lunes, 25 de marzo de 2013

Los primeros instantes del universo: el amanecer cósmico.




En los primeros años de vida del Universo, cuando apenas contaba con unos pocos cientos de miles de años, frente a la edad actual que se estima en aproximadamente 13.700 millones de años, este se hallaba en un estado totalmente distinto al actual. El Universo se encontraba en un estado de la materia conocido como plasma el cual impedía que la luz, los fotones, pudieran vagar libremente, sino que se encontraban por así decirlo retenidos, presos en este plasma. El motivo es que en ese universo primigenio (anterior a los 300.000 años desde el Big Bang) la materia aún no se hallaba configurada de la misma manera que en la actualidad. Aún no existían los átomos tal y como los conocemos actualmente. Lo único que se había formado eran determinados elementos ligeros tales como el H (hidrógeno ligero), su isótopo el deuterio, así como isótopos de Helio y de Litio y algún otro isotopo radiactivo o inestable. En su lugar, lo que existían eran los núcleos atómicos formados por protones y neutrones. Estos ya se habían formado al principio del todo, aproximadamente a los 3 minutos de vida del Universo, en un proceso conocido como nucleosíntesis primordial. En ella se unieron los protones con los neutrones formando los primeros nucleos atómicos. Y estos se mantuvieron durante mucho tiempo en ese estado alejados de los electrones. En ese plasma que formaban los núcleos y los electrones, los fotones no podían moverse libremente siguiendo una trayectoría "recta" sino que continuamente chocaban y se veían obligados a cambiar su trayectoria. A cada "paso" que daba un fotón rebotaba con una partícula que hacía que aquel siguiera un camino zigzagueante.

A medida que el Universo se iba expandiendo, la temperatura fue disminuyendo o lo que es lo mismo bajando la energía, permitiendo que los electrones se unieran a los núcleos formándose los primeros átomos estables. Este proceso se conoce como recombinación, aunque estrictamente hablando se trate de una combinación propiamente dicha ya que era la primera vez que se "combinaban". Algunos de los primeros átomos aún eran rotos por fotones suficientemente energéticos para romper los enlaces pero a medida que el Universo seguía enfriándose más, la energía de estos fotones cayó lo suficiente como para no ser capaces de romper los átomos. Este proceso ocurrió aproximadamente a los 300.000 años de vida de nuestro Universo. Fue en ese momento cuando los fotones pudieron circular libremente sin ser retenidos por el plasma primigenio, y así han seguido hasta el día de hoy, y esperemos que mañana también...
Desde ese momento se dice que el Universo se hace transparente puesto que permite el libre paso de los fotones, a mí me gusta referirme a él como el "amanecer cósmico".

Y ese estado de plasma, que tan lejano en el tiempo nos parece, se sigue produciendo a día de hoy a relativamente poca distancia, hablando en lenguaje cósmico. Efectivamente, cada uno de los fotones que nos llegan a diario, que bombardean nuestro planeta, ha tenido que sufrir un duro periplo para poder rozar nuestra cara o calentar nuestro planeta. Por todos es conocido que los fotones emitidos por el Sol tardan en alcanzarnos unos 8 minutos aproximadamente, esto lo sabe todo el mundo, excepto mi profesor de EGB que nos decía que no nos preocupáramos por una posible "muerte" del Sol puesto que sus efectos no los notaríamos hasta varias generaciones después de la nuestra. Pero lo que no es tan popular es el conocimiento de que esos mismos fotones, forjados en el corazón del Sol han tenido que emprender un duro camino de unos 10 millones de años de duración. Es decir un fotón producido en el centro del Sol emprende un duro camino que le hace rebotar aproximadamente cada centimetro que recorre obligándole a cambiar su trayectoria. Si su trayectoria hubiera sido en línea recta habría empleado tan sólo 2,5 segundos en alcanzar la superficie. Así un típico fotón recorre desde el interior del Sol hasta que alcanza la superficie la friolera de 10 millones de años luz, para una vez alcanzada la superficie proseguir su camino con mucha más calma y tranquilidad por el resto del Universo y algunos llegar hasta nosotros. El motivo es que las condiciones en el interior del Sol son las mismas que en aquel plasma primordial. Mientras que la temperatura en la superficie del Sol es de unos 6000 K, en el interior, en el núcleo, se alcanzan temperaturas de 15 millones de K.

Esto hace que ocurra lo mismo que en nuestro Universo joven, los átomos no pueden formarse y en su lugar existen núcleos y electrones independientes configurando el famoso plasma. De esta manera los fotones en su camino hacia la superficie Solar "chocan" continuamente y son desviados, lo que los obliga a llevar un camino zigzagueante que les aparta de su trayectoria "recta". Para que os hagáis una idea, los fotones a cada "paso" que dan encuentran una partícula que les desvía, este "paso" se puede cifrar en una media de un centímetro de su andadura. Es decir un fotón cada centímetro choca y es obligado  cambiar de trayectoria en su largo camino para alcanzar la superficie Solar, dura vida la de los fotones...



Esto hace como hemos mencionado antes que la distancia recorrida en su intento de aflorar la superficie del Sol sea enorme (10 millones de años luz) y el tiempo empleado descomunal (10 millones de años). Una vez alcanzada la superficie, liberados de las ataduras del plasma, los fotones fluyen suavemente y se dispersan por todo el cosmos llegando algunos de ellos hasta nosotros.

Así que cuando estéis a partir de ahora tumbados en la playa por ejemplo, recibiendo el cálido abrazo de los fotones, pensad en el azaroso camino emprendido por esas diminutas partículas, que han tenido que luchar duramente, abriéndose camino en innumerables encontronazos hasta que pudieron aflorar y deslizarse suavemente hasta llegar a nosotros.


Y recordad: Magia..., no, Ciencia!!

Esta entrada participa en el XL Carnaval de la Fisíca, alojado en esta ocasión en este mismo Blog Cuantos y cuerdas.

También estamos en Twitter en @Cuantosycuerdas.

2 comentarios:

  1. Caramba, yo pensaba que el big bang fue el principio de todo. Entonces, primero existía el plasma y 300.000 años después estalló, correcto?

    Siempre me he preguntado cómo pueden hacerse estas estimaciones de los tiempos...

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    1. Hola Luis, no, no fue así y además revisando el post veo que ha sido culpa mia el que llegaras a esa conclusión , no me expresé bien :-(
      Me imagino que fue al leer esto: "El motivo es que en ese universo primigenio (anterior a los 300.000 años desde el Big Bang)" Debiste pensar que era 300.000 años ANTES del big bang, cuando quise decir anterior a los 300.000 años, contados estos desde el big bang, es decir desde el inicio (big bang) hasta los 300.000 años DESPUËS.
      Además he encontrado un error imperdonable , la cifra correcta es 380.000 años.

      Esquematizando y simplificando (espero),
      1º fue el big bang t=0 qué es el estallido en cuestión.
      2º viene la fase de plasma hasta los 380.000 años en la que los fotones no pueden circular libremente porque chocan con los nucleos y electrones que aún están separados y no permiten la circulación de los fotones.
      3º a los 380.000 años el universo se enfría lo suficiente para permitir que se formen átomos estables con lo que el universo se hace transparente a los fotones, es decir estos ya pueden empezar a circular libremente. Es decir el plasma no estalla, se hace permeable a los fotones. Y estos fotones son los que forman la famosa "radiación cósmica de fondo" que podemos detectar hoy día y que impregna todo el universo. Lo que pasa es que se han "desplazado" tanto que la detectamos en forma de microondas.

      Espero haberte resuelto la duda y disculpa por haberte liado con mi explicación, veo que no estuve muy afortunado.

      Un saludo y gracias por preguntar. Hay que ir mejorando con la ayuda de todos.

      Aquí estoy a tu disposición.
      Dan.

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