El Big Bang, Inflación y el origen del Universo

Hoy partimos con un título rimbombante, pero no es sólo para atraer audiencia, sino también para celebrar un importante descubrimiento que (de ser corroborado por la comunidad científica) permitiría entender uno de los mayores enigmas en astronomía, qué fue lo que sucedió inmediatamente después del Big Bang y que dió lugar al universo tal como lo conocemos hoy. Puede que te preguntes, ¿Pero qué importa!?, acá intentamos explicártelo, y de paso, compartir la aventura del descubrir y el triunfo de la mente humana.

(Super-corta) Historia del Universo.

Probablemente has escuchado acerca de la teoría del Big Bang (al menos la serie con Sheldon). Esta idea señala que el universo comenzó en un estado de altísima densidad, el cual explotó, dando paso, luego de muchos millones de años, al universo que conocemos. En los primeros 400 mil años luego de la explosión inicial, el universo se mantuvo opaco, sin emitir luz, ya que las partículas de luz (fotones) no tenían la capacidad de viajar grandes distancias y escapar de la densa sopa de partículas eléctricamente cargadas (electrones y protones en estado de plasma) sin chocar con ellas. Cuando el universo se expandió y se enfrió, los electrones y protones que existían de forma independiente en ese plasma, se unieron y formaron átomos eléctricamente neutros, dejando un camino libre a los fotones. Para ejemplificar estos sucesos imaginemos un gato tratando de atravesar en un parque lleno de gente que dejo libre a sus perros. La interacción perro-gato hace muy difícil para el pobre gatito avanzar hacia cualquier parte. Ahora, si cada persona toma a su perro, veremos que la vida se hace mucho más fácil para el gato, quien ahora puede atravesar el parque sin miedo a ser atacado por los caninos y de forma bastante veloz. Al periodo donde los electrones y protones formaron átomos neutros se le denomina época de recombinación.

Lo increíble, es que este período en el desarrollo de universo, dejó marcas que podemos incluso percibir hoy en día. Estas marcas se llaman Radiación de Fondo Cósmico (CMB por sus siglas en inglés), y fueron descubiertas por accidente en los años 60. Fig. 1

Figura1: Mapa de la radiación de fondo cósmico detectada por el satélite WMAP. Las regiones están coloreadas para representar variaciones de +- 0.0002 grados Kelvins. [Fuente Wikipedia]

Los distintos colores en figura 1 representan las variaciones en temperatura del CMB, estas variaciones son solo de 0.0002 Kelvins, siendo la temperatura promedio 2.7 Kelvins.

Al analizar esta radiación de fondo, varias preguntas aparecen. Como vemos en Fig. 1,  el universo presenta un estado de gran homogeneidad!.  Pero, ¿Por qué el universo luce tan homogéneo en todas direcciones? Recordemos que estamos hablando de un universo que partió desde una gran explosión de plasma. Inicialmente esta homogeneidad se asumió como un principio (una idea que no puede ser derivada como consecuencia de otra idea), en lo que se llama "principio cosmológico".

Una interesante idea que busca resolver la pregunta de la homogeneidad del universo fue postulada en la década del 70 del siglo pasado, por físicos en estados Unidos y en la Unión Soviética*. Esta idea se conoce como Inflación. La idea es simple pero revolucionaria: El universo es similar en todas partes debido a que inmediatamente después del big bang el universo se expandió a una velocidad exponencialmente alta, superando por mucho la velocidad de la luz (técnicamente, lo que se espande es el espacio tiempo mismo, por lo que la comparación con la velocidad de la luz puede llevar a confusiones). Esta súper-expansión sería por lo tanto la causante de la similitud en distintas direcciones del universo observable. Suena simple, pero bueno para creerlo hay que demostrarlo! Otra analogía puede ser útil, podemos pensar en el universo inicial como una fotografía compleja, con zonas claramente distinguibles. La inflación en este contexto sería hacer un zoom en alguna zona particular de la imagen hasta que las regiones con características distintas desaparecen de la zona observada. (¿quiere decir que nos parece homogéneo porque estamos mirando a una zona muy pequeña del universo total?, SI!, bienvenido Multiverso**)

Las pequeñas inhomogeneidades encontradas en la radiación de fondo cósmico que sobrevivieron a este gran zoom (distintos colores en Fig. 1) que supone el periodo inflacionario son aún más sorprendentes. Como ya discutimos en este post anterior, las leyes de la mecánica cuántica (MC) gobiernan los sistemas que son muy pequeños. Una característica particular de la MC es que el vacío (que, fuera de divagaciones filosóficas, definimos como un estado con total ausencia de partículas) se encuentra en constante ebullición, creando y destruyendo partículas. En promedio es un estado realmente vacío, pero en cualquier momento posee fluctuaciones. Este vacío fluctuante, sujeto a la expansión por inflación, creó las irregularidades que vemos en el CMB y serían estas irregularidades  las que dieron pie a la creación de galaxias. Esto se entiende de la siguiente forma. Las pequeñas irregularidades en la densidad suponen puntos de aglutinamiento, donde, debido a la gravedad, las cosas se atraen un poco mas fuerte (la gravedad que un objeto crea depende de la densidad de masa de este). Estos puntos de aglutinamiento son las semillas donde las galaxias fueron creadas.

En suma, las fluctuaciones cuánticas sumadas al proceso de inflación dieron origen a las semillas que eventualmente produjeron las galaxias. Si esta idea no te asombra, nada de lo que yo pueda escribir acá lo hará.

Fig.2 Factor de escala (o cuanto crece el universo en tamaño) en función del tiempo después del Big bang [Fuente: Astronomia.net]

Otra pregunta interesante es ¿Cómo podemos conocer el estado del universo antes de la época de recombinación? Debido a que los fotones no podían viajar antes de este periodo, cualquier observación convencional no nos entrega ninguna pista acerca del periodo de pre-recombinacion. Por supuesto, eso no detuvo a los físicos en su búsqueda de respuestas, quienes encontraron una forma alternativa de obtener dicha  información, esto es, a través del análisis de la forma en que la luz se propaga o polarización*** en la radiación de fondo.

Esta polarización se ve influenciada por los cambios en el espacio tiempo, cambios que datan del periodo pre-recombinación, y que se manifiestan como ondas gravitacionales****. Estas ondas gravitacionales perturban la polarizarion del CMB, y es esta perturbación la que fue analizada por el equipo de BICEPS2. En ella se encontraron rastros que pueden ser atribuidos al periodo inflacionario. Si los datos son comprobados por otros experimentos independientes, estaríamos ante un descubrimiento que nos permitiría comenzar a entender los inicios mismos del tiempo y el espacio, y por consiguiente, de nosotros mismos.

Celebramos este gran hallazgo, triunfo de la curiosidad humana.

Si quedaste con ganas de mas detalles, no dudes en preguntar.
Tambien puedes visitar los siguientes links con una muy buena explicación.

En español:
http://conexioncausal.wordpress.com/2014/03/17/descubrimiento-de-modos-b-en-la-polarizacion-del-cmb/

http://cuentos-cuanticos.com/2014/03/18/el-universo-saca-bicep2/


En Ingles [mas técnicos]

http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/03/16/bicep2-updates/

http://profmattstrassler.com/2014/03/18/if-its-holds-up-what-might-bicep2s-discovery-mean/

Algunos videos [En Ingles]
Inflation & the Universe in a Grapefruit - Sixty Symbols 

Evidence of cosmic inflation expands universe understanding

* Algunos nombres notables en el desarrollo de la idea de Inflacion son: Alan Guth, Andrei Linde, Alexei Starobinsky, Paul J. Steinhardt.

**Multiverso es la idea que es consecuencia directa de Inflación. Imaginemos un universo con dos caracteristicas opuestas, para simplificar, imaginemos un universo compuesto por los colores rojo y azul. Luego de Inflación, el universo de color rojo queda causalmente desconectado del universo de color azul (no se pueden enviar señales porque estan separados por mucha distancia). Alguien viviendo dentro del universo azul pensará que el universo es azul y no hay otro tipo de universo. Al conjunto de distintos universos se le llama Multiverso.

***Polarización es una propiedad de las ondas electromagnéticas (luz), asociada con la forma en que esta se propaga. Un filtro de polarización es un instrumento que permite el paso de una polarización especifica (ver figura)

Representación de la propagación de una onda, (en rojo). Un conjunto de ondas con distintas polarizaciones, al pasar por un polarizador, es filtrada, sobreviviendo solo la polarización asociada al filtro (el filtro es representado por la rejilla negra en el centro de la imagen)

**** Ondas Gravitacionales: Como el agua, que al distorsionarse actúa como medio donde ondas de presión se propagan, el espacio-tiempo también puede ser distorsionado, en cuyo caso la distorsión se propaga como ondas de gravedad, que perturban en espacio-tiempo a su paso.