Un equipo de científicos ha propuesto una nueva y poderosa prueba de inflación, la teoría de que el universo se expandió dramáticamente en tamaño en una fugaz fracción de segundo justo después del Big Bang. Su objetivo es dar una idea de una pregunta de larga data:¿cómo era el universo antes del Big Bang?

Aunque la inflación cósmica es bien conocida por resolver algunos misterios importantes sobre la estructura y evolución del universo, otras teorías muy diferentes también pueden explicar estos misterios. En algunas de estas teorías, el estado del universo anterior al Big Bang, el llamado universo primordial, se estaba contrayendo en lugar de expandirse, y el Big Bang fue, por tanto, parte de un Big Bounce.

Para ayudar a decidir entre la inflación y estas otras ideas, la cuestión de la falsabilidad, es decir, si una teoría puede ser probada para demostrar potencialmente que es falsa, ha surgido inevitablemente. Algunos investigadores, incluido Avi Loeb del Centro de Astrofísica | Harvard &Smithsonian (CfA) en Cambridge, Masa., han expresado su preocupación por la inflación, lo que sugiere que su adaptabilidad aparentemente infinita hace que sea casi imposible probarlo adecuadamente.

"La falsificación debería ser un sello distintivo de cualquier teoría científica. La situación actual de la inflación es que es una idea tan flexible, no se puede falsificar experimentalmente, "Loeb dijo." No importa qué valor mida la gente para algún atributo observable, siempre hay algunos modelos de inflación que pueden explicarlo ".

Ahora, un equipo de científicos dirigido por Xingang Chen de CfA, junto con Loeb, y Zhong-Zhi Xianyu del Departamento de Física de la Universidad de Harvard, han aplicado una idea que llaman un "reloj estándar primordial" a las teorías no inflacionarias, y expuso un método que puede utilizarse para falsificar la inflación de forma experimental. El estudio aparecerá en Cartas de revisión física como sugerencia de los editores.

En un esfuerzo por encontrar alguna característica que pueda separar la inflación de otras teorías, el equipo comenzó identificando la propiedad definitoria de las diversas teorías:la evolución del tamaño del universo primordial.

"Por ejemplo, durante la inflación, el tamaño del universo crece exponencialmente, ", Dijo Xianyu." En algunas teorías alternativas, el tamaño del universo se contrae. Algunos lo hacen muy despacio mientras que otros lo hacen muy rápido.

"Los atributos que la gente ha propuesto medir hasta ahora suelen tener problemas para distinguir entre las diferentes teorías porque no están directamente relacionados con la evolución del tamaño del universo primordial, "continuó." Entonces, queríamos encontrar cuáles son los atributos observables que se pueden vincular directamente a esa propiedad definitoria ".

Las señales generadas por el reloj estándar primordial pueden servir para tal propósito. Ese reloj es cualquier tipo de partícula elemental pesada en el universo primordial. Tales partículas deberían existir en cualquier teoría y sus posiciones deberían oscilar a alguna frecuencia regular, muy parecido al tic-tac del péndulo de un reloj.

El universo primordial no era del todo uniforme. Había pequeñas irregularidades en la densidad en escalas minúsculas que se convirtieron en las semillas de la estructura a gran escala observada en el universo actual. Esta es la principal fuente de información en la que confían los físicos para conocer lo que sucedió antes del Big Bang. Los tics del reloj estándar generaron señales que se imprimieron en la estructura de esas irregularidades. Los relojes estándar en diferentes teorías del universo primordial predicen diferentes patrones de señales, porque las historias evolutivas del universo son diferentes.

"Si imaginamos que toda la información que aprendimos hasta ahora sobre lo que sucedió antes del Big Bang está en un rollo de fotogramas de película, luego, el reloj estándar nos dice cómo se deben reproducir estos fotogramas, "Explicó Chen." Sin ninguna información de reloj, no sabemos si la película debe reproducirse hacia adelante o hacia atrás, rápido o lento, al igual que no estamos seguros de si el universo primordial se estaba inflando o contrayendo, y qué tan rápido lo hizo. Aquí es donde radica el problema. El reloj estándar ponía marcas de tiempo en cada uno de estos fotogramas cuando la película se rodó antes del Big Bang, y nos dice cómo reproducir la película ".

El equipo calculó cómo deberían verse estas señales de reloj estándar en teorías no inflacionarias, y sugirió cómo deberían buscarse en observaciones astrofísicas. "Si se encontrara un patrón de señales que representa un universo en contracción, falsificaría toda la teoría inflacionaria, "Dijo Xianyu.

El éxito de esta idea radica en la experimentación. "Estas señales serán muy sutiles de detectar, "Chen dijo, "por lo que es posible que tengamos que buscar en muchos lugares diferentes. La radiación cósmica de fondo de microondas es uno de esos lugares, y la distribución de las galaxias es otra. Ya hemos comenzado a buscar estas señales y ya hay algunos candidatos interesantes, pero necesitamos más datos ".

Muchos estudios futuros de galaxias, como LSST líder en EE. UU., Euclid europeo y el proyecto recientemente aprobado por la NASA, SphereX, se espera que proporcionen datos de alta calidad que se puedan utilizar para lograr el objetivo.

La preimpresión de este documento está disponible en:arxiv.org/abs/1809.02603. Se puede encontrar un trabajo anterior relacionado en:arxiv.org/abs/1509.03930.