Los cosmólogos han recorrido un largo camino desde que Edwin Hubble publicó esa trama de velocidad de recesión de galaxia versus la distancia. Hubble no fue el primero en descubrir lo que ahora llamamos la ley de Hubble, pero el nombre se atascó. Las mediciones de distancias extragalácticas han mejorado mucho desde entonces. Los cosmólogos han medido más galaxias, a distancias mucho mayores y con mayor precisión y exactitud.

De las cuatro fuerzas, solo la fuerza gravitacional es importante para determinar los movimientos de la materia a grandes escalas. En la década de 1920, la teoría general de la relatividad (RG) de Einstein había desplazado la teoría de la gravedad de Newton. Cualquier teoría que intente describir la dinámica y la historia del universo debe depender en última instancia de la RG.


Propuestas alternativas

Sin duda, han habido y seguirán habiendo propuestas alternativas para explicar las observaciones. Una de las primeras teorías se llamó «luz cansada«. Fritz Zwicky la propuso por primera vez en 1929. En esta teoría, la luz se vuelve más desplazada hacia el rojo a medida que viaja a través del medio intergaláctico. Más sobre esta propuesta a continuación.

La teoría de la Gran Explosión o Big Bang se desarrolló a partir de la hipótesis anterior del «átomo primitivo» o «huevo cósmico» de Georges Lemaître. La teoría del Big Bang simplemente dice que el universo era mucho más pequeño, más denso y más caliente en comparación con el presente. Se ha expandido a lo largo de su historia, causando que la materia en grandes escalas se extienda. En escalas pequeñas, la gravedad hizo que la materia se agrupara.

Originalmente, la teoría del Big Bang se construyó sobre la base teórica de la R.G. y la base empírica de la ley de Hubble. La R.G. ha funcionado muy bien en el último siglo. Ha pasado muchas pruebas observacionales y experimentales estrictas, incluida, en 2015, la primera detección directa de ondas gravitacionales.

Alexander Friedmann, y más tarde de manera independiente Georges Lemaître, Howard Robertson y Arthur Walker, derivaron la solución cosmológica a las ecuaciones de campo de la R.G. que describen un universo dinámico isotrópico y homogéneo. Estas ecuaciones no solo formaron la base de la teoría del Big Bang, sino que también apoyaron a su principal competidor, el Universo en Estado Estacionario. La teoría del estado estacionario fue propuesta por Fred Hoyle, Thomas Gold y Hermann Bondi en 1948 para eliminar la necesidad de un comienzo, lo que implicaba la teoría del Big Bang.

Predicciones y posdicciones

Cada teoría cosmológica hace predicciones diferentes, pero «publican» datos ya disponibles. Antes de la década de 1960, los modelos del Big Bang y el Estado Estacionario explicaron la ley de Hubble dentro de sus respectivos marcos, y ambos eran coherentes con todo lo demás que podíamos observar en el universo. Sin embargo, los avances continuos en la cosmología observacional pronto proporcionaron formas de probarlos. La primera prueba importante llegó en 1964 con el descubrimiento de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). Arno Penzias y Robert Wilson de laboratorios Bell midieron que la temperatura asociada con la radiación era de 3.5 +/- 1 grados K. Para obtener una interesante descripción histórica de las primeras «fallas» del descubrimiento de la radiación CMB, consulte aquí. El valor moderno es de 2,7 grados K.

Atrapados con los pantalones abajo

Este fue un descubrimiento importante por varias razones. En primer lugar, la teoría del Big Bang requería la radiación detectada por el CMB, mientras que el universo en estado estacionario guardó silencio al respecto. El modelo del universo en estado estacionario fue atrapado con sus pantalones abajo; Sus proponentes intentaron explicar la radiación de CMB después del hecho.

En segundo lugar, en 1948, Ralph Alpher y Robert Herman predijeron que la temperatura asociada con el CMB sería de 5 grados K ​​(consulte aquí un historial detallado de las predicciones de la temperatura de radiación del CMB escrita por el hijo de Alpher). George Gamow predijo un valor de 7 grados K ​​en 1953 y 50 grados K ​​en 1961. Es importante tener en cuenta que los valores predichos de la temperatura de radiación de CMB dependen de conocer cantidades tales como el valor de la constante de Hubble y la edad del universo. . Ninguno de estos se conocía con mucha precisión en ese momento. Por ejemplo, al corregir la estimación de la temperatura de Gamow en 1961 para su valor demasiado pequeño para la edad del universo, se reduce por un factor de dos (consulte aquí). En tercer lugar, se midió que la radiación CMB era uniforme en todas las direcciones, o isotrópica, lo que también confirma su estado cósmico.


La temperatura del espacio

Sin embargo, antes de 1964, los defensores del Big Bang no eran los únicos que hablaban de la «temperatura del espacio». Por ejemplo, en 1926, Arthur Eddington calculó una temperatura del espacio debido a la densidad de energía de la radiación de las estrellas alrededor del Sol. aproximadamente 3,2 grados K. Como se explica aquí, esto es solo el campo de radiación local y no la radiación CMB que llena todo el espacio. Además, esta radiación es más intensa en la región visible del espectro y es mucho más débil en la radio, donde la radiación CMB máxima alcanza su punto máximo. Eddington nunca le dio a su estimación ningún significado cosmológico. El acuerdo cercano con la temperatura de radiación de CMB es una coincidencia debido a nuestra ubicación particular en la galaxia Vía Láctea.

Otros hicieron predicciones explícitas de la temperatura de CMB en el contexto de un universo sin expansión. Incluían un quién es quién de científicos: Walther Nernst, Louis de Broglie y Max Born. Trabajaron en el marco de varios modelos de luz cansada. A diferencia de las teorías de Big Bang y el estado estacionario, se propusieron modelos de luz cansada como alternativas a la R.G. para explicar los desplazamientos al rojo. Aunque las «temperaturas del espacio» calculadas para estos modelos están cerca del valor medido de la temperatura de CMB (ver aquí), nunca obtuvieron muchos seguidores porque no brindaron un mecanismo físico plausible para que la luz se canse (vea aquí ). Más aún, el éxito de la R.G. a lo largo del siglo XX fue un fracaso en las teorías basadas en alternativas.

¿Fue esta la única predicción del Big Bang? ¡Ni por asomo! En otro post discutiré las muchas pruebas de observación adicionales de la teoría del Big Bang en los años posteriores al importante descubrimiento de Penzias y Wilson.

Foto: Antena Holmdel Horn, donde Penzias y Wilson hicieron su descubrimiento, por Fabioj [CC BY-SA 3.0], a través de Wikimedia Commons.