Según el modelo cosmológico del Big Bang, nuestro Universo comenzó hace 13.800 millones de años cuando toda la materia y la energía en el cosmos comenzaron a expandirse. Se cree que este período de "inflación cósmica" es lo que explica la estructura a gran escala del Universo y por qué el espacio y el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) parecen ser en gran medida uniformes en todas las direcciones.
Sin embargo, hasta la fecha, no se ha descubierto evidencia que pueda probar definitivamente el escenario de inflación cósmica o descartar teorías alternativas. Pero gracias a un nuevo estudio realizado por un equipo de astrónomos de la Universidad de Harvard y el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA), los científicos pueden tener un nuevo medio para probar una de las partes clave del modelo cosmológico del Big Bang.
Su artículo, titulado "Huellas digitales únicas de alternativas a la inflación en el espectro de poder primordial", apareció recientemente en línea y se está considerando su publicación en el Cartas de revisión física. El estudio fue realizado por Xingang Chen y Abraham Loeb, profesor titular de la Universidad de Harvard y el presidente de astronomía Frank D. Baird de la Universidad de Harvard, respectivamente, y Zhong-Zhi Xianyu, becario postdoctoral del Departamento de Física de la Universidad de Harvard.
Para recapitular, en cosmología física, la teoría de la inflación cósmica establece que a 10-36 segundos después del Big Bang, la singularidad donde se concentraba toda la materia y la energía comenzó a expandirse. Se cree que esta "Época inflacionaria" duró hasta 10-33 a 10-32 segundos después del Big Bang; después de lo cual, el Universo comenzó a expandirse más lentamente. De acuerdo con esta teoría, la expansión inicial del Universo fue más rápida que la velocidad de la luz.
La teoría de que tal época existió es útil para los cosmólogos porque ayuda a explicar por qué el Universo tiene casi las mismas condiciones en regiones que están muy distantes entre sí. Básicamente, si el cosmos se originó a partir de un pequeño volumen de espacio que se infló para hacerse más grande de lo que podemos observar actualmente, explicaría por qué la estructura a gran escala del Universo es casi uniforme y homogénea.
Sin embargo, esta no es la única explicación de cómo surgió el Universo, y la capacidad de falsificar ninguno de ellos ha faltado históricamente. Como el profesor Abraham Loeb le dijo a Space Magazine por correo electrónico:
“Aunque muchas propiedades observadas de las estructuras dentro de nuestro universo son consistentes con el escenario de inflación, hay tantos modelos de inflación que es difícil falsificarlo. La inflación también condujo a la noción del multiverso en el que cualquier cosa que pueda suceder sucederá un número infinito de veces, y esa teoría es imposible de falsificar a través de experimentos, que es la marca registrada de la física tradicional. Por ahora, hay escenarios competitivos que no involucran inflación, en los que el universo se contrae primero y luego rebota en lugar de comenzar en un Big Bang. Estos escenarios podrían coincidir con los observables actuales de inflación ".
Por el bien de su estudio, Loeb y sus colegas desarrollaron una forma independiente del modelo de distinguir la inflación de escenarios alternativos. Esencialmente, proponen que los campos masivos en el universo primordial experimentarían fluctuaciones cuánticas y perturbaciones de densidad que registrarían directamente la escala del Universo temprano como una función del tiempo, es decir, actuarían como una especie de "reloj estándar del Universo".
Al medir las señales que predicen que vendrían de estos campos, plantean la hipótesis de que los cosmólogos serían capaces de determinar si se sembraron variaciones en la densidad durante una fase de contracción o expansión del Universo temprano. Esto les permitiría descartar alternativas a la inflación cósmica (como el escenario Big Bounce). Como explicó Loeb:
“En la mayoría de los escenarios, es natural tener un campo masivo en el universo primitivo. Las perturbaciones en el campo masivo en una escala espacial particular oscilan en el tiempo como una bola que sube y baja en un pozo potencial, donde la masa dicta la frecuencia de las oscilaciones. Pero la evolución de las perturbaciones también depende de la escala espacial en consideración, así como del factor de escala de fondo (que aumenta exponencialmente durante los modelos genéricos de inflación pero disminuye en los modelos de contratación) ".
Estas perturbaciones, dijo Loeb, serían la fuente de cualquier variación de densidad observada por los astrónomos en la revista Space. La forma en que se formaron estas variaciones se puede determinar observando el universo de fondo, específicamente, si se estaba expandiendo o contrayendo, entre los cuales los astrónomos pueden distinguir.
"En mi metáfora, el factor de escala del universo está afectando la velocidad con la que se tira de una cinta cuando el reloj deja marcas en ella", agregó Loeb. "La nueva señal que predecimos se imprimió en cómo el nivel de no uniformidades en el universo cambia con la escala espacial".
En resumen, Loeb y sus colegas identificaron una señal potencial que podría medirse utilizando los instrumentos actuales. Estos incluyen aquellos que han estudiado el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), como el de la ESA Planck Observatorio espacial, y aquellos que han estado realizando estudios de galaxias: el Sloan Digital Sky Survey, el VLT Survey Telescope, el Dragonfly telescope, etc.
En estudios anteriores, se ha sugerido que las variaciones de densidad en el Universo primordial podrían detectarse al buscar evidencia de no Gaussianities, que son correcciones para la estimación de la función Gaussian para la medición de una cantidad física, en este caso, el CMB. Pero como lo expresó Loeb, estos aún no se han detectado:
"La nueva señal oscilatoria se encuentra en el espectro de potencia de las perturbaciones de densidad primordiales (que se mide de forma rutinaria a partir del fondo cósmico de microondas [CMB] o estudios de galaxias), mientras que las sugerencias anteriores en la literatura involucraban efectos relacionados con las no Gaussianidades, que son mucho más difícil de medir (y aún no se detectaron). Los resultados presentados en nuestro documento son muy oportunos, ya que las nuevas observaciones de las anisotropías CMB y los estudios de galaxias están recopilando conjuntos de datos ampliados ”.
Comprender cómo comenzó nuestro Universo es quizás la pregunta más fundamental en ciencia y cosmología. Si al aplicar este método, se pueden descartar explicaciones alternativas sobre cómo comenzó el Universo, nos acercará un paso más a la determinación de los orígenes del tiempo, el espacio y la vida misma. Las preguntas "¿de dónde venimos?" y "¿cómo empezó todo?" finalmente puede tener una respuesta definitiva!
