Principios de cosmología.

                                 Cosmología 

Inicio de la cosmología.

Edwin Hubble demostró a comienzos del siglo XX que el universo estaba en constante expansión, ya que él, con su rústico telescopio observó que la galaxia Andrómeda presentaba un ligero corrimiento al  rojo en su espectro de luz, que sólo era explicable mediante la expansión del  universo. Rompiendo totalmente con la creencia de  la época, inspirada en  Newton, de que el universo era eterno e inmóvil, dando paso a  una  nueva era de la cosmología.

Friedman, durante los años de 1922-24 junto con Robertson y Walker, propusieron un modelo que era la solución exacta a las ecuaciones de campo de Einstein, en el cual se describía un universo en expansión, homogéneo  e  isótropo y se generaron  tres modelos de tipo estándar del universo. Tres años más  tarde se sumaría al Lemaitre grupo, proponiendo un universo en  expansión sin centro, con un principio en el tiempo y él fue el primero en derivar lo que hoy se conoce como la Ley  de  Hubble. Como  contraparte a la teoría de Lemaitre surge la teoría del universo estacionario.

Comienzos del universo.

Décadas más  tarde el físico Weinberg da una explicación detallada de los primeros tres minutos del universo, al comienzo de todo el universo estaría en una “sopa de partículas” a cien mil millones de  grados, siendo cuatro mil millones de veces más denso que el agua de la tierra y se expandía a grandes velocidades. Una décima de segundo  después la temperatura decayó a treinta mil millones de grados, la densidad era treinta mil veces la del agua en la tierra, también bajó el ritmo de expansión y se rompe el equilibrio entre neutrones y  protones. Cuando nuestro universo llevaba tan  solo  1,1 segundos se  enfrió hasta los diez mil millones  de  grados  y su  densidad era trescientas sesenta veces  la del  agua y había un 66% de protones.

  A los catorce segundos los fotones no producen  más  pares electrón-positrón por aniquilación quedando solo electrones, la temperatura decae hasta los tres mil millones de grados y se forman los primeros núcleos de deuterio, tritio y helio, aunque debido a  las  condiciones extremas, estos núcleos se destruyen instantáneamente.

  Por último a los tres minutos ,  la  temperatura sería de mil millones de grados,  los electrones y positrones quedan  eliminados, hay  más  fotones que neutrinos y se crea por primera vez los núcleos estables, mediante la núcleo génesis  predicha por el modelo estándar,  de Hidrógeno (75%) y Helio (25%).

  El fondo  cósmico de microondas (CMB: Cosmic microwave background) nos  muestra como los fotones que se mueven aleatoriamente sin  ninguna fuente discernible, es el residuo del “flash” del propio big bang. Esta radiación de fondo predicha por Gamow (1948) y observada accidentalmente por Penzias y  Wilson (1965) da conclusiones que la teoría  clásica no puede explicar, el primer problema se lo conoce como “El problema del horizonte” ya que el CMB nos muestra una distribución de  radiación extremadamente uniforme, es decir  que regiones alejadas del  universo que nunca estuvieron en contacto y por lo tanto en equilibrio térmico, tienen la misma temperatura. 

Modelo inflacionario.

  El modelo cosmológico inflacionario fue la primera propuesta hecha por el físico y cosmólogo estadounidense Alan Guth en 1981 e independientemente Andrei Linde y Andreas Albrecht junto con Paul Steinhardt​ le dieron su forma moderna.

  Así mismo, la teoría inflacionaria trata de resolver el denominado problema del horizonte, que consiste en comprender por qué, actualmente, la distribución de la materia y la radiación en el Universo es prácticamente homogénea en todas sus regiones, se observe desde donde se observe, no  obstante hay ciertas zonas no homogéneas (galaxias) que previamente al modelo inflacionario no se podían explicar, además de  que la curvatura del espaciotiempo tendría que haber sido trillones de veces menor (según el  modelo previo al inflacionario) en  el comienzo para poder explicar  la planitud actualmente observada.

  A pesar de que el modelo inflacionario no está demostrado hace predicciones experimentales considerables. Este modelo consiste en una expansión exponencial del tejido espaciotemporal, donde, en  el comienzo de los tiempos existió  el campo inflatón el cual en determinado  momento se excitó  en  un punto y generó una expansión  vertiginosa. En una fracción de segundo el universo se expandió al menos un quintillón de veces; hasta que se  relajó  el campo inflatón transfiriendo toda esa energía a  los demás campos, paar ser luego convertida en materia (big bang o recalentamiento).

  Al expandirse tan  rápidamente cualquier curvatura espacio temporal fue alisada completamente, a modo de analogía es el equivalente a inflar un  globo. No obstante debido a las fluctuaciones cuánticas  del campo inflatón se generaron irregularidades en  el espacio tiempo, que a pesar de ser muy pequeños, con la expansión ocurrida su tamaño pasaría a ser considerable, sirviendo como pozos gravitatorios para  la formación de futuras galaxias (problema del horizonte).

  La teoría inflacionaria, predice que el universo debe ser esencialmente plano, lo cual puede comprobarse experimentalmente, ya que la densidad de materia de un universo plano guarda relación directa con su velocidad de expansión.

  Además esta poderosa inflación, debió haber generado ondas gravitacionales que se propagan a través del espacio tiempo, que aunque increíblemente pequeñas, se pueden detectar mediante la alteración que  producen en la onda de luz del CMB.       

  Las interacciones gravitacionales, en este caso, sortean (pero no violan) ni la primera ni la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, mientras que hay un consenso de que esto soluciona el problema de las condiciones iniciales, algunos lo han disputado, ya que es mucho menos probable que el universo provenga de una fluctuación cuántica. Donald Page ha sido un crítico férreo de la inflación por esta anomalía. Acentuó que la flecha del tiempo termodinámica necesitaba condiciones iniciales de baja entropía, que podrían ser altamente probables. De acuerdo con ellos, más que resolver este problema, la teoría de la inflación la agrava más - el recalentamiento al final de la era de la inflación incrementa la entropía, haciéndola necesaria para que el estado inicial del Universo sea incluso más ordenado que en otras teorías del Big Bang sin fase de inflación.

Campo de Higgs.

  En las extremas condiciones que presenta el modelo inflacionario se teorizó la existencia del campo de Higgs, el cual explica el origen fundamental  de la masa de las partículas elementales, este campo tiene su propia partícula, la cual no tiene espín, carga eléctrica o color y además es muy  inestable. El campo de higgs impregna todo el espacio y todas las partículas al interactuar con él (mediante rozamiento) adquieren masa, mientras que las que no, como el fotón, no poseen masa alguna. Y aunque no hay nada cierto al  respecto, hay teorías que afirman que el campo escalar de Higgs es exactamente lo mismo  que el campo inflatón. 

  El campo de higgs es fundamental para entender la teoría de gran unificación, la cual nos dice que las 4 interacciones fundamentales del universo podrían haber formado parte de una sola ley fundamental extremadamente simétrica. Esta simetría sería visible sólo en un estado del universo con una temperatura como la que se habría dado en los primeros 10^-25 segundos posteriores al big bang y esta simetría se iría perdiendo lentamente y el universo iría cambiando de fase conforme se fuesen condensando ciertos campos de higgs. El primero, aún no demostrado experimentalmente, sería el Higgs de gran unificación, el cual necesitaría de una temperatura mayor a 10^28 Kelvins para no condensarse.

  Por otro lado se encuentra, ya demostrada experimentalmente, la teoría electrodébil propuesta por Steven Weinberg en la década del 60, nos dice que previo de la condensación del campo de Higgs electrodébil, a una temperatura de unos 10^14 Kelvins y 10^-12 segundos posterior al big bang, el campo electromagnético y el campo nuclear débil se funden en uno solo y se vuelven completamente indistinguibles uno de otro. Estos avances en la teoría de gran unificación se ven reflejados en lo que hoy es la teoría M, que proviene de la teoría de cuerdas y esta teoría nos da nuevos posibles avances en lo que es el modelo inflacionario. Un ejemplo de esto es el modelo cíclico que propusieron Turok y Steinhardt que básicamente es que nuestro universo sería una 3-brana unida por pequeñas bandas elásticas a otra 3-brana que podría considerarse como otro universo, estas 3-branas colisionan y rebotan generando un ciclo que implica que cada una de ellas impulsa la evolución cosmológica de la otra. la tremenda energía de la colisión deposita un cambio importante de alta radiación, energía y materia en cada brana que rebota y las propiedades detalladas de esta materia y radiación tienen un perfil casi idéntico al que se produce en el modelo inflacionario.

  Sin embargo, estos modelos inflacionarios se vienen abajo cuando se plantea lo que ocurre en el instante cero (en el caso del cíclico el momento exacto de colisión de las 3-branas)  así pues la cosmología sigue necesitando una solución rigurosa a su inicio singular.

Lecturas recomendadas: El tejido del cosmos -Brian Greene y La nueva mente del emperador -Roger Penrose.

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-Jordi Bustos