BIG BANG

Cuando apenas eramos unos átomos: La Química del Universo Sabemos que vivimos en un planeta. Sabemos que este planeta gira alrededor de una estrella. Sabemos también que esta estrella, el Sol, gira alrededor del centro de la Vía Láctea, y que lo mismo hacen las miles de millones de estrellas que pueblan nuestra acogedora galaxia. Sabemos de que están hechas las estrellas, y que se formaron en un pasado muy muy lejano de gigantescas nubes de Hidrógeno que colapsaron para crearlas. Sabemos que estas nubes de hidrógeno se crearon de… Mmmm, ¿De qué se crearon estas nubes de hidrógeno? Ciertamente podemos darle una explicación racional y lógica a varios de los objetos que observamos en el cielo. Sin embargo, todo esto que observamos ¿¡de donde rayos salió!? ¿Apareció de pronto todo lo que observamos, como por arte de magia? ¿Dónde y cómo se creo todo lo que observamos? La respuesta hace 400 años probablemente incluía dentro de sus ecuaciones la intervención divina y no nos hacíamos este tipo de preguntas simplemente porque la respuesta a todo lo que conocíamos recibía el nombre de Dios. Todo lo que veíamos y observábamos en el cielo debía su existencia a las bondades divinas. Bien lo sabe Galileo, que fue obligado por la Iglesia Católica a retractarse de que la Tierra giraba en torno al Sol a cambio de ser quemado en la hoguera. El tiempo y el desarrollo de las ciencias sin embargo nos contaron otra historia. El problema de la creación del universo comenzó a ser explorado desde otras aristas, y después de una existencia entera como raza, hemos llegado a una explicación razonable a cómo y por qué vemos todo lo que vemos. Esta teoría tiene nombre y apellido, y se llama Teoría del Big Bang o Teoría de la Gran Explosión. Todos tienen como la visión cuando leen u oyen sobre el Big Bang de esta gigantesca explosión que de pronto estalló y que dio origen al Universo, y en realidad ocurrió más o menos de esa manera. Se han hecho observaciones y estas indican que en algún instante todo tuvo que haber comenzado con un evento de proporciones como el Big Bang. Tan solo unos instantes luego del Big Bang, mientras el Universo se expandía rápidamente desde un estado inimaginablemente denso, a temperaturas imposiblemente altas, algo maravilloso ocurrió. Luego de aproximadamente 3 minutos de ocurrida esta explosión comenzaron a formarse los primeros átomos. Lo mas sorprendente de todo es que la evidencia de que el universo comenzó como una gigantesca bola de fuego la podemos encontrar en cada uno de los átomos que componen las estrellas, planetas e incluso nosotros mismos. La Teoría Nucleosíntesis del Big Bang (BBN) es la rama de la astrofísica encargada de relacionar las abundancias químicas observadas con las predicciones teóricas de la Teoría del Big Bang y es uno de los pilares fundamentales de la cosmología moderna. De hecho estudiando solo las abundancias de los elementos más livianos como el Hidrógeno y el Helio, BBN entrega un cuadro detallado del origen cósmico de los átomos. Hasta el momento podemos distinguir más de 116 elementos químicos diferentes, cada uno con sus propias particularidades. El cobre, por ejemplo, es un metal y posee un color rojizo mientras que el oxígeno se encuentra presente en estado gaseoso y muchas veces se hace invisible a nuestra vista. La diferencia entre uno y otro reside principalmente en la cantidad de átomos que componen cada elemento químico de la tabla periódica. Gracias a los descubrimientos realizados durante los primeros decenios del siglo pasado, podemos conocer y comprender la realidad del átomo y su estructura interna. Cada átomo contiene un núcleo central que a su vez esta compuesto por uno o más protones con carga positiva. El Hidrógeno, el átomo más simple y abundante en el Universo, tiene tan solo un protón en su núcleo. De este modo es el número de protones en el núcleo lo que marca la diferencia entre un elemento y otro. Al interior del núcleo podemos encontrar también otra partícula, el Neutrón. El Neutrón es ligeramente mas pesado que el protón y carece de carga eléctrica. Tal y como lo indica su nombre, es eléctricamente neutro. La presencia o ausencia de neutrones en el núcleo es lo que hace la distinción entre variaciones de un mismo elemento. A estas variaciones en el número de neutrones les llamamos Isótopos. Un tercer tipo de partícula participa también de la estructura del átomo y recibe el nombre de Electrón. Este se encuentra fuera del núcleo orbitándolo, tal y como lo hace la Tierra con respecto al Sol. Esta partícula es mucho más pequeña y liviana que el protón y el neutrón, y posee carga eléctrica negativa. Esta descripción de la estructura interna de los átomos fue un gran acierto en el desarrollo de las ciencias naturales pues nos entrego información fundamental para entender y comprender la naturaleza de la materia. Fue durante un viaje en tren realizado el año 1937 que el físico Hans Bethe (1906 – 2005), mientras regresaba a su casa en Ithaca, Nueva York de una conferencia de física nuclear, dio las primeras luces al misterio de los interiores estelares. Basándose en las altas temperaturas y densidades inferidas por los astrónomos para los interiores estelares, Bethe demostró como es posible que elementos simples se junten para formar elementos de mayor complejidad, liberando energía en el proceso de fusión. Esto permitió comprender como la fusión nuclear sirve de combustible para una estrella y como los núcleos de estas son verdaderas fábricas de elementos químicos pesados. De esta manera podíamos entonces explicar la existencia de todos los elementos químicos y sus abundancias respectivas en el Universo. Se elaboró un modelo para estas abundancias basados en la nucleosíntesis estelar y se calculó teóricamente la abundancia química de los principales elementos presentes en el Universo. La teoría predecía abundancias de Hidrógeno y Helio en cantidades completamente diferentes a lo que se observaba. Las abundancias para átomos como Carbono, Oxígeno y Hierro predichas por la teoría eran observables en las estrellas, sin embargo había un gran problema pues la nucleosíntesis estelar entregaba un Universo con muy poquito Helio, cuando eso no era precisamente lo que observábamos. Aproximadamente un 24% de la materia del Universo se encuentra en forma de Helio molecular, menos de un 2% en elementos mas pesados que este y todo el resto corresponde a Hidrógeno molecular. La gran discrepancia entre teoría y observación causo muchos problemas pues nadie sabía de donde estaba el error y durante muchos años los astrónomos trabajaron duro para resolver esta aparente paradoja. No fue sino hasta el año 1948 que comenzaron a aparecer nuevas ideas sobre como resolver el problema de las abundancias químicas. Ralph Alpher, físico norteamericano, con la ayuda de George Gamow, físico ruso y reconocido ebrio, comenzaron a pensar en los mismos procesos de nucleosíntesis pero no ya en estrellas, sino en el comienzo de los tiempos cuando el Universo estaba recién comenzando su expansión. Gamow le preguntó a Alpher, que ocurriría en un Universo que comienza infinitamente pequeño, denso y caliente pero que se expande hasta enfriarse alcanzando el tamaño actual. Más específicamente, Gamow le pidió a su pupilo que trabajara en las reacciones nucleares que podrían ocurrir en los estados tempranos del Universo, cuando este era caliente y denso. Si bien los primeros cálculos no fueron del todo precisos, fueron los primeros pasos en la construcción de la teoría de Nucleosíntesis del Big Bang. Si bien esta teoría no fue bien aceptada los primeros años, a mediados de los 60s nuevos datos le dieron la razón a Alpher y Gamow, y la teoría del Big Bang y de como reaccionaban los átomos los primeros instantes fue finalmente aceptada socialmente. Cuando miramos en el cielo profundo vemos a las galaxias alejarse aceleradamente de nosotros. El premio Nobel de Ciencias del año recién pasado de hecho lo recibió un grupo de astrónomos que demostraron que nuestro Universo se encuentra en un estado de expansión acelerada. De modo que si damos vuelta el sentido en el que giran los relojes hacía el tiempo del Big Bang esta expansión se invierte, y el cosmos cada vez se comienza a volver más denso y caliente. Estructuras como estrellas, planetas y galaxias se derriten todas en una espesa sopa de gas primordial. Mas atrás en el tiempo aún, este gas primordial se descompone en un océano infinitamente caliente de protones, neutrones y otras partículas subatómicas. En este punto el Universo tiene una temperatura de miles de millones de grados Celsius y una densidad tal que una cucharadita de este Universo temprano pesaría más de 100.000 toneladas. Es aquí donde la Nucleosíntesis del Big Bang toma las riendas del asunto. Tenemos entonces un mar ultra denso y caliente de protones y neutrones y otras partículas, entonces ¿cómo se forman los átomos? Un núcleo de Hidrógeno está compuesto por 1 protón y el Helio tiene dos protones y dos neutrones. ¿Cómo es que se forma entonces desde un átomo de Hidrógeno uno de Helio? La fusión de Hidrógeno en Helio es una batalla campal entre la fuerza Electromagnética y la fuerza Nuclear Fuerte, dos de las fuerzas que gobiernan el comportamiento y la interacción entre las componentes del cosmos. La fuerza Electromagnética es de repulsión entre dos partículas que poseen la misma carga y de atracción si es que las cargas son opuestas. De este modo si queremos unir dos protones (ambos poseen la misma carga) necesitamos superar la fuerza electromagnética de repulsión. Por otro lado la fuerza Nuclear Fuerte es aquella que permite que los protones y los neutrones permanezcan unidos al interior del núcleo atómico, y esta actúa solo a distancias cortas. A gran escala la fuerza electromagnética manda y la fuerza Nuclear Fuerte es despreciable, sin embargo si acercamos el protón lo suficientemente a otro protón la fuerza EM se hace despreciable con respecto a la nuclear Fuerte, produciéndose la fusión entre los dos protones. Esto es exactamente lo que ocurrió los primeros instantes del Big Bang. En esta sopa de partículas elementales a alta temperatura y alta densidad, las partículas poseen la energía necesaria para chocar unas con otras superando la barrera electromagnética quedando fusionadas, formándose en el proceso los elementos químicos primordiales. Sin embargo el Universo se expandía y enfriaba rápidamente provocando la disminución de la densidad y temperatura, por lo que el proceso de fusión nuclear en el Universo temprano tenía sus segundos contados. Lo que la nucleosíntesis estelar no pudo explicar la nucleosíntesis del Big Bang hizo con lujo de detalles y con un nivel de precisión hermosamente alto. El modelo de BBN predecía el 24% de Helio molecular que observábamos, y lo que fue más hermoso aún, la precisión del modelo nos gritaba que efectivamente en algún momento en un pasado remoto efectivamente ocurrió un Big Bang. Todo aquello que no se pudo fusionar debido al enfriamiento por la expansión del Universo, quedo en forma de átomos del hidrógeno. Estos posteriormente formaron las primeras nubes de Hidrógeno, que sirvieron de material para la construcción de las primeras estrellas, que luego de formadas comenzaron a organizarse para formar las galaxias. Del material circundante a las estrellas se comenzaron luego a formar los planetas, y luego de unos cuantos miles de años, en estos planetas comenzaron a aparecer las primeras formas de vida, las cuales evolucionaron, desarrollaron su intelecto, y comenzaron a mirar al cielo buscando las respuestas a las preguntas que hoy por hoy nos estamos respondiendo.