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Artículo publicado por Christine Pulliam el 25 de enero de 2016 en CfA

¿Cómo empezó el universo? ¿Y qué pasó después del Big Bang? Los cosmólogos se han realizado estas preguntas desde el descubrimiento de que nuestro universo se expande. Las respuestas no son fácilmente determinables. Los inicios del cosmos están ocultos a la visión de los telescopios más potentes, aunque las observaciones que realizamos hoy pueden dar pistas del origen del universo. Una nueva investigación sugiere una novedosa forma de estudiar el inicio del espacio y el tiempo para determinar cuál de las teorías propuestas es la correcta.

El escenario teórico más ampliamente aceptado para el inicio del universo es la inflación, que predice que el universo se expandió a un ritmo exponencial en la primera fracción de segundo. Sin embargo, se han sugerido una variedad de escenarios alternativos, algunos prediciendo un Big Crunch anterior al Big Bang. El truco está en encontrar medidas que puedan distinguir entre estos escenarios.

Relojes primordiales estándar

Relojes primordiales estándar Crédito: Yi Wang y Xingang Chen

Una prometedora fuente de información sobre el inicio del universo es el fondo cósmico de microondas (CMB) – el brillo remanente del Big Bang que impregna todo el espacio. El brillo parece liso y uniforme a primera vista, pero bajo una inspección más de cerca, varía en pequeñas cantidades. Esas variaciones proceden de las fluctuaciones cuánticas presentes en el nacimiento del universo, y que se han estirado conforme se expandía el universo.

El enfoque convencional para distinguir entre distintos escenarios busca posibles trazas de ondas gravitatorias, generadas durante el universo primordial, en el CMB. “Aquí proponemos un nuevo enfoque que podría permitirnos desvelar de forma directa la historia evolutiva del universo primigenio a partir de las señales astrofísicas. Esta historia es única para cada escenario”, señala el coautor Xingang Chen del Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica (CfA) y la Universidad de Texas en Dallas.

Aunque anteriores estudios teóricos ofrecieron pistas sobre variaciones espaciales en el universo primordial, carecían del elemento clave del tiempo. Sin un reloj para medir el paso del tiempo, la historia de la evolución del universo primordial no podía determinarse inequívocamente.

“Imagina que tomas fotogramas de una película y los apilas aleatoriamente unos sobre otros. Si esos fotogramas no están etiquetados con una hora, no podrías ponerlos en orden. ¿El universo primordial fue un estallido o una implosión? Si no sabes si la película avanza hacia adelante o hacia atrás, no puedes saber la diferencia”, explica Chen.

Esta nueva investigación sugiere que existe tal “reloj”, y que puede usarse 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 unirá la mecánica cuántica y la relatividad general. Se conocen como “relojes primordiales estándar”.

Las partículas subatómicas pesadas se comportarán como un péndulo, oscilando adelante y atrás de una forma universal y estándar. Incluso pueden hacerlo mecánico-cuánticamente sin recibir un empujón inicial. Esas oscilaciones, o balanceos cuánticos, actuarían como reloj, y añadirían la etiqueta del tiempo a la pila de fotogramas de nuestra analogía.

“Cada avance de estos relojes primordiales estándar crearía un balanceo correspondiente en la medida del fondo cósmico de microondas, cuyos patrones son únicos para cada escenario”, dice el coautor Yi Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. Sin embargo, los datos actuales no son lo bastante precisos como para observar unas variaciones tan pequeñas.

Experimentos actualmente en curso deberían mejorar enormemente la situación. Proyectos como BICEP3 y Keck Array, y muchos otros experimentos relacionados por todo el mundo, recopilarán datos exquisitamente precisos del CMB al mismo tiempo que buscan ondas gravitatorias. Si el balanceo de los relojes primordiales estándar es lo bastante fuerte, los experimentos deberían encontrarlos en la próxima década. Pruebas que apoyen esta teoría podría llegar a partir de otras líneas de investigación, como mapas a gran escala de la estructura del universo, incluyendo galaxias y el hidrógeno cósmico.

Y dado que los relojes primordiales estándar serían un componente de la “teoría del todo”, encontrarlos también proporcionaría pruebas para una física más allá del Modelo Estándar a una escala de energía inaccesible para los colisionadores terrestres.

Esta investigación se detalla en un artículo escrito por Xingang Chen y Mohammad Hossein Namjoo (CfA/UT Dallas) y Yi Wang (Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong). Se ha aceptado para su publicación en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics y esté disponible en línea.

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