayendo en el lago producen perturbaciones que se trasladan en forma de onda hacia el exterior con una determinada velocidad. Si ponemos un barquito veremos que sube y baja, no se mueve en horizontal, lo cual significa que la onda solo implica movimientos de las moléculas de agua hacia arriba y abajo. Es lo que se llama una onda transversal, que en este caso viaja hacia fuera desde el punto de impacto de la gota, formando circunferencias concéntricas.

De manera parecida a las gotas cayendo en el lago, en los primeros momentos del universo, una fracción de segundo después del Big Bang, se produjeron lo que se conoce como “fluctuaciones cuánticas”, variaciones aleatorias de las propiedades del universo en determinadas zonas

De manera parecida a las gotas cayendo en el lago, en los primeros momentos del universo, una fracción de segundo después del Big Bang, no es que “cayera” algo sobre él (técnicamente, eso no es posible), pero se produjeron lo que se conoce como “fluctuaciones cuánticas”, variaciones aleatorias de las propiedades del universo en determinadas zonas. Esas fluctuaciones, posiblemente combinadas con lo que se conoce como inflación (otra historia esa), dieron lugar a que ciertas regiones del universo fueran más densas que sus inmediaciones. Como las gotas en un lago, esos picos de densidad crearon una onda, aunque no transversal como la del agua del lago, sino una onda que se denomina acústica, como el sonido en el aire.

Esas ondas estaban principalmente producidas por la presión que ejercían los fotones, que actuaban de tambor dando lugar a ese “sonido”. Que la luz ejerza presión sobre la materia puede parecer increíble, pero se comprueba por ejemplo en la estructura de los cometas, que tienen colas apuntando en dirección opuesta al Sol formadas por partículas empujadas por los fotones de nuestra estrella. En el universo temprano se dice que la luz y la materia ordinaria estaban acopladas. Esto significa que los protones y neutrones, que se llaman en conjunto bariones, seguían el comportamiento de los fotones, con lo que formaban parte también de esa onda. La onda se propagó a partir de cada sobredensidad a una velocidad bastante alta, la mitad de la de la luz, correspondiente a la velocidad del sonido en el material que componía el universo en ese momento. De manera análoga al caso del lago, pero en este caso siendo una onda acústica, se formaron zonas concéntricas de mayor densidad que las regiones adyacentes y se fueron propagando alejándose de la sobredensidad central. Esto es lo que se conoce como oscilaciones acústicas bariónicas, BAO por sus siglas en inglés.

Sin embargo, en el centro de cada BAO quedó, casi sin enterarse, la sobredensidad dominada por materia oscura, materia oscura pata negra, aquella que los astrofísicos incluyen en todas sus teorías, pero que nadie ha encontrado en laboratorio. Es una materia oscura exótica, que no es propensa a captar ni emitir fotones, interacciona con los fotones muchísimo menos que la materia normal (bariónica). Como consecuencia, la onda acústica no afectó a la materia oscura, que “luchaba” porque la masa-energía no se alejara, lo que más le gusta a la materia oscura pata negra es la interacción gravitatoria.

Las BAO predichas por la teoría son un fenómeno que se ha observado, por primera vez en 2005, mediante la detección de una abundancia relativamente alta de galaxias alrededor de las zonas más densas del universo, justo donde las oscilaciones acústicas habían alcanzado el máximo antes de congelarse en el tiempo

Los acontecimientos espectaculares que predice la teoría del Big Bang no acaban ahí. Una de las predicciones más importantes de esta teoría es que en algún momento el universo pasó de ser opaco a transparente, cuando su edad era de unos 370000 años. En esa época los electrones se juntaron con los protones o átomos de helio (y una pequeña cantidad de otros átomos pequeños) y la materia del universo pasó de estar ionizada a tener carga neutra. Sin partículas cargadas, los fotones se desacoplaron de los bariones y viajaron libres por el universo. Otra consecuencia es que las oscilaciones bariónicas se pararon, no siguieron propagándose. Es como si las ondas en el lago quedaran, de repente, congeladas.

Resumimos entonces que algunos de los ingredientes principales de la teoría del Big Bang, como la existencia de materia oscura que no interacciona con los fotones, la expansión y enfriamiento del universo, con procesos como el paso de un universo ionizado a uno neutro, y la existencia de sobredensidades de materia provenientes de fluctuaciones cuánticas que dieron lugar a galaxias más tarde, todos ellos explican algo como las BAO.

Las BAO predichas por la teoría son un fenómeno que se ha observado, por primera vez en 2005, mediante la detección de una abundancia relativamente alta de galaxias alrededor de las zonas más densas del universo, justo donde las oscilaciones acústicas habían alcanzado el máximo antes de congelarse en el tiempo. En esas pequeñas sobredensidades y a partir de la recombinación, empezó a dominar la acción de la gravedad, que dio lugar a la formación de galaxias. La densidad era, claro, mucho más grande en el centro de cada oscilación bariónica, donde se había quedado la materia oscura, por lo que en ese centro es dónde se formaron las galaxias más grandes, con un enjambre de galaxias más pequeñas emergiendo en las capas concéntricas creadas por las BAO. El resultado fue espectacular y muy complicado de obtener, porque no había una única oscilación, sino un gran número de ellas superponiéndose, decenas de miles fueron estudiadas en ese artículo de 2005.

El estudio detallado de las oscilaciones acústicas bariónicas a distintas épocas de la historia del universo es uno de los proyectos fundamentales del Centro de Estudios Física del Cosmos de Aragón (CEFCA), que está ultimando la construcción de un telescopio en el Observatorio astrofísico de Javalambre, en Teruel. En los próximos años este proyecto, entre otros, nos dará una visión mucho más precisa de cómo se ha ido expandiendo el universo y determinará las propiedades de la energía oscura o la existencia de algo parecido a la quintaesencia. Observar la lluvia sobre un lago o las BAO nos seguirá fascinando y dejando absortos, seguro.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aquí para recibir nuestra newsletter semanal