Big bang caliente
Hot Big Bang: este es el período de desarrollo del Universo, en las últimas etapas en que vivimos. Durante este período, la parte observada del Universo era inicialmente densa y caliente, y luego comenzó a expandirse y enfriarse. La expansión se ha ralentizado hasta hace poco. No se confunda: el Hot Big Bang casi seguramente no comenzó en los primeros momentos de la vida del universo.
Algunas personas llaman al Hot Big Bang (HBV) simplemente el "Big Bang". Otros, hablando del Big Bang, también implican un tiempo anterior. Los problemas de terminología se describirán en el próximo artículo sobre inflación.
¿Qué tan caliente estaba el VHB en el estado más caliente antes de que comenzara a enfriarse, y cómo comenzó?
Seguramente esto aún no lo sabemos. El VHB podría comenzar cuando el universo se calentara al final del período de inflación. En este caso, el calor del VHB provino de la energía oscura que alimentó la inflación, y la temperatura máxima del VHB depende de la cantidad de energía oscura disponible.
La temperatura puede ser:
- tan grande como un gran porcentaje de la temperatura de Planck (y luego el Universo estaba tan caliente que podría crear agujeros negros simplemente debido a la temperatura), y
- tan bajo como la temperatura correspondiente a la energía del Gran Colisionador de Hadrones (y entonces difícilmente sería suficiente para crear partículas de Higgs).
Y probablemente no debajo de esta marca.
A veces, la temperatura máxima del VHB se denomina "temperatura de recalentamiento", pero la palabra "re" puede provocar malentendidos. La gente asumió que el Universo estaba caliente tanto antes como después de la inflación, de ahí el "recalentamiento", y puede encontrar muchos sitios, libros, videos e imágenes que demuestran la misma suposición, pero no se basa en nada.
¿Qué pasó después?
Estamos bastante seguros de que conocemos los principales hitos y muchos detalles de lo que sucedió en los próximos 13.700 millones de años. El universo se expandió gradualmente (el espacio se hizo más grande), y en consecuencia se enfrió y se volvió más vacío. En comparación con un evento tan sorprendente como la inflación, el período posterior fue relativamente aburrido, aunque se alcanzaron hitos bastante importantes en el camino.
Unos minutos después del inicio del VHB:
- El campo de Higgs se activó (es decir, su valor promedio se volvió distinto de cero), lo que aseguró que muchas de las partículas que antes no tenían masa, incluidos los quarks y los electrones encontrados en la materia ordinaria, recibían masa. Desde entonces, el valor del campo de Higgs se ha mantenido constante, al menos en la parte observable del Universo.
- Quarks, antiquarks y gluones que vuelan libremente se unieron para formar hadrones, incluidos protones y neutrones.
- El primer núcleo atómico, diferente del hidrógeno, se formó, como resultado de lo cual apareció bastante helio y un poco de deuterio (hidrógeno pesado), así como litio, en el Universo. Más tarde se convirtieron en los ingredientes para las primeras estrellas.
380,000 años después, todo se enfrió lo suficiente como para que se formaran los primeros átomos, y desde ese momento, el Universo se ha convertido en su mayor parte en un lugar transparente, como lo vemos hoy. La luz, que luego tuvo la oportunidad de moverse libremente alrededor del Universo, nos da "radiación relicta".
Unos cien millones de años después, las primeras galaxias comenzaron a formarse y las primeras estrellas se iluminaron. El marco de tiempo exacto aún no se ha establecido mediante mediciones, pero están tratando de hacerlo.
Ahora vivimos unos 13.700 millones de años después del inicio del VHB. Tenga en cuenta que no escribí sobre la "edad del Universo", o que comenzó hace 13.700 millones de años. Esto no lo sabemos exactamente. Solo sabemos que la violencia de género comenzó hace 13.700 millones de años, pero no sabemos si este momento estuvo cerca del comienzo de todo el Universo.
Inflación
La era de la inflación fue probablemente un período muy corto, pero ciertamente colorido en el que el espacio dentro de la parte del Universo, incluida nuestra parte visible (la que podemos ver hoy), se expandió rápidamente a una velocidad absolutamente increíble. La velocidad de expansión fue tan rápida que parecía una locura. Y lo único que evita que esta idea se vuelva loca es que la teoría de la inflación produce predicciones que hasta ahora son consistentes con nuestras mediciones de espacio (incluidas las realizadas por el proyecto
BICEP2 ). Esto no significa que sea cierto, pero sí significa que:
- Hay buenas razones para creer que puede ser cierto, y
- hoy nadie puede probar que está mal.
Una vez más: espacio expandido. No importaba el espacio: el espacio se hizo mucho más grande. No
parecía una explosión en absoluto .
¿Qué tan loca fue la velocidad de expansión? Una sección del Universo del tamaño de la pantalla de su computadora se ha expandido al tamaño de la parte del Universo observada hoy, o incluso más, en un tiempo más corto de lo que un quark necesita ir de un lado del protón al otro. Ni siquiera intentaré inundarte de números, en parte porque no sabemos realmente cuánto duró la inflación, sino también porque los números indican tamaños demasiado grandes e intervalos de tiempo demasiado pequeños para que la gente los imagine. De hecho, se creó una gran parte del universo a partir de una pequeña parte casi al instante.
¿Cómo era el universo durante esta expansión? Vacío Extremadamente vacio. Mucho, mucho, mucho más vacío que el espacio hoy. Muy frio Muy oscuro Todo lo que podía estar presente en él antes del inicio de la inflación fue desgarrado y robado instantáneamente a grandes distancias. Advertencia: hay una trampa bastante importante y muy sutil con respecto a las declaraciones sobre el Universo vacío / oscuro / frío, y aún no sé cómo describirlo con mayor precisión. Sería más exacto decir que el Universo no solo estaba "extremadamente" vacío, sino que estaba "máximo" vacío, oscuro y frío, vacío de todo, excepto las fluctuaciones cuánticas.
Lo que sucedió antes de la inflación y cómo comenzó, no lo sabemos. Existen varias teorías razonables basadas en la ciencia, pero todas serán especulaciones hasta que alguien encuentre una forma de evaluarlas utilizando mediciones. El período "antes de la inflación" puede no existir en absoluto, ya sea porque la inflación está ocurriendo constantemente en algún lugar del Universo, o porque el tiempo no tendrá sentido si retrocede lo suficiente en el pasado, o por alguna otra razón. Pero en muchos contextos, apenas importa, ya que explicaré el uso de imágenes, respondiendo algunas de las preguntas frecuentes a lo largo del camino.
¿Qué causó la loca tasa de inflación?
La razón fue una gran cantidad de lo que a menudo se llama:
- "Energía oscura" (pero esto no es energía, es una cierta combinación de energía y presión negativa), o
- "Constante cosmológica" (error de Einstein [no]; afortunadamente, esto no es una constante, o el Universo experimentaría inflación para siempre), o
- "Estiramiento suave y oscuro" (que es cierto, pero suena incómodo y no explica nada).
En general, hay un poco de esta sustancia en el Universo, razón por la cual la tasa de expansión del Universo ha comenzado a aumentar en los últimos miles de millones de años. Pero, sospechamos que en algún momento por alguna razón fue mucho más grande. Debido a esto, el área que contiene nuestra parte del Universo se estaba expandiendo a un ritmo increíble, es decir, estaba sujeta a "inflación". Las Figuras 1, 2 y 3 contienen suposiciones sin fundamento y probablemente incorrectas de por qué comenzó la inflación, y en la fig. Los 4 detalles de estas conjeturas ya no tienen ningún significado.
Fig. 1: una conjetura completamente infundada sobre cómo podría haberse visto una sección del universo antes de que comenzara la inflación. Por alguna razón desconocida, el área gris contiene una gran cantidad de energía oscura. Dentro del área gris, dibujé algunos objetos, indicados por puntos verdes y rojos. Lo que está fuera de la región gris, no tengo idea, pero al final no importará.¿De dónde vino esta gran cantidad de energía oscura?
No lo sabemos Hay varios supuestos, algunos de los cuales han sido rechazados por datos recientes. Esperamos aprender más sobre este tema en la próxima década.
Fig. 2: la energía oscura hace que el área gris se expanda. Los objetos en el área gris (puntos verdes y rojos) se separan con la expansión del espacio que contiene energía oscura, que se vuelve cada vez más voluminosa, sin moverse más allá del área gris.¿Por qué la velocidad de expansión no disminuye si la expansión expande la energía oscura?
Es extraño y sorprendente que con la inflación del Universo y el crecimiento de su volumen, la cantidad de energía oscura en términos de un volumen unitario permanezca constante. Esto significa que la inflación irá, irá, irá, sin desacelerarse, hasta que algo haga desaparecer la energía oscura.
Fig. 3: dado que la energía oscura, a diferencia de los materiales convencionales, no se enrarece más a medida que el espacio se expande, y su densidad permanece constante, el área gris continúa expandiéndose. Para entonces, todos los puntos verdes y rojos, excepto uno, habían desaparecido de la vista. Cualquiera que sea la temperatura del área de expansión al principio, hace mucho frío (tan frío como lo permitan las condiciones).Los puntos verdes y rojos se alejan unos de otros con gran velocidad.
¿Significa esto una expansión increíble de que todas las cosas se alejan unas de otras a una velocidad superior a la velocidad de la luz, un límite de velocidad universal?
Si lo es.
¿Viola esto la teoría de la relatividad de Einstein?
No, no se rompe. La teoría de Einstein dice que si dos objetos se cruzan en un punto del espacio, entonces, para un observador que se mueve con uno de ellos, la velocidad medida del otro objeto nunca excederá la velocidad de la luz. Pero dos objetos en dos lugares diferentes pueden separarse el uno del otro más rápido que la velocidad de la luz si el espacio mismo se expande. Esto es exactamente lo que está sucediendo en el universo en expansión.
Fig. 4: la esencia de la era de la inflación. En este punto, la inflación ha extendido todos los objetos que existían en el área gris en la Fig. 1 (puntos rojos y verdes) a distancias extremadamente grandes entre sí. El área gris se expandió a un tamaño incomprensiblemente enorme, se volvió terriblemente vacía y fría. Y la expansión puede seguir y seguir en varias etapas. Las conjeturas iniciales que se muestran en la fig. 1 y la fig. 2, no tienen ninguna relación con las propiedades de esta sección del universo; si comenzamos una excelente suposición en la fig. 1 y 2, todavía obtendríamos la misma foto. 4)Pensé que el Big Bang estaba relacionado con un universo muy caliente. ¿Y ahora dices que tenía mucho frío?
Si lo es. Bueno, casi así. Ella es lo más fría posible; sin embargo, la presencia de fluctuaciones cuánticas introduce sus propias características. El universo se calentó después de la inflación (más sobre eso más adelante). Si hacía calor en algún momento antes de la inflación, la pregunta es puramente especulativa; No hay evidencia a favor o en contra. Pero durante la inflación, la temperatura cayó a una pequeña fracción de un grado por encima del cero absoluto.
Fig. 5: La expansión del sitio inflacionario se desacelera. El hecho de que con el tiempo se convierta en una parte observable de nuestro Universo ya es lo suficientemente grande como para dibujarlo, está indicado por una línea punteada roja.¿Por qué se detuvo la inflación?
No lo sabemos Existen, por supuesto, varios supuestos científicos, con ecuaciones, predicciones y formas de probarlos, al menos en parte. Quizás pronto aprendamos más sobre esto a través de la exploración continua del espacio.
¿Qué pasó cuando se detuvo la inflación?
La mejor suposición (y nuestras ecuaciones dicen que esto es posible, pero no da detalles): toda la energía oscura se ha convertido en partículas, incluidas aquellas de las que estamos compuestos, y en muchos otros tipos de partículas que conocemos y, posiblemente, en un montón de partículas sobre las cuales no sabemos nada. Y cuando esto sucedió, el Universo se volvió muy cálido y denso, y continúa expandiéndose, aunque mucho más lentamente.
Fig. 6: al final de la inflación, la energía oscura que llena la sección previamente expandida se convierte en la energía del movimiento y la energía de la masa de partículas que aparecen en grandes cantidades, lo que hace que el Universo se caliente mucho. Cuanta más energía oscura por unidad de volumen durante la inflación, más caliente puede volverse el Universo después de calentarse. Un área grande que se extiende mucho más allá de lo que se muestra, incluyendo lo que se convertirá en nuestra parte observable del Universo, está llena de una sopa de partículas densas, casi calientes, uniforme. A partir de este momento, el Universo se expande aún más, pero mucho más lentamente que durante la inflación, y se enfría gradualmente.Esa fue la fuente del Hot Big Bang. Algunas personas (incluyéndome a mí) simplemente dicen: este momento es el comienzo del Big Bang. Otros dicen que el Big Bang incluye el Hot Big Bang y la inflación, aunque es extraño: la inflación es más un silbido que una explosión. Algunos dicen que la inflación condujo a una explosión en el Big Bang, primero haciendo que el universo sea grande y en expansión, y luego lo hizo más cálido. Alguien más dice que el Big Bang incluye el Big Bang, la inflación y todo lo anterior. Pero esta es una declaración arriesgada: antes de la inflación podría haber algo que no merezca el término "explosión" (un evento enérgico, lleno de acontecimientos y repentino).
Dado que la terminología aún no se ha establecido, puede decidir por sí mismo cómo llamar exactamente el término "Big Bang". Solo es importante saber que tiene varias posibilidades, y que diferentes científicos y diferentes sitios pueden tener en mente diferentes conceptos, conocidos como el Big Bang.