Los ingredientes del universo se decidieron en tres minutos

Obviamente, como cient¨ªfico, y m¨¢s concretamente como astrof¨ªsico, no puedo decir otra cosa diferente: la astrolog¨ªa es una estafa. Los astros no influyen en nuestras vidas ni en nuestro destino. Por otro parte, como ¡°f¨ªsico cl¨¢sico¡± estoy convencido de que la ciencia es determinista, las leyes f¨ªsicas rigen el cosmos y podemos conocer c¨®mo se comporta cualquier sistema si conocemos bien esas leyes, las condiciones iniciales y tomamos los datos adecuados. Otra cosa es que si fuera un f¨ªsico m¨¢s moderno, cu¨¢ntico, digamos, deber¨ªa entonces plantearme las limitaciones deterministas ligadas a cierto azar, y las implicaciones de la teor¨ªa del caos.

Y en un lugar a medio camino en el planteamiento introductorio est¨¢ nuestro tema de hoy: los tres primeros minutos del universo determinaron la composici¨®n actual del universo, y toda su evoluci¨®n posterior. Dicho de otra manera, lo que hoy nos compone y somos, todo lo que existe, todo lo que existir¨¢, todo lo que no existe ni existir¨¢, ?se decidi¨® en solo tres minutos! Cosas del destino a escala c¨®smica.

?Y qu¨¦ ocurri¨® en esos tres primeros minutos de nuestro universo? Obviamente, el problema no es tan f¨¢cil como parece indicar esa pregunta. No lo es en varios aspectos, aqu¨ª hablar¨¦ de solo tres.

El primer problema tiene que ver con la definici¨®n de ¡°primeros minutos¡±. Muchas veces habremos o¨ªdo, los astrof¨ªsicos y a los que les gusta esto de la cosmolog¨ªa, que el universo tiene unos 14.000 millones de a?os. La estimaci¨®n m¨¢s precisa es actualmente 13.787 millones de a?os, 20 millones de a?os arriba o abajo. Esta afirmaci¨®n implica que hay un origen de tiempo, un t=0 desde el que contamos, que ser¨ªa el Big Bang. Podr¨ªa surgir la pregunta, algunos podr¨ªan re¨ªrse de ella, pero dista mucho de ser tonta (porque no hay preguntas tontas), de qu¨¦ pasaba antes, o de si el tiempo puede ser negativo (de ah¨ª a pensar en que el tiempo pueda ir para atr¨¢s quiz¨¢s no haya mucho). Pero la cuesti¨®n es que ese Big Bang no es el origen del tiempo, como la Puerta del Sol se dec¨ªa que era el origen de las carreteras nacionales (me pierde el madrile?ocentrismo, lo siento). El Big Bang es el origen del tiempo en s¨ª, el tiempo se crea, o, para no meternos en temas teol¨®gicos, aparece, tal y como hoy lo conocemos y vivimos, en el Big Bang. As¨ª que el destino del universo se gest¨® en los primeros tres minutos de existencia no solo del universo, sino del tiempo (?qu¨¦ existe si no existe el tiempo?, esa pregunta no s¨¦ c¨®mo contestarla).

Otro aspecto que hay que tener en cuenta para responder a la pregunta de los tres primeros minutos de nuestro universo, es que todo lo que vemos alrededor nuestro, el universo que llamamos observable, que se extiende ahora mismo desde la pantalla donde lee este art¨ªculo hasta la galaxia m¨¢s lejana que conocemos, estaba concentrado tres minutos despu¨¦s del Big Bang en un volumen extremadamente peque?o, entre una cuatrillon¨¦sima y un quintillon¨¦sima parte de lo que ocupa hoy, como si una persona tuviera el tama?o de un solo ¨¢tomo. ¡°Todo el universo¡± no era solo ese volumen, habr¨ªa mucho m¨¢s al ladito, pero hoy est¨¢ demasiado lejos y no tenemos informaci¨®n sobre ¨¦l, decimos que ¡°no estamos conectados con ¨¦l¡±, m¨¢s all¨¢ de pensar que ese universo inalcanzable es igual que el nuestro, el observable.

Con ese tama?o, ten¨ªa una densidad mucho m¨¢s alta (la relaci¨®n con la actual es igual a lo que hemos dicho para el volumen), as¨ª como su temperatura, y eso convierte a este universo beb¨¦ en muy diferente al que hoy conocemos. Pero, y esto es clave, la temperatura del universo por encima del primer segundo despu¨¦s del Big Bang, y hasta el minuto tres de vida (contando de nuevo como nacimiento el Big Bang, pero hablar de nacimiento o creaci¨®n puede no tener sentido), pas¨® de unos cien mil millones de grados a mil millones de grados (el ¨²ltimo n¨²mero, pocas decenas de veces por encima de la temperatura del n¨²cleo del Sol). Este es un rango de temperaturas que hemos podido reproducir y estudiar en laboratorio, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en ingl¨¦s) se han alcanzado temperaturas del orden de 5 billones de grados, m¨¢s de diez veces por encima de la temperatura del universo en el segundo uno (de hecho, con esas temperaturas podr¨ªamos llegar a la cent¨¦sima de segundo despu¨¦s del Big Bang). As¨ª que conocemos bastante bien qu¨¦ pasa en esos primeros tres minutos.

Lo que dominaba la energ¨ªa del universo en tiempos por debajo de 180 segundos eran, ?ya!, part¨ªculas que hoy nos parecen normales: electrones, neutrinos, y fotones, y sus antipart¨ªculas, m¨¢s protones y neutrones, cuyas antipart¨ªculas ya hab¨ªan desaparecido del universo, al menos del nuestro (el observable, esto es otra historia). Antes de ese primer segundo no era as¨ª, hab¨ªa otras part¨ªculas m¨¢s complicadas que a¨²n no conocemos tan bien.

Nuestros conocimientos de f¨ªsica hoy, basados en trabajo de laboratorio, son suficientes para saber c¨®mo se comportaban todas esas part¨ªculas que dominaban la energ¨ªa del universo en expansi¨®n, cada vez m¨¢s grande, fr¨ªo y enrarecido (es decir, menos denso). De manera an¨¢loga a c¨®mo una nube va enfri¨¢ndose y se va formando agua, incluso hielo, el universo completo fue pasando por cambios de estado a medida que se iba enfriando. Pero la analog¨ªa no es perfecta, porque a la vez el cosmos se iba haciendo menos denso porque el espacio-tiempo se hac¨ªa m¨¢s grande. El resultado es que inicialmente en ese tiempo un segundo despu¨¦s del Big Bang, todas las part¨ªculas que mencionamos antes interactuaban entre s¨ª, con electrones chocando con positrones y creando fotones, o fotones chocando con otros fotones (que son su antipart¨ªcula) y dando lugar a neutrinos y antineutrinos, o estos chocando con protones y formando neutrones o al rev¨¦s. Y cuando se lleg¨® al minuto tres, todas esas interacciones desaparecieron.

El ritmo de expansi¨®n y enfriamiento del universo en esos tres minutos precipit¨® los acontecimientos. Primero los neutrinos dejaron de estar en equilibrio con las otras part¨ªculas normales, se aniquilaron entre s¨ª salvo por una peque?a fracci¨®n y los que sobrevivieron pasaron a viajar libres. Hoy todav¨ªa es tremendamente dif¨ªcil parar un neutrino haci¨¦ndolo interaccionar con un prot¨®n o un electr¨®n, los c¨¢lculos indican que necesitas un a?o luz de plomo para conseguir una interacci¨®n (y el medio interestelar en un a?o luz alrededor de nosotros es cuatrillones de veces menos denso que el plomo). El viajar libres significa que dejaron de interaccionar con protones y neutrones, que pueden transformarse entre ellos en presencia de neutrinos (y antineutrinos) suficientemente energ¨¦ticos. Pero eso ya dej¨® de pasar un par de segundos despu¨¦s del Big Bang y el n¨²mero de protones y neutrones qued¨® congelado (pr¨¢cticamente, hay otros efectos, pero esa es otra historia).

Poco tiempo despu¨¦s (poco tiempo para nosotros, pero estamos hablando de unos pocos segundos despu¨¦s del Big Bang, es decir, la edad del universo se estaba doblando cada nada) los positrones y electrones tambi¨¦n dejan de estar en equilibrio, se autoaniquilaron, y solo sobrevivieron unos pocos que sobraron de los ¨²ltimos (o de los primeros, y les hemos cambiado el nombre). A partir de ah¨ª solo hay en el universo fotones, protones, neutrones, electrones y neutrinos. Toda la materia normal ya estaba en su sitio, y a partir de ah¨ª su evoluci¨®n empez¨® a tirar por su lado, que eventualmente terminar¨ªa en la creaci¨®n de estrellas, y luego de planetas (?o a la vez en el caso de planetas gaseosos?).

Entre medias, que no se me olvide decirlo, hab¨ªa otro tipo de materia que hac¨ªa mucho (es decir, mucho antes del primer segundo) que ya iba por su lado sin interaccionar con los fotones y las otras part¨ªculas, salvo por el efecto de la gravedad. Es la materia oscura, que ya hab¨ªa plantado la semilla de la formaci¨®n de galaxias y que en el futuro dominar¨ªa la energ¨ªa del universo, antes de que el dominio se lo arrebatase otra cosa (la ¨²ltima otra historia).

Y todo esto, no se olviden, ocurri¨® en tres minutos.

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico, sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de un ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, y Eva Villaver, subdirectora del Instituto de Astrof¨ªsica de Canarias.