Representación artística de la hipótesis del Big Bang Oscuro. Crédito de la imagen: Wallpapers.ai
Dos enigmas cósmicos intrigan a los científicos: la naturaleza precisa del origen del Universo y las características de la materia oscura. Una nueva hipótesis sugiere dos eventos diferentes del Big Bang: un Big Bang para la materia ordinaria y otro más retardado para la materia oscura, que provienen de una forma de energía diferente. Es probable que podamos confirmar o refutar esta hipótesis en unos años gracias a la tecnología actual.
Todo lo que existe en el universo surgió en el Big Bang. Eso era lo que pensábamos. La mayoría del universo, o incluso el 95%, está compuesto por materia y energía oscuras. Durante mucho tiempo se ha creído que la materia y la energía que podemos ver, así como la materia y energía oscuras, surgieron en el Big Bang. Sin embargo, esta suposición es incorrecta. Katherine Freese y Martin Winkler escriben que la materia oscura y la energía oscura tienen su propia historia de origen.
El universo oscuro
El universo tiene una mezcla extraña y asombrosa. Solo el 5% del contenido de nuestro Universo se compone de los objetos que experimentamos diariamente, como nuestros cuerpos, las sillas en las que nos sentamos, el aire que respiramos, la Tierra, el Sol, todas las estrellas y planetas, todos hechos de átomos. El lado oscuro es el 95% adicional, del cual la materia oscura representa el 25% y la energía oscura el 70% restante.
Casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea, están formadas por materia oscura. Las estrellas que identificamos como en la Vía Láctea son solo una pequeña parte de toda la Galaxia cuando miramos al cielo. En un plano llamado Disco, las estrellas están rodeadas por un enorme objeto esférico que contiene principalmente Materia Oscura. A pesar de que se descubrió por primera vez la presencia de Materia Oscura hace 90 años, en la década de 1930, su identidad sigue siendo un misterio hasta la fecha. Para explicarlo, se han sugerido nuevos tipos de partículas elementales, y los experimentos han estado buscando estas partículas durante décadas. Sin embargo, el problema sigue sin resolverse.
El Big Bang caliente
Según el paradigma estándar del Big Bang Caliente, toda la materia y la luz se crearon en un estado extremadamente denso y caliente hace aproximadamente 14 mil millones de años.
Todas las partículas estaban muy juntas y movían muy rápido. El Universo se expandió a medida que las partículas se alejaron y se ralentizaron. Algunos de ellas se convirtieron en la materia que forma las galaxias, mientras que otras permanecieron relativistas en la forma de los fotones del Fondo Cósmico de Microondas que todavía vemos hoy. Estos fotones proporcionan parte de la información más importante que tenemos sobre el Universo temprano, así como sus propiedades actuales.
La idea fundamental del Big Bang Caliente, sostiene que el Universo comenzó siendo caliente y denso y desde entonces se ha estado expandiendo y enfriando, no es solo una teoría; es correcta y demostrable, aunque incompleta.
¿Qué sucedió antes del colapso? La teoría de la «inflación». Es un concepto bien fundamentado que los teóricos de partículas han logrado desarrollar. El Universo estaba dominado por una energía del vacío en sus primeros momentos, que podemos considerar como pares de partículas de vida corta que aparecían y desaparecían. Este tipo de energía del vacío es algo que sabemos que es real.
Los experimentos realizados recientemente confirman la posibilidad de que las placas conductoras se atraigan entre sí mediante la energía del vacío entre ellas. La energía del vacío primitivo habría sido enorme e impulsó la expansión acelerada del universo naciente, extendiendo una pequeña parte del Universo hasta la parte lisa (observable) del Universo que vemos hoy. Sin embargo, el vacío debió «calentarse», es decir, transformarse en la materia y la luz que se puede observar en la actualidad. El Big Bang caliente es el resultado de ese proceso de recalentamiento.
En el paradigma estándar, ese recalentamiento condujo a todo el contenido del universo actual: la luz, la materia atómica ordinaria y la materia oscura. Al principio se creía que todas estas partículas se interaccionaban muy rápidamente, lo que resultó en un equilibrio térmico, es decir, un Universo con altas temperaturas que regulaban el comportamiento de todas las partículas.
Las partículas masivas y el paradigma estándar interactúan débilmente.
El paradigma estándar afirma que la luz, la materia ordinaria y las partículas de materia oscura se producen en el Big Bang caliente. Esta suposición se basa en la idea de que el mundo visible y el mundo oscuro están conectados. La fuerza fuerte, la fuerza electromagnética y la fuerza débil son las fuerzas fundamentales que interactúan con las partículas elementales conocidas que componen la materia visible. La gravedad no tiene importancia en el mundo microscópico de las partículas elementales, ya que solo se puede medir en objetos macroscópicos compuestos por millones de partículas.
Si bien la naturaleza inerte de la materia oscura descarta inmediatamente que sienta fuerzas fuertes o electromagnéticas, durante mucho tiempo se ha pensado que la materia oscura interactúa con la materia ordinaria a través de la fuerza débil. Curiosamente, el neutrino (una partícula conocida por las desintegraciones radiactivas) solo interactúa a través de la fuerza débil. Pero, desgraciadamente, los neutrinos son tan ligeros que no es fácil unirlos a estructuras astrofísicas. En consecuencia, la presencia de materia oscura de neutrinos podría poner en riesgo la formación de galaxias en el Universo temprano. Sin embargo, la formación de galaxias sería respaldada por un primo más pesado del neutrino, conocido como Partícula Masiva de Interacción Débil (WIMP), que con frecuencia se considera el principal candidato a la materia oscura. Si la materia visible y la materia oscura son fundamentalmente distintas y no comparten ninguna de las fuerzas que dan forma al mundo microscópico, ambas están sujetas a sus propias historias independientes.
Si la materia visible y la materia oscura son fundamentalmente distintas y no comparten ninguna de las fuerzas que dan forma al mundo microscópico, ambas están sujetas a sus propias historias independientes.
La perspectiva del descubrimiento de materia oscura en las últimas décadas, WIMP ha motivado investigaciones experimentales sin precedentes. Un grupo de físicos ha buscado el retroceso causado por la materia oscura que se dispersa en los núcleos atómicos en laboratorios subterráneos especializados, protegidos contra la radiación cósmica por kilómetros de roca. La velocidad de dichos retrocesos se puede predecir y comparar con los datos experimentales si la materia oscura está sujeta a una fuerza débil. Lamentablemente, ningún evento de dispersión de materia oscura se ha confirmado (un experimento italiano llamado DAMA ha afirmado haberlo detectado, pero debe ser verificado por otros detectores similares), a pesar de que se esperaban millones de eventos para la materia oscura típica de WIMP.
Sin embargo, las búsquedas continúan con una mayor precisión, un esfuerzo significativo debido a las variaciones de la materia oscura WIMP que producen una señal de retroceso suprimida. Por lo tanto, el descubrimiento de la materia oscura WIMP o similar a WIMP podría estar todavía a la vuelta de la esquina.
Dos grandes explosiones fuera del paradigma estándar: el Big Bang oscuro
Sin embargo, es posible que sea el momento de reconsiderar profundamente lo que podría ser la materia oscura. ¿Qué sucede si la materia oscura no es solo una versión más pesada de una partícula conocida y no tiene ninguna interacción con la materia normal excepto la gravedad? Incluso es posible que exista un área oscura llena de partículas nuevas y que estén influenciadas por nuevas «fuerzas oscuras». Dado que nuestro mundo visible está compuesto por muchas partículas y fuerzas, ¿por qué el mundo oscuro debería ser demasiado sencillo y tener solo una partícula?
Aunque estas especulaciones son evidentemente fascinantes, también plantean un problema inmediato: si la gravedad es la única fuerza que conecta la materia visible y la materia oscura, cualquier intento experimental para detectar directamente partículas de materia oscura será inútil. Debido a que aparentemente no daría lugar a ninguna predicción que pueda ser probada experimentalmente, esto se conoce entre los físicos como «Escenario de pesadilla». Sin embargo, de manera inesperada, la investigación más reciente provocó un cambio significativo en el paradigma al revelar una firma experimental impresionante previamente desconocida del escenario de pesadilla: el sonido del Big Bang Oscuro.
Las ondas gravitacionales del Big Bang Oscuro barren la galaxia, estirarían y contraerían el espacio entre el púlsar y la Tierra e inducirían pequeñas perturbaciones en el tiempo de llegada de las señales del púlsar.
Pero, ¿qué podría haber producido la materia oscura si no fuera el Big Bang Caliente? La posibilidad más plausible es que haya habido un segundo Big Bang, al que llamamos Big Bang Oscuro, que tuvo lugar poco después del Big Bang Caliente. Así como el Big Bang Caliente convirtió la energía del espacio vacío (la energía del vacío) en materia y radiación, el Big Bang Oscuro convirtió un segundo tipo de energía del vacío (el vacío oscuro) en materia oscura. Una nueva y emocionante idea para buscar materia oscura es buscar el Big Bang Oscuro.
El Big Bang Oscuro ocurre a través de lo que los físicos llaman una transición de fase. Los primeros estudios sobre el Big Bang Oscuro examinan la noción de que el Big Bang Oscuro surge en una transición de fase de «primer orden», que termina en la formación de burbujas de la fase de menor energía. Un ejemplo familiar de transición de fase de primer orden es la ebullición del agua. Durante este proceso se forman burbujas de gas dentro de la fase líquida y el agua se convierte gradualmente en vapor. El universo pasó de un estado de vacío más energético a un estado de vacío menos energético durante el Big Bang Oscuro. Como ocurre con el agua hirviendo, con la formación de burbujas que crecen y chocan hasta que se completa la transición de fase y el universo se llena con el nuevo vacío. Las colisiones de burbujas pueden ser consideradas como una gran explosión en la que se produce materia oscura. Esta explosión violenta genera ondas en el tejido del espacio-tiempo que se conocen como ondas gravitacionales.
Ondas gravitacionales.
La teoría general de la relatividad de Einstein sostiene que las ondas gravitacionales se expanden y contraen periódicamente cuando una onda gravitacional pasa por el espacio. Debido a su similitud con las ondas sonoras que vibran a través de un medio como el aire o el agua, se les llama con frecuencia el sonido o el eco de los procesos más violentos del universo, pero en el caso de las ondas gravitacionales, el medio es el espacio-tiempo mismo.
Se han construido experimentos interferómetros en la Tierra para medir las deformaciones más pequeñas del espacio-tiempo. Las ondas gravitacionales fueron detectadas por primera vez por el observatorio LIGO el 14 de septiembre de 2015.
Escuchando el sonido del Big Bang oscuro
Sin embargo, LIGO no puede encontrar las ondas gravitacionales del Big Bang Oscuro porque tienen una frecuencia demasiado baja. Se necesitaría de un detector del asombroso tamaño de 500 millones de kilómetros para poder observarlo. Aunque esto pueda parecer absurdo, la Vía Láctea, nuestra galaxia, es un detector que realmente existe. Una población de púlsares de milisegundos habita en nuestra galaxia de origen. Estas estrellas muertas, altamente magnetizadas y que giran rápidamente, son faros cósmicos que emiten ondas de radio que cruzan nuestra línea de visión con frecuencia.
Las ondas gravitacionales del Big Bang Oscuro que barren la galaxia estirarían y contraerían el espacio entre el púlsar y la Tierra e inducirían pequeñas perturbaciones en el tiempo de llegada de las señales del púlsar. Los experimentos dedicados a la sincronización de púlsares, como NANOGrav, utilizan radiotelescopios para estudiar tales perturbaciones en una red de púlsares de milisegundos. Curiosamente, el 29 de junio de 2023, los experimentos NANOGrav anunciaron la detección de una señal de onda gravitacional que es compatible con una transición de fase cósmica. Posiblemente escuchamos por primera vez el sonido del Big Bang Oscuro.
REFERENCIAS
Dark Matter and Gravity Waves from a Dark Big Bang: https://arxiv.org/abs/2302.11579
