Columna de Astronomía | Un quanto de energía y la historia del Universo

La energía se conserva, nada se pierde y todo se transforma. De eso se trata esta historia, la de un quanto de energía. Todo empieza con el big bang, el momento en el que se genera el espacio-tiempo, al menos en el modelo teórico más simple que estamos usando actualmente. Desde ese instante tiene sentido hablar de energía, punto desde el cual ésta solo se transformará y ya no habrá forma de crearla espontáneamente de la nada. Considerando lo anterior, es posible pensar que se puede tomar un quanto muy particular de energía en el big bang y seguirlo hasta hoy para ver qué le pasa durante todo su camino.

Lo primero que creemos que ocurrió en esta historia es que el Universo entró en una fase inflacionaria de expansión acelerada. Para que esto sucediera, tuvo que producirse un cambio en las especies de partículas que existen en el Universo, y por lo tanto en las que contenía nuestro quanto; su primera de tantas transformaciones será debido a que a medida que se expande el Universo éste se enfría. En ese momento, el quanto se transforma en una partícula de inflación, cuando todo se expande de forma muy violenta. Este frenesí continuó hasta que el Universo se enfrió lo suficiente para que esta partícula decayera en otras, las que comenzaron a comportarse como radiación en muchos sentidos. Esto hizo que aquí terminara la etapa de inflación y comenzara la era de la radiación.

¿Por qué decimos que se comporta como radiación? Porque en ese momento el Universo era tan denso y caliente que todo se movía a casi la velocidad de la luz, todo era relativista incluso la materia, la que existía entre las partículas de nuestro quanto. Debido a la forma en que la expansión le quita energía a los fotones (corriéndolos al rojo) pero no a la materia en esa carrera imparable, esta última eventualmente terminó ganando de manera que nuestro quanto pasó a formar parte de algún átomo: otro proceso de transformación.

Cuando esto ocurrió, el Universo entró en la era de la materia. Pero las transformaciones no se detuvieron. Aquí la materia todavía se encontraba en un estado denso produciendo fotones, los que eran reabsorbidos inmediatamente por la materia sin lograr existir por más que un instante. Así materia y radiación interactuaban incesantemente. Durante esta época, nuestro quanto puede haber pasado de átomo en átomo tomando la forma de un fotón para hacer estos saltos. Esto finalmente termina cuando la expansión hace que la distancia entre átomos sea tal que la luz ya no vuelve a encontrarse con otro, y finalmente la materia se desacopla de la radiación. En ese momento se genera la radiación de fondo de microondas. Otra transformación más del quanto.

Esto es un punto de inflexión porque mientras la materia terminó formando galaxias, estrellas, planetas y gente, los fotones libres simplemente continuaron viajando por el espacio prácticamente sin interactuar con nada por miles de millones de años. Por la descripción de nuestro quanto, por la cantidad de energía que contiene, su destino es formar parte de esta radiación. Pero esa no es su última transformación.

Llegado el presente, o más bien el año 1964, nuestro quanto entró la atmósfera de la Tierra e impactó con los detectores de Bell Labs que Penzias y Willson estaban operando. El quanto entonces se transformó nuevamente en señal eléctrica, luego en sonido, en señal nerviosa, y finalmente en el asombro más grande de la historia, al disparar la evidencia más contundente del Big Bang. Así nos ayudó a terminar de armar la historia del Universo, esta vez al revés, comenzando desde el presente y siguiendo sin parar hasta llegar a su mismísimo comienzo.