Un equipo de científicos ha propuesto una nueva prueba poderosa para la inflación, la teoría de que el universo se expandió dramáticamente en tamaño en una fracción fugaz de segundo justo después del Big Bang. Su objetivo es dar una idea de una pregunta de larga data: ¿qué pasó antes del Big Bang?
Aunque la inflación cósmica es bien conocida por resolver algunos misterios importantes sobre la estructura y la evolución del universo, otras teorías muy diferentes también pueden explicar estos misterios. En algunas de estas teorías, el estado del universo que precede al Big Bang, el llamado universo primordial, se contraía en lugar de expandirse, y el Big Bang era, por lo tanto, parte de un Big Bounce.
Teoría de la Inflación y otras ideas
Para ayudar a decidir entre la inflación y estas otras ideas, el problema de la falsabilidad, es decir, si una teoría puede probarse para demostrar que es potencialmente falsa, ha surgido inevitablemente. Algunos investigadores, incluido Avi Loeb del Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) en Cambridge, Massachusetts, han expresado inquietudes acerca de la inflación, lo que sugiere que su capacidad de adaptación aparentemente infinita hace que sea casi imposible realizar una prueba adecuada.
Loeb dijo en un comunicado:
«La falsificabilidad debe ser un sello distintivo de cualquier teoría científica. La situación actual de la inflación es que es una idea tan flexible que no puede ser falsificada experimentalmente. 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 liderados por Xingang Chen de la 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 presenta un método que puede ser usado para falsificar experimentalmente la inflación. El estudio aparecerá en Physical Review Letters como una sugerencia de los editores.
Evolución del tamaño del universo
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.
Xianyu dijo en un comunicado:
«Por ejemplo, durante la inflación, el tamaño del universo crece exponencialmente. En algunas teorías alternativas, el tamaño del universo se contrae. Algunos lo hacen muy lentamente, mientras que otros lo hacen muy rápido. Los atributos que las personas han propuesto hasta ahora para medir por lo general tienen problemas para distinguir entre las diferentes teorías porque no están directamente relacionadas con la evolución del tamaño del universo primordial. Entonces, queríamos encontrar cuáles son los atributos observables que se pueden vincular directamente con 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. Dichas partículas deberían existir en cualquier teoría y sus posiciones deberían oscilar a alguna frecuencia regular, de manera muy similar al tictac del péndulo de un reloj.
El universo primordial no era del todo uniforme. Hubo 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 a la que se basan los físicos para aprender sobre lo que sucedió antes del Big Bang. Las señales 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.
Chen explicó:
«Si nos imaginamos toda la información que aprendimos hasta ahora sobre lo que sucedió antes de que el Big Bang esté en un rollo de cuadros de película, entonces el reloj estándar nos dice cómo se deben jugar estos cuadros. Sin información sobre el reloj, no sabemos si la película se debe reproducir 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 El problema radica en que el reloj estándar puso marcas de tiempo en cada uno de estos fotogramas cuando la película se filmó antes del Big Bang y nos dice cómo reproducirla».
El equipo calculó el aspecto de estas señales de reloj estándar en las teorías no inflacionarias y sugirió cómo se deben buscar en las observaciones astrofísicas.
Xianyu dijo:
«Si se encontrara un patrón de señales que representaran un universo en contratación , falsificaría toda la teoría inflacionaria».
El éxito de esta idea radica en la experimentación.
Chen dijo:
«Estas señales serán muy sutiles de detectar, por lo que tendremos que buscar en muchos lugares diferentes. La radiación cósmica de fondo de microondas es uno de esos lugares, y la distribución de galaxias es otro. Ya hemos comenzado a buscar estas señales y ya hay algunos candidatos interesantes, pero necesitamos más datos».
Se espera que muchos futuros estudios de galaxias, como el LSST líder en los EE.UU., el europeo Euclid y el proyecto recientemente aprobado por la NASA, SphereX, proporcionen datos de alta calidad que puedan usarse para alcanzar la meta.
El estudio científico ha sido publicado en arXiv.org. Un trabajo anterior relacionado se puede encontrar en este enlace.