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  • Writer's pictureAlice Meraviglia

Estas 4 pruebas ya nos han llevado más allá del Big Bang

Updated: Jan 25, 2022

Ethan Siegel / 2022 Ene 24
Las fluctuaciones cuánticas que se producen durante la inflación se extienden por el Universo, y cuando... [+] E. SIEGEL, CON IMÁGENES PROCEDENTES DE ESA/PLANCK Y DEL GRUPO DE TRABAJO INTERINSTITUCIONAL DOE/NASA/ NSF PARA LA INVESTIGACIÓN DEL CMB

Quizá la parte más atractiva de cualquier historia extraordinaria sea su origen: cómo empezó todo. Podemos remontarnos a esta cuestión todo lo que queramos, preguntando qué hubo antes y qué dio lugar a lo que nos preguntamos antes, hasta que nos encontramos con el origen del propio Universo. Esta es quizás la mayor historia del origen de todas, que ocupó las mentes de poetas, filósofos, teólogos y científicos durante incontables milenios.


Sin embargo, fue en el siglo XX cuando la ciencia comenzó a avanzar en esta cuestión, lo que finalmente dio lugar a la teoría científica del Big Bang. Al principio, el Universo era extremadamente caliente y denso, y se ha expandido, enfriado y gravitado hasta convertirse en lo que es hoy. Pero el Big Bang en sí no fue el comienzo, después de todo, y tenemos cuatro pruebas científicas independientes que nos muestran lo que vino antes y lo dio lugar a él.

Las estrellas y galaxias que vemos hoy en día no siempre existieron, y cuanto más retrocedemos, más cerca se ven, hasta encontrarse en lo que parece una singularidad. Pero hay un límite al hacer esa extrapolación hacia atrás, cuando llegamos a esa singularidad, hay en ella misterios que no hemos podido resolver todavía.

El Big Bang fue una idea que se concibió por primera vez en la década de 1920, en los primeros días de la Relatividad General. En 1922, Alexander Friedmann fue el primero en reconocer que si se tenía un Universo lleno de materia y energía de manera uniforme en todo él, sin direcciones o ubicaciones preferidas, no podía ser estático y estable. Según las leyes de Einstein, el propio tejido del espacio tenía que estar en expansión o en contracción.


En 1923, Edwin Hubble realizó la primera medición de la distancia de Andrómeda, demostrando por primera vez que era una galaxia completamente fuera de la Vía Láctea. Al combinar su medición de las distancias galácticas con los datos de corrimiento al rojo de Vesto Slipher, pudo medir directamente la expansión del Universo. En 1927, Georges Lemaître fue el primero en encajar todas las piezas: un Universo en expansión en la actualidad implicaba un pasado más pequeño y denso, que se remontaba hasta donde nos atrevíamos a extrapolar.

Las observaciones originales de 1929 de la expansión del Universo de Hubble, seguidas por observaciones posteriores más detalladas, pero también inciertas. El gráfico de Hubble muestra claramente la relación desplazamiento al rojo-distancia con datos superiores a los de sus predecesores y competidores; los equivalentes modernos van mucho más allá. Obsérvese que las velocidades peculiares siempre están presentes, incluso a grandes distancias, pero que lo importante es la tendencia general. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

A partir de la década de 1940, George Gamow y sus colaboradores empezaron a elaborar las consecuencias de un Universo que se expandía y enfriaba en la actualidad, pero que era más caliente y denso en el pasado. En particular, obtuvo cuatro resultados importantes.


La tasa de expansión del Universo evolucionaría con el tiempo, dependiendo de los tipos y proporciones de materia y energía presentes.


El Universo habría sufrido un crecimiento gravitatorio, en el que las pequeñas sobredensidades iniciales crecerían, con el tiempo, hasta convertirse en estrellas, galaxias y la gran red cósmica.


El Universo, al ser más caliente en el pasado, habría sido en algún momento temprano lo suficientemente caliente como para impedir la formación de átomos neutros, lo que significa que debería haber un resplandor de radiación sobrante emitido cuando esos átomos neutros finalmente se formaron.


Y, aún antes, debería haber sido lo suficientemente caliente y denso como para encender la fusión nuclear entre protones y neutrones, que debería haber creado los primeros elementos no triviales del Universo.

Arno Penzias y Bob Wilson en la ubicación de la antena en Holmdel, Nueva Jersey, donde se identificó por primera vez el fondo cósmico de microondas. Aunque muchas fuentes pueden producir fondos de radiación de baja energía, las propiedades del CMB confirman su origen cósmico.

En 1964 y 1965, dos radioastrónomos de los Laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson, descubrieron un tenue resplandor de radiación que emanaba de todas las direcciones del cielo. Tras un breve período de sorpresa, confusión y misterio, se descubrió que esta señal coincidía con la predicción de la radiación del Big Bang. Las observaciones posteriores, realizadas en las décadas siguientes, revelaron detalles aún más precisos, coincidiendo con las predicciones del Big Bang con gran exactitud.


El crecimiento y la evolución de las galaxias y la estructura a gran escala del Universo, las mediciones de la tasa de expansión y los cambios de temperatura a lo largo de la historia evolutiva del Universo, y la medición de las abundancias de los elementos ligeros, todo ello coincidía con el marco del Big Bang. Según todos los parámetros de los que se dispone de datos, el Big Bang fue un éxito rotundo. Incluso hoy, ninguna teoría alternativa ha reproducido todos estos éxitos.

Las galaxias comparables a la actual Vía Láctea son numerosas, pero las galaxias más jóvenes parecidas a la Vía Láctea son intrínsecamente más pequeñas, más azules, más caóticas y más ricas en gas en general que las galaxias que vemos hoy. Para las primeras galaxias de todas, esto debe llevarse al extremo, y sigue siendo válido hasta donde hemos visto. Las excepciones, cuando las encontramos, son a la vez desconcertantes y raras. NASA y ESA

Pero, ¿hasta dónde se puede llevar la idea del Big Bang? Si el Universo se expande y se enfría hoy en día, debe haber sido más caliente, más denso y más pequeño en el pasado. El instinto natural es retroceder hasta donde las leyes de la física -como la relatividad general- lo permitan: hasta una singularidad. En un momento determinado, la totalidad del Universo se comprimiría en un único punto de energía, densidad y temperatura infinitas.


Esto correspondería a la idea de una singularidad, que es donde se rompen las leyes de la física. Es concebible que sea aquí donde se crearon por primera vez el espacio y el tiempo. Y, debido a nuestra moderna comprensión de nuestro Universo, podemos extrapolar todo el camino hasta un momento particular hace una cantidad finita de tiempo: 13.800 millones de años. Si el Big Bang fuera todo lo que hubo, éste sería el origen último de nuestro Universo: un día sin un ayer.

Si extrapolamos todo el camino hacia atrás, llegamos a estados anteriores, más calientes y más densos. ¿Culmina esto en una singularidad, donde las propias leyes de la física se rompen? Es una extrapolación lógica, pero no necesariamente correcta. NASA / CXC / M. Weiss

Pero el Universo tal y como lo vemos tiene algunas propiedades -y algunos enigmas- que el Big Bang no explica. Si todo comenzó desde un punto singular hace una cantidad finita de tiempo, se esperaría que diferentes regiones del espacio tendrían diferentes temperaturas, ya que no habrían tenido la capacidad de comunicarse e intercambiar partículas, radiación y otras formas de información, restos de partículas de los primeros tiempos más calientes, como monopolos magnéticos y otros defectos topológicos, y algún grado de curvatura espacial, ya que un Big Bang que surge de una singularidad no tiene forma de equilibrar la tasa de expansión inicial y la densidad total de materia y energía de forma tan perfecta.


Pero ninguna de estas cosas es cierta. El Universo tiene las mismas propiedades de temperatura en todas partes, no hay restos de alta energía y es perfectamente plano en todas las direcciones.

Si el Universo tuviera sólo una densidad de materia ligeramente superior (rojo), estaría cerrado y ya se habría recolapsado; si tuviera sólo una densidad ligeramente inferior (y una curvatura negativa), se habría expandido mucho más rápido y se habría hecho mucho más grande. El Big Bang, por sí solo, no ofrece ninguna explicación de por qué la tasa de expansión inicial en el momento del nacimiento del Universo equilibra la densidad de energía total de forma tan perfecta, sin dejar espacio para la curvatura espacial en absoluto y un Universo perfectamente plano. Nuestro Universo parece perfectamente plano desde el punto de vista espacial, con la densidad de energía total inicial y la tasa de expansión inicial equilibradas entre sí con al menos unos 20 dígitos significativos. Tutorial de cosmología de Ned Wright.

O bien el Universo simplemente nació con estas propiedades sin ninguna razón previsible, o bien existe una explicación científica: un mecanismo que hizo que el Universo llegara a existir con estas propiedades ya establecidas. El 7 de diciembre de 1979, el físico Alan Guth se dio cuenta de algo espectacular: un período temprano de expansión exponencial que precedió al Big Bang -lo que ahora conocemos como inflación cósmica- podría haber hecho que el Universo naciera con todas estas propiedades específicas. Cuando la inflación llegó a su fin, esa transición debería dar lugar al Big Bang caliente.


Por supuesto, no se puede incorporar una idea adicional a la teoría anterior y declarar que la nueva es mejor. En ciencia, la carga de la prueba sobre la nueva teoría es mucho más severa.

En el panel superior, nuestro Universo moderno tiene las mismas propiedades (incluida la temperatura) en todas partes porque se originaron en una región que poseía las mismas propiedades. En el panel central, el espacio que podría haber tenido cualquier curvatura arbitraria se infla hasta el punto de que hoy no podemos observar ninguna curvatura, lo que resuelve el problema de la planicie. Y en el panel inferior, las reliquias de alta energía preexistentes se inflan, proporcionando una solución al problema de las reliquias de alta energía. Así es como la inflación resuelve los tres grandes rompecabezas que el Big Bang no puede explicar por sí solo. E. Siegel / Más allá de la galaxia.

Para superar cualquier teoría científica predominante, una nueva tiene que hacer tres cosas


1. reproducir todos los éxitos de la teoría preexistente

2. explicar los misterios que la antigua teoría no pudo,

3. y hacer predicciones nuevas y comprobables que difieran de las predicciones de la teoría anterior.


A lo largo de la década de 1980, quedó claro que la inflación podía cumplir fácilmente las dos primeras. Las pruebas definitivas llegarían cuando nuestras capacidades de observación y medición nos permitieran comparar lo que el Universo nos ofrece con las novedosas predicciones de la inflación. Si la inflación es cierta, no sólo tendríamos que descifrar cuáles serían esas consecuencias potencialmente observables -y hay unas cuantas-, sino reunir esos datos y sacar conclusiones basadas en ellos.


Hasta ahora, se han puesto a prueba cuatro de esas predicciones, y los datos son ya lo suficientemente buenos como para evaluar plenamente los resultados.

El Universo en expansión, lleno de galaxias y de la compleja estructura que observamos hoy, surgió de un estado más pequeño, caliente, denso y uniforme. Pero incluso ese estado inicial tuvo sus orígenes, con la inflación cósmica como principal candidata a la procedencia de todo ello. C. Faucher-Giguère, A. Lidz y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

1.) El Universo debería tener un límite máximo, no infinito, de las temperaturas alcanzadas en el Big Bang caliente. El resplandor sobrante del Big Bang -el fondo cósmico de microondas- tiene algunas regiones que son ligeramente más calientes y otras que son ligeramente más frías que la media. Las diferencias son minúsculas, aproximadamente 1 parte entre 30.000, pero codifican una enorme cantidad de información sobre el joven y primitivo Universo.


Si el Universo sufrió una inflación, debería haber una temperatura máxima equivalente a energías significativamente más bajas que la escala de Planck (~1019 GeV), que es la que alcanzaríamos en un pasado arbitrariamente caliente y denso. Nuestras observaciones de estas fluctuaciones nos enseñan que el Universo no se calentó más de un 0,1% (~1016 GeV) de ese máximo en ningún momento, una confirmación de la inflación y una explicación de por qué no hay monopolos magnéticos ni defectos topológicos en nuestro Universo.


Las fluctuaciones cuánticas que se producen durante la inflación se extienden efectivamente por el Universo, pero también provocan fluctuaciones en la densidad de energía total. Estas fluctuaciones de campo causan imperfecciones de densidad en el Universo primitivo, que luego conducen a las fluctuaciones de temperatura que experimentamos en el fondo cósmico de microondas. Las fluctuaciones, según la inflación, deben ser de naturaleza adiabática. E. Siegel / Más allá de la galaxia.

2.) La inflación debe poseer fluctuaciones cuánticas que se convierten en imperfecciones de densidad en el Universo que son 100% adiabáticas. Si tienes un Universo en el que una región es más densa (y más fría) o menos densa (y más caliente) que la media, esas fluctuaciones pueden ser de naturaleza adiabática o de isocurvatura. Adiabático significa "entropía constante" mientras que isocurvatura significa "curvatura espacial constante", donde la mayor diferencia es cómo se distribuye esa energía entre los diferentes tipos de partículas como la materia normal, la materia oscura, los neutrinos, etc.


Esta firma aparece hoy en la estructura a gran escala del Universo, lo que nos permite medir qué fracción es adiabática y qué fracción es isocurvatura. Cuando realizamos nuestras observaciones, encontramos que estas primeras fluctuaciones son al menos un 98,7% adiabáticas (consistente con el 100%) y no más del 1,3% (consistente con el 0%) de isocurvatura. Sin inflación, el Big Bang no hace ninguna predicción de este tipo.


Los mejores y más recientes datos de polarización del fondo cósmico de microondas proceden de Planck, y pueden medir diferencias de temperatura tan pequeñas como 0,4 microKelvin. Los datos de polarización indican fuertemente la presencia y existencia de fluctuaciones de superhorizonte, algo que no se puede explicar en un Universo sin inflación. ESA y la Colaboración Planck (Planck 2018)

3.) Algunas fluctuaciones deben estar en escalas de superhorizonte: las fluctuaciones en escalas más grandes que la luz podrían haber viajado desde el Big Bang caliente. Desde el momento del Big Bang caliente, las partículas viajan por el espacio a una velocidad finita: no más rápido que la velocidad de la luz. Hay una escala específica -lo que llamamos el horizonte cósmico- que representa la distancia máxima que podría haber recorrido una señal luminosa desde el Big Bang caliente.


Sin la inflación, las fluctuaciones se limitarían a la escala del horizonte cósmico. Con la inflación, al estirar las fluctuaciones cuánticas que se producen durante esta fase de expansión exponencial, se pueden tener fluctuaciones de superhorizonte: en escalas mayores que el horizonte cósmico. Estas fluctuaciones se han visto en los datos de polarización proporcionados por los satélites WMAP y Planck, en perfecta concordancia con la inflación y en contra de un Big Bang no inflacionario.


Las fluctuaciones a gran, mediana y pequeña escala del periodo inflacionario del Universo primitivo determinan los puntos calientes y fríos (infradensos y sobredensos) en el resplandor sobrante del Big Bang. Estas fluctuaciones, que se extienden por todo el Universo en la inflación, deberían tener una magnitud ligeramente diferente en las escalas pequeñas que en las grandes. NASA / Equipo científico del WMAP.

4.) Estas fluctuaciones deberían ser casi, pero no perfectamente, invariables a escala, con magnitudes ligeramente mayores en las escalas grandes que en las pequeñas. Se cree que todos los campos fundamentales del Universo son de naturaleza cuántica, y el campo responsable de la inflación no es una excepción. Todos los campos cuánticos fluctúan, y durante la inflación, estas fluctuaciones se extienden por el Universo, donde proporcionan las semillas de nuestra estructura cósmica moderna.


En la inflación, estas fluctuaciones deberían ser casi invariables a escala, lo que significa que tienen la misma magnitud en todas las escalas, grandes y pequeñas. Sin embargo, su magnitud debería ser ligeramente mayor, en apenas un porcentaje, en las escalas más grandes. Para medirlo utilizamos un parámetro llamado índice espectral escalar (ns), en el que ns = 1 corresponde a una invariabilidad de escala perfecta. Ahora lo hemos medido con precisión: 0,965, con una incertidumbre de ~1%. Esta ligera desviación de la invariancia de escala no tiene explicación sin la inflación, pero ésta la predice perfectamente.

Las magnitudes de los puntos calientes y fríos, así como sus escalas, indican la curvatura del Universo. En la medida de nuestras posibilidades, medimos que es perfectamente plano. Las oscilaciones acústicas de los bariones y el CMB, juntos, proporcionan los mejores métodos para restringir esto, hasta una precisión combinada del 0,4%. Con esta precisión, el Universo es perfectamente plano, de acuerdo con la inflación cósmica. Grupo de Cosmología Smoot / LBL


También hay otras predicciones de la inflación cósmica. La inflación predice que el Universo debería ser casi perfectamente plano, pero no del todo, con un grado de curvatura entre el 0,0001% y el 0,01%. El índice espectral escalar, medido para apartarse ligeramente de la invariancia de escala, debería "rodar" (o cambiar durante las etapas finales de la inflación) en torno al 0,1%. Y debería haber un conjunto de fluctuaciones no sólo de densidad, sino de ondas gravitacionales que surgen de la inflación. Hasta ahora, las observaciones son consistentes con todo esto, pero no hemos alcanzado el nivel de precisión necesario para probarlo.


Pero cuatro pruebas independientes son más que suficientes para sacar una conclusión. A pesar de las voces de algunos detractores que se niegan a aceptar estas pruebas, ahora podemos afirmar con confianza que nos hemos adelantado al Big Bang, y que la inflación cósmica condujo al nacimiento de nuestro Universo. La siguiente pregunta, la de qué ocurrió antes del final de la inflación, está ahora en la frontera de la cosmología del siglo XXI.


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Ethan Siegel Soy un doctor en astrofísica, autor y comunicador científico, que enseña física y astronomía en varias universidades. Desde 2008 he ganado numerosos premios de escritura científica por mi blog, Starts With A Bang, incluido el premio al mejor blog de ciencia del Instituto de Física. Mis dos libros, Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive, Beyond the Galaxy: How humanity looked beyond our Milky Way and discovered the entire Universe, están disponibles en Amazon.
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