La inflación del cosmos       

 

 

Desde el principio hasta el fin del Universo la inflación del cosmos.

 

Por Brian Keating.

Traducción y comentarios: Jesús Guerrero, ALDA.

08 de enero de 2021.

 

En una billonésima de billonésima de billonésima de segundo, nuestro Universo experimentó un crecimiento acelerado que dio forma a la estructura que vemos hoy.

 

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La inflación tuvo lugar mucho antes de nuestra primera instantánea del Universo, el fondo cósmico de microondas (CMB). Este dramático proceso magnificó las fluctuaciones de densidad local e igualó la temperatura del Universo para crear el CMB suave que observamos. Se cree que la inflación generó ondas gravitacionales, que deberían haber dejado su huella en la luz del CMB. Crédito: Astronomía: Roen Kelly, colaboración BICEP2.

 

Los cosmólogos están seguros de que el Big Bang describe con precisión  el Universo que vemos hoy. Pero están menos seguros de lo que vino antes.

 

Stephen Hawking consideró esta consulta inútil, como preguntar "¿Qué  hay al sur del Polo Sur?" Aunque a menudo se combinan, el Big Bang y el origen del tiempo son épocas distintas. Pero lo que sucedió antes del Big Bang puede haber sentado las bases de lo que vino después.

 

La teoría del Big Bang describe la era que comenzó cuando se formaron  los elementos más ligeros, llamada nucleosíntesis del Big Bang (BBN), hasta hoy, donde los objetos distantes se alejan a grandes velocidades. BBN es actualmente la última época de certeza, la etapa final en la historia cósmica inversa donde las fuerzas subyacentes de la naturaleza eran similares a la física accesible a los aceleradores de partículas de hoy en día.

 

Más allá de BBN se encuentra la especulación. El modelo más popular  para lo que lo precedió es la inflación. Alan Guth, quien comenzó a desarrollar la teoría en 1979, escribió en su libro The Inflationary Universe que “la teoría estándar del Big Bang no dice nada sobre qué golpeó, por qué golpeó o qué sucedió antes de golpear. El Universo inflacionario es una teoría del 'estallido' del Big Bang”.

 

Puliendo los detalles.

 

El Big Bang no estuvo exento de inventos. Ya en la década de 1940, los cosmólogos reconocieron graves fallas en la narrativa de la teoría. Además, nadie sabía qué había provocado que el Big Bang comenzara su prodigiosa expansión. En la década de 1970, habían surgido varias fisuras que cuestionaban la precisión del Big Bang.

 

Una fue la curvatura espacial del Universo, una medida de cómo los haces de luz inicialmente paralelos divergen a medida que se propagan. Nuestro Universo es aproximadamente "plano", lo que significa que las reglas que aprendiste en la clase de geometría, como las líneas paralelas nunca se cumplen, se aplican en todas partes. Esto es fortuito: es posible que no esté leyendo esto si la curvatura fuera diferente.

 

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El autor y sus colaboradores utilizaron el telescopio BICEP (primer plano) en la Antártida para buscar la huella de las ondas gravitacionales de la inflación en la luz del CMB. Sin embargo, aún no se han encontrado pruebas definitivas. Crédito: Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica.

 

Hay infinitos valores de curvatura posibles que podría haber tenido el Universo. Sin embargo, la planitud, o curvatura cero, es el valor más inestable que puede tomar: cualquier desviación de cero podría haber causado que el Universo colapsara inmediatamente después de su formación. Esto evitaría que se desarrolle cualquier estructura, y mucho menos la vida. En 1979, Guth asistió a una conferencia de Bob Dicke, un físico de renombre que, junto con Jim Peebles, especuló que las propiedades del Universo, incluida su planitud, eran tan cruciales para la existencia de la vida que tenía que haber una razón subyacente. (Peebles recibió el Premio Nobel de Física en 2019 por su trabajo en el campo de la cosmología).

 

Argumentos antrópicos como estos, sin explicación aparente, excepto  que de otro modo no existiríamos para observar las condiciones que provocan, son un anatema para los cosmólogos. Guth se inspiró para idear un mecanismo que forzó la planitud del Universo. Comenzó a desarrollar el paradigma del Universo inflacionario en 1979, y finalmente lo publicó en Physical Review D en 1981.

 

El documento establece que la inflación cósmica expandió el espacio- tiempo en un factor de 1030 en aproximadamente una billonésima de billonésima de billonésima de segundo. Segundos más tarde, comienza la BBN, seguida de la expansión Hubble más familiar. La inflación pone el "estallido" en el Big Bang, cortesía de una sustancia extraña: un campo llamado inflatón, que actúa como una fuente de antigravedad e impulsa la expansión exponencial y acelerada del Universo, aunque solo brevemente.

 

La inflación dijo que la uniformidad no fue el resultado de un ajuste  fino; más bien, era inevitable. Cuando el Universo crece en un factor de aproximadamente 1030, cualquier curvatura espacial residual que quede después de la inflación es insignificante. Esto es consistente con las observaciones de la radiación de fondo de microondas cósmico (CMB), el resplandor del Big Bang, obtenida más tarde por los experimentos Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array (MAXIMA) y Balloon Observations Of Millimetric Extragalctic Radiation and Geofísica (BOOMERanG) en 2000. El análisis combinado más reciente de CMB y datos de agrupamiento de galaxias limita la cantidad máxima de curvatura del Universo por debajo del 0,2 por ciento.

 

 

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Este gráfico muestra el tamaño del Universo observado a lo largo del tiempo, destacando las diferencias entre la inflación (línea roja) y la teoría estándar del Big Bang (línea gris oscuro). En un Universo inflacionario, el tamaño del Universo observable comienza lo suficientemente pequeño como para que las regiones que terminan muy separadas después de la inflación (que ocurre durante el tiempo sombreado por la barra amarilla vertical) puedan tener la misma temperatura porque estuvieron en contacto de antemano. Este problema de horizonte es un problema con una teoría del Big Bang que no incluye la inflación. Crédito: Astronomía: Roen Kelly, Alan Guth.

 

El artículo de Guth también explica la asombrosa uniformidad del Universo. Las observaciones muestran que las regiones remotas del cosmos tienen cantidades casi idénticas de radiación CMB. En el escenario estándar del Big Bang, las regiones dispares nunca habían estado lo suficientemente cerca unas de otras como para que sus temperaturas se equilibraran. Esta preocupante observación se conoció como el problema del horizonte. La inflación lo resolvió al permitir que regiones del Universo muy separadas hubieran estado previamente en contacto, alcanzando una sola temperatura en un Universo mucho más pequeño antes de la expansión inflacionaria.

 

Pero el modelo de Guth no fue perfecto. No tuvo en cuenta cómo  comenzó... o terminó la inflación. También carecía de una forma para que se formaran estructuras como los cúmulos de galaxias: ¿cómo podrían surgir cúmulos de materia después del prodigioso aplanamiento de la inflación? Afortunadamente, poco después de la publicación del artículo de Guth, teóricos como Paul Steinhardt, Stephen Hawking, Andrei Linde y otros rectificaron problemas técnicos en el modelo de Guth. Sus soluciones incluían la idea de que las inevitables fluctuaciones cuánticas del campo de inflatón provocaban que la expansión del Universo variara según la ubicación. Estos nervios darían lugar a fluctuaciones en la densidad de materia del Universo, lo que conduciría a regiones donde la materia oscura y la materia ordinaria se agrupan para formar galaxias semilla (mucho más tarde). Tales fluctuaciones fueron observadas en el CMB en 1992 por el satélite Cosmic Background Explorer (COBE).

 

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La medición de la polarización u orientación de la luz del CMB podría  revelar si se produjo inflación. Las ondas gravitacionales primordiales producidas durante la época de la inflación habrían estirado y aplastado alternativamente el espacio-tiempo de tal manera que en el momento en que se produjo el CMB, su luz contendría modos B, un patrón de remolino, todavía visible hoy. Si se detectan mediante experimentos futuros, estos modos B proporcionarían una clara firma de inflación, ya que ninguna otra fuente que no sean las ondas gravitacionales cosmológicas puede producirlos en el CMB. La imagen muestra un ejemplo de cómo se ven los modos B en un campo de luz polarizada. Crédito: Astronomía: Roen Kelly, Wayne Hu.

 

Evidencia esquiva.

 

Con una serie tan exitosa de afirmaciones consistentes, la inflación  debería ser ampliamente aceptada por todos los cosmólogos practicantes, ¿verdad? No completamente. Hay otros modelos, además de la inflación, que predicen los mismos nervios que llevarían a las estructuras a gran escala que se observan hoy.

 

Pero la deficiencia más significativa de la inflación es no explicar cómo  comenzó. Incluso Guth solo consideró sus consecuencias, asumiendo que la inflación se inició de alguna manera. Esto llevó a algunos críticos a afirmar que la inflación y sus consecuencias no son comprobables, que es un requisito importante del método científico. Lo que se necesita es una forma de probar las predicciones únicas que hace la inflación, permitiendo a los cosmólogos diferenciar entre un Universo en el que tuvo lugar la inflación y teorías alternativas.

 

A principios de la década de 1990, los cosmólogos habían encontrado  una "pistola humeante" de inflación. Demostraron que, si se producía inflación, inevitablemente daría lugar a ondas gravitacionales primordiales. Estas ondas se propagan a la velocidad de la luz, perduran para siempre e impregnan toda la materia, lo que las convierte en mensajeros únicos de la época inflacionaria. Son la prueba ideal de inflación, si es que se pudieran detectar tales ondas. Si se miden, estas ondas podrían revelar información sobre la época inflacionaria de la misma manera que los fotones, los propios mensajeros sin masa, codifican las propiedades del cosmos 380.000 años después de BBN.

 

A principios de la década de 1980, el físico ruso Alex Polnarev predijo  que estas ondas gravitacionales distorsionarían el espacio-tiempo de una manera que induciría patrones específicos a la luz del CMB. Estos patrones en la orientación de la luz, o polarización, se llamaron más tarde modos B y sus propiedades fueron completamente aclaradas por otros investigadores a fines de la década de 1990. Si se detectan, los modos B confirmarían la inflación más allá de toda duda razonable. En 2001, mis colegas experimentales y yo decidimos probar si podíamos detectar estas reliquias inflacionarias.

 

La detección de ondas gravitacionales a través de su huella en la  polarización del CMB falsificaría las alternativas a la inflación, cimentándola de una vez por todas como piedra de toque de la cosmología. Pero nuestra aparente detección de polarización en modo B utilizando el instrumento de Imágenes de fondo de polarización extragaláctica cósmica, o BICEP2, en 2014 se retiró más tarde. La evidencia definitiva sigue siendo esquiva.

 

La búsqueda continúa.

 

La inflación es coherente con muchos datos cosmológicos, pero la  coherencia no constituye una prueba. Varios experimentos futuros de CMB esperan cambiar eso. Incluyen el Observatorio Simons, el BICEP Array y el experimento CMB-S4 “Stage-4”. Estos esfuerzos detectarán la polarización en modo B primordial que surge de las ondas gravitacionales generadas por la inflación o reducirán drásticamente el número permitido de modelos inflacionarios.

 

Sin embargo, la detección en modo B no está garantizada. O puede que la inflación no haya ocurrido en absoluto. Es frustrante que muchas alternativas a la inflación sean igualmente difíciles de probar. Entonces, a menos que las señales de los modos B que potencialmente esperan a los astrónomos sean lo suficientemente grandes, es posible que nunca podamos decir con certeza si el Universo sufrió inflación o no.

 

Para algunos cosmólogos, eso sería desinflar las noticias. Para otros,  fascinaría e inspiraría, impulsándonos a crear modelos más refinados de nuestros orígenes cósmicos.

 

Fuente:

https://astronomy.com/magazine/news/2021/01/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-inflating-the-universe