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Poniendo el ‘bang’ en el Big Bang

Instituto Tecnológico de Massachusetts
Ilustración del Big Bang. Imagen: Science Daily

Según la teoría del Big Bang (o teoría de la Gran Explosión) hace unos 13.800 millones de años el universo explotó, como una bola de fuego de materia infinitamente pequeña y compacta que se enfrió a medida que se expandía, provocando las reacciones que ‘cocinaron’ las primeras estrellas y galaxias, y todas las formas de materia que vemos (y somos) hoy.

Justo antes de que el Big Bang lanzara cada partícula, y creara un universo en constante expansión, los físicos creen que había otra fase más explosiva del universo primitivo en juego: la inflación cósmica, que duró menos de una billonésima de segundo.

La inflación es actualmente considerada como parte del modelo cosmológico estándar de Big Bang caliente. La partícula elemental responsable de dicha expansión es llamada inflatón, que experimentó un cambio de fase a través del cual liberó su energía potencial en forma de materia y radiación, provocando así la ampliación del universo.

Durante este período, la materia, una masa fría y homogénea, se infló exponencialmente rápido antes de que los procesos del Big Bang se hicieran cargo para expandir y diversificar más lentamente un creciente universo.

Observaciones recientes han apoyado independientemente las teorías tanto del Big Bang como de la inflación cósmica. Pero los dos procesos son tan radicalmente diferentes entre sí que los científicos han luchado por concebir cómo uno seguía al otro.

Ahora, físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), el Kenyon College y otros lugares, han simulado en detalle una fase intermedia del universo primitivo que pudo haber llevado hacia la inflación cósmica del Big Bang.  Esta fase, conocida como “recalentamiento”, se produjo al final de la inflación cósmica.

El período de recalentamiento posterior a la inflación establece las condiciones para el Big Bang y, en cierto sentido, pone el ‘bang’ en el Big Bang“, dice David Kaiser, profesor de física en el MIT. “Es este período de puente donde todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier forma que no sea simple“.

Kaiser y sus colegas simularon en detalle cómo múltiples formas de materia habrían interactuado durante este período caótico al final de la inflación. Sus simulaciones muestran que la energía extrema que impulsó la inflación podría haberse redistribuido con la misma rapidez, en una fracción aún menor de un segundo, y de una manera que produjo condiciones que habrían sido necesarias para el inicio del Big Bang.

El equipo descubrió que esta transformación extrema habría sido aún más rápida y eficiente si los efectos cuánticos modificaran la forma en que la materia respondía a la gravedad a energías muy altas, desviándose de la forma en que la teoría de la relatividad general de Einstein predice que la materia y la gravedad deberían interactuar.

Esto nos permite contar una historia ininterrumpida, desde la inflación hasta el período posterior a la inflación, hasta el Big Bang y más allá“, dice Kaiser. “Podemos rastrear un conjunto continuo de procesos, todos con física conocida, para decir que esta es una forma plausible en la que el universo llegó a verse como lo vemos hoy“.

Los resultados del equipo aparecen hoy en Cartas de revisión física.

Antes de ejecutar sus simulaciones, el equipo agregó un ligero “ajuste” a la descripción de la gravedad del modelo. Mientras que la materia ordinaria que vemos hoy responde a la gravedad tal como Einstein predijo en su teoría de la relatividad general, la materia a energías mucho más altas, como lo que se cree que existió durante la inflación cósmica, debería comportarse de manera ligeramente diferente, interactuando con la gravedad de maneras modificado por la mecánica cuántica, o interacciones a escala atómica.

Al final, descubrieron que cuanto más fuerte era el efecto gravitacional modificado cuánticamente en la materia, más rápido pasaba el universo de la materia fría y homogénea en la inflación a las formas de materia mucho más calientes y diversas que son características del Big Bang.

Hay cientos de propuestas para producir la fase inflacionaria, pero la transición entre la fase inflacionaria y el llamado” Big Bang “es la parte menos entendida de la historia“, dice Richard Easther, profesor de física en la Universidad de Auckland, que no participó en la investigación.

Mostramos que la materia estaba interactuando tan fuertemente en ese momento que también podía relajarse de manera correspondiente rápidamente, preparando maravillosamente el escenario para el Big Bang. No sabíamos que ese fuera el caso, pero eso es lo que está surgiendo de estas simulaciones, todo con física conocida. Eso es lo que es emocionante para nosotros“, concluyó Kaiser.

Fuente: MIT News

Artículo: Rachel Nguyen, Jorinde van de Vis, Evangelos I. Sfakianakis, John T. Giblin, David I. Kaiser. Nonlinear Dynamics of Preheating after Multifield Inflation with Nonminimal Couplings. Physical Review Letters, 2019; 123 (17) DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.171301

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