19.3 Cosmología: Big Bang, materia y energía oscuras

Introducción a la cosmología moderna

La cosmología es la rama de la ciencia que estudia la estructura, el origen y la evolución del universo en su conjunto. A lo largo del siglo XX, la investigación cosmológica dio un giro radical con la consolidación de la teoría del Big Bang y, más recientemente, con el descubrimiento de fenómenos como la materia y la energía oscuras. Este punto aborda los hitos históricos más importantes, las evidencias observacionales y los desafíos actuales relacionados con la composición global del cosmos.

1. La teoría del Big Bang

La formulación del modelo del Big Bang se apoyó en los trabajos teóricos de Alexander Friedmann (1922) y Georges Lemaître (1927), quienes predijeron de manera independiente un universo en expansión a partir de las ecuaciones de la relatividad general de Einstein (1915). En 1929, Edwin Hubble confirmó esa expansión al medir el corrimiento al rojo de galaxias, estableciendo una relación lineal entre la velocidad de alejamiento y la distancia (ley de Hubble).

1.1 Primeros cálculos de nucleosíntesis

En 1948, George Gamow, Ralph Alpher y Robert Herman desarrollaron el cálculo de la nucleosíntesis primordial, prediciendo la abundancia de elementos ligeros como hidrógeno, helio y trazas de litio. Sus trabajos anticiparon la existencia de una radiación de fondo, vinculando la temperatura inicial del universo a unos 10⁹ K.

2. Evidencias observacionales del Big Bang

• Radiación de fondo de microondas (CMB): descubierta en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson en el Observatorio Bell (temperatura aproximada de 2,725 K). Representa el eco térmico del universo a unos 380 000 años tras el Big Bang.
• Abundancia de elementos ligeros: las observaciones de helio-4 (aprox. 24 % en masa) y deuterio confirman los cálculos de nucleosíntesis primordial.
• Corrimiento al rojo de las galaxias: estudios sucesivos en las décadas de 1930 y 1940 afianzaron la expansión cósmica, que hoy alcanzan velocidades de millones de km/s en galaxias lejanas.
• Formación de estructuras: simulaciones modernas y observaciones de grandes escalas (encuestas SDSS, 2dFGRS) coinciden con un universo dominado por un componente no bariónico.

3. Materia oscura

La idea de materia oscura surge cuando Fritz Zwicky, en 1933, analiza el cúmulo de Coma y encuentra que la masa luminosa no basta para explicar la velocidad de las galaxias miembro. En los años 1970, Vera Rubin y Kent Ford midieron curvas de rotación en galaxias espirales que mantenían velocidades constantes a grandes radios, añadiendo evidencia de un halo invisible de materia.

• Detección por lentes gravitacionales: en 1979, se observa el cuásar QSO 0957 561 con doble imagen, indicativo de un puente de materia oscura.
• Anisotropías en la CMB: misiones COBE (1989–1993), WMAP (2001–2010) y Planck (2009–2013) determinan que la materia total representa el ~31 % de la densidad crítica, de la cual solo 5 % es materia bariónica.
• Formación de cúmulos y simulaciones N-body: entre 1990 y 2000, proyectos como Millennium Simulation reproducen la distribución de galaxias mediante materia oscura fría (CDM).

Las posibles partículas candidatas incluyen WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), axiones y MACHOs. Experimentos como LUX-ZEPLIN (operativo desde 2020) y ADMX (desde 1995) buscan señales de interacción directa o resonancias de estas partículas.

4. Energía oscura

En 1998, dos equipos independientes (Supernova Cosmology Project y High-Z Supernova Search Team) estudiaron supernovas tipo Ia y descubrieron que la expansión cósmica se acelera, lo cual requería un componente de densidad negativa o presión repulsiva. Este fenómeno fue atribuido a la energía oscura. En 2011, Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess recibieron el Premio Nobel de Física por este hallazgo.

• Modelo de constante cosmológica (Λ): propuesto por Einstein en 1917, recuperado en el siglo XX para explicar la aceleración. Representa aproximadamente el 68 % de la densidad energética del universo.
• Oscilaciones acústicas de bariones (BAO): mediciones en encuestas SDSS y BOSS (2009–2014) confirman parámetros cosmológicos con ΛCDM como el modelo estándar.
• Experimentos espaciales: Euclid (lanzamiento en 2023) y Roman Space Telescope (previsto 2025) buscarán mapas 3D de galaxias y supernovas para refinar la ecuación de estado de la energía oscura (parametrizada por w).

Alternativas al Λ incluyen teorías de campo dinámico (quintessence), modificaciones de la gravedad (f(R), teorías de branas) y asociaciones con la energía del vacío en mecánica cuántica.

5. Cronología de eventos clave

6. Impacto y ejemplos prácticos

El conocimiento detallado del Big Bang y de los componentes oscuros ha redefinido la astronomía y la física de partículas:

• La construcción de detectores subterráneos y bajo hielo (IceCube en la Antártida, inaugurado en 2010) busca neutrinos de alta energía y posibles señales de materia oscura.
• El uso de supercomputadoras para simulaciones cósmicas (GERENUK, Millennium, Illustris) ha permitido reproducir la red cósmica y las galaxías tal como las observamos hoy.
• Colaboraciones internacionales (CERN, DESI, LSST) investigan la física de partículas más allá del Modelo Estándar en busca de candidatos a materia oscura.

7. Desafíos actuales y perspectivas futuras

Aunque el modelo ΛCDM (constante cosmológica más materia oscura fría) describe con éxito la mayoría de las observaciones, persisten interrogantes:

• Naturaleza de la materia oscura: tras más de ocho décadas de búsquedas, no se ha detectado de manera concluyente ninguna partícula candidata.
• Origen de la energía oscura: ¿corresponde a la energía del vacío cuántico o a un campo dinámico? ¿Es constante o varía en el tiempo?
• Tensiones observacionales: diferencias en la constante de Hubble medidas localmente (H₀ ≈ 73 km/s/Mpc) y por CMB (H₀ ≈ 67 km/s/Mpc) sugieren física nueva.
• Unificación con gravedad cuántica: teorías de cuerdas, gravedad cuántica de bucles y otras aproximaciones intentan reconciliar relatividad general y mecánica cuántica.

Conclusión

La cosmología contemporánea combina observaciones precisas y desarrollos teóricos para descifrar la historia del universo desde el Big Bang hasta la actualidad. La confirmación de fenómenos como la radiación de fondo y la aceleración cósmica han llevado a paradigmáticas revisiones del contenido del cosmos: solo el ~5 % de la materia y energía es “visible”, mientras que el resto permanece en forma de materia y energía oscuras. La investigación futura, con misiones espaciales, detectores terrestres y simulaciones avanzadas, buscará finalmente dar respuesta a las preguntas esenciales sobre la composición y el destino del universo.

Libros recomendados

Selección de títulos clave para la cosmología: origen del universo, materia oscura y energía oscura.

• Big Bang: La historia definitiva del origen del universo – Simon Singh

  Relato divulgativo de los hitos científicos que llevaron al modelo del Big Bang. Más info: https://www.amazon.es/Big-Bang-historia-definitiva-universo/dp/8408152922

• A Brief History of Time – Stephen Hawking

  Clásico de la divulgación, aborda el Big Bang, los agujeros negros y el destino del cosmos. Más info: https://www.amazon.es/Brief-History-Time-Stephen-Hawking/dp/0553176986

• The First Three Minutes – Steven Weinberg

  Análisis detallado de los primeros instantes tras el Big Bang por un premio Nobel. Más info: https://www.amazon.es/First-Three-Minutes-Modern-Science/dp/046502437X

• The Fabric of the Cosmos – Brian Greene

  Explora la naturaleza del espacio-tiempo y las implicaciones de la energía oscura. Más info: https://www.amazon.es/Fabric-Cosmos-Space-Time-Matter/dp/030727778X

• Dark Matter and the Dinosaurs – Lisa Randall

  Hipótesis sobre la materia oscura y su posible papel en las extinciones masivas. Más info: https://www.amazon.es/Dark-Matter-Dinosaurs-Scientific-Revolution/dp/0547230069

• The Road to Reality – Roger Penrose

  Tratado exhaustivo de las bases matemáticas de la física y la cosmología actual. Más info: https://www.amazon.es/Road-Reality-Comprehensive-Guide-Physical/dp/0679776311

• Universo emergente – Mario Livio

  Recorrido histórico desde la antigüedad hasta la cosmología moderna. Más info: https://www.amazon.es/Universo-emergente-Mario-Livio/dp/843220951X