El universo inflacionario

Artículo publicado el 25 de marzo de 2011 en Physical Review Focus

La idea de una expansión exponencial del universo en sus primeros momentos se publicó en 1981, en un artículo que importó nuevas ideas de la física de partículas a la cosmología teórica.

Hace 30 años, un informe en Physical Review Dtransformó por completo el pensamiento científico sobre el origen del universo. Las nuevas ideas procedentes de la física de partículas, según demostraba el artículo, implicaban que el universo podría haber pasado por una fase de expansión muy rápida durante las primeras fracciones de segundo de su existencia. El episodio inflacionario, como se conoce, podría explicar por qué nuestro universo ha llegado a tener la densidad y uniformidad observada. La inflación no sólo se convirtió en un principio básico de la teoría cosmológica; sino que también significó que cualquier teoría cósmica aspirante tenía que aprender física de partículas.

HUDF center NASA original


En la década de 1970, los teóricos de partículas empezaron a construir Grandes Teorías Unificadas (GUTs) que proponían que a temperaturas o energías de 1018 millones de electrón-volts, la fuerza electromagnética y las nucleares fuerte y débil eran idénticas. En los modelos estándar del Big Bang, el cosmos se iniciaba con una temperatura suficiente para lograr dicho estado de gran unificación. Luego, a la edad cósmica de 10-35 segundos, la fuerza nuclear fuerte se separaba de la compañía de la fuerza electrodébil, aún unificada. Una consecuencia indeseada de esta transición, según observaron los teóricos, era que crearía una abundancia de polos magnéticos norte y sur aislados, o monopolos – un fenómeno inconsistente con las observaciones cósmicas.

También aparecieron dos problemas aparentemente no relacionados en la cosmología en esa época El primero, el problema de la uniformidad: el universo se había expandido tan rápidamente, que no había tenido tiempo de que todas las regiones del universo observable actual igualaran sus temperaturas y densidades intercambiando materia y energía. ¿Por qué, entonces, el universo tiene un aspecto más o menos similar en todas partes?

El segundo misterio era que nuestro universo parece ser aproximadamente “plano” – en las escalas mayores, el espacio tiene muy poca o ninguna curvatura. Pero en los modelos cosmológicos estándar, cualquier universo que empiece con un poco de curvatura, positiva o negativa, diverge de la planitud conforme el universo se expande. Un universo que es casi plano tras más de 10 000 millones de años es tan difícil de ordenar como intentar mantener un lápiz equilibrado sobre su punta durante eones.

A finales de 1979, Alan Guth, entonces en el Stanford Linear Accelerator Center en California, se dio cuenta de que una solución al problema del monopolo, en el que había estado trabajando recientemente junto a un colega[1], podría también solucionar estos dos grandes misterios. La solución implicaba un ingrediente de las GUTs conocido como campo de Higgs, el cual se suponía que impregnaba todo el espacio. Conforme el universo se expandía y enfriaba, la fuerza nuclear fuerte se separaba del resto cuando el campo de Higgs cambiaba de un valor a otro. Para resolver el problema del monopolo, Guth y Henry Tye, ambos en la Universidad de Cornell el año anterior, supusieron que el campo de Higgs no cambiaba inmediatamente sino que quedaba fijo en un valor incorrecto durante algún tiempo. La situación era como tener una pelota atrapada en una depresión en la cima de una colina, evitando que ruede valle abajo. Una transición retardada del Higgs implicaba una menor producción de monopolos.

Guth empezó a preguntarse qué implicaría la transición retardada para la expansión cósmica. Cuando el campo del Higgs quedaba fijado en el valor incorrecto, se convertía en la energía predominante del universo, con la extraña propiedad de hacer que el universo se expandiera exponencialmente con el tiempo, en contraste a la expansión normal más lenta para un universo repleto de sólo materia y radiación.

La “inflación”, como Guth llama a esta expansión exponencial, resuelve el problema de la uniformidad debido a que toma una porción de los inicios del universo lo bastante pequeña para haber sido alisada por procesos internos, y la infla hasta formar la región mucho mayor que podemos ver hoy. También demostró que la inflación empuja al universo hacia la planitud perfecta conforme avanza.

En su artículo, Guth admitió un serio problema con este modelo. El campo de Higgs no completa su transición en cada región del espacio, dejando un universo no homogéneo que no es como el universo que vemos. Apenas un año después, sin embargo, se encontraron otras formas de ajustar la teoría y evitar este problema [2].

Rocky Kolb, ahora en la Universidad de Chicago, dice que en esa época unos pocos jóvenes físicos de partículas empezaban a interesarse en la cosmología, pero que para él, el problema del monopolo parecía más urgente que otros misterios cósmicos. “No teníamos ningún presentimiento de que [la inflación] se convertiría en la idea que resultó ser”. Pero ahora, dice, la inflación está por todos lados en la cosmología, y promete explicar mucho más, incluyendo el origen de las estructuras, tales como galaxias y cúmulos de galaxias.


Artículos de Referencia:

  1. A. H. Guth and S.-H. H. Tye, “Phase Transitions and Magnetic Monopole Production in the Very Early Universe,” Phys. Rev. Lett. 44, 631 (1980).
  2. Andreas Albrecht and Paul J. Steinhardt, “Cosmology for Grand Unified Theories with Radiatively Induced Symmetry Breaking,” Phys. Rev. Lett. 48, 1220 (1982); A. D. Linde, “A New Inflationary Universe Scenario: A Possible Solution of the Horizon, Flatness, Homogeneity, Isotropy, and Primordial Monopole Problems,” Phys. Lett. B 108 389 (1982).

Fecha Original: 25 de marzo de 2011
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Comments (3)

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