La materia oscura y la energía oscura pueden haber impulsado la inflación, la expansión exponencial del universo momentos después del Big Bang. Un nuevo modelo cosmológico propuesto por físicos de la Universidad de Varsovia, que explica la inflación oscura, es el primero en esbozar una cronología precisa de los principales eventos durante la historia temprana de nuestro universo. El modelo hace una predicción espectacular:que debería ser posible detectar ondas gravitacionales formadas solo fracciones de segundo después de la creación del espacio-tiempo.

¿Qué sabemos sobre la evolución del universo inmediatamente después del Big Bang? A pesar de la extensa investigación llevada a cabo durante décadas, Los modelos cosmológicos actuales todavía no perfilan una cronología precisa de los acontecimientos. Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia (UW Physics) han desarrollado un nuevo modelo en el que la expansión exponencial de la materia oscura y la energía oscura juega un papel clave. El modelo de inflación oscura organiza la historia térmica del universo en orden cronológico y predice que pronto deberíamos ser capaces de detectar ondas gravitacionales primordiales formadas inmediatamente después del Big Bang.

La estructura más antigua del universo que podemos estudiar hoy es la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB). Esta reliquia electromagnética se remonta a alrededor de 380, 000 años después del Big Bang y es sorprendentemente homogéneo, incluso en regiones tan alejadas que la luz no podría haber cubierto la distancia entre ellas en el tiempo disponible. En 1979, Alan Guth propuso la inflación como una explicación simple para esta uniformidad:las vastas distancias actuales entre las regiones homogéneas son tan grandes porque en un momento, hubo una expansión extremadamente rápida del espacio-tiempo, aumentando mil millones de billones de billones de veces en solo fracciones de segundo. Se dice que esto ha sido impulsado por un campo de inflación hipotético y partículas conocidas como inflatons.

"El problema fundamental de la inflación es que realmente no sabemos cuándo ocurrió exactamente, oa qué niveles de energía. La gama de energías a las que podría haber ocurrido la inflación es enorme, extendiéndose más de 70 órdenes de magnitud, "explica el profesor Zygmunt Lalak (Física de la Universidad de Washington). Y añade:"La inflación se describe como un período de expansión superenfriada. Sin embargo, para que los modelos cosmológicos sean consistentes, después de la inflación, el universo debería haber sufrido un recalentamiento a una temperatura muy alta, y no tenemos idea de cómo o cuándo pudo haber ocurrido esto. Al igual que con la inflación misma, estamos tratando con energías en un rango de 70 órdenes de magnitud. Como resultado, la historia térmica del universo aún no se ha descrito ".

Las mediciones de la radiación CMB a través del satélite Planck se han utilizado para estimar la composición del universo contemporáneo. Resulta que la energía oscura comprende hasta el 69 por ciento de toda la energía / materia existente, con materia oscura que comprende el 26 por ciento y la materia ordinaria solo el 5 por ciento. La materia oscura y la materia ordinaria no interactúan en absoluto, o sus interacciones son tan débiles que apenas estamos empezando a notar el impacto gravitacional de la materia oscura en el movimiento de estrellas en galaxias y galaxias en cúmulos. La energía oscura debería ser un factor responsable de la expansión acelerada del universo.

"Nuestro modelo de inflación es significativamente diferente de los propuestos en el pasado. Partimos del supuesto de que desde hoy, la materia oscura y la energía oscura comprenden hasta el 95 por ciento de la estructura del universo, entonces ambos factores también deben haber sido extremadamente importantes inmediatamente después del Big Bang. Es por eso que describimos al sector oscuro del universo como responsable del proceso de inflación, "explica el Dr. Michal Artymowski (UW Physics), autor principal del artículo publicado en el Revista de cosmología y física de astropartículas .

En el modelo propuesto, la inflación es impulsada por un campo escalar. Las propiedades del campo significan que la inflación no es permanente y debe llegar a su fin, en algún momento, la tasa de expansión del universo comenzará a disminuir en lugar de acelerarse. En el punto de este cambio, se forman nuevas partículas relativistas, comportándose de la misma manera que la radiación. Algunas de estas partículas se describen en el modelo estándar, mientras que otros pueden corresponder a partículas predichas por teorías más allá del Modelo Estándar, como la supersimetría.

"En nuestros modelos, las nuevas partículas son el resultado de la gravitación, que es una fuerza muy débil. El proceso de formación de partículas es ineficaz, y al final de la inflación, Los inflatons continúan dominando el universo, "dice Olga Czerwinska, Doctor. estudiante en UW Physics.

Para recrear el dominio observado de la radiación en el universo, Los inflatons deberían perder energía rápidamente. Los investigadores proponen dos mecanismos físicos que podrían ser responsables del proceso. Revelan que el nuevo modelo predice el curso de los eventos de la historia térmica del universo con una precisión mucho mayor que antes.

Las predicciones del modelo sobre las ondas gravitacionales primordiales son especialmente interesantes. Las ondas gravitacionales son vibraciones del propio espacio-tiempo, y ya se han detectado varias veces. En cada caso, su origen ha sido la fusión de un par de agujeros negros o estrellas de neutrones. Los modelos cosmológicos actuales predicen que las ondas gravitacionales también deberían aparecer como resultado de la inflación. Sin embargo, toda la evidencia sugirió que las vibraciones del espacio-tiempo causadas por la inflación serían tan débiles ahora que ningún detector existente o futuro habría podido registrarlas. Estas predicciones se revisaron cuando los físicos de la Universidad de Varsovia tuvieron en cuenta los efectos del sector oscuro del universo.

"Las ondas gravitacionales pierden energía como radiación. Sin embargo, Los inflatons deben perderlo significativamente más rápido. Si la inflación involucró al sector oscuro, la entrada de ondas gravitacionales aumentó proporcionalmente. Esto significa que los rastros de las ondas gravitacionales primordiales no son tan débiles como pensamos originalmente, "agrega el Dr. Artymowski.

Las estimaciones realizadas por el físico de Varsovia son optimistas. Los datos sugieren que las ondas gravitacionales primordiales podrían ser detectadas por observatorios que se encuentran actualmente en la etapa de diseño o en construcción. como el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Deci-Hertz (DECIGO), Antena espacial de interferómetro láser (LISA), European Pulsar Timing Array (EPTA) y Square Kilometer Array (SKA). Los primeros eventos podrían detectarse en la próxima década. Para los cosmólogos, este sería un descubrimiento sin precedentes, allanando el camino para la investigación de eventos gravitacionales que tuvieron lugar inmediatamente después del Big Bang, un período hasta ahora imposible de estudiar.

El modelo de inflación oscura tiene otro aspecto fascinante:depende en gran medida de la teoría gravitacional. Al comparar las predicciones del modelo con los datos recopilados por los observatorios gravitacionales, los cosmólogos deberían poder proporcionar nuevas verificaciones de la teoría general de la relatividad de Einstein. ¿Qué pasa si encuentran discrepancias? Significaría que los datos de observación proporcionan la primera información sobre las propiedades de la gravedad real.