Big-Bang

Vista previa del material en texto

El Universo Inflacionario: la “explosión” de la Gran Explosión 
 
 
 
“Y me enseñó algo más, una cosa pequeña, 
del tamaño de una nuez. Estaba en la palma 
de mi mano, redonda como una bola. La miré 
pensativa y asombrada.”¿Qué es esto?”. Y 
vino la respuesta: “Es todo lo creado”. Me 
maravillé de que existiera y no se hubiera 
desintegrado repentinamente; era tan pequeño” 
Juliana de Norwich (1368), Monja Benedictina 
Inglesa; visión contenida en el libro: “Sixteen 
Revelations of Divine Love”. Manuscrito en la 
Catedral de Westminster, Inglaterra. Imagen de la radiación de fondo cósmico del Universo 
primordial 
 
 
 En la descripción clásica de la teoría de la Gran Explosión (Big Bang), la historia térmica del 
universo es bastante sencilla: la materia se enfría regularmente y el espacio se estira de forma 
continua. Transcurridos quince mil millones de años, estas evoluciones, sin alteraciones en su 
desarrollo aún continúan. 
 
 Nuestro universo se ha mantenido en expansión durante todo ese tiempo, mientras otros universos 
podrían haber colapsado antes de que se formaran las estrellas. Si el universo hubiera colapsado 
antes de un millón de años, nunca llegaría a enfriarse por debajo de los 3000 K y durante toda su 
existencia sería una bola de fuego opaca a temperatura uniforme. Una expansión inicial algo más 
lenta habría conducido a un universo muy diferente del nuestro; y lo mismo habría sucedido con una 
expansión muy rápida: la energía de expansión habría superado la gravedad y la materia nunca se 
hubiera condensado en forma de galaxias. 
 
 La teoría de la Gran Explosión no es en realidad una teoría de una gran explosión, es solamente una 
teoría de las consecuencias de un estallido. Las ecuaciones de esta teoría describen como la bola de 
fuego primordial se expandió, se enfrió y solidificó para formar galaxias, estrellas y planetas. La 
teoría de la Gran Explosión no nos dice nada acerca de qué fue lo que explotó, por qué explotó ni 
que sucedió antes de que explotase. 
 
 La teoría del universo inflacionario es una teoría de la “explosión” de la Gran Explosión, y modifica 
solamente la interpretación de los primeros 10-36 segundos de la historia del universo, que pueden 
explicar su gigantesco tamaño y su equilibrio entre la gravedad y la expansión. En los últimos años 
se han encontrado poderosos argumentos teóricos y experimentales en favor de la existencia de una 
fuerza de naturaleza antigravitatoria, que produciría una repulsión cósmica que sería superior a la 
fuerza de atracción gravitatoria a las grandes densidades que habrían en el universo primitivo. 
 Cuando el universo tenía apenas 10-36 segundos, su expansión se habría acelerado 
exponencialmente. Esto explicaría la homogeneidad del universo embrionario y la estabilidad del 
equilibrio entre las energías cinética y gravitatoria. La repulsión se debería a la particular naturaleza 
del espacio en esa fase primitiva. Antes de que se diferenciaran las fuerzas nucleares y 
electromagnéticas, el espacio vacío habría tenido una gran cantidad de energía latente, que tenía la 
propiedad de producir una presión negativa, la que según las ecuaciones de la teoría de la relatividad 
general de Einstein, crea un campo gravitatorio atractivo. Sin embargo, una presión negativa 
también genera un campo gravitatorio repulsivo. En un estado efímero del universo primitivo, 
producto del superenfriamiento extremo, y que recibe el nombre de falso vacío, el componente de 
repulsión del campo gravitatorio es tres veces más fuerte que el componente de atracción. El falso 
vacío conduce a una repulsión gravitatoria muy fuerte, que hace que el universo se expanda 
exponencialmente. 
 
 La expansión se describe mediante la duplicación del tiempo, que según las teorías de gran 
unificación debe ser aproximadamente de 10-37 segundos. En este pequeño intervalo de tiempo, 
todas las distancias del universo se expanden hasta alcanzar el doble de su tamaño inicial. Después 
de duplicarse tres veces sería ocho veces su tamaño original y luego de 100 duplicaciones, que 
equivalen a sólo a unos 10-35 segundos, el universo sería 1030 veces su tamaño inicial. 
 
 Considerando que el estado de falso vacío superenfriado no es estable, la expansión exponencial no 
continua indefinidamente. El falso vacío desaparece finalmente debido al efecto túnel cuántico de un 
campo escalar (campos de Higgs); el campo no genera efecto túnel en todos los lugares del espacio 
al mismo tiempo, sino que al igual que sucede con el agua hirviendo, las burbujas de vacío se 
materializan aleatoriamente en el espacio, al igual que las burbujas de vapor se forman al azar en el 
agua hirviendo. Cada burbuja comienza siendo pequeña, pero las burbujas de la desintegración del 
falso vacío crecen a una velocidad cercana a la de la luz hasta que se van fusionando para llenar el 
espacio. 
 
 La energía que se almacena en estos campos escalares, produce partículas de alta energía que 
colisionan o crean otras partículas, lo cual produce una sopa caliente de partículas a alta 
temperatura, que constituye exactamente el punto de partida que se supone para el desarrollo de la 
cosmología de la teoría estándar de la Gran Explosión. Estos campos escalares los cuales tienen 
valores distintos de cero en el vacío, y sirven para crear las diferencias entre las partículas que de 
otra manera serían iguales, son los responsables de todas las características que distinguen a los 
electrones de los neutrinos y los quarks, componentes fundamentales de toda la materia. 
 
 La teoría de la Gran Explosión se fundamenta sobre dos observaciones básicas: la 
uniformidad a escala cósmica y el predominio de la gravedad. Esta teoría no describe el nacimiento 
del universo, sino su desarrollo y evolución hasta adquirir su forma actual. Ella no puede explicar 
algunas cuestiones fundamentales como, ¿por qué es uniforme el universo? Dos regiones en polos 
opuestos del espacio parecen iguales, aunque estén separados por más de 24 mil millones de años 
luz; la luz lleva viajando unos 12 mil millones de años, por lo que no existe la posibilidad de 
interacción entre ellas. No ha habido tiempo suficiente para que materia, calor, o luz fluyesen entre 
una y otra e igualaran su respectiva densidad y temperatura. Por lo tanto, la uniformidad del 
universo debió de ser anterior a su expansión. 
 
 Otra pregunta que la teoría del Big Bang no puede explicar es, ¿por qué la velocidad de 
expansión del universo es tal, que es suficiente para contrarrestar el efecto de atracción ejercido por 
la fuerza de gravedad conjunta de toda la materia del cosmos? 
 
 Para responder a esta pregunta, los astrofísicos utilizan la variable omega, Ω, el cociente 
entre la energía gravitatoria y la energía cinética (la energía contenida en el movimiento de materia 
conforme se expande el espacio). Esa variable es proporcional a la densidad de materia del 
universo; una densidad mayor significa una fuerza de gravedad más intensa, y por lo tanto un valor 
mayor de Ω. Si Ω = 1, su valor nunca cambia. La densidad presente del universo no es ni cero ni 
infinito, el valor original de Ω tiene que haber sido exactamente uno. 
 
 De acuerdo con la teoría del Big Bang la expansión del universo primitivo desaceleraba con 
el tiempo en tanto que la teoría inflacionaria lo aceleraba e inducía el distanciamiento, cada vez más 
rápido, de unos objetos de otros. Esta velocidad de separación llegó a ser superior a la velocidad de 
la luz, no violando la teoría de la relatividad, que prohíbe que cualquier cuerpo de masa finita se 
mueva más rápido que la luz. Lo que sucedía era que el espacio alrededor de los objetos se 
expandía más rápido que la luz, mientras los cuerpos permanecían en reposo en relación con él. 
 
 A esta extraordinaria velocidad de expansión inicial se le atribuye la uniformidad del 
universo visible, las partes que lo constituían estaban tan cerca unas de otras, que tenían una 
densidad y temperatura comunes.Fue Alan H Guth del Instituto Tecnológico de Massachussets (M.I.T.) el que en 1981, 
sugirió que el universo caliente, en un estadio intermedio, podría expandirse exponencialmente. La 
idea de Guth postulaba que este proceso de inflación se desarrollaba mientras el universo primordial 
se encontraba en el estado de superenfriamiento inestable. Este estado superenfriado es común en 
las transiciones de fase; por ejemplo en condiciones adecuadas el agua se mantiene líquida por 
debajo de cero grados. Por supuesto, el agua superenfriada termina congelándose; este suceso 
ocurre al final del período inflacionario. 
 
 En 1982 el cosmólogo ruso Andrei Linde introdujo lo que se llamó “nueva hipótesis del 
universo inflacionario”. Linde se da cuenta de que la inflación es algo que surge de forma natural en 
muchas teorías de partículas elementales, incluidos los modelos más simples de los campos 
escalares. 
 
 Los físicos hicieron uso de los campos escalares para lograr la unificación de la interacción 
electromagnética y la interacción nuclear débil. Los campos escalares llenan el universo y se 
manifiestan por sus efectos sobre las propiedades de las partículas elementales. 
 
 Considerando todos los posibles tipos y valores de campos escalares en el universo 
primordial y tratando de comprobar si alguno de ellos conduce a la inflación, se encuentra que en los 
lugares donde no se produce ésta, se mantienen pequeños, y en los dominios donde acontece 
terminan siendo exponencialmente grandes y dominan el volumen total del universo. Considerando 
que los campos escalares pueden tomar valores arbitrarios en el universo primordial, Andrei Linde 
llamó a esta hipótesis “inflación caótica”. 
 
 La teoría del universo inflacionario, predice que el universo debe ser esencialmente plano, lo 
cual puede comprobarse experimentalmente, ya que la densidad de materia de un universo plano 
guarda relación directa con su velocidad de expansión. 
 
 La otra predicción comprobable de esta teoría tiene que ver con las perturbaciones de 
densidad producidas durante la inflación. Se trata de perturbaciones de la distribución de materia en 
el universo, que incluso podrían venir acompañadas de ondas gravitacionales. Las perturbaciones 
dejan su huella en el fondo cósmico de microondas, que llena el cosmos desde hace casi 15 mil 
millones de años. 
 
 La radiación del fondo cósmico de microondas se emitió unos 500.000 años después de la 
gran explosión inicial, cuando los electrones y protones del plasma primordial (la sopa densa y 
caliente de partículas subatómicas que llenaba el universo primitivo), se combinaron y formaron 
átomos de hidrógeno. Esta radiación nos permite observar una instantánea de ese universo 
primordial. 
 
 En 1992, el satélite Explorador del fondo cósmico de microondas (COBE), de la NASA, que 
se había diseñado para medir diferencias de temperatura inferiores a la cienmilésima, detectó 
variaciones de solamente una parte en 10.000, de la temperatura de la radiación. Esas variaciones 
evidenciaban que en el plasma primordial hubo pequeños grumos, inhomogeneidades de la 
distribución de masa que evolucionaron después hasta convertirse en las macroestructuras del 
cosmos: las galaxias, los cúmulos y supercúmulos de galaxias que existen en nuestro universo 
actual. Stephen Hawking, el famoso físico británico, expresó con este acontecimiento, que el COBE 
nos había mostrado el “nacimiento cuántico” de nuestro universo, ya que la teoría inflacionaria 
predecía fluctuaciones de la temperatura similares a las detectadas cuando el universo tenía 10-36 
segundos de existencia. 
 
 La nave espacial Planck, cuyo lanzamiento está previsto para el año 2007, levantará el mapa 
más exacto del fondo cósmico de microondas, y se confía encontrar pruebas directas de la existencia 
del período inflacionario. La más contundente sería la observación de ondas gravitatorias 
inflacionarias. 
 
 
 
Evolución del Universo con la materia oscura. 
 
Evolución del Universo sin la materia oscura. 
 
 
 Las ondas gravitatorias llevarían información y energía de las fuentes que las producen. 
Además se propagarían sin impedimentos a través de la materia que si absorbería todas las formas 
de radiación electromagnética. La teoría de la inflación predice que la expansión extraordinaria del 
universo 10-38 segundos después de la gran explosión produjo ondas gravitatorias, cuyos ecos 
fueron propagándose a través del universo primitivo, y 500 mil años después dejaron leves 
perturbaciones en el fondo cósmico de microondas que serían observables ahora. De existir estas 
ondas gravitatorias, constituirían la reliquia más antigua del universo, porque se habrían creado 500 
mil años antes de que se produjera la emisión de la radiación del fondo cósmico de microondas. Las 
longitudes de onda de las ondas gravitatorias inflacionarias abarcan un intervalo comprendido entre 
un centímetro y 1023 kilómetros, el tamaño actual del universo visible. 
 
 La detección de las ondas gravitatorias nos ofrecería la prueba irrefutable de la existencia del 
período inflacionario, y podríamos observar a través de las tinieblas antes de que se hiciera la luz, el 
principio de los tiempos, solo 10-38 segundos después de la gran explosión, y al fin quizá estar en la 
posibilidad de contestar a las preguntas que más han importado a la humanidad: ¿De dónde vino el 
universo? ¿Qué hubo antes, si es que hubo algo? ¿Cómo llegó el universo a su estado actual? 
¿Cuál es su futuro? 
 
 
 
Prof. Warner Chaves Vargas 
Escuela de Física 
Instituto Tecnológico de Costa Rica