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3 abr 2017

DEL BIG BANG CLÁSICO AL UNIVERSO INFLACIONARIO

La teoría del Big Bang clásico es una consecuencia directa de la expansión del universo.

Este hecho se conoce desde los años 30 del pasado siglo y ha sido avalado por una gran variedad de observaciones que aportan información sobre la evolución del universo en distintas épocas. Observando la relación entre luminosidad y desplazamiento al rojo de la luz para diversos objetos (como por ejemplo supernovas) sabemos el ritmo al que el universo se está expandiendo actualmente y también cómo lo ha hecho en los últimos miles de millones de años (épocas recientes en términos cosmológicos). Dado que el universo se expande (la materia que forma el universo se diluye, alejándose las galaxias u otras estructuras unas de otras), podemos concluir que en el pasado el universo fue mucho más denso al estar toda la materia de una región dada condensada en un espacio mucho menor.

BIG BANG CLÁSICO. Anisotropías del fondo cósmico de microondas

Anisotropías del fondo cósmico de microondas observadas por el satélite Planck. El fondo cósmico de microondas tiene una temperatura promedio de 2.7 grados sobre el cero absoluto: las fluctuaciones son de una cienmilésima de grado. Image credit: ESA and the Planck collaboration.

Rebobinando la expansión del universo llegamos a la conclusión de que éste tuvo que tener un comienzo que conocemos como el Big Bang clásico. Éste sería un instante en el que la densidad de materia y energía se hace singular (infinita en un sentido matemático) y antes del cual nada está definido de manera precisa. Es importante resaltar que la existencia de un origen como tal, la singularidad de la que estamos hablando, se debe a la extrapolación directa de nuestro conocimiento del cosmos y su funcionamiento: si, por un lado, éste está formado por materia convencional (átomos, luz y partículas elementales como los neutrinos o incluso materia oscura) y, por otro, la teoría de Einstein describe correctamente la relación entre materia y expansión, entonces, una singularidad debió ocurrir en un instante concreto que las observaciones actuales establecerían entorno a los 13.700 millones de años en el pasado.

El estudio de la expansión del universo no se limita tan solo a épocas relativamente recientes. El hecho de que el universo era más denso en el pasado implica que también era más caliente y fue enfriándose con el paso del tiempo. Este enfriamiento da lugar a una serie de procesos que tienen lugar cuando se alcanzan ciertas temperaturas. Algunos de estos procesos dejan tras de sí fósiles que podemos observar y nos permiten entender muchos detalles sobre la historia del universo, su composición y las leyes que lo rigen. En este sentido los fósiles son una analogía bastante literal. Igual que estudiando esqueletos preservados en la roca podemos aprender sobre las formas de vida que poblaban la tierra hace millones de años, estudiando diversas propiedades del cosmos podemos entender de manera muy precisa épocas muy distantes del universo temprano.

Un proceso crítico en la historia del universo es cuando éste se vuelve transparente. En épocas tempranas la temperatura es lo suficientemente alta como para que la materia esté en un estado de plasma muy similar al Sol. En un plasma no hay átomos neutros ya que, si uno se forma, una partícula de luz vuelve a ionizarlo muy rápidamente. Al enfriarse el universo la cantidad de luz con energía suficiente como para mantener el plasma va reduciéndose y a partir de cierto umbral la ionización deja de ser eficiente y el universo pasa de ser plasma a gas, eléctricamente neutro. Este proceso libera una enorme cantidad de energía en forma de luz que actualmente sigue permeando el universo. Aunque originalmente la luz era muy energética, la expansión la ha diluido hasta frecuencias de microondas correspondiente a una temperatura de 2.7 grados Kelvin. Por este motivo, conocemos este “fósil cósmico” como el fondo cósmico de microondas. Estudiando sus propiedades podemos aprender cuál era la tasa de expansión y la composición del universo cuando éste tenía apenas 300.000 años, tan solo unas cienmilésimas de su edad actual.

El estudio del fondo cósmico de microondas es compatible con muchos de los aspectos del Big Bang clásico, pero plantea un interrogante importante. Las observaciones muestran que distintos puntos del universo tienen las mismas propiedades con un grado de precisión asombroso. Es normal que esto ocurra en zonas cercanas ya que las interacciones entre las partículas del plasma hacen que las diferencias tiendan a borrarse y la temperatura se promedie en total. El problema es que la luz (y, por tanto, cualquier tipo de información) solo habría podido viajar una cantidad de tiempo pequeña desde el Big Bang, por lo que muchas de estas regiones no habrían tenido tiempo de interactuar y las diferencias entre ellas no habrían podido difuminarse. Por un lado observamos que zonas opuestas del cielo tienen las mismas propiedades y, por otro, que no hay forma en que estas propiedades hayan podido transmitirse de un lugar a otro: o bien la información viaja más rápido que la luz o el universo comenzó en un estado muy especial en el que todas las regiones tenían las mismas propiedades.

La teoría de la inflación cósmica intenta solucionar este problema postulando una era de expansión acelerada muy temprana en la que se fijan las condiciones iniciales del universo. La expansión habría sido tal que todo el universo observable y, posiblemente, más allá, surge de una misma región por lo que las condiciones iniciales en puntos que parecen más allá de lo que la luz podría recorrer están fijadas por el mismo mecanismo. El campo cuya energía produce expansión inflacionaria es necesariamente distinto a otras formas de materia que conocemos, pero eventualmente este proceso termina y la energía de inflación se transforma en la materia ordinaria (y la materia oscura) que da lugar al universo conocido. En este sentido el final de la inflación enlazaría con los primeros instantes del Big Bang clásico, poco después de la singularidad inicial.

Del BIG BANG clásico al universo inflacionario

Historia del universo. La expansión inicial debida al período inflacionario explicaría por qué regiones muy distantes comparten las mismas propiedades. Image credit: ESA and the Planck collaboration.

La teoría inflacionaria explica que el universo parezca tan regular a escalas grandes mediante lo que sería un proceso de “planchado” a escalas cosmológicas. Uno podría pensar que tal proceso daría lugar a un universo perfectamente simétrico, igual en cada punto del espacio y sin ningún tipo de estructura y que, por tanto, condenaría el universo a ser totalmente estéril. Pero la inflación tiene un as en la manga. La inflación acelerada imprime en el campo inflacionario unas minúsculas inhomogeneidades, haciendo que algunas zonas sean ligeramente más densas que otras. Al expandirse el universo estas perturbaciones empiezan a crecer por la acción atractiva de la gravedad hasta eventualmente dar lugar a estrellas, galaxias y una compleja red de estructuras a escalas de millones de años luz y aún mayores. El proceso de generación de las perturbaciones iniciales se debe a oscilaciones del campo inflacionario predichas por el principio de incertidumbre y la mecánica cuántica. Debido a la monstruosa tasa de expansión durante la inflación, estas fluctuaciones microscópicas son amplificadas hasta escalas cosmológicas. Este mecanismo, que conecta las leyes de lo microscópico con el origen de estructuras como las galaxias, podría ser necesario para que exista la complejidad en el universo y, en última instancia, la vida.

De haber ocurrido, nuestro universo observable sería el legado de la época inflacionaria. De hecho, los modelos inflacionarios más sencillos predicen condiciones iniciales con unas propiedades muy específicas que encajan de manera casi perfecta con las observaciones del fondo cósmico de microondas y otras observaciones de la estructura a gran escala del universo. Pero estos detalles son muy genéricos y resulta muy difícil averiguar de manera convincente cuál es el mecanismo preciso que pudo dar origen a nuestro universo. Una parte muy importante del trabajo actual en cosmología consiste en buscar otros fósiles cósmicos que pudieran darnos más pistas sobre si la inflación realmente ocurrió y cómo pudo haberlo hecho. La información que podríamos obtener de este esfuerzo sería extremadamente valiosa, no solo para entender mejor las leyes de la física sino, también, el origen del universo.

Autor: MIGUEL ZUMALACÁRREGUI 

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Nota FdeT: este artículo ha sido realizado por el autor como respuesta a una pregunta formulada por un lector del blog divulgativo (H. Fernández).

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Imágenes del texto:

1.- http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2013/03/Planck_CMB

2.- http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2013/03/Planck_history_of_Universe

 

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