Origen del universo: 14 ejemplos de evidencias y modelos
Del corrimiento al rojo a los primeros núcleos: ejemplos para entender qué sabemos del universo temprano, cómo se calcula y qué sigue siendo una hipótesis.
El Big Bang caliente describe la evolución desde un estado temprano caliente y denso. Sus evidencias no resuelven por sí solas el origen último de todo. Aquí separamos observaciones, cálculos didácticos y propuestas teóricas.
Estos son 14 ejemplos para estudiar el tema, no 14 orígenes alternativos. Las cifras elegidas para practicar están señaladas; las observaciones y estimaciones científicas incluyen sus condiciones.
Evidencias y primeros cálculos
EJEMPLO 01
Big Bang: reconstruir un pasado caliente
Si seguimos hacia atrás la expansión cósmica, encontramos etapas de mayor densidad y temperatura. El modelo del Big Bang caliente conecta esa evolución con observaciones que podemos contrastar.
Tres pruebas centrales son la expansión, el fondo cósmico de microondas y las abundancias primordiales de elementos ligeros.
Resultado: Modelo de evolución respaldado por distintas evidencias
Condiciones: Describe la historia temprana; por sí solo no demuestra cómo apareció todo ni qué ocurrió en un supuesto instante cero.
EJEMPLO 02
Galaxias: distancia y expansión
Supón una galaxia a 100 megapársecs (Mpc) y adopta H₀ = 70 km/s/Mpc para practicar la relación de Hubble-Lemaître.
v = H₀ × D
v = 70 km/s/Mpc × 100 Mpc = 7 000 km/s
Resultado: 7 000 km/s para los datos didácticos elegidos
Condiciones: Usamos una relación local aproximada y omitimos movimientos propios respecto de la expansión. H₀ = 70 es un valor didáctico, no una nueva medición. La relación no dice que nuestra galaxia sea el centro.
EJEMPLO 03
Una línea espectral que llega más roja
Una línea emitida con longitud de onda de 500 nm se observa a 750 nm. Calcula su corrimiento al rojo cosmológico.
z = (λ observada − λ emitida) / λ emitida
z = (750 − 500) / 500 = 0,5
a actual / a emisión = 1 + z = 1,5; si a actual = 1, a emisión = 2/3.
Resultado: z = 0,5; el factor de escala aumentó 1,5 veces
Condiciones: Datos inventados para calcular. Se atribuye el corrimiento a la expansión; no se convierte z = 0,5 en velocidad mediante v = cz, aproximación que exige z pequeño.
EJEMPLO 04
Fondo cósmico: una radiación fósil
El cielo contiene una radiación de microondas con un espectro muy próximo al de un cuerpo negro. Es un vestigio térmico del universo temprano.
Los fotones pudieron viajar casi libremente cuando disminuyó la dispersión por electrones libres, unos 380 000 años después del comienzo de la expansión descrita por el modelo.
Resultado: Su espectro corresponde aproximadamente a 2,725 K
Condiciones: No es una fotografía del instante cero. La temperatura citada es la actual del fondo, no la de la época en que la materia se volvió transparente.
EJEMPLO 05
Pequeñas diferencias de temperatura
Para visualizar la escala de las anisotropías del fondo cósmico, toma T = 2,725 K y una diferencia relativa de una parte entre cien mil.
ΔT = T × 10⁻⁵ = 0,00002725 K
Como 1 K = 1 000 000 μK, ΔT = 27,25 μK.
Resultado: Una diferencia relativa de 10⁻⁵ equivale aquí a 27,25 μK
Condiciones: Es una ilustración numérica del orden de magnitud, no el valor de cada punto del mapa. Analizar las variaciones cosmológicas exige separar señales de nuestra galaxia y otros efectos.
Materia, tiempo y expansión
EJEMPLO 06
Helio primordial: porcentaje de masa
Una predicción de la nucleosíntesis primordial es que cerca de una cuarta parte de la masa de la materia ordinaria quedó en helio-4.
En una muestra ideal de 100 unidades de masa primordial, unas 25 corresponderían a helio y unas 75, principalmente, a hidrógeno.
Resultado: Aproximadamente 25 de cada 100 unidades de masa bariónica
Condiciones: Es una aproximación de masa, no un porcentaje de átomos ni de toda la energía del universo. Las estrellas modifican después las abundancias.
EJEMPLO 07
Deuterio: contrastar las condiciones tempranas
Se estudia gas muy poco procesado por estrellas y se compara su abundancia de deuterio con la predicción del universo caliente.
Las estrellas destruyen deuterio; por eso no sirve elegir cualquier muestra actual como si conservara la composición primordial.
Resultado: Una prueba independiente de la nucleosíntesis
Condiciones: La comparación incluye incertidumbres. El buen acuerdo global no elimina todos los problemas: la abundancia de litio sigue planteando una discrepancia.
EJEMPLO 08
Núcleos primero, átomos mucho después
Formar núcleos ligeros no equivale a formar átomos neutros. Durante mucho tiempo, electrones y núcleos permanecieron separados en un plasma.
Primeros minutos: síntesis de núcleos ligeros.
Hacia 380 000 años: formación de átomos neutros y desacoplamiento de gran parte de la radiación.
Resultado: Primeros minutos y unos 380 000 años son etapas distintas
Condiciones: Son fechas aproximadas de la historia térmica estándar. El universo no pasó de vacío a galaxias completas en una única explosión.
EJEMPLO 09
Edad: unos 13 800 millones de años
La edad se estima ajustando un modelo de expansión a datos cosmológicos. Planck permite inferir aproximadamente 13,8 mil millones de años dentro del modelo ΛCDM.
13,8 mil millones de años = 13 800 millones de años.
Resultado: Una inferencia del modelo contrastada con observaciones
Condiciones: No es una medición directa con un reloj ni una fecha de creación absoluta demostrada. El valor depende del modelo y de los datos utilizados.
EJEMPLO 10
Duplicar el factor de escala
Considera una región que acompaña la expansión, con materia no relativista conservada y distribuida homogéneamente. ¿Qué cambia si el factor de escala se duplica?
Una separación de 100 Mpc pasa a 200 Mpc.
El volumen aumenta en 2³ = 8; la misma masa ocupa ocho veces más volumen.
Una densidad de 8 unidades de masa por unidad de volumen pasa a 1.
Resultado: Distancias ×2; volumen ×8; densidad de materia ÷8
Condiciones: Ejemplo ideal de expansión cosmológica. No se aplica a un átomo, una persona o un sistema ligado que mantiene su tamaño. La densidad de energía de la radiación sigue otra ley.
Modelos e hipótesis
EJEMPLO 11
Inflación: una hipótesis del universo muy temprano
La inflación plantea una etapa temprana de expansión acelerada que puede explicar propiedades de las perturbaciones iniciales. Las medidas del fondo cósmico permiten limitar sus variantes.
Un modelo debe predecir señales compatibles con los datos; que algunas variantes encajen no demuestra que todas sean correctas.
Resultado: Mecanismo propuesto, con modelos sometidos a pruebas
Condiciones: No se ha identificado de manera concluyente el mecanismo físico responsable. Esta etapa hipotética no es la aceleración tardía atribuida a la energía oscura.
EJEMPLO 12
ΛCDM: un modelo para comparar muchos datos
ΛCDM reúne materia ordinaria, radiación, materia oscura fría y una constante cosmológica Λ. Sirve para calcular la expansión y comparar predicciones con observaciones.
CDM indica materia oscura fría; Λ representa una contribución constante a la densidad de energía.
En el ajuste estándar, una Λ positiva explica la aceleración tardía.
Resultado: Materia oscura fría y constante cosmológica, además de otros componentes
Condiciones: Es un modelo contrastable, no la identificación microscópica de la materia oscura ni de la energía oscura. Que ajuste muchos datos no resuelve todas las tensiones cosmológicas.
EJEMPLO 13
Big Crunch: una posible contracción futura
En determinados modelos, la expansión podría detenerse y dar paso a una contracción global, llamada Big Crunch. No basta con afirmar que la gravedad acabará venciendo.
La evolución depende del contenido del universo y de sus propiedades.
En ΛCDM estándar con constante cosmológica positiva persistente, la predicción es expansión continuada, no un Big Crunch.
Resultado: Hipótesis sobre el destino, no evidencia del origen
Condiciones: La contracción futura no está establecida. Tampoco se ha demostrado que el universo completo vaya a alcanzar el tamaño de una partícula elemental.
EJEMPLO 14
Rebote y ciclos: añadir otra hipótesis
Los modelos de rebote proponen un mecanismo para pasar de contracción a expansión. Algunos modelos cíclicos repiten fases, pero necesitan hipótesis físicas adicionales.
Para construir un modelo cíclico hay que explicar el rebote y contrastar sus consecuencias observables.
Resultado: Una contracción no implica automáticamente una nueva expansión
Condiciones: No hay evidencia concluyente de ciclos anteriores. El Big Crunch por sí solo no demuestra un rebote ni una sucesión infinita de universos.
Cómo leer las evidencias
Observación: registrar un espectro o un mapa del cielo.
Inferencia: estimar una edad ajustando un modelo a esos datos.
Ejercicio: elegir números para entender una relación.
Hipótesis: proponer un mecanismo y buscar cómo contrastarlo.
Una secuencia, no una escala de tiempo
Primeros minutos
Nucleosíntesis de elementos ligeros.
Unos 380 000 años
Átomos neutros; la radiación empieza a viajar casi libremente.
Etapas posteriores
Primeras estrellas y galaxias; evolución de estructuras.
Hoy: unos 13 800 millones de años
Edad inferida dentro del modelo cosmológico estándar.
Los bloques no tienen duración proporcional a su tamaño. El origen último y el mecanismo de una posible inflación quedan fuera de esta secuencia de etapas térmicas.
Fórmulas y unidades de los ejemplos
Relaciones que usamos y sus límites
Relación
Cómo interpretarla
v = H₀D
Aproximación local de la recesión: H₀ en km/s/Mpc y D en Mpc dan v en km/s. No incluye movimientos peculiares.
1 + z = λ observada / λ emitida
z no tiene unidades. En el corrimiento cosmológico también equivale a a actual / a emisión.
V ∝ a³; ρ materia ∝ a⁻³
Para materia no relativista conservada en una región homogénea que acompaña la expansión; no para objetos ligados ni para la densidad de energía de la radiación.
ΔT = T × diferencia relativa
Temperaturas en kelvin (K). Un microkelvin (μK) es una millonésima de kelvin.
Tiempo y distancia
Un millón de años es tiempo; un año luz y un megapársec son distancias. Mpc significa un millón de pársecs.
El factor de escala a expresa cuánto cambian las separaciones cosmológicas. Su normalización es convencional: podemos fijar a = 1 hoy sin asignar un tamaño total al universo.
Cuatro aclaraciones para evitar confusiones
CONTRASTE 01
Expansión no significa explosión desde un centro
Imagina tres marcas A, B y C que acompañan una expansión uniforme: AB = 10, BC = 10 y AC = 20 unidades. Al duplicarse la escala, las distancias son 20, 20 y 40.
Desde B aumentan las separaciones con A y C; desde A también aumentan las separaciones con B y C.
Resultado: Las distancias pueden crecer sin un punto privilegiado
Condiciones: Es una analogía de distancias. Sus extremos no representan un borde cósmico; no permite deducir el tamaño total ni que el universo sea necesariamente finito o infinito.
CONTRASTE 02
Vacío cuántico no equivale a nada
El vacío cuántico es un estado de campos físicos. Invocar fluctuaciones o pares de partículas no demuestra que todo el universo surgiera de la nada.
Una propuesta sobre el origen necesita un modelo definido y consecuencias que puedan contrastarse.
Resultado: Las fluctuaciones no prueban una creación espontánea del universo
Condiciones: Tampoco se deduce de ese argumento que la energía total del universo sea cero: definir una energía global en cosmología requiere precisar el marco teórico.
CONTRASTE 03
Instante cero y límites de las ecuaciones
Al extrapolar ciertos modelos clásicos hacia atrás aparece una singularidad. Esa descripción llega a un límite, donde no podemos dar por válida la misma física sin más.
No conocemos una descripción confirmada que permita asegurar un tamaño inicial del universo completo o narrar un «antes» del tiempo.
Resultado: Una extrapolación no certifica qué ocurrió en el origen último
Condiciones: No está demostrado que todas las leyes físicas aparecieran exactamente en t = 0. El modelo del universo caliente no resuelve por sí solo esa pregunta.
CONTRASTE 04
Aceleración presente y futuro remoto
La expansión acelerada aporta información sobre la evolución reciente. Predecir el futuro exige suponer cómo cambiarán, o no, los componentes del universo.
Como ejemplo de investigación abierta, DESI comunicó en marzo de 2025 indicios de energía oscura variable al combinar datos; no los presentó como un descubrimiento definitivo.
Resultado: El destino depende de cómo se comporte la energía oscura
Condiciones: Ni esos indicios anuncian una fecha de colapso ni la aceleración observada demuestra por sí sola una expansión eterna bajo cualquier modelo.
Seis ejercicios para practicar
Con H₀ = 70 km/s/Mpc y D = 50 Mpc, calcula la velocidad de recesión aproximada.
Una línea emitida a 400 nm se observa a 600 nm. Calcula z y a emisión si a actual = 1.
Si el factor de escala se triplica, ¿qué ocurre con el volumen y la densidad de materia conservada?
En una mezcla ideal con 75 unidades de masa de hidrógeno y 25 de helio-4, aproxima la fracción de núcleos de helio. Usa masas relativas 1 y 4.
Ordena: átomos neutros, formación de galaxias, síntesis primordial de núcleos ligeros.
¿Un Big Crunch demostraría que habrá un rebote y ciclos infinitos?
Ver soluciones explicadas
v = 70 × 50 = 3 500 km/s. Ejercicio local idealizado que omite movimientos peculiares; H₀ es un valor didáctico.
z = (600 − 400)/400 = 0,5; a emisión = 1/(1 + z) = 2/3. Se supone un corrimiento cosmológico.
El volumen se multiplica por 3³ = 27 y la densidad se divide entre 27, para una región homogénea que acompaña la expansión.
Número relativo de núcleos: H = 75/1 = 75; He = 25/4 = 6,25. Fracción de He = 6,25/(75 + 6,25) = 1/13 ≈ 7,69 %. El 25 % en masa no es un 25 % en número.
Primero, núcleos ligeros en los primeros minutos; después, átomos neutros hacia los 380 000 años; más tarde, galaxias. Los intervalos no son iguales.
No. Un rebote exige un mecanismo adicional. Ni la contracción futura ni una sucesión infinita de ciclos están demostradas.
Errores frecuentes
Imaginar una explosión en el espacio: la expansión cosmológica cambia las distancias a gran escala; no necesita un centro desde el que saliera todo.
Usar la edad como prueba de creación absoluta: es una estimación dentro de un modelo.
Confundir núcleos y átomos: corresponden a épocas distintas.
Leer 25 % de helio como porcentaje de átomos: aquí es una proporción aproximada de masa de materia ordinaria.
Tratar la inflación como un mecanismo identificado: sus variantes siguen sometidas a pruebas.
Dar por inevitable el Big Crunch o el rebote: son hipótesis diferentes, no consecuencias automáticas de la expansión actual.
