Origen y evolución del Universo

Definición y alcances de la cosmología física
Sus alcances abarcan tanto la composición del Universo, su expansión y las leyes que lo componen, como la búsqueda de una teoría que logre unificar la física y las cuatro fuerzas fundamentales: interacción nuclear débil, interacción nuclear fuerte, gravedad y electromagnetismo.

Las principales teorías del inicio del Universo

Teoría del Big Bang: Postula que el Universo se inició a partir de la expansión de un punto infinitamente caliente y denso (una singularidad) hace unos 13 700 millones de años, proceso que continúa hasta nuestros días. Esta teoría está respaldada por sólidas evidencias observacionales, como la expansión cósmica y la radiación de fondo de microondas. Los modelos actuales intentan describir el futuro del cosmos a medida que se comprenden mejor los procesos ocurridos en sus primeros instantes.

Teoría del Universo pulsante: Sostiene que el Universo no tuvo un origen único, sino que ha estado «creándose» y «destruyéndose» continuamente en ciclos de expansión y contracción (Big Crunch). Fue perdiendo popularidad debido a que los cálculos matemáticos del Universo primigenio demuestran su inviabilidad científica y no respaldan la existencia de un Universo anterior al Big Bang.

Teoría del Estado estacionario: Plantea como alternativa que la densidad del Universo en expansión se mantiene constante gracias a la creación continua de materia. Esto se ajusta al «principio cosmológico perfecto», el cual afirma que el Universo observable es homogéneo (se ve igual en cualquier lugar) e isotrópico (se ve igual en cualquier dirección) en el espacio y el tiempo. Aunque tuvo popularidad a mediados del siglo XX, hoy es rechazada por la comunidad científica, ya que la evidencia observacional confirma un origen en el Big Bang y una edad finita para el Universo.

Cronología de la expansión (desde la singularidad)
La teoría del Big Bang explica que hace unos 13 800 millones de años se iniciaron el espacio y el tiempo a partir de una singularidad: un punto infinitamente caliente y denso donde no aplican las leyes de la física tradicional. A partir de esta «explosión» e inflación inicial, el cosmos se expandió rápidamente atravesando las siguientes etapas:

1. Era de Planck (0 a 10−43 segundos): Corresponde al instante inicial. A partir de los 10−43 segundos (el tiempo de Planck, la fracción de tiempo más pequeña medible por la física), comienzan a operar las leyes físicas conocidas. Antes de este punto, las cuatro fuerzas fundamentales estaban unidas y no existían partículas elementales; lo ocurrido en esta etapa sigue siendo un misterio a la espera de una teoría unificada.

2. Era de la Gran Unificación y la Inflación (10−43 a 10−10 segundos): Tras la Era de Planck, la gravedad se separó de las demás fuerzas. Entre los 10−35 y 10−10 segundos, la fuerza nuclear fuerte se separó de la fuerza electrodébil, liberando una energía colosal que gatilló una expansión súbita y acelerada conocida como inflación. La sopa de energía dio origen a las primeras partículas elementales (quarks, electrones, neutrinos, fotones, gluones y bosones de Higgs). Esta era concluyó cuando el electromagnetismo y la fuerza débil se separaron.

3. Era de la materia y aniquilación (Sopa de partículas): El Universo era un denso plasma de partículas y antipartículas que chocaban e intercambiaban masa y energía. Al enfriarse el espacio, ocurrió un proceso de aniquilación mutua, pero una leve asimetría inicial permitió que la materia predominara sobre la antimateria (quedando un exceso de quarks sobre antiquarks).

4. Era de los núcleos (hasta 380 000 – 500 000 años): Protones y neutrones se combinaron mediante fusión nuclear para formar los primeros núcleos de hidrógeno, helio y trazas de litio. La fusión concluyó a los 3 minutos aproximadamente, cuando la temperatura descendió a 109 K. No obstante, el ambiente continuó lo suficientemente caliente e ionizado como para mantener atrapada la luz durante cientos de miles de años.

5. Era de los átomos (380 000 años en adelante): Al enfriarse el Universo a unos 3000 K, los electrones libres se unieron a los núcleos en un proceso llamado recombinación, formando los primeros átomos neutros. Al quedar libre de electrones sueltos, la materia se volvió transparente a la luz por primera vez y los fotones pudieron viajar libremente por el espacio, dando origen a la radiación de fondo de microondas.

6. Formación de estrellas y galaxias: A partir de la era atómica y hasta la actualidad, la gravedad comenzó a agrupar la materia en las zonas más densas de gas. Esto dio nacimiento a las primeras estrellas y, posteriormente, a las galaxias (siendo las elípticas y lenticulares las más antiguas y masivas).