EL Modelo de Friedman-Robertson-Walker
El BIG BANG
El BIG BANG
ASPECTOS GENERALES:
Este modelo es el que mejor describe, globalmente, a nuestro Universo (en el estado actual de conocimientos, por supuesto). Este modelo fue confirmado en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, con el descubrimiento de la RADIACIÓN COSMOLÓGICA DE FONDO. El modelo se basa en la Relatividad General y en el sig. postulado llamado PRINCIPIO COSMOLÓGICO: el Universo es HOMOGÉNEO E ISOTRÓPICO a gran escala. El mismo es válido (extrapolable) hasta 10^(-44) segundos después de la "explosión".
DESCRIPCIÓNDEL MODELO:
Debido a la estructura matemática de la teoría, existe una cantidad llamada FACTOR DE ESCALA (" a(t) "), que determina cuán separados estén dos puntos
cualesquiera del Universo. Nótese que tal cantidad varía con el tiempo. Estudios en Cosmología experimental, hechos desde los años 20, muestran que la mayoría de las Galaxias observadas se alejan de nuestra Galaxia a diferentes velocidades (esto es el resultado de aplicar la teoría del Efecto Doppler a la luz recibida de tales Galaxias). Esto significa que el Universo está expandiéndose: el factor a(t) crece al transcurrir el tiempo. Ahora bien, podemos ir hacia atrás en el tiempo y decir que a(t) disminuye. Esto significaría que hace mucho tiempo atrás todas las Galaxias estaban muy cerca una de la otra. Podemos ir aún más atrás, hasta el tiempo en que a(t) = 0 : la teoría predice que para este tiempo, definido como "t=0", no existía distancia alguna que separara ningún punto de otro en el Universo. TODO EL CONTENIDO DEL UNIVERSO ESTABA CONCENTRADO EN UN SOLO PUNTO, llamado SINGULARIDAD ORIGI NAL [SO]. Como es bien sabido, una singularidad es un infinito matemático definido por una división entre cero: toda magnitud física de la forma f(1/t) o f(1/a(t)) tender hacia el infinito a medida que t--0 o a(t) -0. Se dice entonces que la densidad la temperatura, etc. del Universo eran infinitas en la SO. Ahora bien, ya que el factor a(t) crece desde cero hasta el valor de a(tp) , donde " tp " es el tiempo presente, se dice que el Universo se originó en una "GRAN EXPLOSION" ( término usado solamente por analogía a la explosión de una
bomba, la cual produce una expansión violenta del aire en todas direcciones). Por otro lado, extrapolar la Física hasta la SO produce un serio efecto negativo en el modelo: se pierde todo poder predictivo, el cual es esencial en toda teoría física. En la SO, todas las magnitudes son infinitas y, obviamente no se puede predecir nada acerca de cómo evolucionaría el Universo a partir de ese estado. Desde el éxito de este modelo, en 1965, hasta la fecha, se han hecho muchas investigaciones teóricas
para encontrar una solución que elimine a la SO de la teoría, y se ha llegado a la conclusión de que NO ES POSIBLE eliminarla dentro del marco clásico de la Relatividad General: se deben introducir correcciones cuánticas a las ecuaciones del modelo para evitar que el Universo colapse cuando a( 0 ) -- 0. Sin embargo, aún no es posible eliminar a la SO; lo único que se ha logrado es que magnitudes de la forma f(1/a(t)) que describen ciertas propiedades del Universo, adquieran valores estacionarios cerca de la SO, y no tiendan al infinito...la SO aún persiste !!! En otros modelos más avanzados se logra eliminar a la SO describiendo al evento "origen del Universo" como un fenómeno de transición por Efecto Túnel (efecto estudiado en Física Cuántica) : el Universo se describe como una fluctuación cuántica del estado de vacío de un campo indeterminado. Este tipo de modelo se estudia bajo la denominación de COSMOLOGÍA CUÁNTICA .
DESCRIPCION DEL UNIVERSO SEGUN EL BIG BANG (MARCO CLASICO):
El Universo surge a partir de una SO. La evolución del mismo, puede ser estudia da usando variables termodinámicas como la temperatura y la densidad (de materia y energía). Se cree que el Universo tuvo varias Transiciones de Fase en ciertos intervalos de tiempo. Esto nos permite estudiarlo según diferentes "épocas" o "eras" :
1.ERA DE PLANCK:
- 0 < t < 10(??) s
Densidad de materia 10(??) g/cm3
Densidad de energía 10(??) eV/cm3
Tempetatura 10(??) Kelvin
Nótese que se usan valores aproxima dos con órdenes de magnitud. Esto es común en Cosmología, debido a que el sistema bajo estudio es muy complejo. En esta era, los efectos cuánticos son tan fuertes que ninguna teoría clásica puede describir cómo era el Universo en esta época. Nuevamente, la Cosmología Cuántica debe dar cuenta de esta era; pero esta teoría est aún en etapa de desarrollo. 2.ERA HADRONICA:
- 10(??) < t < 10(??) s
10(??) < rm < 10(??) g/cm3
10(??) < T < 10(??) K
(entre esta era y la de Planck existe otra era que no se discutir aquí). Aunque no se sabe que clase de constituyentes existían en la era de Planck, en esta era los constituyentes fundamentales eran los fermiones y los bosones. Los primeros formados por quarks y leptones y sus antipartículas asociadas ( además de otras partículas predichas por los modelos de unificación (ver GUT's? SUPERSIMETRÍA? SUPERCUERDAS?) los segundos, por las partículas mediadoras de las interacciones fundamentales (fotones, gluones, etc.).Los quarks se agrupaban para formar los HADRONES (mesones y bariones), y la aniquilación entre éstos y los antihadrones comenzaba a hacerse sentir. Ya no estaba en equilibrio la aniquilación con respecto a la creación de pares, ya que debido a que la temperatura bajaba rápidamente, no había suficiente energía como para que se favoreciera la creación. En esta era surge la asimetría entre materia y antimateria, asimetría causada (según ciertos modelos de unificación) por los bosones X. Así se explica entonces el por qué no se han detectado galaxias o estrellas de antimateria. Mientras esto (e infinidades de cosas más ) ocurrían, el espacio-tiempo se expandía, de manera que la separación entre partículas se hacía cada vez mayor; las interacciones de corto alcance (interacción fuerte y débil) ya no se hacían sentir: el Universo est gobernado por las interacciones Gravitatoria y Electromagnética (a parte de las otras fuerzas predichas por las teorías de la gran unificación que dan cuenta de la MATERIA OSCURA que domina actualmente la din mica del Universo.)
3.ERA LEPTONICA:
- 10(??) < t < 10(??) s
10(??) < T < 10(??) K
10(??) < rm < 10(??) g/cm3
El residuo (producto de la aniquilación partícula-antipartícula) de materia hadrónica que queda es mucho más pequeño que la materia leptónica (electrones, neutrinos, etc.). En esta era se produce una transición de fase en la cual se "rompe" la simetría responsable de la unión de la interacción débil y la electromagnética: la fuerza electrodébil se descompone en sus 2 componentes fundamentales. Mientras el Universo se seguía expandiendo, la aniquilación leptón-antileptón gobierna sobre la creación de los mismos. La temperatura sigue bajando, al igual que la densidad.
- (??) s < t < 10(??) años 10(??) < T < 10(??) K 10(??) < rm < 10(??) g/cm3 El Universo se expande muy rápidamente causando los valores de temperatura y densidad mostrados. La aniquilación materia-antimateria que gobernaba cada é poca ha dejado un gran residuo de fotones y neutrinos (aparte de materia oscura). La cantidad de fotones y neutrinos es mucho mayor que el residuo hadrónico y leptónico. El contenido del Universo es de protones, neutrones, electrones, neutrinos, gravitones ( y por supuesto, de materia oscura). La temperatura ha bajado lo suficiente como para que se formen los primeros núcleos atómicos estables ( H , He , He ,Li , deuterio). Debido a la formación de tomos neutros estables, la radiación electromagnética interactúa de manera diferente con dicha materia: se dice que el Universo se vuelve "transparente" a la radiación. A este residuo electromagnético se le conoce hoy en día como RADIACIÓN COSMOLÓGICA DE FONDO, la cual se encuentra a una temperatura de aprox. 2,79 K.
5.ERA ESTELAR:
6.ERA ACTUAL:
t ~ 1019 años
T ~ 2.79 K
rm ~ ?
La edad del Universo depende de qué modelo se use para medirla ( aunque por otro lado, se pueden elegir modelos en donde la edad sea infinita). Esto pone de manifiesto que la edad del Universo no es un concepto bien definido. El estado actual de las cosas es el siguiente: se necesitan conocer varios parámetros (velocidad de expansión, densidad de mate ria actual, etc.) para poder hacer predicciones acerca del futuro del Universo. Estos par metros se obtienen experimentalmente haciendo observaciones con Telescopios, Radiotelescopios, Observatorios de Rayos X, Gamma, etc. Existe una densidad crítica (" rc") de 5 protones/m3, a partir de la
cual se establece una clasificación para el Universo: si rm < rc , se dice que es cerrado; si rm rc se dice que es abierto; y si se tiene que rm = rc, entonces
el Universo es plano. Estos conceptos se refieren a la curvatura del mismo. Esto es, a MUY GRANDES RASGOS, el modelo del Big Bang (Modelo Estándar). Existen muchos aspectos que hemos omitido por falta de espacio: la problemática de la nucleosíntesis, el origen de las inhomogeneidades que dieron origen a las Galaxias, el problema del Horizonte, los modelos de materia oscura, etc. , pero que trataremos en futuros artículos.
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