¿Qué evidencia existe del Big Bang?
Este año, la mitad del Premio Nobel de Física fue otorgada al astrónomo James Peebles en reconocimiento a sus importantes contribuciones a la teoría del Big Bang. Hoy en día, la teoría del Big Bang se ha convertido en la teoría dominante que describe el origen y la evolución del universo. Entonces, ¿qué evidencia sólida existe para apoyar la teoría del Big Bang?
Ley de Hubble
Antes de 1929, la idea de un universo estable estaba profundamente arraigada. Incluso Einstein creía que el universo era estático. Cuando creó la teoría general de la relatividad, introdujo una constante cosmológica en la ecuación del campo gravitacional, de modo que la ecuación no tuviera solución para el universo dinámico. Sin embargo, el trascendental descubrimiento del Hubble cambió todo eso.
En 1924, Hubble midió la distancia a lo que alguna vez se pensó que era la nebulosa de la Vía Láctea a través de las Cefeidas. Resultó que esas nebulosas no podían estar dentro del alcance de la Vía Láctea, y Hubble se dio cuenta de que en realidad eran galaxias fuera de la Vía Láctea. Estaban compuestas por una gran cantidad de estrellas como la Vía Láctea. El descubrimiento de galaxias extragalácticas abrió un nuevo capítulo en la astronomía moderna.
Poco después, mientras estudiaba los espectros de las galaxias, Hubble notó que los espectros de la mayoría de las galaxias del universo estaban desplazados al rojo. El efecto Doppler establece que la frecuencia de un sonido disminuye a medida que la fuente se aleja del observador y viceversa. La misma regla se aplica a las fuentes de luz. A medida que la fuente de luz se aleja del observador, su frecuencia disminuye, su longitud de onda se vuelve más larga y el espectro presenta un desplazamiento hacia el rojo.
Así, las galaxias cuyos espectros están desplazados al rojo indican que se están alejando de la Vía Láctea. No solo eso, cuanto más alejadas están las galaxias de la Vía Láctea, mayor es el valor de corrimiento al rojo de sus espectros, lo que significa que se alejan más rápido. Existe una relación lineal entre la distancia de una galaxia y su velocidad de recesión, que es la famosa ley de Hubble.
La gravedad omnipresente en el universo acercará las galaxias entre sí, y el hecho de que la mayoría de las galaxias estén retrocediendo muestra que la estructura del espacio se está expandiendo, lo que hace que las galaxias en el universo no sean atraídas entre sí por la gravedad. , pero para sentirse atraídos el uno por el otro. Dado que el universo se está expandiendo ahora, esto significa que en el pasado era más pequeño y más denso. Si nos remontamos al principio de los tiempos, todo en el universo, incluso el propio espacio, estaría concentrado en una singularidad infinitesimal. Así, la ley de Hubble se convirtió en la primera evidencia sólida de la teoría del Big Bang.
Radiación de fondo cósmica de microondas
Si el universo se originó a partir de una singularidad densa y caliente, entonces el universo primitivo después del Big Bang debe haber sido muy caliente. Si el universo primitivo estuviera en un estado de alta temperatura, el calor no desaparecería incluso después de decenas de miles de millones de años de expansión y enfriamiento del espacio. Peebles y otros predicen que todavía hay radiación de fondo a unos pocos grados por encima del cero absoluto en el universo actual, que puede detectarse en la banda de microondas.
En 1964, dos radioastrónomos, Wilson y Penzias, descubrieron accidentalmente una señal de radiación isotrópica. Peebles y otros pronto se dieron cuenta de que esta señal era la radiación cósmica de fondo de microondas que habían predicho antes. Los dos astrónomos que descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas ganaron el Premio Nobel de Física en 1978, y Peebles finalmente ganó el Premio Nobel de Física en 2019.
Las observaciones muestran que la radiación cósmica de fondo de microondas es muy uniforme, no importa en qué dirección mires, recibirás la misma radiación de fondo con una temperatura de aproximadamente 2,725 grados Kelvin. Provienen de un universo de 380.000 grados. años de edad. El primer rayo de luz en el universo en ese momento. En la radiación de fondo se producen fluctuaciones de temperatura de aproximadamente 5 partes por millón. Esta falta de homogeneidad extremadamente leve desencadena en última instancia la formación de estructuras de gran tamaño, como galaxias y cúmulos de galaxias. La radiación cósmica isotrópica de fondo de microondas muestra que el universo primitivo estaba en un estado de alta temperatura y alta densidad, lo que es otra evidencia independiente del Big Bang.
Abundancia de elementos cósmicos
En la Tierra, la abundancia de oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio y otros elementos en la corteza terrestre es muy alta, y los principales componentes de la La atmósfera son nitrógeno y oxígeno, pero esto no significa que ocurra lo mismo con la composición elemental del universo. Porque si miramos el universo, la Tierra es sólo una gota en el océano, y la abundancia de elementos en la Tierra está lejos de ser representativa del universo.
La masa de la Tierra es tres millonésimas de la del Sol, y la masa del Sol alcanza el 99,86 de la masa total del sistema solar.
Del análisis espectral se puede ver que el 74% de la masa solar proviene del elemento número 1, el hidrógeno, el 24,9% proviene del elemento número 2, el helio, y la proporción de masa de otros elementos pesados es muy baja. Análisis más detallados mostraron que otras estrellas y nebulosas tienen composiciones elementales similares. En total, el 75% de la masa bariónica del universo es hidrógeno, el 24% es helio y el 1% restante son otros elementos pesados, lo que concuerda completamente con las predicciones del modelo del Big Bang.
Según la teoría del Big Bang, el universo pasó por el proceso de nucleosíntesis primordial en los primeros minutos. Cuando la temperatura del universo desciende a un cierto nivel, se pueden formar núcleos de hidrógeno estables (protones) y neutrones en grandes cantidades, y los núcleos de hidrógeno se combinarán aún más con los neutrones para formar núcleos de helio. A medida que el espacio se expandió aún más y el universo se enfrió rápidamente, otros elementos más pesados no pudieron sintetizarse. Todos ellos provinieron de posteriores fusiones nucleares estelares, explosiones de supernovas y colisiones de estrellas de neutrones.
Según la proporción de masas, la nucleosíntesis primordial producirá hidrógeno y helio en una proporción de 3:1. Esta predicción es completamente consistente con los resultados de la observación. Por tanto, la abundancia de elementos en el universo es otra evidencia importante del Big Bang.
Evolución de las galaxias y uniformidad del universo
La velocidad de propagación de la luz no es infinita. Sólo pueden recorrer una distancia de 1 año luz en un año. Por lo tanto, cuando observamos el universo, lo que vemos es el universo pasado, y cuanto más miramos, antes lo vemos. Por ejemplo, el sol que vemos es hace 8,3 minutos, Vega es hace 25 años y el triángulo es 25. hace años. La galaxia fue hace 3 millones de años.
El Telescopio Espacial Hubble nos permite ver el universo profundo, permitiéndonos saber cómo era el universo primitivo. Hubble observa una serie de galaxias a diferentes distancias, representando galaxias en diferentes momentos, para que podamos entender la evolución de las galaxias. El Campo Extremadamente Profundo del Hubble nos permite ver galaxias de hace 13.200 millones de años, y las galaxias más antiguas se remontan incluso al nacimiento del universo hace sólo 400 millones de años, es decir, hace 13.400 millones de años.
En comparación con las galaxias actuales, las galaxias distantes suelen ser más pequeñas, de forma más irregular, más subdesarrolladas, contienen más estrellas jóvenes y parecen más azules. En otras palabras, a medida que pasa el tiempo, las galaxias continúan creciendo y evolucionando, y las galaxias del universo se formaron originalmente a partir de nebulosas, lo que también puede probar el modelo del Big Bang del universo.
Además, aunque las galaxias del universo se reunirán en determinados lugares para formar estructuras de gran escala como cúmulos de galaxias, a mayor escala, el universo es muy uniforme, con una consistencia de hasta 99,99. Esta también es una fuerte evidencia de la expansión y evolución uniforme del universo.
En resumen, una variedad de evidencia independiente apunta al mismo resultado: el universo alguna vez tuvo un comienzo, y el universo primitivo era más pequeño, más caliente y más denso de lo que es ahora. Aunque la teoría del Big Bang aún no es perfecta, actualmente es la mejor teoría para describir el origen y la evolución del universo, y seguirá mejorándose en el futuro.