Un nuevo método para estudiar el comienzo del Universo

Relojes primordiales. Crédito: Yi Wang y Xingang Chen.

¿Cómo comenzó el Universo? ¿Y qué hubo antes del Big Bang? Los cosmólogos se han hecho estas preguntas desde que se descubrió que el Universo se está expandiendo. Las respuestas no son fáciles de determinar. El comienzo del cosmos está oculto a la vista de nuestros telescopios más poderosos. Sin embargo, las observaciones que hacemos en la actualidad pueden darnos pistas sobre el origen del Universo. Una nueva investigación sugiere una novedosa manera para estudiar el comienzo del espacio y el tiempo para determinar cuál de las teorías es la correcta.

El escenario teórico más ampliamente aceptado del comienzo del Universo es la inflación, que predice que el Universo se expandió a una velocidad exponencial en la primera fracción de un segundo. Sin embargo, se ha sugerido una serie de escenarios alternativos, algunos prediciendo un Big Crunch anterior al Big Bang. El truco es encontrar mediciones que puedan distinguir estos escenarios.

Una fuente prometedora de información sobre los inicios del Universo es el fondo cósmico de microondas (CMB); el resplandor remanente del Big Bang que impregna todo el espacio. Este resplandor parece uniforme en un comienzo, pero una inspección más cercana varía en pequeñas cantidades. Estas variaciones provienen de fluctuaciones cuánticas presentes en el nacimiento del cosmos que se han extendido a medida que el Universo se ha expandido.

El enfoque convencional para distinguir diferentes escenarios es la búsqueda en el CMB de ondas gravitacionales generadas durante los primeros instantes del Universo. “Aquí proponemos un nuevo enfoque que podría permitirnos revelar directamente la historia evolutiva del Universo primordial a partir de señales astrofísicas. Esta historia es única para cada escenario”, dice el coautor Xingang Chen del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) y de la Universidad de Texas en Dallas.

Aunque estudios previos experimentales y teóricos dan pistas de variaciones espaciales en el Universo primordial, carecen del elemento clave del tiempo. Sin un reloj para medir el paso del tiempo, la historia evolutiva del Universo primordial no puede determinarse sin ambigüedad.

“Imagina que tomas los fotogramas de una película y los apilas al azar uno sobre otro. Si esos fotogramas no están etiquetados con un tiempo, no puedes ponerlos en orden. ¿El Universo primordial implosionó o explotó? Si no se sabe si la película marcha hacia adelante o en reversa, no se puede decir la diferencia”, explica Chen.

Esta nueva investigación sugiere que tales “relojes” existen y que pueden ser usados para medir el paso del tiempo en el nacimiento del Universo. Estos relojes toman la forma de partículas pesadas, que son un producto esperado de la “Teoría del Todo” que uniría la Mecánica Cuántica y la Relatividad General. Son llamados “relojes primordiales estándar”.

Las partículas subatómicas pesadas se comportarán como un péndulo, oscilando hacia atrás y adelante en una forma estándar y universal. Incluso pueden hacerlo cuántico-mecánicamente sin ser impulsadas inicialmente. Esas oscilaciones o movimientos cuánticos actuarían como ciclos y añadirían etiquetas de tiempo a la pila de fotogramas en nuestra analogía.

“Los tic-tac de estos relojes primordiales estándar crearían correspondientes movimientos en las mediciones del fondo cósmico de microondas, cuyo patrón es único para cada escenario”, dice Yi Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. Sin embargo, los datos actuales no son lo suficientemente precisos para detectar variaciones tan pequeñas.

Algunos experimentos actuales deberían mejorar bastante la situación. Proyectos como BICEP3 y Keck Array de CfA, y muchos otros experimentos relacionados en todo el mundo, reunirán datos muy precisos del CMB al mismo tiempo que buscan ondas gravitacionales. Si los movimientos de los relojes primordiales estándar son suficientemente fuertes, los experimentos deberían detectarlos durante la próxima década. Evidencia de apoyo podría provenir de otras líneas de investigación, como mapas de la estructura a gran escala del Universo, incluyendo galaxias e hidrógeno cósmico.

Y dado que los relojes primordiales estándar serían un componente de la “Teoría del Todo”, hallarlos también proporcionaría evidencia de física más allá del Modelo Estándar a una escala de energía inaccesible para los colisionadores.

El artículo “Quantum Primordial Standard Clocks” fue publicado el 4 de febrero de 2016 en Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Fuente: Center for Astrophysics