El problema cosmológico fundamental

La cosmología moderna se enfrenta a una pregunta central: ¿cómo llegó el universo a su estado actual? Durante el siglo XX, las observaciones astronómicas transformaron esta cuestión filosófica en un problema científico resoluble mediante datos empíricos.

El modelo del Big Bang no emerge de especulaciones teóricas aisladas, sino de la convergencia de múltiples líneas de evidencia independientes. Cada observación —desde la expansión de Hubble hasta las fluctuaciones cuánticas preservadas en la radiación cósmica— apunta de manera consistente hacia un universo que evoluciona desde un estado inicial extremadamente denso y caliente.

Principios metodológicos

La cosmología científica se fundamenta en dos postulados verificables:

Universalidad física: Las leyes observadas en laboratorios terrestres operan de manera idéntica a distancias cosmológicas. La espectroscopía confirma esto: las líneas de absorción del hidrógeno en galaxias distantes coinciden exactamente con las medidas terrestres, demostrando que la estructura atómica permanece invariante a través de miles de millones de años luz.

Principio cosmológico: En escalas superiores a 100 megaparsecs, el universo exhibe una homogeneidad e isotropía estadísticas. Los catálogos de galaxias muestran una distribución uniforme cuando se promedian volúmenes suficientemente grandes, validando así este principio como una aproximación efectiva.

Relatividad General como marco teórico

Las ecuaciones de campo de Einstein relacionan la geometría del espacio-tiempo con su contenido energético. Para un universo homogéneo e isotrópico, estas ecuaciones se reducen a las ecuaciones de Friedmann, que describen la evolución temporal del factor de escala cósmico:

La curvatura espacial (k), la densidad de energía (ρ), y la tasa de expansión (H) están interconectadas. Las soluciones muestran que un universo con materia ordinaria necesariamente se expande o contrae; no puede permanecer estático sin la introducción de términos adicionales artificiales.

Radiación Cósmica

Descubrimiento observacional

En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson detectaron un exceso de ruido en su antena de microondas independiente de la dirección o de la estación del año. La temperatura de la antena de 3.5 K no podía atribuirse a fuentes terrestres o extraterrestres conocidas. Simultáneamente, Robert Dicke y James Peebles predecían teóricamente que un Big Bang caliente debería dejar radiación térmica residual.

La temperatura precisa medida actualmente es 2.72548 ± 0.00057 K, uno de los parámetros físicos más precisamente determinados en toda la ciencia.

Espectro de cuerpo negro

El satélite COBE (1989-1993) midió el espectro completo de la radiación de fondo. El instrumento FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) encontró una concordancia perfecta con la distribución de Planck para cuerpos negros. No se ha detectado ninguna desviación hasta la precisión de partes por millón.

Este espectro perfecto demuestra que los fotones alcanzaron el equilibrio térmico con la materia antes de desacoplarse. Ningún conjunto de fuentes astrofísicas discretas (supernovas, cuásares, galaxias activas) podría producir un espectro tan preciso sin un mecanismo de termalización.

Anisotropías angulares

El instrumento DMR de COBE detectó fluctuaciones de temperatura del orden de ΔT/T ≈ 10^-5 en escalas angulares mayores a 7°. Estas anisotropías representan fluctuaciones de densidad primordiales amplificadas por la gravedad hasta formar la estructura cósmica actual.

WMAP (2001-2010) y Planck (2009-2013) mapearon estas fluctuaciones con una resolución angular y sensibilidad sin precedentes. El espectro de potencia angular muestra:

• Primer pico acústico en l ≈ 220: indica geometría espacial plana (Ω_total ≈ 1)
• Razón segundo/primer pico: determina densidad bariónica (Ω_b ≈ 0.049)
• Tercer pico: confirma materia oscura fría no bariónica (Ω_dm ≈ 0.265)
• Amplitud relativa de picos: fija constante de Hubble (H₀ ≈ 67.4 km/s/Mpc)

Polarización CMB

Los fotones del fondo cósmico exhiben una polarización débil generada por la dispersión Thomson durante la recombinación. WMAP y Planck detectaron dos modos:

Modo E: Generado por fluctuaciones de densidad escalares, medido con alta precisión.

Modo B: Generado potencialmente por ondas gravitacionales primordiales de inflación, aún no detectado de manera inequívoca debido a la contaminación por polvo galáctico.

La detección de modo B primordial proporcionaría evidencia directa de inflación cósmica y fijaría la escala de la energía inflacionaria.

Temperatura a alto corrimiento al rojo

Observaciones de líneas de absorción molecular en sistemas con z ≈ 2-3 permiten medir la temperatura del fondo cósmico en épocas tempranas. Los niveles de excitación de moléculas CN son sensibles a la temperatura de radiación ambiental.

Las mediciones confirman T(z) = T₀(1+z), exactamente como predice la expansión adiabática del universo. A z = 2.34, se midió T = 9.1 K, lo que resulta consistente con la predicción de 9.15 K para T₀ = 2.73 K.

Nucleosíntesis Primordial

Física de los primeros minutos

Entre t ≈ 1 segundo y t ≈ 20 minutos después del Big Bang, cuando la temperatura cayó de ~10^10 K a ~10^9 K, las reacciones nucleares sintetizaron elementos ligeros. Las condiciones físicas en esta época están completamente determinadas por la física nuclear conocida.

El proceso comienza con el equilibrio neutrones/protones establecido por interacciones débiles. Cuando la temperatura cae bajo ~10^10 K, estas reacciones cesan (freeze-out débil) y la razón n/p queda fijada. Los neutrones libres comienzan a decaer (vida media 880 segundos), pero antes de desaparecer completamente, las reacciones nucleares los capturan en núcleos ligeros.

Secuencia de reacciones

Las reacciones principales son:

1. p + n → D + γ (formación de deuterio)
2. D + D → ³He + n / ³H + p (síntesis de He-3 y tritio)
3. ³He + n → ⁴He + γ (formación de He-4)
4. ⁴He + ³H → ⁷Li + γ (producción de litio)

El “cuello de botella del deuterio” es crucial: mientras la temperatura permanece alta, los fotones energéticos fotodisocian deuterio tan rápido como se forma. Solo cuando T cae bajo ~0.1 MeV puede el deuterio acumularse y las reacciones subsecuentes proceder.

Predicciones cuantitativas

Los cálculos de nucleosíntesis del Big Bang (BBN) predicen abundancias primordiales que dependen crucialmente de un parámetro: la densidad bariónica (η₁₀ = razón bariones/fotones × 10^10).

Para η₁₀ ≈ 6.1 (valor determinado independientemente por CMB), las predicciones son:

• ⁴He: masa fraccionaria Y_p ≈ 0.2485 (24.85% en masa)
• D/H: ≈ 2.5 × 10^-5
• ³He/H: ≈ 1.0 × 10^-5
• ⁷Li/H: ≈ 5 × 10^-10

Observaciones vs predicciones

Deuterio: Medido en nubes de gas intergaláctico prístino mediante el uso de la absorción Lyman-α de cuásares. Los sistemas con menor metalicidad dan D/H = (2.53 ± 0.04) × 10^-5, una concordancia excelente con la BBN.

Helio-4: Regiones HII en galaxias de baja metalicidad permiten la extrapolación a la abundancia primordial. Los valores observados Y_p = 0.2449 ± 0.0040 concuerdan con la predicción.

Helio-3: Resulta difícil medirlo directamente en objetos primordiales. Observaciones de nebulosas planetarias en Via Láctea sugieren ³He/H ≈ 1.1 × 10^-5, consistente aunque con mayor incertidumbre.

Litio-7: Existe discrepancia conocida: estrellas de población II muestran Li/H ≈ 1.2 × 10^-10, factor ~4 menor que la predicción de la BBN. Esta “anomalía del litio” sugiere depleción estelar o física nueva, área de investigación activa.

Robustez de la concordancia

La concordancia deuterio-helio es particularmente significativa porque estas abundancias presentan dependencias opuestas con respecto a η₁₀: una mayor densidad bariónica produce más helio pero menos deuterio. El único valor de η₁₀ que satisface ambas observaciones coincide con el valor independiente del CMB.

Ningún proceso astrofísico posterior puede reproducir estas abundancias. La nucleosíntesis estelar produce elementos pesados pero destruye deuterio. Los rayos cósmicos producen litio, berilio y boro pero no pueden generar las razones D/H y ³He/H observadas.

Expansión Universal

Relación distancia-velocidad de Hubble

Edwin Hubble estableció en 1929 que las velocidades de recesión de galaxias (medidas por corrimiento al rojo espectral) aumentan linealmente con la distancia: v = H₀d. La constante de proporcionalidad H₀ (constante de Hubble) cuantifica la tasa de expansión actual.

Mediciones modernas usando diversos métodos dan H₀ ≈ 67-73 km/s/Mpc. La expansión no implica el movimiento de las galaxias a través del espacio, sino la expansión del propio espacio, que arrastra consigo a las galaxias.

Naturaleza del corrimiento al rojo cosmológico

El desplazamiento espectral hacia longitudes de onda mayores se expresa como:

1 + z = λ_observada / λ_emitida = a(t_observación) / a(t_emisión)

donde a(t) es el factor de escala del universo. Este corrimiento al rojo cosmológico difiere del efecto Doppler clásico; representa el estiramiento de las longitudes de onda debido a la expansión del espacio durante el tiempo de viaje del fotón.

Diagrama de Hubble extendido

Las supernovas de Tipo Ia sirven como “velas estándar” porque su luminosidad intrínseca puede calibrarse mediante la relación entre la luminosidad pico y la tasa de declive de la curva de luz. Proyectos como Supernova Cosmology Project y High-Z Supernova Search Team han observado supernovas hasta z > 1.

El diagrama de Hubble (módulo de distancia vs. corrimiento al rojo) para estas supernovas distantes muestra una desviación con respecto a la linealidad predicha por la cosmología con energía oscura. Las supernovas a z ≈ 0.5-1.0 aparecen ~0.25 magnitudes más débiles que en un universo sin aceleración, indicando que la expansión se está acelerando.

Dilatación temporal cosmológica

La Relatividad General predice que todos los procesos físicos en objetos distantes aparecen ralentizados por un factor (1+z). Las curvas de luz de supernovas de Tipo Ia muestran este efecto cuantitativamente:

El tiempo característico de decaimiento observado es τ_obs = (1+z)τ_intrínseco. Mediciones de ~100 supernovas a diferentes corrimientos al rojo confirman esta relación con una precisión de ~8%, lo que proporciona evidencia directa de que el corrimiento al rojo representa una expansión genuina del espacio-tiempo.

Brillo superficial de galaxias (Test de Tolman)

En un universo estático, el brillo superficial de las galaxias disminuye como (1+z)^-2 debido a la disminución del flujo con respecto a la distancia. En un universo en expansión, dos factores adicionales contribuyen: el estiramiento de las longitudes de onda reduce la energía de los fotones (factor 1+z), y la tasa de llegada de fotones disminuye (otro factor 1+z), lo que resulta en una relación total (1+z)^-4.

Observaciones de galaxias elípticas hasta z ≈ 1 confirman la relación (1+z)^-4, descartando modelos de universo estático y proporcionando una prueba independiente de la expansión.

Edad del universo vs edad estelar

La cronología cósmica debe ser internamente consistente: el universo debe ser más antiguo que sus componentes. La edad del universo calculada de parámetros cosmológicos (CMB + supernova + estructura) es t₀ = 13.787 ± 0.020 Gyr.

Las estrellas más antiguas en cúmulos globulares tienen edades determinadas por ajuste de secuencia principal: t_estrellas ≈ 12.5-13.0 Gyr. La concordancia corrobora una cronología consistente, con margen razonable para formación estelar después de recombinación (z ≈ 1100, t ≈ 380,000 años).

Formación Estructural

Origen de perturbaciones de densidad

Las anisotropías del CMB representan fluctuaciones de densidad de δρ/ρ ≈ 10^-5 en la época de recombinación (z ≈ 1100). La teoría de la inflación cósmica predice que las fluctuaciones cuánticas del campo inflacionario, estiradas a escalas cosmológicas por la expansión exponencial, generan un espectro de potencia primordial casi invariante de escala.

El espectro observado P(k) ∝ k^n_s con índice espectral n_s ≈ 0.965 concuerda con predicciones inflacionarias simples. Los modelos sin inflación requieren el ajuste de condiciones iniciales ad hoc para reproducir este espectro.

Crecimiento gravitacional

Después de la recombinación, las fluctuaciones de densidad en la materia oscura crecen debido a la inestabilidad gravitacional. En el régimen lineal (δρ/ρ ≪ 1), las perturbaciones crecen como δ ∝ a(t) en un universo dominado por materia.

Simulaciones de N-cuerpos que evolucionan estas condiciones iniciales producen la “red cósmica” (cosmic web): filamentos, hojas y nodos donde se forman cúmulos de galaxias, separados por vacíos. Esta morfología emerge naturalmente del colapso gravitacional jerárquico.

Función de correlación de dos puntos

Los catálogos de galaxias (2dFGRS, SDSS) miden la función de correlación espacial ξ(r), que cuantifica el exceso de probabilidad de encontrar galaxias separadas por una distancia r comparado con una distribución aleatoria.

El “pico BAO” (Baryon Acoustic Oscillations) a r ≈ 150 Mpc representa la escala característica de las oscilaciones acústicas del plasma primordial, impresas en la distribución de la materia. Esta escala sirve como “regla estándar” cosmológica, permitiendo medir la geometría del universo y la tasa de expansión a diferentes épocas.

Evolución de galaxias

Las observaciones de galaxias a alto corrimiento al rojo muestran la evolución morfológica y la tasa de formación estelar. El Telescopio Espacial Hubble reveló que a z ≈ 2-3 (la época de formación estelar pico), las galaxias eran más compactas, irregulares, y azules que las galaxias locales.

La densidad de la tasa de formación estelar cósmica alcanzó un máximo a z ≈ 2, luego declinó como (1+z)^-3.5 hasta el presente. Esta historia de formación estelar se correlaciona con la evolución del contenido de gas, la metalicidad, y la actividad de los núcleos galácticos activos.

Efecto Sunyaev-Zel’dovich

Los cúmulos de galaxias contienen gas intracumular caliente (T ≈ 10^7-10^8 K). Los electrones energéticos dispersan fotones de CMB vía efecto Compton inverso, creando una distorsión espectral característica.

El efecto SZ es independiente de corrimiento al rojo (depende de densidad electrónica integrada, no distancia), permitiendo detectar cúmulos a z > 1. Combinado con observaciones de rayos-X, el efecto SZ proporciona estimaciones independientes de H₀ y restricciones en parámetros cosmológicos.

Lentes gravitacionales débiles

La deflexión de la luz por la estructura a gran escala produce distorsiones coherentes de las imágenes de galaxias de fondo. El patrón estadístico de estas distorsiones mapea la distribución de la materia (incluyendo la materia oscura) a lo largo de la línea de visión.

Los mapas de lentes débiles muestran una correlación con la distribución de galaxias luminosas pero con una amplitud mayor, confirmando la presencia de materia oscura. La evolución temporal de la señal de lentes restringe la ecuación de estado de la energía oscura.

Materia oscura: evidencia convergente

Múltiples observaciones independientes requieren materia oscura no bariónica:

1. Curvas de rotación: Las velocidades orbitales en las galaxias permanecen planas a grandes radios, indicando halos masivos invisibles.

2. Cúmulo Bala (1E 0657-56): Colisión de cúmulos separa el gas (emisor de rayos-X) del pico gravitacional (mapeado por lentes), lo que demuestra que la masa dominante es no colisional.

3. CMB: El espectro de potencia angular fija Ω_dm h² = 0.120 ± 0.001, independiente de observaciones dinámicas.

4. Nucleosíntesis primordial: La BBN fija la densidad bariónica Ω_b ≈ 0.049, insuficiente para explicar la materia total Ω_m ≈ 0.315.

La convergencia cuantitativa de estos métodos independientes establece la materia oscura como un componente esencial del modelo cosmológico.

Síntesis Científica

Convergencia de múltiples observables

El modelo ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter) con seis parámetros fundamentales explica las observaciones en rangos de escala desde megaparsecs hasta Gpc y épocas desde z ≈ 1100 hasta el presente:

Parámetros cosmológicos concordantes:

• Densidad bariónica: CMB (Ωb h² = 0.0224) ↔ BBN (Ωb h² = 0.0223)
• Constante de Hubble: CMB (67.4) ↔ Supernovas (73.0) [tensión conocida]
• Edad del universo: CMB (13.787 Gyr) ↔ Estrellas antiguas (~12.8 Gyr)
• Densidad de materia: CMB (Ωm = 0.315) ↔ Cúmulos (Ωm = 0.30 ± 0.04)

Poder predictivo

El modelo no solo explica datos existentes sino que ha hecho predicciones posteriormente confirmadas:

1. Planck predijo una temperatura del CMB de ~5 K con anterioridad a su medición (valor real: 2.725 K).
2. La ubicación de los picos acústicos en el espectro de potencia del CMB predicha por la física del plasma primordial, confirmada por WMAP/Planck.
3. El patrón BAO en la distribución de las galaxias predicho por las oscilaciones acústicas pre-recombinación, detectado en SDSS.
4. El espectro de polarización del CMB predicho por la dispersión Thomson, medido por WMAP.

Limitaciones y áreas activas

Tensión de Hubble: Mediciones locales (H₀ ≈ 73) vs inferencias tempranas de CMB (H₀ ≈ 67) difieren a 5σ. Las posibles resoluciones incluyen errores sistemáticos no identificados o una nueva física.

Problema de litio: La abundancia primordial predicha por la BBN excede las observaciones en un factor ~4. Los mecanismos de depleción astrofísica o una física más allá del Modelo Estándar podrían explicar la discrepancia.

Naturaleza de la materia oscura: Candidatos (WIMPs, axiones) no detectados en experimentos directos. Las búsquedas continúan.

Naturaleza de la energía oscura: La ecuación de estado w = P/ρ consistente con la constante cosmológica (w = -1), pero alternativas dinámicas (quintaesencia) no descartadas.

Marco epistemológico

El modelo del Big Bang ejemplifica el método científico aplicado a la cosmología:

1. Observaciones (corrimiento al rojo, CMB, abundancias elementales)
2. Marco teórico (Relatividad General, termodinámica, física nuclear)
3. Predicciones cuantitativas (espectro CMB, razón D/H, tasa de expansión)
4. Confirmación experimental (satélites, telescopios, espectrógrafos)
5. Refinamiento iterativo (inflación, energía oscura, materia oscura)

La cosmología ha evolucionado de una especulación cualitativa a una ciencia de precisión con incertidumbres en los parámetros fundamentales al nivel del 1-2%. Esta transformación demuestra el poder del método científico para descifrar la historia cósmica mediante la evidencia empírica convergente.

Implicaciones filosóficas neutrales

El modelo científico describe la evolución física sin pronunciarse sobre causas últimas o propósitos metafísicos. Preguntas sobre “por qué existe algo en lugar de nada” o si el universo tiene significado trascendente permanecen fuera del dominio empírico.

Científicos religiosos y seculares contribuyen por igual a la cosmología observacional. La evidencia del Big Bang es compatible con múltiples marcos filosóficos, demostrando que la ciencia y las cosmovisiones personales operan en dominios metodológicamente separables.