La teoría del Big Bang y el origen del Universo

El Big Bang, literalmente gran estallido, constituye el momento en que de la "nada" emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo.

La materia, en el Big Bang, era un punto de densidad infinita que, en un momento dado, "explota" generando su expansión en todas las direcciones y creando lo que conocemos como nuestro Universo.

Inmediatamente después del momento de la "explosión", cada partícula de materia comenzó a alejarse muy rápidamente una de otra, de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio expandiendo su superficie.

Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang. La materia lanzada en todas las direcciones por la explosión primordial está constituida exclusivamente por partículas elementales: Electrones, Positrones, Mesones,

Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta más de 89 partículas conocidas hoy en día.

En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gamow modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión o Big Bang, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.

Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. Sin embargo, la teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.

Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radio astrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang.

Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).

Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad

mucho mayor, que se aproxima al límite crítico que indicaría que el Universo está cerrado.

La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.

Muchos de los trabajos habituales en cosmología teórica se centran en desarrollar una mejor comprensión de los procesos que deben haber dado lugar al Big Bang. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales. Estas teorías también han conducido a especulaciones tan osadas como la posibilidad de una infinidad de universos producidos de acuerdo con el modelo inflacionario.

Sin embargo, la mayoría de los cosmólogos se preocupa más de localizar el paradero de la materia oscura, mientras que

una minoría, encabezada por el sueco Hannes Alfvén, premio Nobel de Física, mantienen la idea de que no sólo la gravedad sino también los fenómenos del plasma, tienen la clave para comprender la estructura y la evolución del Universo.

¿Pudo generarse la vida en el espacio exterior? La teoría de la panspermia plantea el origen cósmico de la vida. Es posible que la vida se originara en algún lugar del universo y llegase a la Tierra en restos de cometas y meteoritos. Recupera una vieja idea de Anaxágoras, enunciada en la antigua Grecia del s. VI a.C.

El máximo defensor de la panspermia, el sueco Svante Arrhenius, cree que una especie de esporas o bacterias viajan por el espacio y pueden "sembrar" vida si encuentran las condiciones adecuadas. Viajan en fragmentos rocosos y en el polvo estelar, impulsadas por la radiación de las estrellas.

Hace 4.500 millones de años, la Tierra primitiva era bombardeada por restos planetarios del joven Sistema Solar, meteoritos, cometas y asteroides. La lluvia cósmica duró millones de años. Los cometas, meteoritos y el polvo estelar

contienen materia orgánica. Las moléculas orgánicas son comunes en las zonas del Sistema Solar exterior, que es de donde provienen los cometas. También en las zonas interestelares. Se formaron al mismo tiempo que el Sistema Solar, y aún hoy viajan por el espacio.

Pero, ¿resistirían unas bacterias las condiciones extremas de un viaje interplanetario? Condiciones extremas de temperatura, radiación cósmica, aceleración, y sobrevivir el tiempo suficiente para llegar a otro planeta. Por no hablar de la entrada en la atmósfera. Los expertos creen que sí.

La vida bacteriana es la más resistente que se conoce. Se han reanimado bacterias que estuvieron bajo el hielo ártico durante decenas de miles de años. Bacterias llevadas a la Luna en 1967 por la Surveyor 3 se reanimaron al traerlas de vuelta tres años más tarde. Y si un meteorito fuera lo suficientemente grande, la elevada temperatura que alcanza al entrar en la atmósfera no afectaría a su núcleo.

La teoría de la panspermia cobró fuerza hace unos años cuando, al analizar el meteorito marciano ALH 84001,

aparecieron bacterias fosilizadas de hace millones de años. Aunque no podemos saber con certeza si ya estaban allí cuando impactó contra la Tierra. También en el meteorito Murchison se hallaron muestras de las moléculas precursoras del ADN.

La panspermia tiene dos versiones. Para la panspermia dirigida, la vida se propaga por el universo mediante bacterias muy resistentes que viajan a bordo de cometas. La panspermia molecular cree que lo que viaja por el espacio no son bacterias sino moléculas orgánicas complejas. Al aterrizar en la Tierra se combinaron con el caldo primordial de aminoácidos e iniciaron las reacciones químicas que dieron lugar a la vida. La hipótesis de la panspermia es posible, aunque no necesaria para explicar el origen de la vida sobre la Tierra.

Si la panspermia es correcta, en estos momentos las semillas de la vida continuarían viajando por el espacio y la vida podría estar sembrándose en algún otro lugar del Cosmos.

La teoría glaciar y el período glacial cuaternario

En las páginas precedentes mencionamos el período glacial, una época en la que los glaciares de casquete y los glaciares alpinos eran mucho más extensos que en la actualidad. Como se observó, hubo un tiempo en el que la explicación

más popular para lo que ahora conocemos como depósitos glaciares era que el material había sido arrastrado allí por medio de icebergs o, quizá, simplemente arrastrado a través del paisaje por una inundación catastrófica. ¿Qué convenció a los geólogos de que un período glacial generalizado fue el responsable de esos depósitos y muchas otras estructuras glaciares?

En 1821, un ingeniero suizo, Ignaz Venetz, presentó un artículo en el que sugería la presencia de rasgos de paisaje glaciar a distancias considerables de los glaciares existentes en los Alpes. Esto implicaba que los glaciares habían sido alguna vez mayores y ocupado posiciones más distantes valle abajo. Otro científico suizo, Louis Agassiz, dudó de la actividad glaciar generalizada Propuesta por Venetz. Se propuso demostrar que la idea no era válida. Irónicamente, su trabajo de campo de 183ó en los Alpes le convenció de los méritos de la hiPótesis de su colega. De hecho, un año más tarde Agassiz planteó la hipótesis de un gran período glacial que había tenido efectos generales y de largo alcance: una idea que iba a proporcionar a Agassiz fama mundial.

La prueba de la teoría glaciar propuesta por Agassiz y otros constituye un ejemplo clásico de la aplicación del principio del uniformismo. Al darse cuenta de que ciertas estructuras no pueden formarse por procesos conocidos distintos de la acción glaciar, los investigadores fueron capaces de empezar a reconstruir la extensión de los glaciares de casquete ahora desaparecidos en función de la presencia de rasgos y depósitos encontrados bastante más allá de los márgenes de los glaciares actuales. De esta manera, el desarrollo y la verificación de la teoría glaciar continuó durante el siglo XIX, a través de los esfuerzos de muchos científicos, se aclaró el conocirniento sobre la naturaleza y la extensión de los antiguos glaciares de casquete.

Al comenzar el siglo XX, los geólogos habían determinado en gran medida la extensión que había alcanzado la glaciación durante el período glacial cuaternario. Además, durante sus investigaciones habían descubierto que muchas regiones glaciares no tenían solamente una capa de derrubios glaciares, sino varias. Por otro lado, un examen de cerca de esos antiguos depósitos demostró zonas bien desarrolladas de meteorización química y formaciones de suelo, así como los restos de plantas que precisan temperaturas cálidas. Las pruebas eran claras: no había habido sólo un avance glaciar sino muchos, separados cada uno por períodos extensos cuyos climas habían sido tan cálidos o más que el actual. El período glacial no había sido simplemente una época en la que el hielo avanzó sobre la Tierra, la cubrió durante ula época y luego retrocedió. Más bien fue un acontecimiento muy complejo, caracterizado por una serie de avances y retrocesos del hielo glaciar.

 

A principios del siglo XX se había establecido una división cuádruple del período glacial cuaternario para Norteamérica y Europa. Las divisiones se basaron sobre todo en estudios de los depósitos glaciares. En América del Norte, cada una de las cuatro etapas principales fue nombrado con el estado donde los depósitos de esa etapa estaban bien expuestos o fueron estudiados por primera vez.

Se trata, en orden de aparición, del Nebrasquiense, Kansaaiense, Illinoiense y Wisconsiense. Estas divisiones tradicionales permanecieron hasta hace relativamente poco, cuando se supo que testigos de sondeos de sedimentos procedentes del suelo oceánico contienen un registro mucho más completo del cambio climático ocurriáo durante el período glacial cuaternario*. A diferencia del registro glaciar

de la Tierra, que está interrumpido por muchas discontinuidades estratigráficas, los sedimentos del suelo

oceánico proporcionan un regisúo iniriterrumpido de los ciclos climáticos durante este período. Los estudios de esos sedimentos del fondo oceánico demostraron que se habían producido ciclos glaciares-interglaciares aproximadamente cada 100.000 años. Se identificaron alrededor de veinte de esos ciclos de enfriamiento y calentamiento para el intervalo que denominamos período glacial cuaternario.

Durante la época glaciar, el hielo dejó su impronta sobre casi el 30 por ciento del área de superficie de la Tierra, abarcando unos l0 millones de kilómetros cuadrados de América del Norte, 5 millones de kilómetros cuadrados de Europa y 4 millones de kilómetros cuadrados de Siberia (Figura GLACIA-17). La cantidad de hielo glaciar del hemisferio norte era alrededor del doble que la del hemisferio sur. La razón fundamental es que el hielo polar meridional no pudo expandirse más allá de los márgenes de la Antártida. Por el contrario, Norteamérica y Eurasia proporcionaron grandes espacios de tierra para la expansión de los glaciares de casquete.

 

En la actualidad, sabemos que el período glacial empezó hace entre 2 y 3 millones de años. Esto significa que la mayoría de las principales etapas glaciares se produjo durante una división de la escala de tiempo geológico denominada Pleistoceno. Aunque el pleistoceno se utiliza normalmente como sinónimo de período glacial, observaremos que esta época no abarca todo el último período glacial. El glaciar de casquete de la Antártida, por ejemplo, se formó probablemente hace al menos 14 millones de años y, de hecho, podría ser mucho más antiguo.