Los ingredientes del universo se decidieron en tres minutos

Obviamente, como científico, y más concretamente como astrofísico, no puedo decir otra cosa diferente: la astrología es una estafa. Los astros no influyen en nuestras vidas ni en nuestro destino. Por otro parte, como “físico clásico” estoy convencido de que la ciencia es determinista, las leyes físicas rigen el cosmos y podemos conocer cómo se comporta cualquier sistema si conocemos bien esas leyes, las condiciones iniciales y tomamos los datos adecuados. Otra cosa es que si fuera un físico más moderno, cuántico, digamos, debería entonces plantearme las limitaciones deterministas ligadas a cierto azar, y las implicaciones de la teoría del caos.

Y en un lugar a medio camino en el planteamiento introductorio está nuestro tema de hoy: los tres primeros minutos del universo determinaron la composición actual del universo, y toda su evolución posterior. Dicho de otra manera, lo que hoy nos compone y somos, todo lo que existe, todo lo que existirá, todo lo que no existe ni existirá, ¡se decidió en solo tres minutos! Cosas del destino a escala cósmica.

¿Y qué ocurrió en esos tres primeros minutos de nuestro universo? Obviamente, el problema no es tan fácil como parece indicar esa pregunta. No lo es en varios aspectos, aquí hablaré de solo tres.

El primer problema tiene que ver con la definición de “primeros minutos”. Muchas veces habremos oído, los astrofísicos y a los que les gusta esto de la cosmología, que el universo tiene unos 14.000 millones de años. La estimación más precisa es actualmente 13.787 millones de años, 20 millones de años arriba o abajo. Esta afirmación implica que hay un origen de tiempo, un t=0 desde el que contamos, que sería el Big Bang. Podría surgir la pregunta, algunos podrían reírse de ella, pero dista mucho de ser tonta (porque no hay preguntas tontas), de qué pasaba antes, o de si el tiempo puede ser negativo (de ahí a pensar en que el tiempo pueda ir para atrás quizás no haya mucho). Pero la cuestión es que ese Big Bang no es el origen del tiempo, como la Puerta del Sol se decía que era el origen de las carreteras nacionales (me pierde el madrileñocentrismo, lo siento). El Big Bang es el origen del tiempo en sí, el tiempo se crea, o, para no meternos en temas teológicos, aparece, tal y como hoy lo conocemos y vivimos, en el Big Bang. Así que el destino del universo se gestó en los primeros tres minutos de existencia no solo del universo, sino del tiempo (¿qué existe si no existe el tiempo?, esa pregunta no sé cómo contestarla).

Otro aspecto que hay que tener en cuenta para responder a la pregunta de los tres primeros minutos de nuestro universo, es que todo lo que vemos alrededor nuestro, el universo que llamamos observable, que se extiende ahora mismo desde la pantalla donde lee este artículo hasta la galaxia más lejana que conocemos, estaba concentrado tres minutos después del Big Bang en un volumen extremadamente pequeño, entre una cuatrillonésima y un quintillonésima parte de lo que ocupa hoy, como si una persona tuviera el tamaño de un solo átomo. “Todo el universo” no era solo ese volumen, habría mucho más al ladito, pero hoy está demasiado lejos y no tenemos información sobre él, decimos que “no estamos conectados con él”, más allá de pensar que ese universo inalcanzable es igual que el nuestro, el observable.

Con ese tamaño, tenía una densidad mucho más alta (la relación con la actual es igual a lo que hemos dicho para el volumen), así como su temperatura, y eso convierte a este universo bebé en muy diferente al que hoy conocemos. Pero, y esto es clave, la temperatura del universo por encima del primer segundo después del Big Bang, y hasta el minuto tres de vida (contando de nuevo como nacimiento el Big Bang, pero hablar de nacimiento o creación puede no tener sentido), pasó de unos cien mil millones de grados a mil millones de grados (el último número, pocas decenas de veces por encima de la temperatura del núcleo del Sol). Este es un rango de temperaturas que hemos podido reproducir y estudiar en laboratorio, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés) se han alcanzado temperaturas del orden de 5 billones de grados, más de diez veces por encima de la temperatura del universo en el segundo uno (de hecho, con esas temperaturas podríamos llegar a la centésima de segundo después del Big Bang). Así que conocemos bastante bien qué pasa en esos primeros tres minutos.

Lo que dominaba la energía del universo en tiempos por debajo de 180 segundos eran, ¡ya!, partículas que hoy nos parecen normales: electrones, neutrinos, y fotones, y sus antipartículas, más protones y neutrones, cuyas antipartículas ya habían desaparecido del universo, al menos del nuestro (el observable, esto es otra historia). Antes de ese primer segundo no era así, había otras partículas más complicadas que aún no conocemos tan bien.

Nuestros conocimientos de física hoy, basados en trabajo de laboratorio, son suficientes para saber cómo se comportaban todas esas partículas que dominaban la energía del universo en expansión, cada vez más grande, frío y enrarecido (es decir, menos denso). De manera análoga a cómo una nube va enfriándose y se va formando agua, incluso hielo, el universo completo fue pasando por cambios de estado a medida que se iba enfriando. Pero la analogía no es perfecta, porque a la vez el cosmos se iba haciendo menos denso porque el espacio-tiempo se hacía más grande. El resultado es que inicialmente en ese tiempo un segundo después del Big Bang, todas las partículas que mencionamos antes interactuaban entre sí, con electrones chocando con positrones y creando fotones, o fotones chocando con otros fotones (que son su antipartícula) y dando lugar a neutrinos y antineutrinos, o estos chocando con protones y formando neutrones o al revés. Y cuando se llegó al minuto tres, todas esas interacciones desaparecieron.

El ritmo de expansión y enfriamiento del universo en esos tres minutos precipitó los acontecimientos. Primero los neutrinos dejaron de estar en equilibrio con las otras partículas normales, se aniquilaron entre sí salvo por una pequeña fracción y los que sobrevivieron pasaron a viajar libres. Hoy todavía es tremendamente difícil parar un neutrino haciéndolo interaccionar con un protón o un electrón, los cálculos indican que necesitas un año luz de plomo para conseguir una interacción (y el medio interestelar en un año luz alrededor de nosotros es cuatrillones de veces menos denso que el plomo). El viajar libres significa que dejaron de interaccionar con protones y neutrones, que pueden transformarse entre ellos en presencia de neutrinos (y antineutrinos) suficientemente energéticos. Pero eso ya dejó de pasar un par de segundos después del Big Bang y el número de protones y neutrones quedó congelado (prácticamente, hay otros efectos, pero esa es otra historia).

Poco tiempo después (poco tiempo para nosotros, pero estamos hablando de unos pocos segundos después del Big Bang, es decir, la edad del universo se estaba doblando cada nada) los positrones y electrones también dejan de estar en equilibrio, se autoaniquilaron, y solo sobrevivieron unos pocos que sobraron de los últimos (o de los primeros, y les hemos cambiado el nombre). A partir de ahí solo hay en el universo fotones, protones, neutrones, electrones y neutrinos. Toda la materia normal ya estaba en su sitio, y a partir de ahí su evolución empezó a tirar por su lado, que eventualmente terminaría en la creación de estrellas, y luego de planetas (¿o a la vez en el caso de planetas gaseosos?).

Entre medias, que no se me olvide decirlo, había otro tipo de materia que hacía mucho (es decir, mucho antes del primer segundo) que ya iba por su lado sin interaccionar con los fotones y las otras partículas, salvo por el efecto de la gravedad. Es la materia oscura, que ya había plantado la semilla de la formación de galaxias y que en el futuro dominaría la energía del universo, antes de que el dominio se lo arrebatase otra cosa (la última otra historia).

Y todo esto, no se olviden, ocurrió en tres minutos.

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 un 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, y Eva Villaver, subdirectora del Instituto de Astrofísica de Canarias.