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Nuevo estudio confirma la teoría de la Gran Explosión

Por Glenys Álvarez

Astronomía.

La teoría sobre el nacimiento y la evolución del Universo ha sido estudiada minuciosamente. La tarea se hizo aún mucho más interesante cuando en 1965, dos astrónomos, Arno Penzias y Robert Wilson de los Laboratorios Bell, descubrieron lo que hoy es conocido como el Fondo de Radiación de Microondas Cósmicas, residuos del Big Bang o de la Gran Explosión que lo iniciara todo hace algunos 14,000 millones de años.

Desde su descubrimiento, los astrofísicos saben que el estudio de este fondo cósmico es la clave principal para conocer la historia universal. La primera nave en salir de la Tierra para estudiar estos residuos fue llamada COBE y abandonó el planeta en 1992. El satélite fue el primero en recoger información fundamental y extraordinaria sobre los orígenes del mundo en que vivimos. COBE trajo las primeras medidas sobre la edad del universo y, a pesar de que el margen de error era notable, los astrónomos estaban convencidos de que se encontraban en el camino correcto. COBE también notó ciertas fluctuaciones en la temperatura dentro del fondo de microondas, pero la nave no tenía los aparatos necesarios para capturar estas irresoluciones y obtener el significado de cada una. No obstante, los astrónomos sabían que estos cambios apuntaban a los primeros indicios de materia en el Cosmos. Los resultados de COBE fueron imprescindibles para la elaboración del próximo satélite en buscar respuestas en el fondo cósmico.
En el año 2000, un globo llamado Boomerang partió desde la Antártica en busca de más respuestas. La inflada nave estaba preparada para medir otras características dentro de los residuos del Big Bang. Aquellos resultados fueron esta semana confirmados por el nuevo mapa realizado por la NASA gracias a las medidas tomadas por el satélite WMAP o Investigador Anisotrópico de Microondas Wilkinson, que fue lanzado en junio de 2001 por la empresa aeronáutica estadounidense. Los resultados de este nuevo estudio no sólo han impresionado a todos los astrónomos del mundo sino que representan un punto sumamente importante en el estudio de la cosmología y la astrofísica.
"Después de este estudio nada será lo mismo. Desde ahora en adelante todos los astrónomos recordarán lo que estaban haciendo o la forma como se sintieron cuando recibieron la noticia de los resultados del WMAP. Ha sido una investigación sin precedentes", aseguró excitado en una rueda de prensa organizada por la NASA el doctor Charles Bennett del Centro de Vuelo Espacial Goddard y principal investigador del proyecto del WMAP.
Estas noticias descomunales, que han poblado las páginas científicas por todo el mundo, explican con exactitud la geografía, la edad, el nacimiento y la composición del Universo. Los datos proporcionados por el satélite de la NASA son los más correctos, nítidos y detallados hasta el momento. El aparato se encuentra orbitando el sol a una distancia conocida como el punto 2 de Lagrange, es decir, cuatro veces más lejos que la Luna. Desde allí, el satélite ha medido y capturado imágenes de los primeros pasos del universo bebé.
"Hemos observado al Universo cuando no existían átomos y hemos visto el momento en que comenzaron a formarse los primeros átomos de hidrógeno y luego las primeras estrellas. Ha sido impresionante, una noticia como ninguna otra. Las teorías de la Gran Explosión y de la Hiperinflación son correctas. Ahora ya lo podemos decir con certitud", agregó Bennett.

Dos de los datos más fenomenales han sido la edad del universo y el momento preciso cuando comenzaron a aparecer las primeras estrellas. Los astrónomos pensaban que estos objetos estelares se habían formado miles de millones de años después de la Gran Explosión pero las medidas tomadas por WMAP aseguran que las estrellas comenzaron su formación tan sólo 200 millones de años después. El estudio también ha confirmado que el Cosmos comenzó a enfriarse 380,000 años después de su nacimiento cuando se formaron los primeros átomos de hidrógeno. Estas primeras semillas de galaxias y planetas fueron capturadas a la perfección por el satélite de la NASA. Con estas mediciones se ha logrado reconstruir detalladamente el pasado del Universo y también su futuro.
"Los primeros resultados también confirman la teoría de que el Cosmos se encuentra en expansión continua y que la materia dentro seguirá expandiéndose infinitamente, cada vez alejándose más y más unas de las otras. El futuro del Universo es convertirse en un lugar frío y solitario. Todo se aleja de todo", explicó John Bahcall del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton.
Otras noticias confirmadas han sido la edad del universo, su geometría y su composición. En pocas palabras, los astrónomos ahora saben que el universo tiene 13,700 millones de años, que es plano y que el 4% está compuesto de átomos (es decir, toda la materia que vemos), el 23% está compuesto de una materia oscura que se piensa son partículas desatadas por la Gran Explosión y que aún no se han podido detectar con la tecnología actual y el 73% lo ocupa una energía oscura y misteriosa que se encarga de empujar a toda la materia, conocida y desconocida, con una velocidad creciente y cada vez más espacio entre ella. Las palabras de un astrónomo anónimo describen la composición y la estructura del Cosmos con claridad: "para el universo, las estrellas y los planetas son sólo impurezas minoritarias".

inmediatamente despues de la gran explosion

Características del Universo

Astrónomos en todas partes del mundo han recibido con entusiasmo desmedido los primeros resultados del WMAP. Para todos los interesados en la cosmología moderna, el nuevo estudio protagonizado por un satélite de la NASA, es el evento más importante desde que en 1965 dos astrónomos descubrieran el Fondo de Radiación de Microondas Cósmicas. Los nuevos resultados fueron comparados con todas las teorías más sobresalientes en la cosmología moderna y la ganadora es la teoría sobre el nacimiento del Cosmos luego de una Gran Explosión y la Hiperinflación de los primeros cientos de miles de años del universo bebé. WMAP ha confirmado la extraña composición cósmica donde la materia observable sólo ocupa el 4% de la composición. Lo demás es una materia oscura que se piensa está compuesta de partículas aún no observadas que aparecieron durante el Big Bang y una energía también misteriosa que se encarga de acelerar la materia y alejar las galaxias una de las otras. Se espera que el Universo continúe expandiéndose hasta que sólo quede un gas delgado y frío que se extenderá por todo el Cosmos oscuro y deshabitado. Algunos astrónomos piensan que la energía oscura es la constante que mencionara en sus teorías el físico Albert Einstein. Pero estas respuestas quedan para el próximo proyecto cosmológico
WMAP también ha medido la edad del Universo con un margen de error de menos de doscientos años. Es la primera vez que un aparato logra esta hazaña con tanta precisión. La edad ha sido medida en 13,700 millones de años. El satélite ha confirmado que la geometría del Universo es plana, es decir, que dos líneas paralelas jamás se cruzarán, no importa las distancias que recorran. Para los astrónomos en el mundo, esta ha sido la mejor noticia en mucho tiempo y sus resultados hacen de este momento el mejor para el estudio de la astrofísica y la cosmología.

Todas las verdades son fáciles de entender, una vez descubiertas. El caso es descubrirlas.

Después del Big Bang

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A través de la constante de Hubble se puede determinar matemáticamente la edad del universo, ya que la inversa de ese valor es de unos 15 mil millones de años; que es el tiempo transcurrido desde el primer gran estallido, el Big Bang hasta la época actual. El Big Bang fue bautizado por el astrónomo inglés Fred Hoyle en 1950 como el instante inicial de la gran explosión que habría dado comienzo al espacio y al tiempo.
Sea cual fuera el mecanismo que dio inicio al Big Bang, éste debió ser muy rápido: el universo pasó de ser denso y caliente (instante “cero” del tiempo) a ser casi vacío y frío (instante actual). De la situación del universo antes del Big Bang no se sabe nada, ni siguiera puede imaginarse cómo comenzó. Puede estimarse que antes de conformadas las galaxias, la densidad de materia del universo habría sido infinita o extremadamente grande; por lo tanto, el análisis del universo puede iniciarse un instante después del Big Bang, en el cual la densidad resulte ahora finita, aunque extraordinariamente enorme Algo similar se puede decir con respecto a la temperatura. En las regiones de mayor temperatura se acumuló la materia que luego dio origen a las galaxias y posteriormente a las estrellas. Se pueden analizar los procesos físicos que se desarrollaron después del Big Bang desde el tiempo de 10^-43 seg después del inicio del universo.
Al momento del Big Bang las 4 fuerzas fundamentales de la naturaleza: gravitación, fuerza fuerte, electromagnetismo, fuerza débil formaron una única fuerza, la superfuerza, que a medida que el universo se expande se separan una de otra. Luego aparecen los protones y neutrones que componen los núcleos del hidrógeno, deuterio, helio y litio. Al proseguir el enfiriamiento del universo los electrones se unen a los núcleos átomicos y forman los átomos neutros. Posteriormente la radiación y la materia que cubren todo el universo se separan, lo que se define como el descople. Aparecen luego las galaxias, las estrellas y los planetas.
En ese momento junto a la materia no condensada, debió existir un campo de radiación tan intenso cuyos residuos deberían poder observarse en la actualidad. Al respecto surge un dato observacional importante: en 1965 A. Penzias y R.Wilson detectaron una radiación en las longitudes de onda de radio, que corresponden a una temperatura extremadamente baja: unos
(T = 3 K, donde “K” es el símbolo de las temperaturas en la escala Kelvin, donde el “cero” corresponde a -273ºC).
Esa radiación predicha por G.Gamow en 1948 se conoce como radiación cósmica de fondo y se supone que se habría generado cuando en el universo se desacopló la radiación de la materia. Tenía una edad de unos 300.000 años y una temperatura de unos 3000 K. En aquel momento todavía no se habían formado ni las galaxias ni las estrellas ni los planetas.
Una característica de esa radiación es que se distribuye de manera uniforme en todo el cielo, sin que se note ninguna dirección preferencial; a propósito, es una de las pruebas convincentes de que el Big Bang realmente sucedió fue la detección de esa radiación de fondo abarcado todo el espacio. El estudio de esa radiación permite obtener información sobre las condiciones del universo en sus comienzos; por ejemplo, el satélite COBE encontró en 1992, tenues fluctuaciones de temperatura en la radiación de fondo, las que se han interpretado también como una confirmación de que el Big Bang existi&oacute. Esas fluctuaciones de radiación indican variaciones de densidad de la materia.
Las abundancias observadas de hidrógeno, deuterio, helio y litio en las nebulosas gaseosas y en las estrellas coinciden con las estimadas en los procesos de evolución del universo, lo que confirma también la existencia del Big Bang.
A continuación se mencionan los principales fenómenos ocurridos luego del estallido inicial de acuerdo a las modernas teorías cosmológicas. (Se indica con T la temperatura del universo en ese instante).

Instante	Acontecimiento
0	Big Bang. Origen del tiempo, el espacio y la energía del universo que conocemos.
10-43 seg	Instante después del Big Bang en que puede analizarse los procesos f&iacutesicos que se desarrollaron posteriormente. T =1032 K
10-36 seg	Se separa la fuerza fuerte. El volumen del universo comienza una muy rápida expansión: es el universo inflacionario.T = 1027 K
10-32 seg	Termina la época inflacionaria. Plasma ionizado de materia y radiación. T = 1026K
10-12	Separación de la fuerza débil del electromagnetismo. T = 1015K
10-6	Los quarks se unen de a tres para formar protones y neutrones. T = 1013K
10-2 seg	Una sopa de materia y radiación interaccionan en equilibrio térmico.T = 1011 K
1 seg	Aparecen los neutrinos. T= 1010 K
102 seg	Protones y electrones forman los primeros átomos de hidrógeno. T = 109 K
103 seg	Los protones y los neutrones se unen, formando núcleos de helio. El universo ahora está compuesto de un 25% de núcleos de helio y un 75% de hidrógeno. T = 108K
1 año	La temperatura ambiente del universo es aproximadamente la del centro de una estrella. T= 107K
5.105 años	Origen de la radiación cósmica de fondo. En lo sucesivo, la materia puede condensarse en galaxias y estrellas. T = 105K
109 años	Aparecen las protogalaxias y se forman los cúmulos globulares. Comienza la época de los quásares. T = 102 K
1010 años	El Sol y los planetas se condensan a partir de una nube de gas y polvo en un brazo espiral de la Vía Láctea.
3.1010 años	La Tierra se ha enfríado lo suficiente para formar una corteza sólida; es la edad de las más antiguas rocas terrestres.

 

 

Gas magnetizado en el Universo surgió desde el Big Bang

Astronomía

Estructuras turbulentas del campo magnético de cuatro modelos numéricos. ESPECIAL

• El estudio supone la primera explicación dada a la existencia de dicho tipo de gas en esos lugares

Los cálculos del equipo de investigadores demuestran que ese fenómeno ‘es posible incluso bajo condiciones físicas extremas, como las perceptibles poco después del Big Bang'

PARÍS, FRANCIA (09/SEP/2011).- La presencia de gas magnetizado entre galaxias o estrellas de una misma galaxia podría explicarse por intensos campos magnéticos generados probablemente en el Universo poco después de que se produjera el "Big Bang", según las conclusiones de un equipo internacional de astrofísicos.

El estudio, en el que han participado investigadores del Centro Nacional francés de Investigaciones Científicas (CNRS), supone la primera explicación dada a la existencia de dicho tipo de gas en esos lugares, según un comunicado difundido hoy por el organismo.

Las conclusiones aparecen hoy en la revista "Physical Review Letters" y, de acuerdo con la nota, permiten comprender mejor las propiedades de las primeras estrellas y galaxias en el Universo.

Según los científicos, un campo magnético inicialmente débil pudo aumentar su potencia por movimientos turbulentos que existieron en el Universo primordial y que son similares a los presentes en el interior de la Tierra o el Sol.

Los cálculos del equipo de investigadores demuestran que ese fenómeno "es posible incluso bajo condiciones físicas extremas, como las perceptibles poco después del 'Big Bang', cuando se formaron las primeras estrellas".

"La interacción entre energía turbulenta, una suerte de energía cinética generada por la turbulencia, y campo magnético puede amplificar un campo inicialmente débil y darle fuerza", reiteran los científicos, que con ese acercamiento profundizan en la manera en que las líneas de los campos magnéticos interactúan con los bloques turbulentos.

EL BIG BANG: Durante casi todo el transcurso de la historia de la Física y de la Astronomía modernas no hubo fundamentos adecuados, de observación y teóricos, sobre los cuales construir una historia del Universo primitivo. Desde mediados de la década del ‘60, todo esto ha cambiado.

Se ha difundido la aceptación de una teoría sobre el Universo primitivo que los astrónomos suelen llamar “el modelo corriente”. Es muy similar a lo que a veces se denomina la teoría del Big Bang o “Gran explosión”, pero complementada con indicaciones mucho más específicas sobre el contenido del Universo.

Si escuchamos el silbato de un tren que se aleja rápidamente, su silbido nos parecerá más grave que si el tren estuviera quieto. El sonido parece tener una mayor longitud de onda cuando el tren se aleja. Esta situación corresponde al fenómeno señalado primeramente por Johann Doppler en 1842. De la misma manera, la luz de una fuente que se aleja es percibida como si tuviese una longitud mayor: si el color original fuera naranja, la luz se percibiría más rojiza.

Esto se llama “corrimiento hacia el rojo” y es una manifestación del efecto Doppler en las ondas luminosas. Ciertos análisis de la luz proveniente de estrellas y galaxias muestran que, en la inmensa mayoría de los casos, hay un corrimiento hacia el rojo. Esto puede explicarse suponiendo un Universo en expansión en el que cada galaxia se aleja de las otras; como si fuese el resultado de algún género de explosión.

A mediados de los años ‘60, A. Penzias y R. Wilson detectaron ondas de radio de longitudes cercanas a los 10 cm (microondas), procedentes del espacio exterior con una particularidad singular. La intensidad de estas señales era la misma independientemente de la dirección en que se situara la antena. Por lo tanto, no podían ser adjudicadas a ninguna estrella, galaxia o cuerpo estelar en particular. Estas microondas parecían llenar todo el espacio y ser equivalentes a la radiación emitida por un cuerpo negro a 3K. Los astrofísicos teóricos comprendieron que esta “radiación cósmica de fondo de microondas” era compatible con la suposición de que en el pasado el Universo era muy denso y caliente.

En el comienzo hubo una explosión. No como las que conocemos en la Tierra, que parten de un centro definido y se expanden hasta abarcar una parte más o menos grande del aire circundante, sino una explosión que se produjo simultáneamente en todas partes, llenando desde el comienzo todo el espacio y en la que cada partícula de materia se alejó rápidamente de toda otra partícula. “Todo el espacio”, en este contexto, puede significar, o bien la totalidad de un Universo infinito, o         bien la totalidad de un Universo finito que se curva sobre sí mismo como la superficie de una esfera. Ninguna de estas posibilidades es fácil de comprender, pero esto no debe ser un obstáculo; en el Universo primitivo, importa poco que el espacio sea finito o infinito.

 

 Representación ilustrada del Big Bang.   

 

Telescopio espacial Hubble (NASA). El corrimiento hacia el rojo en la composición espectral de la luz estelar
puede ser interpretado suponiendo que el Universo está en expansión.

 

Al cabo de un centésimo de segundo aproximadamente, que es el momento más primitivo del que podemos hablar con cierta seguridad, la temperatura fue de unos cien mii millones (1011) de grados centígrados.

Se trata de un calor mucho mayor aún que el de la estrella más caliente, tan grande, en verdad, que no pueden mantenerse unidos los componentes de la materia ordinaria: moléculas, átomos, ni siquiera núcleos de átomos. En cambio, la materia separada en esta explosión consistía en diversos tipos de las llamadas partículas elementales, que son el objeto de estudio de la moderna Física nuclear de altas energías.

 

  

Las microondas que se detectan con igual intensidad en cualquier dirección en que se apunte la antena, no pueden provenir de un cuerpo celeste en particular. Son propias del conjunto del Universo y hacen suponer que en el pasado éste era denso y caliente.

Un tipo de partícula presente en gran cantidad era el electrón, partícula con carga negativa que fluye por los cables transportadores de corriente eléctrica y constituye las partes exteriores de todos los átomos y moléculas del Universo actual. Otro tipo de partículas que abundaban en tiempos primitivos era el positrón, partícula de carga positiva que tiene la misma masa que el electrón.

En el Universo actual, sólo se encuentran positrones en los laboratorios de altas energías, en algunas especies de radiactividad y en los fenómenos astronómicos violentos, como los rayos cósmicos y las supernovas; pero en el Universo primitivo el número de positrones era casi exactamente igual al número de electrones. Además de los electrones y los positrones, había cantidades similares de diversas clases de neutrinos, fantasmales partículas que carecen de masa y carga eléctrica. Finalmente, el Universo estaba lleno de fotones de luz. 

Estas partículas eran generadas continuamente a partir de la energía pura, y después de una corta vida, eran aniquiladas nuevamente. Su número, parlo tanto,         no estaba prefijado, sino que lo determinaba el balance entre los procesos de     creación y de aniquilamiento.

De este balance, podemos   inferir que la densidad de esta “sopa cósmica”, a una temperatura de cien mil millones de grados, era cuatro mil  millones (4. 10 a la 9) de veces mayor que la del agua. Hubo   también una pequeña contaminación de partículas más pesadas, protones y neutrones, que en el mundo actual son los constituyentes  de los núcleos atómicas. Las proporciones eran más o menos de un protón y un   neutrón por cada mil millones de electrones, positrones, neutrinos o fotones. A medida que la explosión continuaba, la temperatura fue disminuyendo, hasta llegar a los treinta mil millones (3. 10 a la 10) de grados centígrados después de undécimo de segundo, diez mil millones de grados después de un segundo y tres mil millones de grados después de unos catorce segundos.

Esta temperatura era suficientemente baja como para que los electrones y positrones comenzaran a aniquilarse más rápidamente de lo que podían ser recreados a partir de fotones y los neutrinos. La energía liberada en este aniquilamiento de materia hizo disminuir temporalmente la velocidad a la que se enfriaba el Universo, pero la temperatura continuo disminuyendo, para llegar a los 1000 millones de grados al final  de los tres primeros minutos.

Esta temperatura fue entonces suficiente para que los protones y neutrones empezaran a formar núcleos complejos, comenzando con el núcleo del hidrógeno pesado (o deuterio), que consiste en un protón y un neutrón. La densidad era aún bastante elevada (un poco menor que la del agua), de modo que estos núcleos ligeros pudieron unirse rápidamente en el núcleo más estable del helio, que consiste en dos protones y dos neutrones.

          

 

  

Al final de los tres primeros minutos, el Universo contenía principalmente luz, neutrinos y antineutrinos. Había también una pequeña cantidad de material nuclear, formado ahora por un 73 % de hidrógeno y un 27 % de helio, aproximadamente, y por un número igualmente pequeño de electrones que habían quedado de la época del aniquilamiento entre electrones y positrones. Esta materia siguió separándose y se volvió cada vez más fría y menos densa. Mucho más tarde, después de algunos cientos de miles de años, se enfrió lo suficiente como para que los electrones se unieran a los núcleos para formar átomos de hidrógeno y de helio. El gas resultante, bajo la influencia de la gravitación, comenzaría a formar agrupamientos que finalmente se condensarían para constituir las galaxias y las estrellas del Universo actual. Pero los ingredientes con los que empezarían su vida las estrellas serian exactamente los preparados en los tres primeros minutos.

teorias del big bang

Teoría del Big Bang

En cosmología física, la teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo y su desarrollo posterior a partir de una singularidad espaciotemporal. Técnicamente, este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.

Según la teoría del Big Bang, el Universo se originó en una singularidad espaciotemporal de densidad infinita matemáticamente paradójica. El espacio se ha expandido desde entonces, por lo que los objetos astrofísicos
 se han alejado unos respecto de los otros

Descripción del Big Bang

El Universo ilustrado en tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal.

Michio Kaku ha señalado cierta paradoja en la denominación big bang (gran explosión): en cierto modo no puede haber sido grande ya que se produjo exactamente antes del surgimiento del espacio-tiempo, habría sido el mismo big bang lo que habría generado las dimensiones desde una singularidad; tampoco es exactamente una explosión en el sentido propio del término ya que no se propagó fuera de sí mismo.
Basándose en medidas de la expansión del Universo utilizando observaciones de las supernovas tipo 1a, en función de la variación de la temperatura en diferentes escalas en la radiación de fondo de microondas y en función de la correlación de las galaxias, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 ± 0,2 miles de millones de años. Es notable el hecho de que tres mediciones independientes sean consistentes, por lo que se consideran una fuerte evidencia del llamado modelo de concordancia que describe la naturaleza detallada del Universo.
El universo en sus primeros momentos estaba lleno homogénea e isótropamente de una energía muy densa y tenía una temperatura y presión concomitantes. Se expandió y se enfrió, experimentando cambios de fase análogos a la condensación del vapor o a la congelación del agua, pero relacionados con las partículas elementales.
Aproximadamente 10^-35 segundos después del tiempo de Planck un cambio de fase causó que el Universo se expandiese de forma exponencial durante un período llamado inflación cósmica. Al terminar la inflación, los componentes materiales del Universo quedaron en la forma de un plasma de quarks-gluones, en donde todas las partes que lo formaban estaban en movimiento en forma relativista. Con el crecimiento en tamaño del Universo, la temperatura descendió, y debido a un cambio aún desconocido denominado bariogénesis, los quarks y los gluones se combinaron en bariones tales como el protón y el neutrón, produciendo de alguna manera la asimetría observada actualmente entre la materia y la antimateria. Las temperaturas aún más bajas condujeron a nuevos cambios de fase, que rompieron la simetría, así que les dieron su forma actual a las fuerzas fundamentales de la física y a las partículas elementales. Más tarde, protones y neutrones se combinaron para formar los núcleos de deuterio y de helio, en un proceso llamado nucleosíntesis primordial. Al enfriarse el Universo, la materia gradualmente dejó de moverse de forma relativista y su densidad de energía comenzó a dominar gravitacionalmente sobre la radiación. Pasados 300.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar los átomos (mayoritariamente de hidrógeno). Por eso, la radiación se desacopló de los átomos y continuó por el espacio prácticamente sin obstáculos. Ésta es la radiación de fondo de microondas.
Al pasar el tiempo, algunas regiones ligeramente más densas de la materia casi uniformemente distribuida crecieron gravitacionalmente, haciéndose más densas, formando nubes, estrellas, galaxias y el resto de las estructuras astronómicas que actualmente se observan. Los detalles de este proceso dependen de la cantidad y tipo de materia que hay en el Universo. Los tres tipos posibles se denominan materia oscura fría, materia oscura caliente y materia bariónica. Las mejores medidas disponibles (provenientes del WMAP) muestran que la forma más común de materia en el universo es la materia oscura fría. Los otros dos tipos de materia sólo representarían el 20 por ciento de la materia del Universo.
El Universo actual parece estar dominado por una forma misteriosa de energía conocida como energía oscura. Aproximadamente el 70 por ciento de la densidad de energía del universo actual está en esa forma. Una de las propiedades características de este componente del universo es el hecho de que provoca que la expansión del universo varíe de una relación lineal entre velocidad y distancia, haciendo que el espacio-tiempo se expanda más rápidamente que lo esperado a grandes distancias. La energía oscura toma la forma de una constante cosmológica en las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general, pero los detalles de esta ecuación de estado y su relación con el modelo estándar de la física de partículas continúan siendo investigados tanto en el ámbito de la física teórica como por medio de observaciones.
Más misterios aparecen cuando se investiga más cerca del principio, cuando las energías de las partículas eran más altas de lo que ahora se puede estudiar mediante experimentos. No hay ningún modelo físico convincente para el primer 10^-33 segundo del universo, antes del cambio de fase que forma parte de la teoría de la gran unificación. En el "primer instante", la teoría gravitacional de Einstein predice una singularidad gravitacional en donde las densidades son infinitas. Para resolver esta paradoja física, hace falta una teoría de la gravedad cuántica. La comprensión de este período de la historia del universo figura entre los mayores problemas no resueltos de la física.