Un “tango cósmico” brinda una nueva teoría sobre lo que hubo antes del universo

La teoría de la cosmología cuántica de bucles ha sido aprovechada para describir cómo pequeñas características primordiales explican las anomalías en las escalas más grandes del universo. 

La cosmología cuántica de bucles es una teoría que utiliza la mecánica cuántica para extender la física gravitacional más allá de las fronteras legadas por Einstein en la Relatividad General. 

Si bien las diferencias en las teorías ocurren en las escalas más pequeñas, mucho más pequeñas que incluso un protón, tienen consecuencias en las escalas más grandes accesibles del universo. El estudio, que aparece en Physical Review Letters, también proporciona nuevas predicciones sobre el universo que las futuras misiones satelitales podrían demostrar. 

Si bien una imagen alejada del universo parece bastante uniforme, tiene una estructura a gran escala, por ejemplo, porque las galaxias y la materia oscura no están distribuidas uniformemente en todo el universo. El origen de esta estructura se remonta a las pequeñas inhomogeneidades observadas en el Fondo de microondas cósmico (CMB), radiación que se emitió cuando el universo tenía 380.000 años de edad y que todavía podemos ver hoy. Pero el CMB en sí tiene tres características desconcertantes que se consideran anomalías porque son difíciles de explicar con la física conocida. 

"Si bien ver una de estas anomalías puede no ser tan estadísticamente notable, ver dos o más juntas sugiere que vivimos en un universo excepcional", dijo Donghui Jeong, profesor asociado de astronomía y astrofísica en la Universidad de Penn State y autor del artículo, publicado en Physical Review Letters. "Un estudio reciente en la revista Nature Astronomy propuso una explicación para una de estas anomalías que suscitó tantas preocupaciones adicionales que señalaron una 'posible crisis en la cosmología'. Sin embargo, utilizando la cosmología de bucle cuántico, hemos resuelto dos de estas anomalías de forma natural, evitando esa crisis potencial". 

La investigación en las últimas tres décadas ha mejorado enormemente nuestra comprensión del universo primitivo, incluida la forma en que se produjeron las inhomogeneidades en el CMB en primer lugar. Estas inhomogeneidades son el resultado de las fluctuaciones cuánticas inevitables en el universo primitivo. Durante una fase de expansión altamente acelerada en los primeros tiempos, conocida como inflación, estas fluctuaciones primordiales y minúsculas 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 primitivo, donde la teoría de la relatividad general de Einstein se desmorona", dijo en un comunicado Abhay Ashtekar, 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 suave. Considere una camisa que aparece como una superficie bidimensional, pero en una inspección más cercana puede ver que está tejida por hilos unidimensionales densamente empaquetados. De esta manera, la estructura del espacio-tiempo está realmente entretejida por hilos cuánticos. Al tener en cuenta estos hilos, la cosmología cuántica en 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 Big Bang, donde el universo surgió de la nada, con el Big Bounce, donde el universo en expansión actual surgió de una masa súper comprimida que se creó cuando el universo se contrajo de 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 bucle 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 increíblemente pequeña de Planck", 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 más pequeña que el radio de un protón. Pero las correcciones a la inflación a esta escala inimaginablemente pequeña explican simultáneamente dos de las anomalías en las escalas más grandes del universo, en un tango cósmico de muy pequeño y el muy grande". 

Los investigadores también produjeron nuevas predicciones sobre un parámetro cosmológico fundamental y ondas gravitacionales primordiales que podrían probarse durante futuras misiones por satélite, incluidos LiteBird y Cosmic Origins Explorer, que continuarán mejorando nuestra comprensión del universo primitivo.

(Con información de Europa Press)

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