11/May/09

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El día en que el Universo estaba congelado

Imagine una época en la que todo el Universo estaba congelado. De acuerdo con un nuevo modelo de energía oscura, esto es esencialmente lo que sucedió hace aproximadamente 11.500 millones de años, cuando el Universo tenía un cuarto del tamaño actual

El modelo, publicado en la edición online del 6 de mayo de la revista Physical Review D, fue desarrollado por el investigador asociado Sourish Dutta y el Profesor de Física Robert Scherrer de la Universidad de Vanderbilt, trabajando junto al Profesor de Física Stephen Hsu y al estudiante graduado David Reeb, de la Universidad de Oregón.

Una transición de fase cosmológica —similar a la congelación— es uno de los aspectos distintivos de este último esfuerzo por tener en cuenta la energía oscura, la misteriosa fuerza negativa que los cosmólogos creen que forma más del 70 por ciento de toda la energía y materia del Universo, y que lo empuja separándolo con un ritmo cada vez más rápido.

Otra característica que distingue la nueva formulación es que hace una predicción comprobable respecto a la tasa de expansión del Universo. Las microexplosiones creadas por los mayores colisionadores de partículas deberían excitar el campo de energía oscura y estas excitaciones podrían aparecer como partículas subatómicas exóticas nunca antes vistas.

"Una de las cosas que es muy insatisfactoria sobre muchas de las explicaciones existentes para la energía oscura es que son difíciles de comprobar", dice Scherrer. "Diseñamos un modelo que puede interactuar con la materia normal y, por lo tanto, tienen consecuencias observables".

El modelo asocia la energía oscura con algo llamado energía del vacío, dado que un número de teorías existentes propone que el propio espacio es la fuente de la energía repulsiva que separa al Universo. Durante muchos años los científicos pensaron que la energía del espacio vacío promediaba cero. Pero el descubrimiento de la mecánica cuántica cambió esta visión. De acuerdo con la teoría cuántica, el espacio vacío está repleto de pares de partículas "virtuales" que aparecen y desaparecen espontáneamente, cobrando existencia demasiado rápido para poder detectarlas.

Esta actividad subatómica es una fuente lógica de energía oscura debido a que ambas se esparcen de manera uniforme a través del espacio. Esta distribución es consistente con las pruebas que la densidad media de la energía oscura ha permanecido constante a medida que el Universo se expandió. Esta característica está en contraste directo con la materia y la energía común, que se diluyen cada vez más a medida que el Universo se infla.

La teoría es una de las que atribuyen un campo completamente nuevo conocido como quintaesencia. La quintaesencia es comparable a otro de los campos básicos como la gravedad y el electromagnetismo, pero tiene algunas propiedades únicas. Por un lado, tiene la misma fuerza en todo el Universo y, por otro, actúa como un agente antigravitatorio, provocando que los objetos se muevan alejándose unos de otros en lugar de acercarlos, como la gravedad.

En su forma más simple, la fuerza del campo de quintaesencia permanece constante con el tiempo. En este caso desempeña el papel de la constante cosmológica, un término que Albert Einstein añadió a la teoría de la relatividad general para evitar que el Universo se contrajera bajo la fuerza de la gravedad. Cuando llegaron las pruebas de que el Universo se expandía, Einstein eliminó el término, dado que un Universo en expansión es una solución a las ecuaciones de la relatividad general. Entonces, a finales de la década de 1990, los estudios de las supernovas (espectaculares explosiones estelares tan potentes que pueden superar brevemente al brillo de galaxias enteras, que constan de millones de estrellas) indicaron que el Universo no sólo se expande sino que la tasa de expansión se está acelerando en lugar de frenarse, como habían esperado los científicos.

Eso arrojó a los cosmólogos a una paradoja, dado que pensaban que la gravedad era la única fuerza de largo alcance que actuaba entre los objetos astronómicos, por lo que no tenían idea de qué podría estar separando al Universo. La forma más simple de tener en cuenta este extravagante fenómeno era volver a traer la constante cosmológica de Einstein con sus propiedades de antigravedad. Por desgracia, esta explicación sufre algunos duros reveses, por lo que los físicos han estado buscando activamente otros agentes de antigravedad.

Estos agentes de antigravedad (conocidos como "modelos de energía oscura" en la literatura científica) normalmente invocan la quintaesencia o campos aún más exóticos. Como ninguno de estos campos ha sido detectado en la naturaleza, sus proponentes generalmente asumen que no interactúan significativamente con la materia y la radiación común.

Una de las consecuencias de permitir que la quintaesencia interactúe con la materia común es la probabilidad de que el campo pasara por una transición de fase —congelación— cuando el Universo se enfrió a una temperatura que alcanzó 2.200 millones de años tras el Big Bang. Como resultado, la densidad de energía del campo de quintaesencia habría permanecido a un nivel relativamente alto hasta la transición de fase, cuando cayó abruptamente a un nivel significativamente más bajo, donde ha permanecido desde entonces.

Esta transición habría liberado una fracción de la energía contenida en el campo en forma de radiación oscura. De acuerdo con el modelo, esta radiación oscura es muy diferente a la luz, ondas de radio, microondas y otros tipos de radiación ordinaria: Es completamente indetectable por algún instrumento conocido por el Hombre. No obstante, la naturaleza proporciona un método de detección. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad se produce por la distribución de energía y momento. Por lo que los cambios en la energía y momento netos causados por la súbita introducción de la radiación oscura habrían afectado al campo gravitatorio del Universo de una forma que ha frenado la expansión de un modo característico.

En los próximos 10 años o más, los grandes estudios astronómicos que están empezando a describir la expansión del Universo midiendo el brillo de las supernovas más lejanas deberían ser capaces de detectar el frenado en la tasa de expansión que predice el modelo. Al mismo tiempo, los nuevos aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones que se acerca a su puesta en marcha en Suiza, pueden producir energías teóricamente lo bastante grandes para excitar el campo de quintaesencia y estas excitaciones podrían aparecer como partículas exóticas, dicen los investigadores.

Fuente: Cielosur. Aportado por Eduardo J. Carletti