Como dice la teoría del Big Bang, en algún lugar hace unos 13.800 millones de años, el universo explotó y nació, como un infinitamente pequeño, bola de fuego compacta de materia que se enfrió al expandirse, desencadenando reacciones que cocinaron las primeras estrellas y galaxias, y todas las formas de materia que vemos (y somos) hoy.

Justo antes de que el Big Bang lanzara al universo a su curso en constante expansión, los físicos creen, hubo otro, fase más explosiva del universo temprano en juego:inflación cósmica, que duró menos de una billonésima de segundo. Durante este período, materia - un resfriado, una sustancia pegajosa homogénea:inflada exponencialmente rápidamente antes de que los procesos del Big Bang se hicieran cargo de expandir y diversificar más lentamente el universo infantil.

Observaciones recientes han apoyado de forma independiente 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 siguió al otro.

Ahora físicos del MIT, Kenyon College, y en otros lugares han simulado en detalle una fase intermedia del universo temprano que puede haber tendido un puente entre la inflación cósmica y el Big Bang. Esta fase, conocido como "recalentamiento, "ocurrió al final de la inflación cósmica e involucró procesos que lucharon contra el frío de la inflación, materia uniforme en el ultracaliente, sopa 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 el 'bang' en el Big Bang, "dice David Kaiser, el profesor Germeshausen de Historia de la Ciencia y profesor de física en el MIT. "Es este período puente donde todo el infierno se desata y la materia se comporta de cualquier manera menos simple".

Kaiser y sus colegas simularon en detalle cómo habrían interactuado múltiples formas de materia 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 de segundo aún más pequeña, y de una manera que produjo las condiciones que se habrían requerido para el inicio del Big Bang.

El equipo descubrió que esta transformación extrema habría sido incluso más rápida y eficiente si los efectos cuánticos hubieran modificado 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 posinflación, al Big Bang y más allá, ", Dice Kaiser." Podemos rastrear un conjunto continuo de procesos, todo con física conocida, 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, propuesto por primera vez en la década de 1980 por Alan Guth del MIT, el V.F. Profesor Weisskopf de Física, predice que el universo comenzó como una partícula de materia extremadamente pequeña, posiblemente alrededor de una cien mil millonésima parte del tamaño de un protón. Esta mota estaba llena de materia de energía ultra alta, tan enérgico que las presiones internas generaron una fuerza gravitacional repulsiva, la fuerza impulsora detrás de la inflación. Como una chispa a una mecha esta fuerza gravitacional hizo explotar el universo infantil hacia afuera, a un ritmo cada vez más rápido, inflarlo a casi un octillón de veces su tamaño original (ese es el número 1 seguido de 26 ceros), en menos de una billonésima de 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. Domina una forma de materia de alta energía, y se mueve de un lado a otro en sincronía consigo mismo en grandes extensiones de espacio, conduciendo a la producción explosiva de nuevas partículas, "Dice Kaiser." Ese comportamiento no durará para siempre, y una vez que comienza a transferir energía a una segunda forma de materia, sus propios columpios se volverán más entrecortados y desiguales en el espacio. Queríamos medir cuánto tardaría en disolverse ese efecto de resonancia, y que las partículas producidas se dispersen entre sí y lleguen a algún tipo de equilibrio térmico, recuerda a 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 variaban 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 primitivo 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 retoque universal

La simulación rastreó 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, materia a energías mucho más altas, como lo que se cree que existió durante la inflación cósmica, debería comportarse de forma ligeramente diferente, interactuar con la gravedad de formas que son modificadas 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 llaman un acoplamiento mínimo, significa que, no importa la energía de una partícula en 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 materia de energía ultra alta, 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 cambiaba la distribución de materia y energía a medida que aumentaban o disminuían este efecto cuántico.

Al final, descubrieron que cuanto más fuerte era el efecto gravitacional modificado cuántico en afectar la materia, cuanto más rápido pasó el universo del frío, materia homogénea en la inflación a la mucho más caliente, diversas formas de materia que son características del Big Bang.

Al ajustar este efecto cuántico, podrían hacer que esta transición crucial se lleve a cabo en pliegues electrónicos de 2 a 3 ", "refiriéndose a la cantidad de tiempo que tarda el universo en triplicar (aproximadamente) su tamaño. En este caso, lograron simular la fase de recalentamiento en el tiempo que tarda el universo en triplicar su tamaño de dos a tres veces. En comparación, la inflación en sí tuvo lugar durante unos 60 pliegues electrónicos.

"Recalentar fue una locura, cuando todo se volvió loco, "Dice Kaiser." Demostramos que la materia estaba interactuando con tanta fuerza en ese momento que también se podía relajar con la misma rapidez, maravillosamente preparando el escenario para el Big Bang. No sabíamos que ese era el caso pero eso es lo que surge de estas simulaciones, todo con física conocida. Eso es lo que nos emociona ".