El “Big Bang” fue un “Gran Rebote” del Universo en un “Tango cósmico entre lo muy pequeño y lo muy grande”

Interpretación artística (Imagen: Dani Zemba, Penn State)

Diminutas fluctuaciones cuánticas en el Universo primitivo pueden explicar dos grandes misterios sobre la estructura a gran escala y origen del Universo. Se trata de un "tango cósmico" de lo muy pequeño y lo muy grande. 

El nuevo estudio ha sido realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.) y del Instituto Nacional de Tecnología de Karnataka (India), han utilizado la "Teoría de la Gravedad del Bucle Cuántico" para dar cuenta de estos misterios, que la teoría de la relatividad general de Einstein considera anómala.

Si bien la teoría de la relatividad general de Einstein puede explicar una gran variedad de fenómenos astrofísicos y cosmológicos fascinantes, algunos aspectos de las propiedades del universo a mayor escala siguen siendo un misterio. Un nuevo estudio que utiliza la cosmología cuántica de bucles (una teoría que utiliza la mecánica cuántica para extender la física gravitacional más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein) explica dos misterios principales. Si bien las diferencias en las teorías ocurren en las escalas más pequeñas, mucho más pequeñas que incluso un protón, tienen consecuencias en las escalas más grandes accesibles del universo. El estudio, que aparece en línea el 29 de julio en Physical Review Letters, también proporciona nuevas predicciones sobre el universo que las futuras misiones satelitales podrían probar.

La imagen del universo parece bastante uniforme, pero tiene una estructura a gran escala, por ejemplo, se ve en que las galaxias y la materia oscura no están distribuidas uniformemente en el Cosmos. El origen de esta estructura se remonta a las pequeñas inhomogeneidades (fallos en lo homogéneo) observadas en el FCM, Fondo Cósmico de Microondas (o CMB por sus siglas en ingles): radiación que se emitió cuando el universo tenía 380.000 años de edad y que todavía podemos ver hoy. Pero el FCM en sí tiene tres características desconcertantes que se consideran anomalías porque son difíciles de explicar con la física conocida.

"Si bien ver una de estas anomalías puede no ser tan estadísticamente notable, ver dos o más juntas sugiere que vivimos en un universo excepcional", dijo Donghui Jeong, profesor asociado de astronomía y astrofísica en Penn State y autor del artículo. “Un estudio reciente en la revista Nature propuso una explicación para una de estas anomalías que suscitó tantas preocupaciones adicionales que señalaron una 'posible crisis en cosmología'. Sin embargo, utilizando la cosmología de bucle cuántico, hemos resuelto dos de estas anomalías de forma natural, evitando esa crisis potencial ".

La investigación en las últimas tres décadas ha mejorado enormemente nuestra comprensión del universo primitivo, incluida la forma en que se produjeron las inhomogeneidades en el FCM en primer lugar. Estas inhomogeneidades son el resultado de las fluctuaciones cuánticas inevitables en el universo primitivo. Durante una fase de expansión altamente acelerada en los primeros tiempos, conocida como inflación, estas fluctuaciones primordiales y minúsculas se estiraron bajo la influencia de la gravedad y sembraron las inhomogeneidades observadas en el FCM.

"Para comprender cómo surgieron las semillas primordiales, necesitamos una mirada más cercana al universo primitivo, donde la teoría de la relatividad general de Einstein se desmorona", dijo Abhay Ashtekar, profesor de física de Evan Pugh, titular de la Cátedra de física de la familia Eberly, y director de Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. “El paradigma inflacionario estándar basado en la relatividad general trata el espacio-tiempo como un continuo continuo. Considere una camisa que parece una superficie bidimensional, pero en una inspección más cercana puede ver que está tejida por hilos unidimensionales densamente empaquetados. De esta manera, el tejido del espacio-tiempo está realmente tejido por hilos cuánticos. Al tener en cuenta estos hilos, la cosmología cuántica en bucle nos permite ir más allá del continuo descrito por la relatividad general donde la física de Einstein se descompone, por ejemplo, más allá del Big Bang ".

La investigación previa de los investigadores sobre el universo temprano reemplazó la idea de una singularidad Big Bang, donde el universo surgió de la nada, con el Big Bounce (Gran Rebote), donde el universo en expansión actual surgió de una masa súper comprimida que se creó cuando el universo se contrajo su fase anterior Descubrieron que todas las estructuras a gran escala del universo explicadas por la relatividad general se explican igualmente por la inflación después de este Big Bounce utilizando ecuaciones de cosmología cuántica de bucle.

En el nuevo estudio, los investigadores determinaron que la inflación bajo la cosmología cuántica de bucle también resuelve dos de las principales anomalías que aparecen bajo la relatividad general.

"Las fluctuaciones primordiales de las que estamos hablando ocurren a una escala increíblemente pequeña de Planck", dijo Brajesh Gupt, investigador postdoctoral en Penn State en el momento de la investigación y actualmente en el Centro de Computación Avanzada de Texas de la Universidad de Texas en Austin. “Una longitud de Planck es aproximadamente 20 órdenes de magnitud más pequeña que el radio de un protón. Pero las correcciones a la inflación a esta escala inimaginablemente pequeña explican simultáneamente dos de las anomalías en las escalas más grandes del universo, en un tango cósmico de lo muy pequeño y lo muy grande".

Los investigadores también produjeron nuevas predicciones sobre un parámetro cosmológico fundamental y ondas gravitacionales primordiales que podrían probarse durante futuras misiones por satélite, incluidos LiteBird y Cosmic Origins Explorer, que continuarán mejorando nuestra comprensión del universo primitivo.

Además de Jeong, Ashtekar y Gupt, el equipo de investigación incluye a V. Sreenath en el Instituto Nacional de Tecnología de Karnataka en Surathkal, India. Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation, la NASA, el Penn State Eberly College of Science y el Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica en Pune, India.

Fuente: Nota de prensa de la Universidad Estatal de Pensilvania