El Big Bang en 10 minutos: lo que sabemos y lo que seguimos ignorando

Mires donde mires, una débil radiación de microondas llena el cielo. No procede de una estrella, ni de una galaxia, ni de ningún objeto escondido en la oscuridad. Es luz liberada cuando el universo tenía unos 380.000 años, mucho antes de que aparecieran las primeras estrellas. Ha viajado desde entonces y todavía podemos medirla.

Pero esa señal no es una fotografía del instante en que comenzó todo. Es una huella posterior, conservada durante casi toda la historia cósmica. ¿Cómo puede decirnos algo sobre un pasado que nadie pudo observar?

Con esta pregunta empieza un viaje que nos llevará desde los primeros instantes conocidos del universo hasta el siglo XXI. Y para arrancar hay que hacerse una pregunta enorme: ¿qué sabemos realmente sobre el Big Bang y cómo lo hemos averiguado desde este pequeño planeta, miles de millones de años después? Lo conocido es finito y lo desconocido, infinito. Vamos a ver dónde está la frontera.

El Big Bang no fue una explosión

El nombre nos obliga a imaginar algo que el modelo científico no describe: una bomba gigantesca que estalla en medio del vacío y lanza materia en todas las direcciones. Esa imagen necesita un lugar, un exterior y un centro. La expansión cosmológica no funciona así.

El modelo describe un universo temprano extremadamente caliente y denso cuyo propio espacio fue expandiéndose. No señala un punto del cielo desde el que saliera todo disparado. Si pudiéramos observar la expansión desde otra galaxia lo bastante lejana, veríamos el mismo patrón general: las grandes distancias entre galaxias aumentan. Ninguna ocupa un centro privilegiado.

La diferencia es fundamental. En una explosión convencional, los fragmentos atraviesan un espacio que ya estaba ahí. En la expansión cosmológica cambian las distancias del propio universo a gran escala. No hace falta imaginar un borde que avanza hacia un exterior desconocido.

Por eso preguntar «¿dónde ocurrió el Big Bang?» puede llevarnos por el camino equivocado. Ocurrió en todas las regiones que hoy forman el universo observable. La pregunta útil es otra: si nadie pudo contemplarlo desde fuera, ¿qué huellas dejó dentro del propio universo?

Una huella escrita en la luz de las galaxias

La expansión ha dejado una marca que podemos medir desde la Tierra, y está escrita en la luz de las galaxias. Cuando los astrónomos separan esa luz en sus distintas longitudes de onda aparecen unas líneas que funcionan como un código de barras. En las galaxias distantes, ese patrón aparece desplazado hacia longitudes de onda mayores.

Parte de ese corrimiento se debe a que el espacio se ha expandido mientras la luz viajaba. Y cuando se comparan muchas galaxias surge una relación general: dentro del flujo cósmico, cuanto más lejos está una galaxia, mayor suele ser su velocidad de recesión. Es lo que hoy llamamos ley de Hubble y Lemaître.

Ojo, porque una galaxia concreta puede tener además su propio movimiento local. Por eso los astrónomos no sacan conclusiones de un caso aislado: el patrón aparece al estudiar muchas galaxias y comparar de forma sistemática sus distancias con el desplazamiento de su luz.

Esto tampoco coloca a la Tierra en el centro. Un observador situado en otra galaxia vería, a gran escala, un patrón equivalente. La expansión pertenece a la geometría del universo, no a una huida desde nuestro planeta.

Ahora podemos rebobinar la película. Si las distancias cósmicas aumentan con el tiempo, en el pasado eran menores. Y al retroceder hacia etapas cada vez más tempranas encontramos un universo más denso y más caliente.

Una predicción arriesgada: el calor tenía que seguir ahí

Durante la era dominada por la radiación, la expansión estiraba las longitudes de onda y reducía la energía de esa radiación. El universo se enfriaba a medida que crecía. Si reconstruimos el proceso hacia atrás pasa lo contrario: la radiación gana energía, la temperatura sube y la materia queda sometida a condiciones que hoy no existen de forma natural a escala cósmica.

La idea llevaba a una predicción arriesgada. Si el universo entero había estado caliente, aquel calor no podía haber desaparecido sin dejar rastro. Tendría que existir una radiación enfriada por la expansión y presente en todo el espacio. Y esa señal apareció donde nadie esperaba encontrar una de las pruebas más importantes de la cosmología moderna.

La señal que llena todo el cielo

En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson publicaron la medición de un exceso de temperatura captado por una antena de microondas. La señal era aproximadamente igual en todas las direcciones, no estaba polarizada y no cambiaba con las estaciones. No parecía venir del Sol, ni de la Tierra, ni de ninguna fuente concreta del cielo.

Una posible explicación conectaba aquella señal con una predicción anterior: el resto térmico de un universo joven, caliente y denso. La medición abrió una puerta, pero hacía falta estudiar esa radiación con mucha más precisión.

Años después, el instrumento FIRAS del satélite COBE comparó el fondo cósmico con el espectro de un cuerpo negro, que es la forma característica de una radiación térmica. El ajuste fue extraordinario: las desviaciones medidas eran inferiores a cincuenta partes por millón respecto al máximo del espectro.

La prueba gana fuerza porque el modelo del universo caliente predecía dos cosas: una radiación extendida por todo el cielo y con unas propiedades térmicas muy concretas. Las observaciones comprobaron ambas con una precisión cada vez mayor.

Eso sí, esa radiación no procede del instante cero. Fue liberada cuando el universo tenía unos 380.000 años y se volvió transparente a la luz. Es la imagen electromagnética más antigua que podemos observar directamente. Vemos la infancia del universo, no su nacimiento.

Hay además otra comprobación que no depende de mirar el fondo de microondas. Un universo muy caliente permite calcular qué proporciones de ciertos elementos ligeros debieron producirse en sus primeras etapas. Las abundancias primordiales que se deducen de las observaciones concuerdan, en general, con esas predicciones. El encaje no es perfecto en todos los casos, pero es una prueba independiente de aquel pasado caliente. Distintas huellas conducen a la misma historia.

De dónde salen los 13.800 millones de años

Nadie encendió un cronómetro cuando empezó la expansión. Entonces, ¿de dónde sale la cifra de 13.800 millones de años?

Los cosmólogos construyen un modelo que relaciona la expansión, el contenido del universo y las propiedades de la radiación cósmica de fondo. Después ajustan ese modelo a las observaciones. Los datos de misiones como Planck permiten estimar sus parámetros con una precisión enorme, y dentro del modelo cosmológico estándar el resultado sitúa la edad del universo en torno a los 13.800 millones de años.

Las observaciones no traen esa edad escrita. Aportan medidas que tienen que encajar todas a la vez. Cuando los parámetros que mejor explican esos datos se introducen en el modelo, obtenemos el tiempo transcurrido desde aquella fase inicial.

La cifra es muy precisa, pero depende del modelo. No hemos observado cada instante, ni sabemos reconstruir toda la historia con independencia de nuestras hipótesis. Lo que tenemos es un marco compacto que explica muchas observaciones a la vez y supera pruebas muy exigentes. Su éxito permite hablar de una edad concreta, y al mismo tiempo nos obliga a distinguir entre una medición directa y una inferencia extraordinariamente bien respaldada.

¿Qué había antes del Big Bang?

Es probablemente la pregunta más irresistible de toda la cosmología. Y también una de las que exigen más prudencia.

La física puede reconstruir etapas muy tempranas y comprobar algunas de sus consecuencias. Una de las ideas más influyentes es la inflación: una fase de expansión extremadamente rápida que ayudaría a explicar varias propiedades del universo que observamos. Los datos de Planck han descartado o acotado muchas versiones de esta idea y son compatibles con algunos modelos sencillos. Pero no hemos observado directamente un campo inflacionario ni conocemos un mecanismo único al que podamos declarar vencedor.

Si intentamos ir aún más atrás aparecen hipótesis distintas sobre la causa de la expansión o sobre un posible estado anterior. Ninguna tiene todavía una confirmación observacional que permita presentarla como la respuesta. Tampoco se puede afirmar sin matices que la ciencia haya demostrado que antes no existía nada o que el tiempo empezara necesariamente ahí.

La dificultad no está solo en formular una idea matemática. Esa idea tiene que producir alguna consecuencia que podamos contrastar. Sin una señal capaz de diferenciarla de sus alternativas, tendremos una posibilidad interesante, pero no una reconstrucción confirmada del pasado.

Incluso las mediciones actuales conservan discrepancias, como la llamada tensión de Hubble: distintas maneras de estimar la constante de Hubble dan valores que no terminan de coincidir. Puede deberse a problemas de medición, a límites del modelo o a física todavía desconocida. Reconocer esta frontera no debilita la explicación. Indica exactamente dónde terminan las pruebas y dónde empieza la investigación.

Lo que sabemos, en pocas palabras

Ya podemos responder a la pregunta del principio. Reconstruimos un universo temprano caliente y denso porque tres huellas distintas apuntan al mismo pasado:

• la expansión, escrita en la luz de las galaxias;
• la radiación cósmica de fondo, con su espectro casi perfecto de cuerpo negro;
• las proporciones de los elementos ligeros.

Pero acabamos de abrir una pregunta nueva. La expansión había puesto en marcha el enfriamiento del universo, y ahora toca entrar en aquella materia primitiva: ¿cómo aparecieron las primeras partículas, los primeros núcleos y, mucho después, los primeros átomos? Es el siguiente capítulo de esta historia. Mientras tanto, si quieres verlo todo contado en imágenes, tienes el vídeo completo de El Big Bang en 10 minutos en Historias de la Historia.

Fuentes

• Arno A. Penzias y Robert W. Wilson, *A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s*, The Astrophysical Journal, 1965 (resumen reproducido por el laboratorio APC, Université Paris Cité)
• Nobel Prize Outreach, *Arno Penzias: Facts* (Premio Nobel de Física 1978)
• D. J. Fixsen et al., *The Cosmic Microwave Background Spectrum from the Full COBE/FIRAS Data Set*, The Astrophysical Journal, 1996 (arXiv:astro-ph/9605054)
• ESA, *Planck and the cosmic microwave background*
• ESA, *Planck reveals an almost perfect Universe*, 2013
• Planck Collaboration, *Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters*, Astronomy & Astrophysics, 2020 (arXiv:1807.06209)
• Planck Collaboration, *Planck 2018 results. X. Constraints on inflation*, Astronomy & Astrophysics, 2020 (arXiv:1807.06211)
• Edwin Hubble, *A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae*, PNAS, 1929 (PubMed Central)
• Encyclopaedia Britannica, *Hubble's law* (ley de Hubble y Lemaître)
• Chelsea Gohd, *IAU vote recommends changing the name of Hubble's law*, Astronomy, 2018
• Helge Kragh, *Hubble Law or Hubble-Lemaître Law? The IAU Resolution*, 2018 (arXiv:1809.02557)
• Encyclopaedia Britannica, *Big-bang model*
• NASA Space Place, *What Is the Big Bang?*
• Johns Hopkins University (Hub), *Webb telescope's largest study of universe expansion confirms challenge to cosmic theory*, 2024 (tensión de Hubble)
• Ryan Cooke, *Big Bang Nucleosynthesis*, Durham University, 2024 (arXiv:2409.06015)
• Brian D. Fields, *The Primordial Lithium Problem*, Annual Review of Nuclear and Particle Science, 2011 (arXiv:1203.3551)
• CERN, *The early universe*
• Edward L. Wright, *Frequently Asked Questions in Cosmology*, UCLA