¿Qué pasó antes del Big Bang?

Concepto del artista que muestra los patrones de señales generadas por relojes estándar primordiales en diferentes teorías del universo primordial. Arriba: Big Bounce. Abajo: inflación. Imagen vía CfA.

¿Podemos tener una idea de lo que existía antes de que nuestro universo comenzara? Algunas teorías sugieren que, antes del Big Bang, lo que existía era contraerse, en lugar de expandirse, como lo está hoy nuestro universo. Quizás lo que se estaba contrayendo era un universo anterior, por ejemplo. Si es así, lo que percibimos como un Big Bang fue en realidad parte de un Big Bounce. Pero una teoría popular de nuestro universo, llamada teoría de la inflación, no exige la idea de un universo que se haya contraído previamente.

Entonces, ¿qué pasaría si la teoría de la inflación pudiera demostrarse falsa? Si es así, la puerta se abriría a otras teorías, algunas de las cuales sugieren un estado de contracción antes de que nuestro universo comenzara. Si se pudiera demostrar que la teoría de la inflación es falsa, tendríamos algún potencial para investigar, a través de estas otras teorías, el universo antes del Big Bang.

Ahora, un equipo de científicos del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica (CfA) ha presentado un método que podría usarse para falsificar la inflación experimentalmente. El estudio aparecerá en la revista de física Physical Review Letters como una sugerencia de los editores.

Comencemos desde el principio aquí ... literalmente. La inflación es la teoría que habla de un momento inmediatamente posterior al Big Bang. Describe un universo que se expandió dramáticamente en tamaño por una fracción fugaz de un segundo. La teoría de la inflación resuelve algunos misterios importantes sobre la estructura y la evolución de nuestro universo. Pero, según los científicos de CfA, otras teorías muy diferentes, incluidas las que permiten un universo previamente contraído y un Big Bounce, también pueden explicar estos misterios. Estos científicos dijeron en un comunicado:

Para ayudar a decidir entre la inflación y estas otras ideas, ha surgido inevitablemente la cuestión de la falsabilidad, es decir, si una teoría puede probarse para demostrar que es falsa.

Algunos investigadores, incluido Avi Loeb de CfA, que forma parte del nuevo estudio, habían planteado previamente preocupaciones sobre la inflación, alegando que era difícil, si no imposible, falsificar. Loeb dijo:

La falsabilidad debe ser un sello distintivo de cualquier teoría científica. La situación actual de la inflación es que es una idea tan flexible que no se puede falsificar experimentalmente. No importa qué valor mida la gente para algún atributo observable, siempre hay algunos modelos de inflación que pueden explicarlo.

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, aplicaron una idea que llaman un reloj estándar primordial a las teorías no inflacionarias, y presentaron un método eso puede usarse para falsificar la inflación experimentalmente.

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:

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 generalmente tienen problemas para distinguir entre las diferentes teorías porque no están directamente relacionadas con la evolución del tamaño del universo primordial.

Por lo tanto, queríamos encontrar cuáles son los atributos observables que se pueden vincular directamente a esa propiedad definitoria.

Según estos científicos, las señales generadas por el reloj estándar primordial pueden servir para tal propósito. Ellos explicaron:

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 una frecuencia regular, muy similar al tictac del péndulo de un reloj.

El universo primordial no era completamente 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 en la que confían los físicos para aprender sobre lo que sucedió antes del Big Bang.

Los tics del reloj estándar generaban señales que se imprimían 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 dijo:

Si imaginamos toda la información que aprendimos hasta ahora sobre lo que sucedió antes de que el Big Bang esté en un rollo de fotogramas de película, entonces el reloj estándar nos dice cómo deben reproducirse estos fotogramas. Sin ninguna información de reloj, no sabemos si la película debe reproducirse 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 radica el problema. El reloj estándar puso marcas de tiempo en cada uno de estos cuadros cuando la película se filmó antes del Big Bang, y nos dice cómo reproducir la película.

El equipo calculó cómo deberían verse estas señales de reloj estándar en las teorías no inflacionarias, y sugirió cómo deberían buscarse en las observaciones astrofísicas. El coautor Xianyu dijo:

Si se encontrara un patrón de señales que representara un universo en contracción, falsificaría toda la teoría inflacionaria.

Chen agregó que el éxito de esta idea radica en la experimentación. Él dijo:

Estas señales serán muy sutiles de detectar, por lo que es posible que tengamos que buscar en muchos lugares diferentes. La radiación de fondo cósmico 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 ...

Como siempre, dijeron, se necesitan más datos de observación para confirmar estas ideas teóricas.

En pocas palabras: no sabemos lo que sucedió antes del Big Bang, pero algunas teorías cosmológicas sugieren una contracción previa. Quizás un universo anterior se estaba contrayendo. Desafortunadamente, la teoría cosmológica más popular de hoy, la teoría de la inflación, no requiere esta idea. Ahora los científicos de CfA han ideado una forma de falsificar la teoría de la inflación. Si se falsificara, la puerta estaría abierta a algunas de las otras teorías que insinúan una contracción previa al Big Bang.

Fuente: huellas digitales únicas de alternativas a la inflación en el espectro de poder primordial

Un trabajo anterior relacionado: Relojes estándar primordiales cuánticos

Vía CfA