PARTE V · Astronomía y cosmología
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Expansión, Big Bang y universo temprano
La historia térmica reconstruida mediante expansión, radiación y composición
En este capítulo
La expansión de las distancias cósmicas sugiere que, al reconstruir el pasado, la materia estuvo más concentrada. Esa idea por sí sola no demuestra que el universo haya atravesado una etapa caliente: hace falta buscar consecuencias que no dependan únicamente del movimiento de las galaxias. La radiación de fondo y las abundancias de elementos ligeros proporcionan dos pruebas diferentes. Junto con la expansión, permiten construir una historia térmica contrastable, no sólo una película invertida de objetos que se separan. (Cyril Pitrou y colaboradores, 2018, Precision big bang nucleosynthesis with improved Helium-4 predictions)
El modelo del Big Bang caliente describe un universo que evolucionó desde condiciones mucho más densas y calientes hacia el estado observado. No afirma que una explosión ocurriera en un punto central dentro de un espacio vacío preexistente. Tampoco convierte todas las propuestas sobre el origen último en hechos comprobados. Su núcleo empírico es una relación entre expansión, enfriamiento, composición y señales que todavía se pueden medir.
Para seguir esa relación conviene empezar por lo que cambia al expandirse el universo, después identificar cuándo la materia puede formar núcleos y átomos, y finalmente explicar cómo pequeñas diferencias de densidad crecen hasta producir la estructura del capítulo anterior. El orden histórico y el orden de descubrimiento no son el mismo; aquí guía el mecanismo.
45.1. Qué significa que el espacio se expanda#
A gran escala, la cosmología describe una distribución aproximadamente homogénea: sus propiedades estadísticas no dependen de elegir una posición particular. También se prueba su isotropía, la ausencia de una dirección privilegiada en esas propiedades medias. Esto no dice que cada región sea idéntica ni niega galaxias y vacíos. Es una aproximación para escalas donde esas diferencias pueden tratarse como perturbaciones sobre un fondo medio. Los análisis cosmológicos de Planck hacen explícito ese marco y contrastan sus predicciones con la radiación observada. (Colaboración Planck, 2020, Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters)
Dentro de esa descripción, puede seguirse una separación entre dos regiones que acompañan el flujo de expansión. Se asigna a sus posiciones una coordenada que no cambia sólo por ese flujo, llamada comóvil. La distancia física entre ellas, medida en una misma época cosmológica, varía con un factor de escala:
El crecimiento puede describirse por la tasa fraccionaria
donde el punto indica derivada respecto del tiempo.
La aproximación no debe imponerse a sistemas ligados. La distancia entre planetas y su estrella está gobernada por su dinámica local, no por una regla que multiplique automáticamente cada órbita por

Clave de lectura. La cuadrícula es una ayuda de coordenadas, no una sustancia. El esquema describe expansión a gran escala y no establece la forma, tamaño total o topología del universo.
45.2. El corrimiento al rojo conserva una relación entre épocas#
Una línea espectral conocida se identifica por un patrón de transiciones, no por su color aislado. Cuando la expansión domina el cambio de longitud de onda, la comparación entre emisión y recepción proporciona
En distancias pequeñas comparadas con la escala cosmológica, la relación entre velocidad, distancia y corrimiento puede aproximarse de forma sencilla. A grandes distancias es necesario distinguir velocidad local, recesión cosmológica y diferentes definiciones de distancia. Una recesión definida entre regiones remotas puede superar numéricamente la velocidad de la luz sin que un objeto pase junto a otro a velocidad local superior a ella. El límite relativista se aplica a mediciones locales; comparar lugares separados en una geometría cambiante requiere otra construcción.
El corrimiento tampoco es una prueba aislada suficiente de cualquier historia de expansión. Las distancias luminosas, los tamaños angulares y la evolución temporal de señales ofrecen relaciones adicionales. Un modelo que explicara sólo el desplazamiento de líneas, pero no sus conexiones con brillo, duración y fondo térmico, dejaría sin explicar buena parte de la evidencia.
La comparación de épocas obliga además a recordar qué se observa. Una galaxia distante se registra como era al emitir la señal. Su distancia propia en aquella época, la distancia propia atribuida a su posición en la época presente y el tiempo de viaje de la luz son cantidades diferentes. La distinción desarrollada en el capítulo 34 impide imaginar que una sola cifra de distancia contiene toda su historia.
45.3. La expansión cambia densidad y temperatura de maneras relacionadas#
Considérese una región comóvil con un número fijo de partículas masivas, cuya creación y destrucción puedan ignorarse. Si cada longitud aumenta por un factor dos, el volumen aumenta por ocho. La masa se reparte entonces en ocho veces más volumen. Por eso la densidad de materia no relativista disminuye como
La radiación experimenta un efecto adicional. La cantidad de fotones por unidad de volumen se diluye de la misma forma, pero cada fotón pierde energía medida por los observadores comóviles al aumentar su longitud de onda. Como la energía del fotón es inversamente proporcional a ésta, aparece otro factor
La diferencia tiene una consecuencia histórica. Al reconstruir hacia valores menores de
Una distribución térmica de fotones conserva su forma durante esa expansión ideal y su temperatura varía inversamente con el factor de escala. Doblar
Tampoco hay que exigir que la energía perdida por los fotones se deposite en un recipiente exterior. En relatividad general, las leyes locales de conservación se mantienen, pero una suma global de energía conservada no se define en cualquier geometría de la misma manera que en un sistema estático. La expansión no necesita un espacio externo donde almacenar una supuesta reserva de esa pérdida. El lenguaje de energía requiere respetar el sistema y las simetrías a los que se aplica.
45.4. Los primeros núcleos se forman durante una ventana limitada#
En etapas muy tempranas, las energías eran demasiado altas para que ciertas estructuras compuestas permanecieran estables. Conforme el universo se expandía, cambiaban las tasas de reacción y las posibilidades de supervivencia. La nucleosíntesis primordial es la formación de núcleos ligeros durante los primeros minutos, no la creación simultánea de todos los elementos de la tabla periódica.
Protones y neutrones podían formar deuterio, un núcleo con uno de cada especie. Pero una radiación suficientemente energética podía destruirlo. Aunque la energía media de los fotones descendiera, la gran cantidad de fotones respecto de núcleos mantenía una fracción capaz de romper deuterio durante un tiempo. Cuando éste pudo sobrevivir, abrió rutas hacia núcleos más estables, especialmente helio-4.
La cantidad de neutrones disponible dependía de las interacciones que los transformaban en protones y de su desintegración cuando quedaban libres. La expansión competía con las reacciones: al bajar la densidad, los encuentros se volvieron menos frecuentes y la construcción dejó de avanzar eficazmente. La abundancia resultante conserva información sobre tasas nucleares, tiempo de expansión y contenido del universo. (Cyril Pitrou y colaboradores, 2018, Precision big bang nucleosynthesis with improved Helium-4 predictions)
El resultado incluye sobre todo hidrógeno y helio, con cantidades pequeñas de deuterio, helio-3 y otros núcleos ligeros. La fracción primordial de helio-4 ronda una cuarta parte de la masa bariónica, no una cuarta parte del número de átomos: un núcleo de helio reúne aproximadamente cuatro veces la masa de uno de hidrógeno. No precisar esa diferencia produce comparaciones incorrectas entre abundancias. (Cyril Pitrou y colaboradores, 2018, Precision big bang nucleosynthesis with improved Helium-4 predictions)
El proceso no continuó fabricando grandes cantidades de carbono y elementos pesados. La rápida expansión y las limitaciones de las rutas nucleares intermedias restringieron el resultado. Las condiciones duraderas y densas del interior estelar permitieron después otras reacciones. La nucleosíntesis del capítulo 41 complementa, no reemplaza, la primordial.
Para contrastar la predicción se buscan materiales poco modificados por generaciones estelares. Cooke, Pettini y Steidel analizaron líneas de absorción de deuterio en gas poco enriquecido frente a cuásares y combinaron mediciones para estimar su abundancia primordial. La señal observada es un espectro de gas posterior; su conexión con los primeros minutos exige controlar contaminación, estructura de velocidades y procesamiento químico. (Ryan Cooke, Max Pettini y Charles C. Steidel, 2018, One percent determination of the primordial deuterium abundance)
La fuerza de la prueba reside en comparar varias abundancias y la densidad bariónica que se infiere por otras vías. No todas las discrepancias tienen que significar nueva física: importan tasas de reacción medidas en laboratorio, modelos de las fuentes y modificaciones del material observado. Un cálculo muy preciso no vuelve automáticamente igual de precisa la reconstrucción del estado primordial a partir de objetos reales.
45.5. La recombinación libera la propagación de la luz#
Formar núcleos no es formar átomos completos. Durante mucho tiempo, la materia permaneció como plasma: núcleos y electrones libres. La radiación se dispersaba frecuentemente en esos electrones, de modo que no podía recorrer largas distancias sin cambiar de dirección. La opacidad impedía obtener una imagen directa de regiones remotas en aquel estado, aunque la radiación ya existiera.
Cuando la temperatura y las tasas de interacción permitieron que muchos electrones quedaran ligados a núcleos, disminuyó mucho la densidad de electrones libres. Esa transición se denomina recombinación, aunque para gran parte de la materia fuera la primera formación estable de átomos. En la cronología cosmológica habitual, la transición principal del hidrógeno se sitúa alrededor de 380 000 años después del comienzo de la etapa caliente reconstruida. (NASA, Overview — Cosmic History)
La reducción de dispersiones permitió que gran parte de la radiación siguiera propagándose hasta el presente. La época en que un fotón de ese fondo interactuó por última vez de forma importante con la materia se asocia a la última dispersión. No es una pared física que rodee al observador: es una región de la historia que se ve en cada dirección porque sus señales alcanzan la observación presente.
La radiación cósmica de fondo no fue creada en su totalidad al unirse electrones y núcleos. El plasma contenía ya una intensa radiación térmica. La recombinación produjo también emisión específica, pero el fondo de microondas es principalmente aquella radiación previa, liberada de su acoplamiento intenso con la materia y enfriada por la expansión. Confundir ambos procesos alteraría la interpretación de su espectro.
El universo no se volvió transparente a todas las longitudes de onda y en todas las regiones de una sola vez. Los átomos neutros podían absorber determinadas frecuencias, y estructuras posteriores introdujeron otras opacidades. Desacoplamiento significa una caída importante de la interacción que dominaba la propagación, no ausencia eterna de cualquier interacción entre luz y materia.

Clave de lectura. El fondo térmico procede de radiación previa cuyo último contacto intenso con la materia deja una señal observable. La emisión de recombinación existe, pero no explica por sí sola el fondo de microondas.
45.6. Un fondo casi uniforme contiene información en sus diferencias#
La radiación cósmica de fondo de microondas llega desde todo el cielo y presenta un espectro muy próximo al térmico de un cuerpo negro. Una síntesis y recalibración publicada por Fixsen en 2009 situó su temperatura en torno a 2,7255 kelvin. Ese valor caracteriza la radiación de fondo, no la temperatura común de estrellas, gas y espacio en cualquier circunstancia. (D. J. Fixsen, 2009, The Temperature of the Cosmic Microwave Background)
Un espectro térmico tan preciso favorece una historia donde la radiación estuvo en estrecho equilibrio con materia y después evolucionó de manera compatible con la expansión. No se explica simplemente sumando la luz visible de todas las estrellas y cambiándole el nombre. Las estrellas tienen temperaturas, edades y entornos distintos, y su mezcla no reproduce por sí sola la señal observada con sus propiedades espaciales.
Sobre la temperatura media aparecen pequeñas variaciones según dirección, llamadas anisotropías. Sus amplitudes características son del orden de una parte en cien mil, después de separar contribuciones dominantes como nuestro movimiento respecto del fondo. Su medición exige controlar emisión galáctica, otras fuentes y respuesta instrumental. Los resultados de Planck relacionan esas diferencias con modelos del plasma temprano y de la geometría cosmológica. (Colaboración Planck, 2020, Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters)
Antes del desacoplamiento, materia ordinaria y radiación actuaban como un medio acoplado. La gravedad favorecía concentraciones; la presión de la radiación se oponía a la compresión y permitía oscilaciones. Regiones de distinto tamaño no habían completado la misma fase de oscilación al liberarse la radiación. Ese patrón deja preferencias de amplitud en diferentes escalas angulares.
La comparación no consiste en señalar una mancha y decir que se convertirá en una galaxia concreta. Se estudia estadísticamente cuánto varía la señal al comparar direcciones separadas por distintos ángulos. La relación entre escalas físicas tempranas y ángulos observados restringe geometría y distancias; las amplitudes relativas aportan información sobre componentes de materia y condiciones iniciales.
La polarización añade otra medida. Describe una orientación preferente de la oscilación electromagnética de la radiación y se genera en circunstancias específicas de dispersión. Sus patrones ayudan a separar hipótesis y errores, aunque también reciben contribuciones posteriores. Medir varias propiedades de la misma radiación amplía las pruebas; no convierte cada análisis en un experimento completamente independiente de los restantes.
45.7. De pequeñas diferencias a primeras fuentes luminosas#
Un universo perfectamente uniforme no produciría espontáneamente un patrón determinado de galaxias sin perturbaciones. Las pequeñas diferencias iniciales ofrecen puntos donde la gravedad puede aumentar concentraciones. La expansión no impide todo crecimiento: establece un contexto en el que la atracción, la presión y el tiempo disponible compiten.
La materia oscura, en el modelo habitual, no permanece acoplada a los fotones como el plasma bariónico. Puede construir concentraciones gravitatorias mientras la presión de la radiación dificulta ciertos modos de agrupamiento de la materia ordinaria. Tras el desacoplamiento, el gas responde con mayor libertad a esas distribuciones, aunque su presión y capacidad de enfriamiento siguen limitando el colapso. Las simulaciones de crecimiento de estructura hacen explícita esta conexión entre condiciones tempranas y agrupamiento posterior. (Volker Springel y colaboradores, 2005, Simulating the joint evolution of quasars, galaxies and their large-scale distribution)
Aumentar la densidad no basta para formar una estrella. El gas necesita disipar energía y fragmentarse en las condiciones adecuadas, siguiendo el mecanismo del capítulo 41. Las primeras generaciones carecían del mismo enriquecimiento químico que el gas solar, por lo que sus rutas de enfriamiento y distribuciones de masa son un problema físico específico. Las predicciones dependen de modelos; no se dispone de un inventario directo y completo de cada primera estrella.
La expresión edades oscuras designa el intervalo anterior a la aparición de las primeras fuentes estelares importantes. No significa ausencia de materia ni de radiación: el fondo seguía existiendo. Con las primeras estrellas y fuentes de acreción, la radiación energética comenzó a modificar de nuevo el estado del gas. La luz ultravioleta podía separar electrones de átomos, proceso llamado reionización. (NASA, Overview — Cosmic History)
La reionización no encendió todo el universo a la vez. Regiones alrededor de fuentes se ionizaron y crecieron, mientras otras conservaron gas neutro durante más tiempo. Para reconstruirla se comparan absorción en fuentes distantes, propiedades de poblaciones y efectos sobre el fondo. La cantidad de fotones producidos y la fracción que logra escapar de cada galaxia importan tanto como el número de fuentes.
Esta etapa muestra por qué cosmología y astrofísica no pueden separarse por completo. La expansión determina tiempos y densidades de fondo, pero la evolución de estrellas y gas determina cómo aparecen las señales luminosas. Una incertidumbre en las primeras poblaciones estelares no equivale a una incertidumbre idéntica en la existencia del fondo térmico o de la expansión.
45.8. Inflación: una propuesta anterior a las etapas mejor comprobadas#
La regularidad del universo temprano plantea preguntas adicionales. Regiones muy separadas del fondo presentan propiedades similares, y la geometría observada es compatible con una curvatura espacial pequeña en las escalas que se pueden probar. Un modelo que simplemente prolonga hacia atrás una expansión desacelerada tiene que explicar por qué esas condiciones iniciales resultan tan coordinadas.
La inflación cósmica propone una etapa muy temprana de expansión acelerada. En familias de modelos inflacionarios, una región que pudo compartir procesos físicos se expande hasta abarcar una extensión mucho mayor; además, las fluctuaciones de campos pueden proporcionar perturbaciones iniciales. Al terminar esa etapa, la energía del mecanismo propuesto debe convertirse en materia y radiación para conectar con la evolución caliente posterior.
La propuesta tiene consecuencias observables: propiedades estadísticas de las perturbaciones, relaciones entre escalas y, en algunos modelos, un fondo de ondas gravitacionales primordial. Los análisis de Planck restringen familias de modelos mediante temperatura y polarización, pero no identifican una partícula inflacionaria ni establecen una única dinámica microscópica. Compatibilidad con un conjunto de predicciones no es una observación directa del mecanismo. (Colaboración Planck, 2020, Planck 2018 results. X. Constraints on inflation)
No todos los modelos inflacionarios hacen la misma predicción. Algunos pueden descartarse mientras otros permanecen compatibles. Tampoco una observación de ondas gravitacionales procedentes de agujeros negros, como las del capítulo 42, equivale a detectar ondas de una etapa primordial: son fuentes, frecuencias e inferencias diferentes.
La distinción editorial y científica es esencial. El Big Bang caliente y la inflación no deben agruparse como si su evidencia fuera idéntica. El primero conecta expansión, espectro térmico y composición primordial; la segunda intenta explicar condiciones y perturbaciones anteriores mediante hipótesis que requieren pruebas adicionales. Un límite impuesto a un modelo temprano no borra automáticamente los éxitos del modelo térmico posterior.

Clave de lectura. La longitud de cada tramo no mide duración. Las etapas se ordenan cronológicamente, pero cada una se reconstruye con señales y supuestos distintos; el esquema no fija un instante inicial observado.
45.9. Qué reconstruye la cosmología y qué no autoriza a afirmar#
La edad cosmológica se obtiene integrando una historia de expansión inferida, no midiendo un reloj situado en el origen. Dentro del modelo de referencia y sus datos, la estimación ronda 13 800 millones de años. La comparación con edades estelares y otras cronologías ofrece controles adicionales, pero la cifra conserva una dependencia de modelo que debe reconocerse. (NASA / LAMBDA, Age of the Universe)
Esa duración no fija por sí sola el radio actual del universo observable multiplicándola simplemente por la velocidad de la luz. Las regiones emisoras cambiaron su distancia mientras la señal viajaba. La distinción entre tiempo de viaje y distancia propia, ya explicada, impide deducir un tamaño total a partir de una edad. El universo observable tampoco equivale al universo entero.
Prolongar ecuaciones clásicas hacia condiciones extremas puede conducir a una singularidad, donde ciertas magnitudes divergen y la descripción pierde capacidad física. Esa extrapolación no constituye una fotografía de un punto material de densidad infinita. Para interpretar regímenes donde gravedad y efectos cuánticos compiten se necesita una descripción que pueda justificarse y contrastarse, no convertir el fallo de una aproximación en un objeto observado.
Otras preguntas permanecen diferenciadas: por qué existe una abundancia neta de materia frente a antimateria, cuál es la naturaleza de la materia oscura o qué produjo las perturbaciones iniciales. Una explicación de una de ellas debe conectar mecanismos concretos con observaciones y conservar las restricciones ya medidas. Mencionar una partícula o una etapa hipotética sin esa conexión no completa la cadena causal.
Lo que sí puede reconstruirse es una secuencia con consecuencias verificables. Al expandirse el universo cambian densidades y energías; ciertas reacciones dejan de ser eficaces; los núcleos y átomos se estabilizan en etapas distintas; la luz conserva información del plasma; la gravedad amplifica diferencias y aparecen fuentes que transforman el gas. La historia posterior de la expansión plantea una pregunta nueva: por qué su evolución tardía requiere algo más que la atracción de materia y radiación ordinarias. Ese es el problema del siguiente capítulo.
Preguntas de transferencia#
Una expansión por un factor dos#
Ejemplo construido. Una región comóvil duplica cada una de sus dimensiones mientras conserva un número fijo de partículas no relativistas y de fotones en libre propagación. ¿Cómo cambian la densidad de materia y la densidad de energía de la radiación?
Respuesta razonada. El volumen aumenta ocho veces, de modo que la densidad de materia se divide por ocho. La densidad numérica de fotones también se divide por ocho, pero cada fotón recibe además un factor de reducción de energía de dos por el aumento de su longitud de onda. La densidad de energía radiante se divide por dieciséis. El resultado supone ausencia de creación de partículas y de intercambios energéticos que alteren esa evolución ideal.
¿Se creó el fondo cuando aparecieron los átomos?#
Un relato afirma que antes de la recombinación no había luz y que los átomos emitieron todo el fondo de microondas al formarse. ¿Cómo debe corregirse?
Respuesta razonada. El plasma temprano ya contenía radiación térmica, pero sus fotones sufrían dispersiones frecuentes. Al disminuir la cantidad de electrones libres, pudieron recorrer grandes distancias. La recombinación produjo radiación adicional, pero no explica por sí sola el fondo térmico dominante. La diferencia es entre crear una señal y permitir que una radiación previamente existente se propague y conserve información de su última dispersión.
Una galaxia temprana más luminosa de lo previsto#
Ejemplo construido. Se confirma espectroscópicamente una galaxia distante cuya luminosidad supera la prevista por cierto modelo de formación estelar. ¿Queda refutada toda la historia del Big Bang caliente?
Respuesta razonada. El dato cuestiona primero la combinación de hipótesis necesaria para esa predicción: población estelar, polvo, actividad nuclear, conversión de gas en estrellas y posible amplificación. Hay que comprobar también la abundancia de objetos semejantes, no sólo un caso. Una revisión de la historia cosmológica sería necesaria si el desacuerdo persistiera bajo tratamientos razonables y afectara sus relaciones básicas; no se deduce automáticamente de una discrepancia astrofísica particular.
Homogeneidad y tamaño total#
Ejemplo construido. Un mapa es compatible con propiedades estadísticas homogéneas en las escalas observadas. Se concluye que el universo total es infinito y que conocemos todas sus regiones. ¿Qué salto lógico aparece?
Respuesta razonada. La homogeneidad es una afirmación sobre distribución, no una medición de extensión total o topología. Un dominio observable finito puede ser compatible con varias posibilidades globales. Tampoco observar un patrón estadístico elimina los límites de propagación de señales. El dato restringe modelos dentro de su alcance; no convierte una extrapolación espacial en observación de todo el universo.
Fuentes y lecturas del capítulo#
Cyril Pitrou y colaboradores. Precision big bang nucleosynthesis with improved Helium-4 predictions (2018). Trabajo publicado en Physics Reports sobre tasas nucleares, interacciones débiles y predicción de abundancias primordiales; incluye una red de reacciones y sus incertidumbres. (Fuente directa)
Colaboración Planck. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters (2020). Resultados cosmológicos de Planck publicados en Astronomy & Astrophysics en 2020; explicita la dependencia de los parámetros respecto del modelo. (Fuente directa)
David W. Hogg. Distance measures in cosmology (1999; revisión de 2000). Nota técnica y pedagógica del autor, no artículo revisado por pares; explicita las distintas definiciones de distancia y sus relaciones. (Fuente directa)
Ryan Cooke, Max Pettini y Charles C. Steidel. One percent determination of the primordial deuterium abundance (2018). Medición de deuterio mediante líneas de absorción en gas poco enriquecido y contraste con cálculos de nucleosíntesis; versión de autor del artículo publicado. (Fuente directa)
NASA. Overview — Cosmic History. Referencia institucional para la secuencia de recombinación, primeras fuentes y reionización. En el capítulo se distingue la radiación térmica ya existente de la emisión propia de recombinación. (Fuente directa)
D. J. Fixsen. The Temperature of the Cosmic Microwave Background (2009). Recalibración y síntesis de mediciones del espectro térmico de fondo; permite comprobar su temperatura aproximada sin confundirla con la temperatura de toda la materia. (Fuente directa)
Volker Springel y colaboradores. Simulating the joint evolution of quasars, galaxies and their large-scale distribution (2005). Presenta una simulación de crecimiento de estructura y su conexión con observaciones; se usa como ejemplo de método numérico, no como imagen medida del universo. (Fuente directa)
Colaboración Planck. Planck 2018 results. X. Constraints on inflation (2020). Restricciones observacionales a familias de modelos inflacionarios; se distinguen compatibilidad de predicciones e identificación del mecanismo. (Fuente directa)
NASA / LAMBDA. Age of the Universe. Explica cómo se contrastan edades cosmológicas y estelares, y por qué dependen de modelos. (Fuente directa)