El Big Bang y las primeras estructuras: cómo se construyó el relato del universo temprano

El modelo del Big Bang no narra una explosión: afirma que el universo atravesó estados cada vez más densos y calientes y que ese pasado es medible con instrumentos.

I. Qué afirma exactamente el modelo

El modelo del Big Bang no narra una explosión: afirma que el universo atravesó estados cada vez más densos y calientes y que ese pasado es medible con instrumentos. Expandirse el espacio no significa que la materia vuele hacia un sitio libre: las distancias entre cúmulos crecen porque cambia la métrica que las define.

La expansión no tiene centro en el espacio: desde cualquier galaxia todas las demás se alejan, igual que en la superficie de un globo que se infla ningún punto es céntrico. La analogía del globo falla en dos puntos que conviene decir en voz alta: el globo se expande dentro de un aire que ya existía y tiene un centro fuera de la superficie, cosas que el universo no tiene. El principio cosmológico es una hipótesis, no una observación: supone que a grandes escalas el universo tiene la misma apariencia en todas direcciones.

Georges Lemaître publicó en 1927 la relación entre distancia y velocidad a partir de la relatividad general; Hubble aportó en 1929 la evidencia observacional con cefeidas. La ley de Hubble-Lemaître describe el universo promedio a escalas de cientos de megapársec: no sirve para galaxias cercanas que la gravedad local ya ligó.

La constante de Hubble mide cuánto se estira el espacio hoy y se expresa en kilómetros por segundo por megapársec; su valor exacto es hoy el problema abierto más famoso de la cosmología. El corrimiento al rojo cosmológico no es un efecto Doppler ordinario: la onda se estira porque el espacio se estira mientras la luz viaja. La cosmología moderna es una ciencia de parámetros: se ajusta un modelo a distribuciones completas de datos y se reporta la incertidumbre, nunca una cifra suelta.

Vesto Slipher midió desde 1912 los corrimientos de las nebulosas espirales, pero no los interpretó como señal de un espacio en expansión. El marco teórico viene de 1915: las ecuaciones de Friedmann y Lemaître son soluciones de la relatividad general para un universo homogéneo e isótropo.

II. Las cuatro pruebas y el instrumento que las produjo

El modelo se apoya en cuatro evidencias independientes: la expansión, el fondo de microondas, las abundancias de elementos ligeros y la evolución de las galaxias lejanas.

II.1 El fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas es radiación de cuerpo negro a 2,725 kelvin que llega de todas direcciones con desviaciones típicas de una parte en cien mil. Arno Penzias y Robert Wilson detectaron en 1965 en la antena de Holmdel un ruido constante de tres kelvin que no lograban atribuir a ninguna fuente conocida.

Ese resfrío fósil estaba predicho desde 1948 por Ralph Alpher y Robert Herman; el premio Nobel de 1978 premió solo el hallazgo y no la predicción, un agravio que la historiografía corrigió tarde. COBE, lanzado en 1989, midió el espectro con tanta precisión que cerró la pregunta de si el fondo era térmico, y en 1992 anunció las anisotropías.

WMAP en 2003 y Planck entre 2009 y 2013 refinaron el mapa: con esos datos se fijan la edad, la geometría y el contenido del universo con márgenes de décimas. Las anisotropías del fondo son las semillas de toda estructura posterior: sin esas décimas de kelvin la gravedad no habría tenido de dónde empezar a condensar.

El patrón angular de las manchas revela oscilaciones acústicas del plasma primitivo y su primer pico indica que el espacio es plano dentro del error de medida. El fondo es un muro observacional: antes de la recombinación el plasma era opaco a la luz, de modo que ninguna fotografía electromagnética puede mostrar un antes.

II.2 Los elementos ligeros

Entre el segundo y el vigésimo minuto se formaron los núcleos ligeros: casi todo quedó en hidrógeno, una cuarta parte en helio y cantidades ínfimas de deuterio y litio. La nucleosíntesis primordial se cortó pronto porque la expansión enfriaba el plasma: no hubo tiempo de construir núcleos pesados, y por eso el hierro tuvo que esperar a las estrellas.

El deuterio funciona como termómetro del Big Bang: se destruye con facilidad, así que su abundancia actual delata cuán denso fue el plasma de los primeros minutos. La cantidad observada de litio 7 resulta tres veces menor que la predicha: es la discrepancia del litio y sigue sin resolución satisfactoria.

II.3 La evolución de las galaxias

Si el modelo es correcto, mirar lejos es mirar temprano: los campos profundos muestran galaxias pequeñas, irregulares y formando estrellas a un ritmo desconocido hoy. El telescopio James Webb, operativo desde 2022, encontró galaxias sorprendentemente maduras a corrimientos al rojo muy altos, más pronto de lo que el modelo estándar esperaba.

Esas galaxias tempranas no refutan el modelo: obligan a revisar con qué eficiencia forman estrellas los halos pequeños, que es justamente la parte menos entendida del guion.

Hasta el tiempo de Planck, diez elevado a menos cuarenta y tres segundos, no existe teoría que describa el estado: hablar de un antes es hablar sin instrumento. La inflación propone un estirón exponencial entre diez elevado a menos treinta y seis y menos treinta y dos segundos que explica a la vez la planitud y la uniformidad del cielo.

El problema del horizonte es este: regiones separadas nueve grados en el mapa del fondo no pudieron intercambiar señal en 380 000 años y sin embargo tienen la misma temperatura. El problema de la planitud es que la densidad crítica es un punto inestable: cualquier desvío temprano debía amplificarse, y el universo observable llega casi exactamente plano.

Alan Guth formuló la inflación en 1980 como salida a esos dos problemas y Andrei Linde la refinó después con versiones caóticas y eternas. La inflación carece de confirmación directa: sus huellas candidatas están en la polarización del fondo y en un fondo de ondas gravitacionales que aún no se ha detectado.

Alrededor de la millonésima de segundo los quarks se confinan en protones y neutrones; antes de ese instante la materia tal como la conocemos simplemente no existe. A los 380 000 años el universo bajó de unos tres mil kelvin, los electrones se unieron a los núcleos y la luz dejó de dispersarse: desde entonces viaja libre hasta nuestras antenas.

Entre la recombinación y las primeras estrellas media una época de edades oscuras: gas neutro, sin fuentes luminosas, con la gravedad montando halos de materia oscura. Las estrellas de población III eran masivas, libres de metales y de vida brevísima; ninguna se ha observado y se las busca por su firma en el infrarrojo profundo.

En los primeros cientos de millones de años la radiación de esas estrellas volvió a ionizar el hidrógeno del medio intergaláctico: es la época de reionización, detectable en la línea de 21 centímetros. Hacia los mil millones de años ya existían galaxias pequeñas e irregulares en abundancia, y el campo profundo de Hubble las muestra en cada uno de sus puntos tenues.

El fondo es un muro observacional: antes de la recombinación el plasma era opaco a la luz, de modo que ninguna fotografía electromagnética puede mostrar un antes.

IV. Lo que no vemos: materia oscura, energía oscura y el modelo mínimo

La evidencia de materia oscura es gravitacional y no lumínica: curvas de rotación planas, velocidades en cúmulos, lentes gravitacionales y el propio patrón del fondo. Fritz Zwicky inferió masa faltante en el cúmulo de Coma en 1933 y Vera Rubin documentó en los años setenta curvas de rotación planas en galaxias espirales.

En 1998 dos equipos que medían supernovas tipo Ia encontraron que la expansión se acelera: la lectura estándar es un término cosmológico que no se diluye con el volumen. El presupuesto actual reparte el universo en 68,3 por ciento de energía oscura, 26,8 por ciento de materia oscura y 4,9 por ciento de materia ordinaria.

El modelo Lambda-CDM resume la cosmología vigente con media docena de parámetros: densidades de materia y energía, amplitud e índice espectral de las fluctuaciones, edad y geometría. Se llama época de concordancia al periodo posterior a los noventa en que mediciones antes inconexas empezaron a devolver el mismo juego de parámetros.

IV.1 Las tensiones abiertas

La tensión más seria hoy es la constante de Hubble: el universo temprano deduce 67 y las cefeidas locales miden 73, con márgenes que no se solapan. Leída con cuidado, la tensión de Hubble no es una pelea de decimales: es la señal de que algo del modelo mínimo está mal, o de que la calibración local tiene un sesgo no detectado.

La segunda tensión concierne a cuánto se agrupa la materia: los cúmulos medidos con lentes gravitacionales muestran menos agrupamiento del que predice el fondo. Que un modelo acumule tensiones no es un fracaso: un modelo sin tensiones sería sospechoso, porque querría decir que nadie ha logrado ponerlo a prueba.

El estado estacionario de Bondi, Gold y Hoyle en 1948 aceptaba la expansión pero postulaba creación continua de materia: salvaba la inmutabilidad del universo a costa de una física ad hoc. El estado estacionario cayó por dos observaciones: los conteos de fuentes de radio en los años sesenta y, sobre todo, el fondo de microondas de 1965, que su modelo no sabía explicar.

El nombre Big Bang fue un apodo despectivo: lo pronunció Fred Hoyle en una emisión de radio de 1949 para ridiculizar la idea de un comienzo. Hoyle defendió el estado estacionario durante toda su carrera y, aun así, dio a su rival el nombre con el que la idea terminó siendo conocida por todo el mundo.

VI. La herencia material: por qué un historiador necesita esto

Para el historiador la consecuencia es material: el hidrógeno de una molécula de agua se hizo en los primeros minutos y el hierro de un clavo, en el interior de una estrella muerta. Situar la escritura humana en los últimos segundos del calendario cósmico no la ridiculiza: le da la perspectiva necesaria para preguntar por qué aparece tan tarde y en tantos sitios a la vez.

VII. Trampas conceptuales del tema

Primer error habitual: imaginar una explosión que lanza materia a un espacio vacío, cuando lo que se expande es el propio espacio. Segundo error: buscar el centro del universo en algún punto del cielo, cuando la expansión no tiene centro dentro del espacio.

La singularidad inicial no es un hecho medido sino el borde del camino: marca hasta dónde llegan las ecuaciones actuales, no lo que efectivamente ocurrió. Tercer error: tratar la edad cero como un dato observado, cuando es un límite del modelo más allá del cual no hay física conocida. Cuarto error: decir que el Big Bang es solo una teoría como si teoría y evidencia fueran opuestos; aquí la teoría es precisamente lo que unifica cuatro evidencias distintas.