Una gravedad más fuerte en el universo primitivo puede resolver un enigma cosmológico

La época inflacionaria que hizo que nuestro universo se expandiera rápidamente en sus primeros momentos puede estar conectada con la era moderna de la energía oscura, gracias a un componente fantasma del cosmos que cambia la fuerza de la gravedad a medida que el universo evoluciona, propone un físico en un nuevo papel.

El enfoque tradicional para comprender la gravedad implica la famosa teoría de la relatividad general de Einstein. Para una idea tan poderosa, que puede explicar todo, desde la órbita de la luna hasta la evolución de todo el universo, es un concepto bastante simple. En la relatividad general, solo hay espacio-tiempo y los contenidos dentro de él. Los contenidos del cosmos hacen que el espacio-tiempo se doble y se deforme, y la curvatura y la deformación del espacio-tiempo dictan cómo deben moverse los contenidos.

Por ejemplo, la presencia de un planeta distorsiona el espacio-tiempo a su alrededor, provocando que otros objetos lo sigan en órbitas, o las distorsiones causadas por una estrella pueden desviar la trayectoria de la luz que pasa.

Aunque la relatividad general es el enfoque más simple de la gravedad, no es el único. Una alternativa, conocida como teorías escalares-tensoriales, se remonta a principios de la década de 1960 y es obra de los físicos Robert Dicke y Carl Brans, por lo que a veces recibe el nombre de teoría de Brans-Dicke.

En las teorías de tensores escalares, además del espacio-tiempo y su contenido, hay un tercer ingrediente, conocido como campo escalar. El campo escalar absorbe todo el espacio-tiempo, y su único trabajo es cambiar la fuerza de la gravedad de un lugar a otro o de vez en cuando. En la relatividad general vainilla, la fuerza de la gravedad es fija; es solo la constante gravitacional de Newton, por siempre y para siempre. No importa dónde o cuándo estés en el universo, una determinada cantidad de masa y energía siempre distorsionará el espacio-tiempo exactamente de la misma manera.

Pero en las teorías escalares-tensoriales, eso puede cambiar. Un planeta en un lado del universo podría tener un impacto más débil o más fuerte en el espacio-tiempo que lo rodea, dependiendo del valor local del campo escalar. La fuerza de la gravedad también puede cambiar con el tiempo, si el propio campo escalar evoluciona.

Sintonizando el cosmos

Experimentalmente, las teorías de la relatividad general y del tensor escalar son equivalentes. La relatividad general ha superado todos los obstáculos experimentales que se le han presentado. Pero si tomas una teoría escalar-tensor y simplemente asumes que tu campo escalar tiene un valor constante igual a la constante de Newton, entonces también obtienes los mismos resultados. Pero debido a que la relatividad general es mucho más simple que las teorías escalares-tensoriales y no existe una forma conocida de diferenciarlas, los físicos prefieren la teoría clásica de Einstein.

Excepto que hay un pequeño problema: la energía oscura. Según las observaciones, la expansión del universo se está acelerando, pero a un ritmo muy suave. La única forma de explicar esto en la relatividad general es incluir una constante cosmológica, un valor adicional en las ecuaciones que tiene un valor increíblemente pequeño, pero no del todo cero. Esa característica de la constante cosmológica preocupa a la mayoría de los físicos porque parece increíblemente antinatural. Si la energía oscura tuviera casi cualquier otro valor, la expansión del cosmos habría desgarrado el cosmos hace mucho tiempo, dejándolo incapaz de albergar vida (incluido cualquiera que pudiera observarlo), y sin embargo tampoco es perfectamente cero.

«Agregar valores adicionales a las ecuaciones» ciertamente se parece mucho a las teorías escalares-tensoriales. Entonces, desde que los astrónomos descubrieron la energía oscura a fines de la década de 1990, los físicos han estado trabajando para ver si existe una forma potencial para que ese modelo de gravedad descartado durante mucho tiempo explique la expansión acelerada de manera más natural.

Curiosamente, la era actual no es la única en la que la expansión del universo se ha acelerado. Los cosmólogos creen que muy temprano en el Big Bang, el universo experimentó un período de expansión extremadamente rápida conocido como inflación. Quizás se pregunte si existe una conexión entre el período inicial de inflación y el período moderno de energía oscura, y no es el único.

Hilos gravitacionales

Ahora, Motohiko Yoshimura, físico del Instituto de Investigación de Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Okayama en Japón, ha propuesto que las teorías del tensor escalar proporcionan un vínculo directo entre la inflación y la energía oscura.

En este modelo, descrito en un artículo publicado en la base de datos de preimpresión arXiv , la parte del campo escalar de la teoría del tensor escalar (el «tensor» se refiere al propio espacio-tiempo) es mucho más fuerte en el universo primitivo, lo que desencadena la época. de inflación Al final de la inflación, el campo escalar se debilita y libera su energía en forma de todas las partículas del Modelo Estándar (como quarks y electrones).

Crucialmente, el campo escalar nunca desaparece. Mantiene cierta presencia de fondo a medida que el universo continúa evolucionando, formando estrellas y galaxias mientras tanto. Luego, después de que la expansión cósmica diluye toda la materia a un nivel lo suficientemente bajo, el campo escalar se activa nuevamente, pero a un nivel mucho más débil, dando lugar a la era actual de energía oscura.

Pero si bien es una historia intrigante, los astrónomos aún necesitan probar la hipótesis. Afortunadamente, este modelo produce muchas reliquias potencialmente observables del universo primitivo. Por ejemplo, en este escenario, la gravedad puede ser tan fuerte en lugares que los agujeros negros se formen espontáneamente y sobrevivan hasta el día de hoy. Encontrar evidencia de estos agujeros negros primordiales ayudaría a reforzar la idea.

Otro enfoque es buscar ondas gravitacionales del universo primitivo que quedan atrás cuando se realiza la inflación. Los astrónomos pueden buscar estas ondas gravitacionales directamente, tratando de detectarlas en el tenue zumbido de fondo del universo, o mediante su influencia en el llamado fondo cósmico de microondas.

Los físicos saben que la energía oscura y la inflación representan los límites actuales de nuestro conocimiento, y solo sugerencias radicales como esta, y los experimentos que las acompañan, nos ayudarán a superar ese límite.