Antes del Big Bang

02/05/2014 19 comentarios
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Hoy día tenemos cada vez más claro que nuestro universo empezó no como una "explosión" de un punto que contenía toda la energía del universo sino como un proceso en el que el propio espacio se expandió mucho en muy poco tiempo, la inflación cosmológica.  Lo que llamábamos big bang no es más que el proceso de aparición de la materia y la energía aprovechando la energía liberada al frenar esta expansión.

En esta entrada voy a intentar mostrar una de las características, tal vez, más desconocidas de la inflación cosmológica. 

Para un resumen de la inflación y su relación con los recientes resultados de Bicep2 es muy recomendable leer la entrada del profesor Juan García-Bellido: Erre cero dos.

Muchas veces hemos leído que no se puede preguntar qué ocurrió antes del big bang porque la cuestión carece de sentido. La idea es que en el big bang emergió el propio espaciotiempo y por lo tanto no hay ningún tiempo antes de dicho big bang.

Intentaré que la entrada sea lo más autocontenida posible asumiendo que aceptamos, debido a los resultados observacionales, que la inflación ocurrió.

¿Qué puede contactar conmigo?

La física establece que sucesos y a que fenomenos podemos tener acceso.  En concreto, debido a la relatividad especial sabemos que ningún campo físico se puede propagar a una velocidad superior a la velocidad de la luz.

Este hecho se puede expresar geométricamente, a cada observador le podemos asociar una estructura denominada cono de luz. Esta estructura se visualiza como sigue:

Estructura de cono de luzDescribamos esta estructura:

  1. El observador está situado en el origen de coordenadas. En el eje vertical está el tiempo y en el eje horizontal tenemos una coordenada espacial.  Esta representación bidimensional condensa adecuadamente la descripción en cuatro dimensiones, desgraciadamente no podemos hacer representaciones en más de dos dimensiones.
  2. Las líneas amarillas son las que recorrerían partículas sin masa que se propagan a la velocidad de la luz.

Esta estructura nos divide al espaciotiempo accesible a un observador en varias zonas:

Estructura causal del cono de luz.

  1. Los puntos contenidos en el interior de la parte inferior del cono de luz y sobre su superficie indican los puntos del espaciotiempo en donde determinados sucesos han podido afectar al observador. Por tanto estos puntos son los que conforman el posible pasado del observador.
  2. Consecuentemente, los puntos interiores y la superficie del cono superior indican los puntos a los que el observador puede afectar en un futuro.

Evidentemente, los puntos exteriores al cono de luz son inaccesibles para el observador.  Para tener contacto con los mismos tendría que ser posible enviar señales a velocidades superiores a la velocidad de la luz, lo que es imposible.

Cuando miramos al universo, cuanto más lejos miramos estamos accediendo más a su pasado.  Dado que la luz invierte determinado tiempo en recorrer distancias, cuando recibimos la luz de un objeto situado a 22 años luz, por ejemplo, estamos viendo ese objeto como era cuando emitió esa luz hace 22 años.  Como es conocido, la luz del sol tarda unos 8 minutos en recorrer la distancia que lo separa de la tierra, por lo tanto, cuando miramos al sol lo vemos como era hace 8 minutos (en nuestro tiempo).

Si hay objetos tan alejados los unos de otros que su luz no ha tenido tiempo en conectarlos estos objetos no han tenido ningún contacto. No pueden tener información el uno del otro.

La idea del big bang

Al descubrirse que el universo se estaba expandiendo la consecuencia directa era pensar que en el pasado el universo había estado más comprimido, por lo tanto, igual que pasa con un gas, estaría más caliente, sería más energético.

Cuando miramos a las galaxias observamos que todas se alejan de nosotros. Y se alejan tanto más cuanto más lejos están de nuestra posición.  Eso es lo que se conoce como ley de Hubble.

Ley de Hubble

Si llevamos esta idea al límite todo parece indicar que el universo tuvo que tener un origen en el instante en el que toda la energía que contiene estuviera contenida en un punto.

Esta idea no puede ser correcta por varios motivos:

a)  Si condensamos toda la energía del universo en un punto obtenemos una situación en la que las densidades son infinitas, las temperaturas son infinitas y otras muchas cantidades son infinitas.  Esto es lo que se conoce como una singularidad. Y en física las singularidades son nocivas pero nos informan de algo, lo que nos dicen es que nuestras teorías han sido aplicadas a situaciones para las que no tienen respuesta. Este es el caso.

b)  Además, si todo estaba contenido en un punto nos podemos preguntar, ¿de dónde salió ese punto?

c)  ¿Por qué "explotó" dicho punto? ¿Cómo ha generado este universo?

Estas preguntas rozan la metafísica, si no se meten de lleno en ella, y no tienen respuesta en ciencia.  Afortunadamente, la ciencia nos dice que esa situación no es la que se dio en el origen del universo, lo que ocurrió fue un proceso inflacionario.

Un resumen breve de la inflación

La teoría de la inflación se puede resumir (sin entrar en tecnicismos) en lo siguiente:

1.-  Inicialmente el universo se encontraba en un estado peculiar. Lo que se conoce como un falso vacío.  En este estado el universo tiene una tendencia natural a expandirse de forma brutal.  Cualquier región que tomemos en el universo por pequeña que sea se expandirá brutalmente en lapsos de tiempo minúsculos, la inflación.

2.-  Este estado no es estable, es decir, tiende de forma natural a cambiar a un vacío real.  Este proceso de paso del falso vacío al vacío real implica un frenado de la inflación.

3.-  Este frenado se da espontáneamente en una determinada región que pasa de falso vacío a vacío real.  En este proceso el exceso de energía del falso vacío se invierte en crear todas las partículas y campos presentes en el universo.  Dicha región se sigue expandiendo de forma más comedida, tal y como lo está haciendo nuestro universo.

Tras la inflación el universo sigue una expansión descrita por la cosmología usual.

¿Estamos seguros de la inflación?

Podemos plocamar que sí y que cada día más.  La cosmología cada vez tiene más datos observacionales de precisión que confirman que nuestro universo surgió de este proceso inflacionario.

La mejor herramienta disponible para el estudio del universo primitivo es la radiación cósmica de fondo.  Esta es una radiación en forma de fotones en el rango de las microondas que nos llegan desde todas las direcciones del cielo. 

Según nuestros modelos dicha radiación tiene que tener una temperatura de unos 2.7 Kelvins.  Eso es justo lo que se encuentra. 

Tempratura del fondo cósmico de microondas.

Además, los modelos predicen que dicha radiación no puede ser perfectamente homogénea. En dicha radiación tenemos que encontrar pequeñas diferencias de temperatura en distintos puntos del cielo.  Los últimos datos dados por la misión Planck para el estudio de esta radiación confirman que hay variaciones de temperatura de una parte en 10.000 en distintas regiones del universo.

Diferencias de temperaturas en la radiación cósmica de fondo según Planck.

Las diferencias de colores nos dicen que hay variaciones en la temperatura promedio de la magnitud comentada.

Esta imagen está tomada por un satélite que mapea el cielo barriendo todos los ángulos.  Es por lo tanto una proyección de una esfera como las proyecciones de los mapas terrestres.

Mapa esfércio de la radiación cósmica de fondo.

Lo curioso es que esta imagen presenta un grave problema.  Si miramos a puntos alejandos del cielo, dichos puntos no han tenido tiempo de influirse los unos a los otros simplemente porque su luz no ha tenido tiempo en conectarlos desde el origen del universo hasta el momento en el que se generó la radiación cósmica de fondo unos 380.000 años después del origen. A esto se le conoce como el problema del horizonte, e indica la incapacidad de la teoría del big bang en explicar por qué el cielo es tan homogéneo (con diferencia de una parte en diez mil) en términos de la radiación de fondo de microondas.

Podemos ver este problema expresado en esta imagen (tomada del artículo:  TASI Lectures on Inflation):

Problema con el horizonte

Mirando la radiación cósmica de fondo, suponiendo que se formó 380.000 años después del big bang, que le asignamos el t=0, puntos alejados en el cielo nos llegan con la misma temperatura.  Sin embargo, para que un sistema esté en equilibrio térmico ha tenido que tener tiempo para estar en contacto y uniformar su energía/temperatura.  Pero estos puntos no han podido tener contacto el uno con el otro en el tiempo transcurrido desde el big bang hasta la formación de la radiación de fondo. Obsérvese en la figura que los conos de luz pasados de dichos puntos no se solapan, por lo tanto no tienen un pasado común.

Antes del big bang

La inflación viene al rescate. Con la inflación sucede que el origen del universo no es un big bang inicial, lo que da lugar al universo que conocemos es el paso del falso vacío al vacío real en una determinada región del primero que se expandía exponencialmente (muy mucho).

El esquema anterior se modifica sustancialmente si uno asume un proceso inflacionario. Lo que se obtiene es:

Diagrama espaciotemporal inflacionario.La singularidad incicial, la inflación la expulsa a un tiempo pasado muy posterior al que se supone en la cosmología usual.  Eso quiere decir que puntos alejados del cielo han tenido tiempo de estar en contacto causal.  Han podido por tanto uniformar su energía/temperatura y por eso es normal que su temperatura sea la misma.  La inflación soluciona este problema del horizonte y lo hace sustituyendo la explosión de un punto que lo contenía todo, con un proceso (denotado como Reheating en la figura) en la que la inflación se frena y el exceso de energía se consume en llenar de partículas y campos a nuestro universo.

¿Qué más soluciona? ¿Qué más queda por saber?

La teoría inflacionaria de la cosmología es interesante porque resuelve varios problemas que la formulación estándar no puede acometer.  Estos son:

  • Las medidas de la geometría del universo nos dicen que es plano.  Es decir, se verifican las leyes matemáticas de los espacios euclídeos.  Esto se puede entender por la inflación debido a que la expansión fue tan tremenda, toda curvatura se "borró" dando lugar a un espacio de apariencia plana.
  • La inflación proporciona un medio para producir fluctuaciones iniciales en el universo que tras su evolución dan lugar a las diferencias de temperaturas minúsculas encontradas en la radiación cósmica de fondo. Estas fluctuaciones son las responsables primordiales de la aparición de galaxias en nuestro universo.  Así la inflación nos ayuda a entender la estructura a gran escala del universo.
  • La inflación nos da un mecanismo, aún no determinado exactamente, para entender de donde proceden las partículas y los campos que nos rodean.

Pero aún queda mucho por estudiar en inflación.  Aunque cada vez tenemos más evidencias de que este proceso tuvo lugar en el origen del universo, aún no tenemos respuestas a algunas preguntas sobre la inflación:

  • No conocemos qué tipo de campo produce ese fenómeno de expansión. Es decir, no hemos encontrado ningún campo que produzca un efecto "antigravitatorio" que provoque la expansión del propio espacio.
  • No conocemos las características de dicho campo.  La inflación se puede llevar a cabo de distintas formas dependiendo de las características de la energía asociada a dicho campo. Así que aún no sabemos el mecanismo exacto de la inflación y de su frenado.  Hay muchos modelos propuestos que tendrán que ser cribados por los cada vez más precisos datos obtenidos en las observaciones cosmológicas.

Queda mucho por saber y, sin duda, la cosmología será uno de los campos de la física que más sorpresas nos deparará en el futuro próximo.  Estaremos atentos.

Nos seguimos leyendo...