24 oct. 2011

Desde el Big Bang, el comienzo del universo, hasta la creación de los elementos químicos

En esta breve síntesis se detallan los principales acontecimientos que se sucedieron desde la creación del universo hasta la estabilización del cosmos con la formación de estrellas y galaxias.

En el momento del comienzo del Universo o Big-Bang, el Cosmos poseía un tamaño infinitamente pequeño (más bien cero dimensional) y su densidad tenía un valor también tendiendo a infinito, con toda la masa-energía que posee actualmente concentrada en ese punto infinitesimal. Este cosmos naciente crecía rápidamente y a su vez se enfriaba. En esos momentos del comienzo, las únicas partículas que existían eran intercambiables, según las teorías que presuponen la supersimetría; es decir, no había distinción entre partículas portadoras de fuerza, agrupadas bajo el término de bosones, o portadoras de materia, llamadas fermiones. Era un mundo de simplicidad total debido a que sólo se encontraba un tipo de partícula que constituía tanto la materia como la fuerza. Pero dado que el Universo se expandía enfriándose, hubo un momento en que las partículas dejaron de ser intercambiables. Este momento es previo al llamado tiempo de Planck, donde el Universo tenía menos de 10 elevado a la -43 segundos de edad.


En algún instante antes del tiempo de Planck, el Universo quedó con dos tipos de partículas, bosones y fermiones que nunca más volvieron a ser intercambiables. Los bosones estaban representados por la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, es decir, una fuerza llamada gravitatoria-fuerte-electro-débil. Y los fermiones por la unificación de quarks y leptones (familia a la que pertenecen las partículas ligeras como electrones o neutrinos) llamadas lepto-quarks.
Llegado el tiempo de Planck -10E(-43) segundos- la fuerza fundamental llamada gravedad se separa de la fuerte-electrodébil. El Cosmos en esos momentos se hace un poco más complejo, puesto que posee un tipo de fermión y dos tipos de bosones.

Dos tipos de partículas elementales

A los 10 elevado a la -35 segundos, las fuerzas fuerte y electrodébil se separan dejando al Universo con tres interacciones fundamentales, y dos tipos de partículas elementales portadoras de materia puesto que los leptones y los quarks dejan de ser intercambiables. Finalmente, a los 10 elevado a la -10 segundos ocurre la última congelación, (análogamente con los cuerpos que pasan de un estado de alta energía a uno de más baja energía): la fuerza electromagnética se separa de la fuerza débil. Y el Universo queda con sus cuatro fuerzas fundamentales, en orden de intensidad creciente: gravitatoria, nuclear débil, electromagnética y nuclear fuerte.

Aparecen protones y neutrones
Transcurridos 10 microsegundos del Big-Bang, la energía decrece lo suficiente como para permitir que los quarks se unan de tres en tres y de dos en dos (color y anticolor) para formar protones y neutrones y, se cree, gran cantidad de partículas efímeras muy masivas. A los tres minutos, se forman los primeros núcleos atómicos uniéndose, mediante la fuerza fuerte igual que los quarks, protones y neutrones entre sí. Sólo se forman núcleos ligeros: hidrógeno, helio y hasta litio. El resto de los elementos de la tabla periódica se forjarán más tarde en el interior de los hornos estelares y en las explosiones de supernovas.

Pasado lo anterior, el Universo permaneció sin cambios significativos hasta transcurridos unos 500.000 años después del Big-Bang, momento en el cual el Cosmos se hace transparente, como lo conocemos hoy, y da nacimiento a los primeros átomos por la unión de protones y electrones mediante la fuerza electromagnética. Es decir, antes de los átomos, la radiación que llenaba el Universo se encontraba en longitudes de onda muy cortas, invisibles para el ojo humano. Los electrones que intentaban unirse a los núcleos eran instantáneamente separados por esta radiación, por lo que todo el Cosmos era negro, sin ninguna luz. Le era totalmente imposible a los fotones viajar en línea recta dado que colisionaban constantemente con alguna partícula. Cuando esa radiación llegó a longitudes de onda menores, su menor energía ya no le permitió arrancar los electrones que intentaban unirse a los núcleos atómicos. Entonces pudieron crearse los primeros átomos.

Primeras estrellas

Por acción de la fuerza gravitatoria, enormes aglomeraciones de hidrógeno molecular se concentraron y dieron nacimiento a una primera generación de estrellas, que por su gran temperatura y su enorme cantidad de materia, agotaron muy pronto sus reservas de combustible nuclear y explotaron en forma de supernovas; originando una segunda oleada de nacimientos estelares que surgieron gracias a las enormes presiones de los gases comprimidos por las ondas de choque de las supernovas. Esta segunda generación de estrellas, corrió la misma suerte y al explotar también en forma de supernova, aportaron la materia prima para una tercera generación de estrellas más pequeñas y ricas en elementos pesados que se forjaron en aquellas estrellas de primera y segunda generación. En esta camada de estrellas nació nuestro Sol hace aproximadamente 10 mil millones de años. El escenario estaba preparado para el gran acontecimiento universal. Los primeros planetas (entre ellos la Tierra) se originaron en los discos de acreción de estos soles, en los restos que las estrellas no utilizaron para sí. Estos restos poseían gran abundancia de elementos que más tarde originaron, concretamente en la Tierra (único planeta conocido con vida), moléculas tan complejas que tuvieron la capacidad de autorreproducirse, de mutar y de crecer a partir de otras moléculas. La vida había comenzado.

Microorganismos
Paulatinamente estas moléculas crearon una capa externa para defenderse de otras, y se agrandaron. Estas primeras células llenaron los enormes océanos de la tierra primitiva. Luego se asociaron, crearon microorganismos de millones de éstas células que actuaban juntos para seguir la imparable evolución. Habían transcurrido unos 11 mil millones de años del Big-Bang.
El tiempo transcurrió, los microorganismos crecieron más y más, formaron animales y plantas. Al principio los animales sólo eran peces, pero luego se animaron a salir a la tierra; en ese momento se originó la explosión geométrica de las especies. Nacieron animales de todo tipo: pequeños y grandes, peces y anfibios, reptiles y mamíferos, luego aves. Y, hace sólo un momento, surgió un homínido que se animó a bajar de los árboles y colonizar las tierras llanas: inventó herramientas de piedra, conoció el fuego, los metales, inventó la escritura, la música, creó maquinarias, navegó por todos los mares, se aventuró al espacio cercano a su planeta y, algún día, colonizará otros mundos en torno a otras estrellas y conocerá el secreto del Universo.
Ciertamente, el Big-Bang fue un acontecimiento extraordinario, teniendo en cuenta que toda la energía disponible que creó todo lo anterior es sólo un préstamo universal que en un futuro efectivamente devolveremos todos, desde las estrellas, planetas, animales y humanos hasta los átomos y partículas más elementales.
Este es un brevísimo resumen de lo que se supone que ocurrió. No me atrevería a calcular (si fuese simple) el margen de error; pues creo que sería bastante importante.

Mariano Miguel

2 comentarios:

Monique :) dijo...

me costó un poco de trabajo entender la parte de los bosones y los fermiones, pero me queda claro que todo esto es mágico!! se valora la vida, caray!

Mariano Miguel dijo...

Gracias por tu comentario, Monique, ¡Saludos!