A principios de esta semana se anunció la detección del débil eco del Big Bang por científicos del telescopio BICEP2 localizado en el Polo Norte, lo que nos ofrece la primera evidencia contundente de la inflación cósmica, cuando el universo pasó de ser un diminuto punto a una densa bola con más de 1090 partículas de forma casi instantánea.
Inflación vrs explosión
La teoría de la inflación cósmica fue propuesta por primera vez en 1980 por el físico Alan Guth, y como según él mismo lo explicó en una entrevista para el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en donde actualmente es profesor de física, esta teoría describe el mecanismo de propulsión que llevó al universo a un periodo de tremenda expansión conocido como el Big Bang.
Sin embargo, como explicó el profesor Guth, la teoría del Big Bang no describe cómo se produjo el gran estallido, sino lo que sucedió después, cuando el universo ya era caliente y denso, y se estaba expandiendo a gran velocidad; describe cómo el universo se fue enfriando por la expansión, y cómo la expansión fue desacelerándose por la fuerza de atracción de la gravedad.
El profesor Guth, con su teoría de la inflación propone que la expansión del universo se produjo por una forma de gravedad que contraria a la fuerza de gravedad convencional, presentaba una fuerza repelente.
La gravedad no siempre atrae
Según Newton, la gravedad es básicamente una fuerza de atracción, pero esto cambió cuando Einstein propuso la teoría de la relatividad general, que describe a la gravedad como una distorsión del espacio-tiempo, y que permite la posibilidad de una fuerza de gravedad repulsiva.
Las modernas teorías de partículas sugieren que en condiciones de energía extrema, deben existir formas de materia capaces de crear fuerza de gravedad repulsiva. Y la teoría de la inflación a su vez propone que al menos una pequeña área del universo temprano, estaba lleno de este material de gravedad repulsiva.
El primer espacio creado debió de ser increíblemente pequeño, tal vez de sólo 10-24 centímetros, 100 mil millones de veces más pequeño que un protón. Este diminuto espacio comenzó a expandirse exponencialmente por la influencia de la gravedad repulsiva, doblando su tamaño cada 10-37 segundos, y para comenzar a tener las características de nuestro universo visible, debió de duplicar su tamaño al menos 80 veces, hasta alcanzar un centímetro de diámetro.
Durante el periodo de expansión exponencial, la materia ordinaria comenzó a dispersarse al disminuirse su densidad casi por completo. Sin embargo, no sucedió lo mismo con la gravedad repulsiva que puede mantener una densidad consistente mientras se expande, ¡no importa cuánto se expanda!. Aunque ciertamente esto es una evidente violación al principio de la conservación de la energía, esta particularidad depende de una peculiar cualidad de la gravedad, y es que la energía de un campo gravitatorio es negativa.
Mientras un área se expande con una densidad constante, se crea más y más energía en forma de materia. Pero al mismo tiempo, más y más energía negativa aparece en forma de campo gravitacional, llenado esa región del espacio, lo que hace que la energía total permanezca constante.
Según el profesor Guth, es posible que la energía total del universo sea exactamente cero, ya que la energía positiva de la materia es cancelada por la energía negativa de la gravedad.
En algún momento la inflación se detuvo, porque el material de gravedad repulsiva se volvió altamente inestable y se comenzó a descomponer en partículas ordinarias, produciendo una especie de sopa hirviente de partículas que forman el punto desde donde comienza el Big Bang; pero aunque la gravedad repulsiva se haya apagado, el universo continuará expandiéndose durante los próximos miles de millones de años consecuencia de la energía residual de la gravedad repulsiva.
Por lo tanto, la inflación es una precuela de la era a la que los cosmólogos llaman el Big Bang, aunque desde luego esto ocurrió después del origen del universo, que también suele ser llamado el Big Bang.
Evolución del universo
El universo no se originó con una explosión, ya que una explosión ordinaria presumiblemente hubiese dejado un universo muy manchado e irregular y el universo temprano, por lo que los científicos pueden observar a través del destello de la radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB) era increíblemente uniforme, con una densidad de masa constante cerca de una parte por cada 100 000.
Las pequeñas zonas no uniformes que existieron fueron ampliadas por la gravedad, en los sitios donde la densidad era ligeramente más alta que la media, se produjo un campo gravitacional más fuerte que el promedio, el cual jaló a más materia, creando un campo gravitatorio aún mayor.
Y fueron precisamente esas zonas de no uniformidad remanentes de la inflación, lo que posteriormente y según la teoría cuántica, dio origen a la formación de las galaxias, las estrellas y toda la estructura del universo.
Cuando la nada se convierte en algo
La teoría del campo cuántico, sugiere que a escalas de distancia muy corta, todo está en estado de constante agitación. Si pudiésemos observar el espacio vacío con una enorme y poderosísima lupa, podríamos ver el campo eléctrico y magnético sometidos a fuertes oscilaciones, en donde los electrones y los positrones surgen del vacío para luego desaparecer rápidamente; y fue el efecto de la inflación con su fantástica expansión lo que produjo el estiramiento de esas fluctuaciones cuánticas a proporciones macrocósmicas, dejando una impronta en el tejido del universo conocida como ondas gravitacionales primigenias.
El estiramiento producido por la inflación también incide sobre la geometría del espacio mismo, el cual acorde a la teoría de la relatividad general, es flexible, puede ser comprimido, estirado e incluso retorcido. La geometría del espacio también fluctúa a pequeña escala, debido a física de la teoría cuántica, y la inflación también estira esas fluctuaciones, produciendo las ondas gravitacionales en el universo temprano.
Este nuevo hallazgo, es una medición de estas ondas gravitacionales con un gran nivel de certeza. Pese a no ver las ondas directamente, los científicos han sido capaces de construir un mapa detallado de la polarización de la radiación de fondo de microondas cósmicas en un área del cielo y han observado un patrón de turbulencia en la polarización llamado modos-B.
El patrón de polarización de la radiación de fondo de microondas (CMB), se descompone en dos componentes, los modos-E, en analogía al campo electrostático, y los modos-B, en alusión al campo magnético.
Aunque los cosmólogos creen que existen dos tipos de modos-B, unos consistentes con la inflación y las ondas gravitacionales del universo temprano; y otros generados por la influencia de los lentes gravitaciones en el universo reciente, hay razones para creer que los modos-B detectados fueron producidos durante el proceso de inflación del universo, esto porque las ondas gravitacionales primigenias tienden a estar en escalas angulares más grandes, lo que ha permitido a los científicos del BICEP2 el diferenciarlas de aquellas producidas por los lentes gravitacionales en el universo reciente.
Importancia del hallazgo
Esta es la primera vez que se detectan indicios de las ondas gravitacionales, y también es la primera vez que se observan las propiedades cuánticas de la gravedad.
La importancia de este hallazgo es enorme, primero porque ayuda a confirmar la teoría de la inflación, porque por lo que hasta ahora sabemos, sólo la inflación es capaz de producir este tipo de ondas gravitacionales; segundo, nos puede decir detalles de la inflación que aún no sabemos. En particular la densidad energética del universo al momento de la inflación, lo cual es algo que hasta entonces tenía un amplio rango de posibilidades y al determinar la densidad energética del universo al momento de la inflación, se podrá precisar cuál de todas las teorías de la inflación es la correcta.
Este descubrimiento no es el final de la historia, ya que abre una nueva ventana para comprender mejor el cosmos. Ahora que se han hallado los modos-B, tanto el BICEP2 como otros colaboradores podrán estudiarlos, y esto nos dará una nueva herramienta para estudiar el comportamiento del universo temprano, incluyendo el proceso de la inflación.
Aunque el profesor Guth nos recuerda que, como en todo experimento científico, aún debemos esperar para que otros grupos de científicos confirmen el hallazgo antes de darlo por válido, sin embargo el grupo de científicos que ha trabajo en su detección, ha sido extremadamente cuidadoso, y el resultado parece ser bastante nítido, por lo que es probable que se llegue a validar.
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