Cinco grandes predicciones de la inflación espacial
Esto ya no es una teoría especulativa, ya que cuatro de ellos han sido confirmados.
Las ideas científicas deben ser simples, explicativas y predictivas. Y hasta donde sabemos hoy, el multiverso inflacionario no posee tales propiedades.
- Paul Steinhart, 2014
Pensando en el Big Bang, imaginamos el punto de partida del Universo: un estado caliente, denso y en expansión del cual surgió todo. Habiendo notado y medido la expansión actual del Universo: las galaxias se dispersan entre sí, no solo podemos determinar el destino del Universo, sino también su comienzo.
Pero este estado cálido y denso solo está lleno de muchas preguntas, que incluyen:• ¿Por qué las regiones muy remotas y diferentes del cosmos que no podían intercambiar información desde el principio de los tiempos, están llenas de la misma densidad de materia y radiación de la misma temperatura?• ¿Por qué un universo que se recolocó si hubiera más sustancia en él, o se expandiera a un estado de inexistencia, si hubiera menos sustancia en él, está tan perfectamente equilibrado?• ¿Y dónde, si el Universo solía estar en un estado muy cálido y denso, todas estas partículas de reliquia de alta energía (como los monopolos magnéticos) que en teoría deberían ser fáciles de detectar hoy en día?Las respuestas a las preguntas se encontraron a fines de 1979, principios de 1980, cuando Alan Gut presentó la teoría de la inflación cósmica.
Al aceptar que el Big Bang fue precedido por un estado en el que el Universo no estaba lleno de materia y radiación, sino solo con una gran cantidad de energía inherente al cosmos mismo, Gut logró resolver todos estos problemas. Además, en 1980 tuvieron lugar otros desarrollos que permitieron encontrar nuevas clases de modelos que ayudan a los modelos inflacionarios a reproducir el Universo de hoy:• lleno de materia y radiación,• isotrópico (lo mismo en todas las direcciones),• homogéneo (lo mismo en todos los puntos),• caliente, denso y en expansión en el estado inicial.Tales modelos fueron desarrollados por Andrey Linde, Paul Steinhart, Andy Albrecht, y Henry Tye, Bruce Allen, Alexey Starobinsky, Michael Turner, David Schramm, Rocky Kolb y otros trabajaron en detalles adicionales.
Encontramos algo notable: dos clases generalizadas de modelos nos dieron todo lo que necesitábamos. Hubo una nueva inflación, con el potencial plano en la parte superior, desde el cual el campo de inflación podría "deslizarse lentamente" hacia el fondo, y hubo una inflación caótica con un potencial en forma de U, desde el cual también podría rodar lentamente.En ambos casos, el espacio se expandió exponencialmente, se enderezó, sus propiedades eran las mismas en todas partes, y cuando la inflación llegó a su fin, usted regresó a un universo muy similar al nuestro. Además, recibió cinco predicciones adicionales, observaciones en las que en ese momento aún no estaba.
1) Universo plano. A principios de la década de 1980, completamos un estudio de galaxias, cúmulos galácticos y comenzamos a comprender la estructura a gran escala del universo. Con base en lo que vimos, pudimos medir dos indicadores:• La densidad crítica del Universo, es decir, la densidad de la materia, necesaria para el equilibrio perfecto del Universo entre el recaída y la expansión eterna.• La densidad real de la materia en el Universo, no solo la materia luminosa, el gas, el polvo y el plasma, sino todas las fuentes, incluida la materia oscura, que ejerce un efecto gravitacional.Descubrimos que el segundo indicador oscilaba entre el 10% y el 35% del primero, según la fuente de datos. En otras palabras, la materia en el Universo era mucho menor que la cantidad crítica, lo que significa que el Universo está abierto.Pero la inflación predijo un universo plano. Ella toma el Universo de cualquier forma y lo estira a un estado plano, o al menos a un estado indistinguible de uno plano. Mucha gente trató de construir modelos de inflación que le dieron al universo una curvatura negativa (abierta), pero no tuvieron éxito.
Con el advenimiento de la era de la energía oscura como resultado de la observación de supernova en 1998, seguida de la recopilación de datos en el proyecto WMAP, lanzado por primera vez en 2003 (y los datos del proyecto Boomerang, lanzado un poco antes), llegamos a la conclusión de que el Universo es realmente plano , y la razón de la baja densidad de la materia fue la presencia de esta nueva e inesperada forma de energía.
2) Un universo con fluctuaciones en una escala mayor que la luz puede superar. La inflación, que hace que el espacio del universo se expanda exponencialmente, infla lo que está sucediendo en escalas muy pequeñas, a muy grandes. El Universo de hoy tiene su incertidumbre inherente a nivel cuántico, pequeñas fluctuaciones en la energía debido al principio de incertidumbre de Heisenberg.Pero durante la inflación, se suponía que estas fluctuaciones de energía a pequeña escala se extenderían por todo el universo a escalas macroscópicas gigantescas, ¡extendiéndose a lo largo de toda su longitud! (En general, y aún más, ya que no podemos observar nada que se encuentre fuera del Universo observable).
Pero al observar las fluctuaciones del CMB a gran escala, lo que el proyecto COBE pudo hacer hasta cierto punto en 1992, encontramos estas fluctuaciones. Y con los mejores resultados de WMAP, pudimos medir su magnitud y ver que son consistentes con los pronósticos de inflación.
3) Un universo con fluctuaciones adiabáticas, es decir, con entropía universalmente idéntica. Las fluctuaciones pueden ser diferentes: adiabático, curvatura constante o una mezcla de ambos tipos. La inflación predijo fluctuaciones adiabáticas del 100%, lo que significaba la presencia de parámetros CMB bien definidos que podían medirse en WMAP, y estructuras a gran escala medidas en proyectos 2dF y SDSS. Si la radiación relicta y las fluctuaciones a gran escala están relacionadas entre sí, son adiabáticas y, de lo contrario, pueden tener una curvatura constante. Si el Universo tuviera un conjunto diferente de fluctuaciones, ¡no lo habríamos sabido hasta el año 2000!
Pero este punto se dio por sentado, gracias al resto del éxito de la teoría de la inflación, que su confirmación pasó casi desapercibida. Fue solo una confirmación de lo que ya "sabemos", aunque en realidad fue tan revolucionario como todos los demás.
4) Un universo en el que el espectro de fluctuación era ligeramente más pequeño que el del invariante de escala (n s <1). Esta es una predicción seria! Por supuesto, la inflación, en general, predice que las fluctuaciones deberían ser invariantes de escala. Pero hay una trampa, o una aclaración: la forma de los potenciales inflacionarios afecta la forma en que el espectro de fluctuaciones difiere de la invariancia de escala ideal.Los modelos de trabajo descubiertos en la década de 1980 predijeron que el espectro de fluctuación (índice espectral escalar, n s) debe ser ligeramente inferior a 1, entre 0,92 y 0,98, según el modelo utilizado.
Cuando recibimos los datos de observación, encontramos que la cantidad medida, n s , es aproximadamente 0,97, con un error (según las mediciones del CMB por el proyecto BAO) de 0,012. Primero se notaron en WMAP, y esta observación no solo se confirmó, sino que también fue reforzada con el tiempo por otros. De hecho, es menos que la unidad, y solo la inflación hizo esta predicción.
5) Y finalmente, el Universo con cierto espectro de fluctuaciones de ondas gravitacionales. Esta es la última predicción, la única importante que aún no se ha confirmado. Algunos modelos, por ejemplo, el modelo de inflación caótica de Linde, producen ondas gravitacionales a gran escala (tales ondas deberían haber sido notadas por BICEP2), mientras que otros, como el modelo Albrecht-Steinhardt, pueden producir ondas gravitacionales muy pequeñas.
Sabemos qué tipo de espectro deberían tener y cómo estas ondas interactúan con las fluctuaciones en la polarización de la radiación CMB. La incertidumbre solo está en su fuerza, que puede ser demasiado pequeña para la observación, dependiendo de cuál de los modelos de inflación sea correcto.Piénselo la próxima vez que lea un artículo sobre la naturaleza especulativa de la teoría de la inflación, o sobre cómo uno de los fundadores de la teoría duda de su veracidad. Sí, la gente trata de encontrar agujeros en las mejores teorías y buscar alternativas; nosotros, los científicos, estamos haciendo esto.
Pero la inflación no es una especie de monstruo teórico, divorciado de las observaciones. Ella hizo cinco nuevas predicciones, ¡cuatro de las cuales confirmamos! Es posible que haya predicho cosas que aún no sabemos cómo verificar, como el multiverso, pero que no le roban sus éxitos.La teoría de la inflación cósmica ya no es especulativa. Gracias a las observaciones de radiación relicta y las estructuras a gran escala del Universo, pudimos confirmar sus predicciones. Este es el primero de todos los eventos que sucedieron en nuestro universo. La inflación cósmica ocurrió antes del Big Bang y preparó todo para su aparición. ¡Y quizás aún podamos aprender mucho gracias a ella!Source: https://habr.com/ru/post/es399505/
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