La cuestión de cómo se originó el Universo y de cómo va a terminar ha desconcertado a la humanidad durante milenios. Los antiguos griegos y muchas otras civilizaciones creían que nuestro Universo era eterno. Aristóteles fue uno de los primeros en pensar de manera diferente sugiriendo que el Universo estaba confinado en lo que denominó una "esfera celestial". Para sorpresa de todo el mundo, alrededor de 1930 se descubrió que el Universo no es infinitamente viejo, sino que tiene una edad finita. El astrónomo Edward Hubble hizo la inesperada observación de que todas las galaxias se alejan entre sí. Por lo tanto hay que suponer que habrían estado más próximas hace 1000 años que lo que están hoy en día, y todavía aún más cerca hace 1 millón de años, y así sucesivamente. En definitiva, en algún momento del pasado, estimado en hace unos 13,7 millones de años, toda la materia en el Universo tiene que haber estado comprimida a una densidad y temperatura enormemente grandes.

Dado que la expansión de este estado inicial transcurre como una explosión gigantesca, esta teoría rápidamente se vino a denominar por el término inglés "Big Bang". Originalmente el nombre de Big Bang se utilizó irónicamente y fue acuñado por sus detractores, ya que en la década de 1930 parecía inconcebible para muchos que el Universo no fuera infinitamente viejo. No obstante el nombre de Big Bang se mantiene desde entonces, ya que apela por igual a la imaginación de científicos y profanos en la materia.

Hasta el momento la teoría del Big Bang es la teoría del origen del Universo más aceptada, pero dista mucho de estar completa. Efectivamente, la teoría del Big Bang explica cómo el Universo puede haber evolucionado tras su creación, pero hay muchas más preguntas de índole cosmológica: ¿cómo se produjo el Big Bang? Y, si nuestro universo se está expandiendo, ¿a que está expandiendo? Algunas de estas preguntas comportan nuevos y emocionantes desafíos para los astrónomos, mientras que otras son simplemente desconcertantes. Por ejemplo, sí sabemos qué le ocurrió al Universo a partir de una fracción de segundo después del Big Bang, pero no sabemos explicar completamente la primera fracción de segundo, en la que se crearon el espacio y el tiempo. Así pues, si uno se pregunta qué había antes del Big Bang, la respuesta es nada, ya que el espacio y el tiempo no existían hasta el Big Bang, por lo que no hay antes del Big Bang, ni había un lugar en el que algo pudiera existir.

La teoría del Big Bang afirma que toda la materia existió desde el mismo instante inicial, sólo que toda estaba en un sitio. Antes del Big Bang no había tiempo ni espacio. Hubble descubrió que las galaxias se separaban unas de otras, lo que condujo a la idea del espacio en expansión. Esto quiere decir que no es el movimiento de las propias galaxias el que las aleja entre sí. Es el mismo espacio el que aparta las galaxias.

La Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein explica cómo cada objeto del espacio está embebido en el espacio y es el espacio mismo el que se expande, incrementando la distancia entre los objetos. Todos los puntos de la materia y del espacio estaban en un punto antes del Big Bang, lo que implica que el Big Bang ocurrió en todas partes.

Puede que sea más sencillo pensar en un globo de goma. La superficie del globo representa el espacio (en este caso de dos dimensiones). Pon en el globo cientos de marcas que representen las galaxias. Si inflas el globo parece que las marcas se alejan unas de otras, pero en realidad es la goma del globo la que se ha estirado entre ellas y ha hecho que las galaxias se separen.

Edward Hubble se dio cuenta de que todas las galaxias se separaban unas de otras al observar la luz de fuentes muy distantes. Encontró que esta luz se desplazaba hacia el extremo rojo del espectro visible. Este fenómeno se puede explicar por el efecto Doppler, que postula que la luz emitida por un emisor que se aleja del observador se detecta con una frecuencia menor.

Una menor frecuencia significa que la luz que se observa es más rojiza que la emitida por la fuente, y este efecto se llama desplazamiento al rojo o red shift en inglés.

El efecto Doppler se aplica a todo tipo de ondas, pero es más sencillo explicarlo utilizando el sonido. Imagina una moto moviéndose hacia un observador B. El motor emite ruido (ondas de sonido) en todas direcciones, pero, a medida que avanza, va alcanzando las ondas de sonido que emitió antes, haciendo que el intervalo entre cada frente de onda se haga más pequeño. Esto incrementa la frecuencia de las ondas de sonido, por lo que B oye un ruido más agudo. Detrás de la moto el efecto es el contrario: el espaciado entre los frentes de onda se hace mayor a medida que la moto se aleja del observador A, que a su vez oye un ruido más grave.

La luz sufre un efecto similar. Para objetos que emiten luz y se mueven hacia el observador las ondas de luz se comprimen, dando lugar a frecuencias más altas y longitudes de onda menores, que parecen azuladas. Para las galaxias que se alejan de nosotros, la luz se desplaza a frecuencias más bajas (longitudes de onda mayores), y parecen más rojas.

Las teorías de cómo era el Universo primitivo son altamente especulativas y es muy difícil saber en detalle qué ocurrió hace 13,7 mil millones de años.

Sí que sabemos que al principio del Universo la temperatura era tan alta que toda la materia estaba disuelta en partículas elementales como los quarks, los electrones y los fotones. No había núcleos atómicos, ni átomos, ni estado sólido, ni planetas ni estrellas. En este punto tan sólo las partículas más elementales podían existir.

Como un milisegundo tras el Big Bang, la temperatura había bajado lo suficiente para permitir que se formaran los protones y neutrones como consecuencia de la unión de tres quarks elementales.

Hay seis tipos diferentes de quarks. Dos de ellos conforman casi toda la materia: el quark up ("arriba") y el quark down ("abajo"). Tres quarks pueden unirse para formar un protón (con 2 up y 1 down) o un neutrón (1 up y 2 down).

En 1965 dos científicos estadounidenses, Penzias y Wilson, construyeron una nueva antena de radio con una sensibilidad sin precedentes con el fin de medir las señales de los satélites. Accidentalmente descubrieron una misteriosa radiación de microondas procedente del espacio, pero no tenían idea alguna sobre su origen. Más adelante se supo que esta radiación procedía del Big Bang. Se denomina radiación de fondo cósmico de microondas y eleva la temperatura del espacio desde cero hasta 2,7 K. Esta radiación es casi perfectamente uniforme en todas direcciones.

¡Uno mismo puede observar la radiación de fondo! Cualquier persona que haya visto la televisión analógica sabe que, antes de que haya sido sincronizada correctamente, muestra un ruido "estático" en la pantalla. Aproximadamente el 10% del parpadeo que se ve es debido a la radiación de fondo. Por supuesto, esto no sucede en el caso de la televisión digital.

¿De dónde proviene?

Después de la creación de los primeros núcleos atómicos de hidrógeno, helio y trazas de litio, estos elementos ligeros permanecieron imbuidos en un mar de electrones que se originaron en los primeros momentos de la historia del Universo. Cada electrón tiene una carga eléctrica negativa, mientras que cada protón está cargado positivamente. Estos protones y electrones se atraen entre sí debido a sus cargas opuestas y por ello los electrones tratan de formar nubes alrededor de los protones.

Sin embargo, la alta temperatura disuelve inmediatamente esas nubes enviando a protones y electrones a través del espacio en caminos aleatorios. 300 000 años después de la formación del Universo, éste se había expandido y enfriado lo suficiente como para llegar a una temperatura a la que la nube de electrones se mantuviera estable. Los núcleos junto con esos electrones son lo que conocemos actualmente como átomos.

Las trayectorias de los fotones (partículas de luz) pueden cambiar por colisiones con partículas cargadas eléctricamente pero no con átomos neutros, con los que no interactúan. Por lo tanto, los fotones originales del Big Bang continuaron imperturbables en su camino una vez que todos los electrones se habían incorporado a los átomos. Actualmente vemos esos fotones como la radiación cósmica de fondo. Por lo tanto, esta radiación proporciona una instantánea del Universo a la edad "infantil" de 300 000 años.

La figura muestra una imagen detallada de todo el cielo del universo temprano creado a partir de nueve años de toma de datos de WMAP. Los diferentes colores en esta imagen muestran que el universo 300 000 años después del Big Bang no era igual en todas partes. Las diferencias de color indican las fluctuaciones de temperatura que corresponden a las semillas que crecieron para convertirse en las galaxias. Fuente: NASA / WMAP

¿Hay alguna prueba de la teoría del Big Bang? De hecho, esta teoría está apoyada por las siguientes observaciones:

1. La expansión del Universo, por la cual las galaxias se alejan unas de otras. Esto significa que toda la materia del Universo debe haber sido comprimida a una temperatura y densidad enormemente grandes en el momento del Big Bang.
2. La abundancia de núcleos ligeros ²H, ³He, ⁴He y ⁷Li sólo puede explicarse si se supone que fueron creados en los primeros minutos después del Big Bang.
3. La observación de la radiación cósmica de fondo que viene del espacio lejano. El origen de esta radiación puede explicarse suponiendo que se originó poco después del Big Bang.

Unos mil millones de años después del Big Bang, el universo estaba compuesto sólo por hidrógeno y helio en forma gaseosa; no había estrellas ni planetas. Con el tiempo, algunas de las nubes de gas comenzaron a colapsar sobre sí mismas para formar protoestrellas que con el tiempo eventualmente se calentaron lo suficiente como para comenzar la ignición y la creación de las primeras estrellas. Sin embargo, nuestro Sol no se formó hasta mucho más tarde, de 8 a 9 mil millones años después del Big Bang, tiempo en el que generaciones de estrellas se crearon y destruyeron.

Un grano de polvo del principio del sistema solar. Fuente: NASA

El gas y el polvo que lo rodeaba se fusionaron lentamente bajo el efecto de la gravitación, formando cuerpos más grandes conforme atraían pedazos más pequeños. A medida que crecieron, con el tiempo, su peso los hizo esféricos y dieron lugar a los planetas.

Es una fortuna que nuestro Sistema Solar se formara bastante tarde. Nuestro planeta está compuesto de roca que no existía en los primeros tiempos del Universo. Estos elementos pesados ​​tuvieron que ser producidos por otras estrellas y luego expulsados hacia el espacio cuando éstas murieron. Toda esa materia se recogió alrededor de nuestro Sol y formó además de a la Tierra, a Mercurio, Venus y Marte.

El sistema solar constituido por el Sol y los planetas se formaron a partir de una nube de gas y polvo, como muestra la figura esquemáticamente. Fuente: NASA

Incluso si se puede medir la velocidad con la que las galaxias se están alejando unas de otras, no es fácil predecir lo que sucederá en el futuro del Universo. Debido al Big Bang principalmente, el Universo se expande, pero por otro lado, la materia de la que se compone tiende, por gravedad, hacia el centro. Hay una serie de posibilidades que dependen de la densidad del Universo:

1. Si la densidad del Universo es baja, entonces la atracción gravitatoria de la materia en éste no será capaz de superar la expansión por lo que el Universo continuará expandiéndose para siempre. Cuanto menor sea la densidad, más rápido se puede expandir. Esto se conoce como el modelo del Universo Abierto.
2. Si la densidad del Universo es alta, entonces éste se expandirá por un tiempo, pero cada vez más lentamente hasta llegar a un tamaño máximo. A continuación, la gravedad hará que el Universo colapse de nuevo en la singularidad en la que comenzó en lo que llamamos el Big Crunch. Esto se llama un Universo Cerrado, ya que tiene un tamaño finito y puede conducir a otro Big Bang que produzca un nuevo Universo.
3. Si la densidad está exactamente en el límite entre los dos modelos anteriores, lo que llamamos densidad crítica, el Universo todavía continuará expandiéndose, pero el ritmo de expansión se ralentizará.

La edad de la Tierra es de unos 4600 millones años. Al principio, la Tierra estaba tan caliente que todo estaba fundido. Después de 500 millones años la Tierra se había enfriado lo suficiente como para que se pudieran formar los océanos y el planeta se convirtió en habitable. A continuación, aparecieron en éstos las primeras formas de vida. Se necesitó posteriormente de un tiempo enormemente largo (aproximadamente 4000 millones de años) para que, a partir de las formas de vida primitivas, se desarrollaran las plantas, posteriormente los animales y, finalmente, los seres humanos.

Los seres humanos han habitado la Tierra solamente los últimos 4 millones de años. ¡Y hace menos de 100 que la humanidad empezó a comprender cómo está estructurado el Universo y cómo llegó a formarse en el Big Bang!

Las condiciones en la Tierra son las se necesitan para la vida. Está lo suficientemente cerca del Sol para utilizar su energía, tiene la temperatura adecuada para que el agua esté en estado líquido, oxígeno para que respirar y una luna para estabilizar el clima.

Esta ilustración representa los fenómenos naturales que han creado la vida tal y como la conocemos en la Tierra. Fuente: Instituto Espacial de California

Muchos científicos creen que hay vida fuera de la Tierra. Con miles de millones de otros sistemas estelares, parece absurdo creer que la Tierra es el único planeta capaz de albergar vida. En nuestro sistema solar los lugares más probables donde podría existir vida primitiva son Marte y una de las lunas de Júpiter, Europa. En Marte, hay evidencia de que hubo agua en el pasado y los científicos creen que en Europa, existe un océano gigantesco por debajo de su superficie helada.

A partir de 2011, se han descubierto más de 500 planetas fuera del sistema solar y el número de estos va aumentando cada día. En algunos de ellos, podrían existir las condiciones adecuadas para la vida. Tal vez podría haber civilizaciones mucho más avanzadas técnicamente que nosotros. Sin embargo, algunas personas piensan que si hubiera tantos habitantes extraterrestres, en algún momento habríamos visto alguna señal de ellos. Esto se conoce como la paradoja de Fermi porque fue él, Enrico Fermi, el que formuló por primera vez esta idea. Una de las explicaciones más plausibles para la falta de algún tipo de contacto está asociada a la posible existencia de enormes distancias entre las diferentes civilizaciones avanzadas. Incluso si existieran 1000 de ellas en el espacio, estando a 1000 años luz de distancia, sería muy poco probable que vinieran a hacernos una visita.

Algunos científicos creen que es una suerte increíble que, de todas las infinitas posibilidades de evolución de nuestro universo, éste lo haya hecho justo para crear las condiciones ideales para que podamos vivir. Por ejemplo, en el momento del Big Bang sólo había un pequeño superávit (una mil millonésima) de la materia con respecto a la antimateria en el Universo. Si las cantidades hubieran sido exactamente las mismas, toda la materia y la antimateria se habrían aniquilado y transformado en radiación. Esto habría supuesto un universo aburrido, sin nada sólido, incluyéndonos a nosotros mismos. Si el superávit de la materia hubiera sido sólo un poco mayor o menor que el valor real, la vida igualmente no habría sido posible. En el caso de que hubiera sido un poco mayor, el universo habría colapsado debido a la atracción gravitatoria. Simplemente no habría habido tiempo suficiente para desarrollar la vida. Por otro lado, si el excedente de materia hubiera sido un poco más pequeño, la expansión habría sido tan rápida que no se podría haberse consolidado ninguna estructura y el Universo contendría solamente partículas elementales.