Hay un parecido sobrenatural con el comienzo de nuestro Universo: el período de inflación cósmica y la determinación del destino final del Universo por la expansión acelerada de la materia oscura. Involuntariamente, comenzará a reflexionar sobre si están relacionados. Esta semana seleccioné una pregunta del lector de Andrew Gillette que preguntaba:
Si la inflación eterna es verdadera, ¿puede la energía oscura ser precursora de un retorno a este estado original?
Esto no solo es posible, la energía oscura no depende de la exactitud de la teoría de la inflación perpetua. Comencemos con la etapa que precedió al comienzo del Universo y preparó su ofensiva: con la inflación cósmica.
La temperatura del universo es la misma en todas partes, incluso en partes del cielo causalmente independientes.Cuando el Universo familiar, lleno de materia y radiación, comenzó a existir, algunas de sus propiedades iniciales eran bastante extrañas y, en principio, no tenían que ser así. Era espacialmente plano, en todas partes tenía la misma temperatura, no tenía reliquias de energías ultraaltas, y tenía una imagen muy específica de regiones de alta y baja densidad. Es posible que el Universo naciera con tales propiedades, pero la idea de la inflación cósmica es que si el Universo comenzó con un período de expansión exponencial, durante el cual el espacio tenía energía interna, y luego este período terminó, entonces el Big Bang habría resultado con esas propiedades. . Tomó muchos años calcular correctamente todas las consecuencias de esta idea, e incluso más tiempo para obtener su confirmación de los datos sobre las fluctuaciones del CMB. Pero ahora, la inflación cósmica es el primer proceso del que tenemos evidencia.
La inflación perpetua es una idea relacionada con la inflación basada en una propiedad que probablemente rara vez pensó. Por lo general, cualquier proceso transitorio natural, por ejemplo, una caldera con agua caliente que pasa del estado líquido al gaseoso, ocurre en varios lugares a la vez, y estos lugares se expanden y luego se fusionan. En el caso del agua hirviendo, llamamos a esto "percolación", la aparición de pequeñas burbujas debajo, uniéndose a lo largo del camino, y cuando llegan a la superficie, ya se vuelven grandes. Pero hay un problema con la inflación: aquellas regiones en las que la inflación no ha terminado continúan expandiéndose exponencialmente, lo que impide que las regiones donde terminó, "se filtren". En consecuencia, se suponía que nuestro Universo observable debía aparecer dentro de toda la burbuja en la que terminó la inflación, y no de varias burbujas fusionadas entre sí.
Pero en el extremo opuesto del espectro hay un hecho de aceleración de la expansión del Universo. La mejor explicación para esto, que corresponde a la realidad medida con la mayor precisión disponible para nosotros, es que la pequeña energía es inherente al espacio mismo: la llamamos energía oscura. Esta energía es omnipresente, está igualmente presente en todos los lugares y es extremadamente pequeña: si la transforma en masa a través de Einstein’s E = mc
2 , obtendrá el equivalente de un protón por metro cúbico. ¡Pero el espacio no solo es enorme, sino que también se está expandiendo! Entonces, con el tiempo, esta energía oscura se vuelve más importante y, como resultado, después de 8 mil millones de años, condujo a una aceleración de la expansión del Universo, y más tarde se convirtió en la energía dominante.
Estos dos períodos pueden parecer diferentes: inflación y expansión acelerada algún tiempo después del inicio. De hecho, el orden de las energías difiere en unas 10
120 veces, es decir, ¡extremadamente! Pero ambos lidian con la energía inherente al espacio mismo, ambos hacen que el tejido del cosmos se expanda exponencialmente y, con el tiempo, desde fracciones de segundo en el caso de la inflación hasta billones de años en el caso de la energía oscura, se llevarán todo lo que no esté conectado en una estructura integral. Hay tantos modelos que intentan combinar estos procesos, conocidos como quintaesencia.
Entonces, ¿cuáles son las posibilidades del universo para repetir el ciclo de su existencia? Hasta ahora, hay dos buenos candidatos.
1) Si la energía oscura es una constante cosmológica, puede llegar a ser energía residual del período de inflación a partir del cual comenzó todo. En este caso, no hay razón por la cual no pueda decaer a un estado de energía aún más bajo con el tiempo. Quizás esto dará lugar a una gran cantidad de partículas de masa extremadamente pequeña, como neutrinos, axiones o algo aún más exótico, que probablemente puedan unirse para formar sus análogos de estrellas, planetas o incluso personas en una escala de tiempo suficientemente grande. El hecho de que sea inaccesible para nosotros no significa que sea imposible, y este es uno de los destinos probables del Universo en grandes escalas de tiempo, incluso si lleva muchos años en el futuro.
2) La energía oscura puede no ser una constante cosmológica, pero puede aumentar su fuerza con el tiempo. En este caso, continuará creciendo, lo que conducirá a un escenario de "gran brecha" en el que cada estructura conectada del Universo eventualmente se romperá. Pero según
el guión de
Eric Gawiser , es posible que en el último momento, cuando el espacio mismo está a punto de estallar, ¡esta energía inherente al espacio, indistinguible de la inflación, haga la transición al Big Bang! El escenario de un Universo "restaurado" puede ser una realidad no solo para nuestro futuro lejano, sino también para nuestro pasado; por eso, el Universo puede ser mucho más antiguo de lo que parece, ¡y tal vez incluso infinitamente viejo!
Hasta ahora, la mejor evidencia disponible para nosotros indica que la energía oscura es una constante cosmológica, es decir. El escenario 2 no funciona. Si no hay un estado de energía más bajo, se excluye el primer escenario, pero hasta ahora no tenemos suficiente información para excluir ninguno de ellos. Si tuviera que elegir, diría que es más probable una transición a un nivel de energía más bajo, pero nuestros datos apoyan mejor la idea de la energía oscura como una constante cosmológica real. Pero hasta que esto se confirme definitivamente, ¡es necesario estar preparado para cualquier oportunidad!
Las
misiones EUCLID ,
WFIRST y
LSST nos ayudarán a medir la energía oscura con una precisión aún mayor, lo que debería proporcionar argumentos a favor o en contra de las dos posibilidades mencionadas, y los desarrollos en física teórica de alta energía nos pueden dar más información sobre la primera posibilidad. En cualquier caso, la respuesta a la pregunta de Andrew es que la energía oscura puede anunciar el regreso del caliente Big Bang después de un estado que se asemeja a la inflación, ¡pero eso no depende de la naturaleza eterna de la inflación misma!