Si bien la teoría de la relatividad general de Einstein puede explicar una gran variedad de fascinantes fenómenos astrofísicos y cosmológicos, algunos aspectos de las propiedades del universo en las escalas más grandes siguen siendo un misterio. Un nuevo estudio que utiliza cosmología cuántica de bucles, una teoría que utiliza la mecánica cuántica para extender la física gravitacional más allá de la teoría de la relatividad general de Einstein, explica dos misterios principales. Si bien las diferencias en las teorías ocurren en la más pequeña de las escalas, mucho más pequeñas que incluso un protón, tienen consecuencias en la mayor de las escalas accesibles del universo. El estudio, que aparece en línea el 29 de julio en la revista Cartas de revisión física , también proporciona nuevas predicciones sobre el universo que las futuras misiones de satélites podrían probar.

Si bien una imagen ampliada del universo parece bastante uniforme, tiene una estructura a gran escala, por ejemplo, porque las galaxias y la materia oscura no se distribuyen uniformemente por todo el universo. El origen de esta estructura se remonta a las minúsculas inhomogeneidades observadas en el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), radiación que se emitió cuando el universo tenía 380 mil años de juventud y que todavía podemos ver hoy. Pero el propio CMB tiene tres características desconcertantes que se consideran anomalías porque son difíciles de explicar utilizando la física conocida.

"Aunque ver una de estas anomalías puede no ser tan notable estadísticamente, ver dos o más juntos sugiere que vivimos en un universo excepcional, "dijo Donghui Jeong, profesor asociado de astronomía y astrofísica en Penn State y autor del artículo. "Un estudio reciente en la revista Nature Astronomy propuso una explicación para una de estas anomalías que generó tantas preocupaciones adicionales, señalaron una "posible crisis en la cosmología". Usando cosmología de bucle cuántico, sin embargo, hemos resuelto dos de estas anomalías de forma natural, evitando esa posible crisis ".

Las investigaciones realizadas durante las últimas tres décadas han mejorado enormemente nuestra comprensión del universo temprano, incluyendo cómo se produjeron las inhomogeneidades en el CMB en primer lugar. Estas inhomogeneidades son el resultado de fluctuaciones cuánticas inevitables en el universo temprano. Durante una fase de expansión muy acelerada en épocas muy tempranas, conocida como inflación, estos valores primordiales, minúsculas fluctuaciones se estiraron bajo la influencia de la gravedad y sembraron las inhomogeneidades observadas en el CMB.

"Para comprender cómo surgieron las semillas primordiales, necesitamos una mirada más cercana al universo temprano, donde se derrumba la teoría de la relatividad general de Einstein, "dijo Abhay Ashtekar, Profesor Evan Pugh de Física, titular de la Cátedra de Física de la Familia Eberly, y director del Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "El paradigma inflacionario estándar basado en la relatividad general trata el espacio-tiempo como un continuo uniforme. Considere una camisa que parece una superficie bidimensional, pero en una inspección más cercana puede ver que está tejido por hilos unidimensionales densamente empaquetados. De este modo, el tejido del espacio-tiempo está realmente tejido por hilos cuánticos. Al dar cuenta de estos hilos, La cosmología cuántica de bucle nos permite ir más allá del continuo descrito por la relatividad general donde la física de Einstein se rompe, por ejemplo, más allá del Big Bang ".

La investigación previa de los investigadores sobre el universo temprano reemplazó la idea de una singularidad del Big Bang, donde el universo surgió de la nada, con el Big Bounce, donde el universo en expansión actual emergió de una masa supercomprimida que se creó cuando el universo se contrajo en su fase anterior. Descubrieron que todas las estructuras a gran escala del universo explicadas por la relatividad general se explican igualmente por la inflación después de este Big Bounce utilizando ecuaciones de cosmología cuántica de bucles.

En el nuevo estudio, los investigadores determinaron que la inflación bajo la cosmología cuántica de bucles también resuelve dos de las principales anomalías que aparecen bajo la relatividad general.

"Las fluctuaciones primordiales de las que estamos hablando ocurren a una escala de Planck increíblemente pequeña, "dijo Brajesh Gupt, investigador postdoctoral en Penn State en el momento de la investigación y actualmente en el Centro de Computación Avanzada de Texas de la Universidad de Texas en Austin. "Una longitud de Planck es aproximadamente 20 órdenes de magnitud menor que el radio de un protón. Pero las correcciones a la inflación en esta escala inimaginablemente pequeña explican simultáneamente dos de las anomalías en las escalas más grandes del universo, en un tango cósmico de lo muy pequeño y lo muy grande ".

Los investigadores también produjeron nuevas predicciones sobre un parámetro cosmológico fundamental y ondas gravitacionales primordiales que podrían probarse durante futuras misiones de satélites. incluyendo LiteBird y Cosmic Origins Explorer, lo que continuará mejorando nuestra comprensión del universo primitivo.