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Cosmología es el estudio científico de las propiedades a gran escala del Universo como un todo. Aspira a usar el método científico para entender el origen, evolución y destino final de todo el Universo.

Como cualquier campo de la ciencia, la cosmología involucra la formación de teorías o de hipótesis acerca del universo que hacen predicciones específicas para fenómenos que pueden probarse mediante observaciones.

Dependiendo de los resultados de estas observaciones, las teorías tendrán que ser abandonadas, revisadas o ampliadas para acomodar los datos. La teoría que prevalece acerca del origen y la evolución de nuestro Universo es la denominada teoría del Big Bang.

Cosmología del Big Bang.

El modelo del Big Bang es una teoría ampliamente aceptada para el origen y evolución de nuestro universo. Postula que hace 12 a 14 mil millones de años, la porción del universo que vemos hoy en día era de solo unos milímetros de ancho. Desde entonces se ha expandido de ese denso estado candente en un más basto y mucho más frío cosmos donde nosotros habitamos.

Podemos ver remanentes de esta densa materia candente como la actual radiación de microondas de fondo cósmicas muy frías que aún difunde el universo y que es visible para los detectores de microondas como un brillo incandescente uniforme a través de todo el cielo.

Bases del Modelo del Big Bang

El modelo del Big Bang descansa sobre dos pilares teóricos:

La Relatividad General
La primera idea clave se remonta a 1916 cuando Einstein desarrolló su Teoría General de la Relatividad la cual propuso como una nueva teoría de la gravedad. Su teoría generaliza la teoría original de la gravedad de Isaac Newton del 1680, en la que se supone es válida para cuerpos en reposo o en un movimiento muy lento en comparación con la velocidad de la luz. Un concepto clave de la relatividad general es que la gravedad ya no se describe por un “campo” gravitatorio sino más bien se supone que es una distorsión del espacio y el tiempo mismos. El físico John Wheeler lo expresó muy bien cuando dijo: “La materia le dice al espacio como curvarse y el espacio le dice a la materia como moverse”. En un principio, la teoría podía tomar en consideración las peculiaridades en la órbita de Mercurio y el doblamiento de la luz por el Sol, pero esto no estaba explicado en la teoría de la gravedad de Newton. En años recientes, la teoría a pasado por una serie de pruebas rigurosas.


El Principio Cosmológico
Después de la introducción de la Relatividad General, un gran número de científicos, Einstein incluido, trataron de aplicar las nuevas dinámicas gravitatorias al universo como un todo. En su momento esto requería una suposición acerca de como estaba distribuida la materia en el universo. La suposición más simple es que si viéramos el contenido del universo con la suficiente mala visión, nos parecería casi lo mismo en todas las direcciones. O sea que la materia en el universo es homogénea e isotrópica al medirse en grandes escalas. A esto se le llama el principio cosmológico. Esta suposición está siendo probada continuamente mientras observamos al presente la distribución de galaxias aún a escalas mayores. La foto muestra cuan uniforme es la distribución de galaxias en un abanico de 30º en el cielo.

Adicionalmente la radiación de microondas cósmicas de fondo – el calor remanente del Big Bang – tiene una temperatura que es muy uniforme a través de todo el cielo. Este hecho apoya fuertemente la noción de que el gas que emitió está radiación hace mucho tiempo, fue distribuida uniformemente.

Estas dos ideas forman la base teórica completa para la cosmología del Big Bang y nos conducen a predicciones específicas de propiedades observables del universo.

Bases de la Cosmología del Big Bang

El modelo de cosmología del Big Bang descansa en dos ideas clave que datan de principios del siglo 20: La Relatividad General y el Principio Cosmológico. Asumiendo que la materia en el universo está distribuida uniformemente en las escalas mayores, podemos usar la Relatividad General para computar los efectos gravitatorios correspondientes de esa materia. Ya que la gravedad es la propiedad del espacio-tiempo en la Relatividad General, esto es equivalente a computar la dinámica del propio espacio-tiempo.

La historia se produce como sigue:
Dada la suposición que la materia en el universo es homogénea e isotrópica (El Principio Cosmológico), puede demostrarse que la correspondiente distorsión del espacio-tiempo (debida a los efectos gravitatorios de esta materia), solo puede tener una de tres formas, como se muestra esquemáticamente en la foto de la izquierda. Puede estar curvado “positivamente” como la superficie de una bola y ser finito en extensión; puede estar curvado “negativamente” como una silla de montar y ser infinito en extensión; o puede ser “plano” e infinito en extensión – nuestro concepto “común” del espacio. Una limitación clave de la foto mostrada aquí es que solo podemos representar la curvatura de un plano de dos dimensiones de lo ¡qué es realmente un espacio de 3 dimensiones! Noten ustedes de que en un universo cerrado podríamos comenzar un viaje hacia una dirección y eventualmente con el suficiente tiempo, regresaríamos a nuestro punto de partida; en un universo infinito, nunca regresaríamos.

Antes de que discutamos cual de estos tres planos describe a nuestro universo (si es que alguno), antes debemos poner algunas limitaciones:

· Como el universo tiene una edad limitada (~13 700 millones de años), solo podemos ver hasta una distancia finita: ~13 700 millones de años luz. Este es el denominado “horizonte” nuestro. El modelo del Big Bang no trata de describir esa región del espacio significativamente más lejana de nuestro propio horizonte – el espacio-tiempo podría ser bien diferente allí.

· Es muy posible que el universo tenga una topología global más complicada que la que aquí se muestra, a pesar de tener la misma curvatura local. Por ejemplo, podría tener la forma de un anillo rotatorio alrededor de un eje que no intersecte su círculo. Pueden existir algunas maneras de probar esta idea, pero la mayor parte de las siguientes discusiones no se ven afectadas.

La materia juega un papel primordial en cosmología. Sucede que la densidad promedio de la materia determina de manera singular la geometría del universo (hasta las limitaciones anotadas arriba) Si la densidad de la materia es menor que la denominada densidad crítica, el universo es abierto e infinito. Si la densidad es mayor que la densidad crítica, el universo es cerrado y finito. Si la densidad tan solo iguala a la densidad crítica, el universo es plano, pero aún presumiblemente infinito. El valor de la densidad crítica es muy pequeño: corresponde a grosso modo a 6 átomos de hidrógeno por metro cúbico, algo ¡sorprendentemente de gran vacío, según los estándares terrestres! Una de las preguntas científicas clave en cosmología hoy en día es: ¿Cuál es la densidad media de la materia en el universo? Aunque la respuesta aún no se conoce con seguridad, parece estar tentadoramente muy cercana a la densidad crítica.





Dada una ley de la gravedad y una suposición acerca de como esta distribuida la materia, el paso siguiente es dilucidar las dinámicas del universo – como se desenvuelven el espacio y la materia en él, con el tiempo. Los detalles dependen de más información acerca de la materia en el universo, conocer su densidad (masa por unidad de volumen) y su presión (la fuerza que ejerce por unidad de área), pero la imagen genérica que surge es que el universo comenzó a partir de un volumen muy pequeño, que aún después dobló el Big Bang, con una velocidad inicial de expansión. En gran parte, esta velocidad de expansión ha ido en descenso (desacelerando) desde entonces debido al tirón gravitatorio de la materia sobre sí misma.

Una pregunta clave para el destino del universo es si el tirón de la gravedad es o no lo suficientemente fuerte para al final reverter la expansión y ocasionar que vuelva a colapsarse sobre sí mismo. De hecho, observaciones recientes han ofrecido la posibilidad de que la expansión del universo pueda estar realmente acelerando, dando la posibilidad que la evolución del universo está ahora dominada por una forma bizarra de materia que tiene una presión negativa.

La foto de arriba nos muestra un número de posibles escenarios respecto del tamaño relativo del universo contra el tiempo: la curva inferior (verde) representa un universo plano de densidad crítica en el cual el grado de expansión está continuamente disminuyendo (las curvas se vuelven más horizontales) La curva del medio (azul) nos muestra un universo abierto de baja densidad cuya expansión también está disminuyendo, aunque no tanto como el universo de densidad crítica debido a que el tirón de la gravedad no es tan fuerte. La curva superior (roja) muestra un universo en el cual una gran parte de materia se encuentra en una forma denominada "energía oscura" la cual causa que la expansión se acelere. Existen evidencias crecientes de que nuestro universo sigue la curva roja.

Por favor eviten las siguientes ideas falsas acerca del Big Bang y la expansión:

· El Big Bang no ocurrió en un solo punto del espacio como una "explosión". Es mejor pensarlo como la aparición simultánea de espacio en todas partes del universo. Esa región del espacio que queda dentro de nuestro actual horizonte era, de hecho, no mayor que un punto en el pasado. Sin embargo, si todo el espacio tanto dentro como fuera de nuestro horizonte es ahora infinito, quiere decir que nació infinito. Si es cerrado y finito, entonces nació a partir de un volumen de cero y creció a partir de ahí. En ninguno de los dos casos existe un "centro de expansión" – un punto a partir del cual el universo se está expandiendo en alejamiento del mismo. En la analogía de la bola, el radio de la bola crece a medida que el universo se expande, pero todos los puntos sobre la superficie de la bola (el universo) retroceden con respecto al otro de una manera idéntica. El interior de la bola no debería ser considerado como parte del universo en esta analogía.

· Por definición el universo rodea todo el espacio y tiempo tal y como lo conocemos, de modo que está más allá del alcance del campo del Big Bang postular en qué se está expandiendo el universo. Ya sea en el universo abierto, o el cerrado, el único “margen” del espacio-tiempo tiene lugar en el Big Bang (y quizá en su contraparte el Gran Encogimiento), de modo que es lógicamente necesario (o sensitivo) considerar esta pregunta.

· Va más allá del alcance del modelo del Big Bang decir que es lo que dio lugar al Big Bang. Existen una serie de teorías especulativas respecto de este tópico, pero ninguna de ellas realiza aún predicciones comprobables realistas.


Llegados a este punto, la única suposición que hemos hecho respecto del universo es que la materia se encuentra distribuida homogénea e isotrópicamente en grandes escalas. Hay un número de parámetros libres en esta familia de modelos del Big Bang que debe ser fijado mediante observaciones de nuestro universo. Los más importantes son: La geometría del universo (abierto, aplanado, cerrado), el grado de expansión actual (la constante de Hubble), el curso total de la expansión, pasada y futura, la cual se determina por la densidad fraccional de los diferentes tipos de materia en el universo. Nótese que la edad actual del universo proviene de la expansión histórica y de la velocidad actual de expansión.

Como apuntamos arriba, la geometría y la evolución del universo están determinadas por la contribución fraccional de varios tipos de materia. Ya que tanto la densidad de energía y la presión contribuyen a fortalecer la gravedad en la Relatividad General, los cosmólogos clasifican los tipos de materia por su "ecuación de estado", la relación entre su presión y la densidad de energía. El esquema básico de clasificación es:

Radiación: Compuesta por partículas sin masa o casi sin masa, que se mueven a la velocidad de la luz. Los ejemplos conocidos incluyen fotones (luz) y neutrinos. Esta forma de material se caracteriza por tener una gran presión positiva.

Materia bariónica: Esta es la materia ordinaria compuesta principalmente de protones, neutrones y electrones. Esta forma de materia esencialmente no tiene presión de importancia cosmológica.

Materia oscura: Esto generalmente hace referencia a materia "exótica", no bariónica que interactúa solo débilmente con la materia ordinaria. Mientras que semejante tipo de materia no ha sido vista jamás en forma directa en el laboratorio, su existencia se ha sospechado por razones que se discuten en otras secciones. Esta forma de materia tampoco representa una presión cosmológica.

Energía oscura: Esta es la verdadera forma bizarra de materia, o quizá una propiedad del vacío mismo, que se caracteriza por una gran presión negativa. Es la única forma de materia que puede ocasionar la expansión del universo o acelerarlo en su expansión. Esto puede ser el tema de otra exposición.

Uno de los retos principales en la cosmología de hoy en día es determinar las densidades relativas y totales (energía por unidad de volumen) en cada una de estas formas de materia, ya que esto es esencial para el entendimiento de la evolución y del destino final de nuestro universo.

Artículo de - Gary Hinshaw -
Aportación de Liberto