Mirando hacia los orígenes del Universo


Plank-Temperature-Flux

Si nuestro universo chocó contra otro universo vecino durante su etapa de crecimiento en el primer segundo, la colisión habría dejado una marca.

Y Mateo Kleban cree verla en la instantánea más detallada hasta ahora de los albores del universo. La imagen de satélite, lanzado por los astrónomos en marzo, confirmó lo que una imagen anterior sugería : la mitad de uno de los jóvenes cosmos era un poco más grueso que el otro.

Con pocas pistas sobre lo que sucedía en los primeros momentos del universo, Kleban se encuentra entre las docenas de cosmólogos teóricos que tratan de reconstruir una historia de origen cósmico de la sombra granulada de una nueva pista.

“Cuando se golpearon entre sí, hubo una especie de onda de choque que se propagó en nuestro universo”, dijo Kleban, profesor asociado de física en la Universidad de Nueva York. Esta onda de choque -si eso es lo que muestra la imagen- aportaría pruebas que apoyarían  la hipótesis del multiverso, una idea conocida, pero no probada de que el nuestro es uno de los infinitos universos que burbujeaban dentro de un vacío más grande.

La mayoría de los cosmólogos se apresuran a admitir que podría estar siguiendo una pista falsa.

“Este es un juego de alto riesgo”, dice Marc Kamionkowski , profesor de física y astronomía en la Universidad Johns Hopkins, quien ha propuesto varios nuevos modelos de Big Bang para explicar la asimetría entre las dos mitades del cosmos. “Nos gustaría mucho aprender más acerca de dónde proviene nuestro universo, pero la naturaleza no nos ha dejado demasiadas pistas.”

La asimetría “podría ser una casualidad estadística”, dijo Kamionkowski, o “podría ser la punta del iceberg.”

Sólo el tiempo, y las pruebas, lo dirán.

La asimetría de nuestro universo aparece en el fondo de microondas cósmico -el resplandor estático del momento en que el universo se hizo transparente, 380.000 años después del Big Bang. La niebla de partículas cargadas que hasta entonces había envuelto el cosmos se enfrió lo suficiente para congelar átomos neutros, liberando luz para viajar sin obstáculos a través del espacio por primera vez. En los últimos tres años, el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea capturó una imagen de 50 megapíxeles de la luz que proviene de todas las direcciones, cada fotón impreso con un registro de la temperatura en la que se originó hace más de 13 billones de años.

El fondo cósmico de microondas indica que la temperatura en todo el universo 380.000 años después era casi uniforme, se desvía de la media con sólo 1 parte en 100.000. Sus puntos “calientes” y “fríos” -las semillas de las futuras galaxias y vacíos- se cree que proceden de las fluctuaciones cuánticas, o las ondulaciones aleatorias de la energía, que fueron amplificadas en un destello de crecimiento exponencial en el primer instante del universo, conocido como inflación.
Los cosmólogos quieren seguir los pasos de la inflación hasta su causa.

A falta de una teoría de cómo funciona la física a escalas extremadamente calientes y pequeñas que eran las que existían en el universo recién nacido, en la actualidad sólo tenemos un “modelo de juguete” de simple  prueba: un campo de inflación que impregna todo el espacio en la transición a un estado inestable aproximadamente 10-36 segundos después del Big Bang, haciendo que espacio creciera 1078 veces en volumen antes de que el campo de la inflación se estabilizara unos 10-30 segundos después. Según este modelo, el cosmos debería haberse extendido de modo uniforme, produciendo una muestra homogénea de calor y frío en el fondo cósmico de microondas. Pero eso no es lo que sugieren los datos.

“Por un lado, los puntos calientes y puntos fríos son más calientes y más fríos que en el otro lado”, explicó Kamionkowski.

La Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,o WMAP, fue la primera en detectar que los cambios de temperatura eran más extremos en una mitad de la radiación cósmica de fondo que en la otra, en 2007, pero podría haber sido un error de medición. El mapa de Planck fortaleció el caso de asimetría y resuelvió las fluctuaciones de temperatura en mayor detalle, lo que permite a los físicos descartar algunas explicaciones y llegar a otras.

Al igual que las diferencias topográficas en los países, la asimetría en las fluctuaciones de temperatura a través del universo son más visibles a grandes escalas. Un metro cuadrado de tierra en Colorado tiene más baches que unos centímetros en Indiana, pero si nos alejamos, las montañas y los valles son claramente más altos y más profundos en Colorado. “Se puede pensar en una parte del cielo como Indiana y otra parte como Colorado,” dice Donghui Jeong, investigador postdoctoral en el grupo de Kamionkowski. “Esta variación es muy extraña. Es difícil imaginar qué la causa “.

Algunos cosmólogos atribuyen esto a una casualidad estadística. Las probabilidades de que las fluctuaciones cuánticas en el nacimiento del universo podrían haber generado aleatoriamente la asimetría observada es entre 0,1 y 1 por ciento -casi lo mismo que el hecho de que una moneda lanzada en varias ocasiones arroje cara ocho veces seguidas.

“Si tuviera que apostar, apostaría que es sólo un golpe de suerte”, dijo Sean Carroll , cosmólogo del Instituto Tecnológico de California. “Pero, si nos dice algo acerca de los inicios del universo, podría ser muy importante “.

Los cosmólogos ya se han avanzado varias teorías que compiten por explicar cómo los acontecimientos durante e inmediatamente después del Big Bang podrían haber tallado la asimetría en el cosmos.

Pocos creen que el modelo de juguete, con su campo de inflación, puede explicar completamente lo que impulsó el universo. En cambio, el campo podría ser uno de las extra dimensiones del espacio que se postulan por una “teoría del todo” hipotética llamada teoría de las cuerdas, lo que probablemente incluirá más de un campo de inflación enrollada. En un documento publicado en arXiv en mayo, John McDonald , cosmólogo de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido, demostró que un modelo de dos campos podría haber causado la asimetría en el fondo cósmico de microondas, siempre y cuando el segundo campo, llamado curvatón, decayera después de que la inflación terminara y después de la formación de la materia oscura.

Alternativamente, como se describe en un artículo que aparecerá en la revista Physical Review Kamionkowski y sus colegas calcularon que la asimetría podría ser el resultado de la variación de ciertos parámetros cosmológicos a través del universo. El modelo más prometedor, en el que hay una desviación de 6 por ciento en un parámetro de un extremo del universo al otro, “explica todas las observaciones con bastante tranquilidad”, dijo Kamionkowski. El parámetro puede ser anclado a valores diferentes en distintos defectos en el tejido del espacio-tiempo, que, según algunas teorías, podrían ser los catalizadores de la inflación.

O, como Kleban y sus colaboradores afirman en un artículo publicado en Physical Review en febrero y en un próximo documento que incorpora los datos de Planck, la asimetría podría ser la consecuencia de una violenta colisión entre dos universos o entre dos puntos dentro de este universo. En el escenario del multiverso, los universos burbuja aparecerían con frecuencia juntos y chocarían. Las burbujas también se podrían ejecutar en sí mismas mientras que la expansión en torno a una dimensión encorvada del espacio (imaginar un círculo que crece en la superficie de un cilindro). El choque podría entonces haber provocado la inflación.

Si la onda expansiva de una colisión se ve cortando el fondo cósmico de microondas, sería una prueba irrefutable del multiverso, dijo Kleban. Sin embargo, el borde delantero de la onda de choque es más probable que haya ido más allá del horizonte de este parche observable del universo como un barco que pasa en la noche, arrastrando una suave turbulencia a su paso. El mapa de Planck podría representar los restos de tal camino.

Esos restos “afectarían escalas más grandes que las que podemos ver”, dijo Kleban. Habrían aumentado en la escala en que el universo se infló, lo que resulta en un efecto similar a las diferencias topográficas entre Colorado e Indiana.

Porque cada uno de los nuevos modelos de inflación hace su propia predicción acerca de la dirección en la que la antigua luz debió ser polarizada, una nueva “hoja de polarización” del fondo de microondas cósmico espera que sea lanzado por el equipo de Planck el próximo año y debería ayudar a identificar qué propuesta, si la hay, es una promesa.

Por ahora, los teóricos deben adaptar sus teorías del Big Bang en torno a los datos a mano.”Siempre hay cosas que no se puede demostrar porque simplemente no tenemos la tecnología todavía”, dijo Kleban. “Sólo tienes que tomar tus fotos y hacerlo mejor.”

Autor: Natalie Wolchover

Enlace original: In lopsided map of the Cosmos, a glimmer of its origins

 

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