Hay un agujero en la historia de cómo nació nuestro universo. Primero, el universo se infló rápidamente, como un globo. Entonces, todo fue boom.
Pero cómo están conectados esos dos períodos ha eludido a los físicos. Ahora, un nuevo estudio sugiere una forma de vincular las dos épocas.
En el primer período, el universo creció de un punto casi infinitamente pequeño a casi un octillón (eso es un 1 seguido de 27 ceros) veces mayor que en menos de una billonésima de segundo. Este período de inflación fue seguido por un período de expansión más gradual, pero violento, que conocemos como el Big Bang. Durante el Big Bang, una bola de fuego increíblemente caliente de partículas fundamentales, como protones, neutrones y electrones, se expandió y se enfrió para formar los átomos, estrellas y galaxias que vemos hoy.
La teoría del Big Bang, que describe la inflación cósmica, sigue siendo la explicación más ampliamente respaldada de cómo comenzó nuestro universo, sin embargo, los científicos aún están perplejos por cómo están conectados estos períodos de expansión completamente diferentes. Para resolver este enigma cósmico, un equipo de investigadores del Kenyon College, el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Leiden de los Países Bajos simularon la transición crítica entre la inflación cósmica y el Big Bang, un período que llaman "recalentamiento".
"El período de recalentamiento posterior a la inflación establece las condiciones para el Big Bang y, en cierto sentido, pone la 'explosión' en el Big Bang", dijo David Kaiser, profesor de física en el MIT, en un comunicado. "Es este período de puente donde todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier forma que no sea simple".
Cuando el universo se expandió en un instante durante la inflación cósmica, toda la materia existente se extendió, dejando el universo en un lugar frío y vacío, desprovisto de la sopa caliente de partículas necesarias para encender el Big Bang. Durante el período de recalentamiento, se cree que la inflación que impulsa la energía se descompone en partículas, dijo Rachel Nguyen, estudiante de doctorado en física en la Universidad de Illinois y autora principal del estudio.
"Una vez que se producen esas partículas, rebotan y chocan entre sí, transfiriendo impulso y energía", dijo Nguyen a Live Science. "Y eso es lo que termaliza y recalienta el universo para establecer las condiciones iniciales para el Big Bang".
En su modelo, Nguyen y sus colegas simularon el comportamiento de formas exóticas de materia llamadas inflatons. Los científicos creen que estas partículas hipotéticas, de naturaleza similar al bosón de Higgs, crearon el campo de energía que impulsó la inflación cósmica. Su modelo mostró que, en las condiciones adecuadas, la energía de los inflatons podría redistribuirse eficientemente para crear la diversidad de partículas necesarias para recalentar el universo. Publicaron sus resultados el 24 de octubre en la revista Physical Review Letters.
Un crisol para la física de alta energía.
"Cuando estudiamos el universo temprano, lo que realmente estamos haciendo es un experimento de partículas a temperaturas muy, muy altas", dijo Tom Giblin, profesor asociado de física en el Kenyon College en Ohio y coautor del estudio. "La transición del período inflacionario frío al período caliente es uno que debería tener alguna evidencia clave sobre qué partículas realmente existen a estas energías extremadamente altas".
Una pregunta fundamental que afecta a los físicos es cómo se comporta la gravedad en las energías extremas presentes durante la inflación. En la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, se cree que toda la materia se ve afectada por la gravedad de la misma manera, donde la fuerza de la gravedad es constante independientemente de la energía de una partícula. Sin embargo, debido al extraño mundo de la mecánica cuántica, los científicos piensan que, a energías muy altas, la materia responde a la gravedad de manera diferente.
El equipo incorporó esta suposición en su modelo al ajustar cuán fuertemente interactúan las partículas con la gravedad. Descubrieron que cuanto más aumentaban la fuerza de la gravedad, más eficientemente los inflatons transferían energía para producir el zoológico de partículas de materia caliente encontradas durante el Big Bang.
Ahora, necesitan encontrar evidencia para reforzar su modelo en algún lugar del universo.
"El universo guarda tantos secretos codificados de maneras muy complicadas", dijo Giblin a Live Science. "Es nuestro trabajo aprender acerca de la naturaleza de la realidad ideando un dispositivo de decodificación, una forma de extraer información del universo. Utilizamos simulaciones para hacer predicciones sobre cómo debería ser el universo para que podamos comenzar a decodificarlo". Este período de recalentamiento debería dejar una huella en algún lugar del universo. Solo tenemos que encontrarlo ".
Pero encontrar esa huella podría ser complicado. Nuestra primera visión del universo es una burbuja de radiación que quedó de unos pocos cientos de miles de años después del Big Bang, llamado fondo cósmico de microondas (CMB). Sin embargo, el CMB solo insinúa el estado del universo durante esos primeros segundos críticos de nacimiento. Físicos como Giblin esperan que las futuras observaciones de ondas gravitacionales proporcionen las pistas finales.
