Según la teoría del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años el universo explotó, como una bola de fuego de materia infinitamente pequeña y compacta que se enfrió a medida que se expandía, provocando reacciones que cocinaron las primeras estrellas y galaxias, y todas las formas de importa que vemos (y somos) hoy.

Justo antes de que el Big Bang lanzara el universo a su curso en constante expansión, los físicos creen que había otra fase más explosiva del universo primitivo en juego: la inflación cósmica, que duró menos de una billonésima de segundo. Durante este período, la materia, una masa fría y homogénea, se infló exponencialmente rápido antes de que los procesos del Big Bang se hicieran cargo para expandir y diversificar más lentamente el universo infantil.

Observaciones recientes han apoyado independientemente las teorías tanto del Big Bang como de la inflación cósmica. Pero los dos procesos son tan radicalmente diferentes entre sí que los científicos han luchado por concebir cómo uno seguía al otro.

Ahora los físicos del MIT, el Kenyon College y otros lugares han simulado en detalle una fase intermedia del universo primitivo que pudo haber superado la inflación cósmica con el Big Bang. Esta fase, conocida como "recalentamiento", ocurrió al final de la inflación cósmica e involucró procesos que lucharon contra la materia fría y uniforme de la inflación en la sopa ultracaliente y compleja que estaba en su lugar al comienzo del Big Bang.

"El período de recalentamiento posterior a la inflación establece las condiciones para el Big Bang y, en cierto sentido, pone la 'explosión' en el Big Bang", dice David Kaiser, profesor de Historia de la Ciencia en Germeshausen y profesor de física en el MIT. "Es este período de puente donde todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier forma que no sea simple".

Kaiser y sus colegas simularon en detalle cómo múltiples formas de materia habrían interactuado durante este período caótico al final de la inflación. Sus simulaciones muestran que la energía extrema que impulsó la inflación podría haberse redistribuido con la misma rapidez, en una fracción aún menor de un segundo, y de una manera que produjo las condiciones que habrían sido necesarias para el inicio del Big Bang.

El equipo descubrió que esta transformación extrema habría sido aún más rápida y eficiente si los efectos cuánticos modificaran la forma en que la materia respondía a la gravedad a energías muy altas, desviándose de la forma en que la teoría de la relatividad general de Einstein predice que la materia y la gravedad deberían interactuar.

"Esto nos permite contar una historia ininterrumpida, desde la inflación hasta el período posterior a la inflación, hasta el Big Bang y más allá", dice Kaiser. "Podemos rastrear un conjunto continuo de procesos, todos con física conocida, para decir que esta es una forma plausible en la que el universo llegó a verse como lo vemos hoy".

Los resultados del equipo aparecen hoy en Cartas de revisión física. Los coautores de Kaiser son la autora principal Rachel Nguyen y John T. Giblin, ambos de Kenyon College, y el ex estudiante graduado del MIT Evangelos Sfakianakis y Jorinde van de Vis, ambos de la Universidad de Leiden en los Países Bajos.

"En sincronía consigo mismo"

La teoría de la inflación cósmica, propuesta por primera vez en la década de 1980 por Alan Guth del MIT, el V.F. El profesor de física de Weisskopf, predice que el universo comenzó como una mota de materia extremadamente pequeña, posiblemente aproximadamente cien mil millones del tamaño de un protón. Esta mancha estaba llena de materia de ultra alta energía, tan enérgica que las presiones internas generaron una fuerza gravitacional repulsiva, la fuerza impulsora detrás de la inflación. Como una chispa en un fusible, esta fuerza gravitacional explotó el universo infantil hacia afuera, a un ritmo cada vez más rápido, inflándolo a casi un octillón multiplicado por su tamaño original (ese es el número 1 seguido de 26 ceros), en menos de una billonésima parte de un segundo.

Kaiser y sus colegas intentaron averiguar cómo podrían haber sido las primeras fases de recalentamiento, ese intervalo de puente al final de la inflación cósmica y justo antes del Big Bang.

"Las primeras fases del recalentamiento deben estar marcadas por resonancias. Una forma de materia de alta energía domina, y se mueve de un lado a otro en sincronía consigo misma a través de grandes extensiones de espacio, lo que lleva a la producción explosiva de nuevas partículas", dice Kaiser. "Ese comportamiento no durará para siempre, y una vez que comience a transferir energía a una segunda forma de materia, sus propios cambios se volverán más entrecortados y desiguales en el espacio. Queríamos medir cuánto tardaría en romperse ese efecto resonante. , y para que las partículas producidas se dispersen entre sí y lleguen a algún tipo de equilibrio térmico, que recuerde las condiciones del Big Bang ".

Las simulaciones por computadora del equipo representan una gran red en la que mapearon múltiples formas de materia y rastrearon cómo su energía y distribución cambiaron en el espacio y con el tiempo a medida que los científicos variaron ciertas condiciones. Las condiciones iniciales de la simulación se basaron en un modelo inflacionario particular: un conjunto de predicciones sobre cómo la distribución de la materia del universo temprano pudo haberse comportado durante la inflación cósmica.

Los científicos eligieron este modelo particular de inflación sobre otros porque sus predicciones coinciden estrechamente con las mediciones de alta precisión del fondo cósmico de microondas: un resplandor remanente de radiación emitido solo 380,000 años después del Big Bang, que se cree que contiene rastros del período inflacionario. .

Un ajuste universal

La simulación siguió el comportamiento de dos tipos de materia que pueden haber sido dominantes durante la inflación, muy similar a un tipo de partícula, el bosón de Higgs, que se observó recientemente en otros experimentos.

Antes de ejecutar sus simulaciones, el equipo agregó un ligero "ajuste" a la descripción de la gravedad del modelo. Si bien la materia ordinaria que vemos hoy responde a la gravedad tal como lo predijo Einstein en su teoría de la relatividad general, la materia a energías mucho más altas, como lo que se cree que existió durante la inflación cósmica, debería comportarse de manera ligeramente diferente, interactuando con la gravedad de maneras modificado por la mecánica cuántica, o interacciones a escala atómica.

En la teoría de la relatividad general de Einstein, la fuerza de la gravedad se representa como una constante, con lo que los físicos se refieren como un acoplamiento mínimo, lo que significa que, sin importar la energía de una partícula particular, responderá a los efectos gravitacionales con una fuerza establecida por Una constante universal.

Sin embargo, a las energías muy altas que se predicen en la inflación cósmica, la materia interactúa con la gravedad de una manera un poco más complicada. Los efectos de la mecánica cuántica predicen que la fuerza de la gravedad puede variar en el espacio y el tiempo al interactuar con la materia de energía ultraalta, un fenómeno conocido como acoplamiento no mínimo.

Kaiser y sus colegas incorporaron un término de acoplamiento no mínimo a su modelo inflacionario y observaron cómo cambió la distribución de la materia y la energía a medida que aumentaron o disminuyeron este efecto cuántico.

Al final, descubrieron que cuanto más fuerte era el efecto gravitacional modificado cuánticamente en la materia, más rápido pasaba el universo de la materia fría y homogénea en la inflación a las formas de materia mucho más calientes y diversas que son características del Big Bang.

Al ajustar este efecto cuántico, podrían hacer que esta transición crucial tenga lugar en 2 a 3 "pliegues electrónicos", refiriéndose a la cantidad de tiempo que le toma al universo (aproximadamente) triplicar su tamaño. En este caso, lograron simular la fase de recalentamiento dentro del tiempo que le toma al universo triplicarse en tamaño dos o tres veces. En comparación, la inflación en sí tuvo lugar en unos 60 pliegues electrónicos.

"El recalentamiento fue una locura, cuando todo se volvió loco", dice Kaiser. "Mostramos que la materia estaba interactuando tan fuertemente en ese momento que también podía relajarse de manera correspondiente rápidamente, preparando maravillosamente el escenario para el Big Bang. No sabíamos que ese fuera el caso, pero eso es lo que está surgiendo de estas simulaciones, todo con física conocida. Eso es lo que es emocionante para nosotros ".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU. Y la National Science Foundation.

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