Una segunda inflación pudo provocar reajustes en la cantidad de materia oscura. Fuente: Laboratorio Nacional Brookhaven.
La cosmología estándar, es decir, la teoría del Big Bang con su período inicial de crecimiento exponencial conocido como inflación, es el modelo científico que prevalece para nuestro universo, según el cual la totalidad del espacio y el tiempo se disparó desde un punto muy denso y caliente en un inmensidad homogénea en constante expansión. Esta teoría explica muchos de los fenómenos físicos que observamos. Pero ¿y si eso no es todo?
Una nueva teoría de físicos de Estados Unidos (del Laboratorio Nacional de Brookhaven -del Departamento de Energía-, el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, y de la Universidad Stony Brook), que se publicará en línea el 18 de enero en la revista Physical Review Letters, sugiere que hubo un período inflacionario secundario más corto, que podría dar cuenta de la cantidad de la materia oscura que se estima que existe en todo el cosmos.
"En general, una teoría fundamental de la naturaleza puede explicar ciertos fenómenos, pero no siempre termina estimando la cantidad correcta de materia oscura", dice Hooman Davoudiasl, líder del Grupo de Teoría sobre Altas Energías del Laboratorio Nacional de Brookhaven y uno de los autores del artículo. "Si obtiene muy poca materia oscura, puede sugerir otra fuente, pero tener demasiada es un problema."
La medición de la cantidad de materia oscura en el universo no es tarea fácil, explica el laboratorio en una nota de prensa. Es oscura, después de todo, por lo que no interactúa de manera significativa con la materia ordinaria. No obstante, los efectos gravitacionales de la materia oscura dan a los científicos una idea de cuánto hay ahí fuera.
Las mejores estimaciones indican que representa aproximadamente una cuarta parte del presupuesto de masa-energía del universo, mientras que la materia ordinaria -de la que están hechas las estrellas, nuestro planeta, y nosotros- comprende sólo el 5 por ciento. La materia oscura es la forma dominante de sustancia en el universo, lo que lleva a los físicos a elaborar teorías y experimentos para explorar sus propiedades y entender cómo se originó.
Algunas teorías que explican elegantemente rarezas desconcertantes de la física -por ejemplo, la debilidad excesiva de la gravedad en comparación con otras interacciones fundamentales como la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil- no pueden ser plenamente aceptadas porque predicen más materia oscura que lo que indican las observaciones empíricas.
Esta nueva teoría resuelve ese problema. Davoudiasl y sus colegas llevan un paso más lejos los eventos comúnmente aceptados sobre el inicio del espacio y el tiempo.
En la cosmología estándar, la expansión exponencial del universo llamada inflación cósmica comenzó quizás tan temprano como 10 elevado a -35 segundos después del principio de los tiempos, esto es, un punto decimal seguido de 34 ceros y un 1.
Esta expansión explosiva de la totalidad del espacio duró fracciones de una fracción de segundo, y acabó provocando un universo caliente, seguido de un período de enfriamiento que ha continuado hasta nuestros días. Entonces, cuando el universo tenía apenas unos segundos o minutos de edad -y estaba suficientemente frío- comenzó la formación de los elementos más ligeros. Entre esos hitos, pudo haber otros interludios inflacionarios, dice Davoudiasl.
"No habrían sido tan grandes o tan violentos como el inicial, pero podrían ser responsable de una dilución de la materia oscura", dice.
Una nueva teoría de físicos de Estados Unidos (del Laboratorio Nacional de Brookhaven -del Departamento de Energía-, el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, y de la Universidad Stony Brook), que se publicará en línea el 18 de enero en la revista Physical Review Letters, sugiere que hubo un período inflacionario secundario más corto, que podría dar cuenta de la cantidad de la materia oscura que se estima que existe en todo el cosmos.
"En general, una teoría fundamental de la naturaleza puede explicar ciertos fenómenos, pero no siempre termina estimando la cantidad correcta de materia oscura", dice Hooman Davoudiasl, líder del Grupo de Teoría sobre Altas Energías del Laboratorio Nacional de Brookhaven y uno de los autores del artículo. "Si obtiene muy poca materia oscura, puede sugerir otra fuente, pero tener demasiada es un problema."
La medición de la cantidad de materia oscura en el universo no es tarea fácil, explica el laboratorio en una nota de prensa. Es oscura, después de todo, por lo que no interactúa de manera significativa con la materia ordinaria. No obstante, los efectos gravitacionales de la materia oscura dan a los científicos una idea de cuánto hay ahí fuera.
Las mejores estimaciones indican que representa aproximadamente una cuarta parte del presupuesto de masa-energía del universo, mientras que la materia ordinaria -de la que están hechas las estrellas, nuestro planeta, y nosotros- comprende sólo el 5 por ciento. La materia oscura es la forma dominante de sustancia en el universo, lo que lleva a los físicos a elaborar teorías y experimentos para explorar sus propiedades y entender cómo se originó.
Algunas teorías que explican elegantemente rarezas desconcertantes de la física -por ejemplo, la debilidad excesiva de la gravedad en comparación con otras interacciones fundamentales como la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil- no pueden ser plenamente aceptadas porque predicen más materia oscura que lo que indican las observaciones empíricas.
Esta nueva teoría resuelve ese problema. Davoudiasl y sus colegas llevan un paso más lejos los eventos comúnmente aceptados sobre el inicio del espacio y el tiempo.
En la cosmología estándar, la expansión exponencial del universo llamada inflación cósmica comenzó quizás tan temprano como 10 elevado a -35 segundos después del principio de los tiempos, esto es, un punto decimal seguido de 34 ceros y un 1.
Esta expansión explosiva de la totalidad del espacio duró fracciones de una fracción de segundo, y acabó provocando un universo caliente, seguido de un período de enfriamiento que ha continuado hasta nuestros días. Entonces, cuando el universo tenía apenas unos segundos o minutos de edad -y estaba suficientemente frío- comenzó la formación de los elementos más ligeros. Entre esos hitos, pudo haber otros interludios inflacionarios, dice Davoudiasl.
"No habrían sido tan grandes o tan violentos como el inicial, pero podrían ser responsable de una dilución de la materia oscura", dice.
Proceso
En el principio, cuando las temperaturas alcanzaron miles de millones de grados en un volumen relativamente pequeño de espacio, las partículas de materia oscura pudieron chocar entre sí y aniquilarse al entrar en contacto, transfiriendo su energía a componentes estándar de la materia -partículas como los electrones y los quarks. Pero a medida que el universo continuó expandiéndose, las partículas de materia oscura frías se encontraron unas con otras con mucha menos frecuencia, y la tasa de aniquilación no pudo seguir el ritmo de la tasa de expansión.
"En este punto, la abundancia de la materia oscura es inevitable", dice Davoudiasl. "Recordemos que la materia oscura interactúa muy débilmente. Por lo tanto, una tasa de aniquilación significativa no puede persistir a temperaturas más bajas. La auto-aniquilación de materia oscura se vuelve ineficiente bastante pronto, y la cantidad de partículas de materia oscura se congela."
Sin embargo, cuanto más débiles son las interacciones de la materia oscura, es decir, menos eficiente es la aniquilación, mayor será la abundancia definitiva de partículas de materia oscura. Dado que los experimentos ponen restricciones cada vez más estrictas a la fuerza de las interacciones de la materia oscura, hay algunas teorías actuales que terminan sobreestimando la cantidad de materia oscura en el universo.
Para alinear la teoría con las observaciones, Davoudiasl y sus colegas sugieren que tuvo lugar otro período inflacionario, impulsado por interacciones en un "sector oculto" de la física. Este segundo periodo de inflación, más suave, caracterizado por un rápido aumento en el volumen, habría diluido la abundancia primordial de partículas, y pudo dejar el universo con la densidad de materia oscura que observamos hoy.
"Definitivamente no es la cosmología estándar, pero hay que aceptar que el universo puede no regirse de la manera estándar que pensábamos", dijo. "Pero nosotros no tuvimos que construir algo complicado. Mostramos como un modelo simple puede incluir este corto periodo de la inflación en el universo temprano y dar cuenta de la cantidad de materia oscura que creemos que hay."
Davoudiasl dice que podría haber una forma de buscar la más débil de las interacciones entre el sector oculto y la materia ordinaria.
"Si ocurrió este período inflacionario secundario, pudo caracterizarse por energías dentro del alcance de los experimentos de aceleradores como el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC, Brookhaven) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del CERN)", dice. Sólo el tiempo dirá si aparecen señales de un sector oculto en las colisiones dentro de estos colisionadores, o en otras instalaciones experimentales.
En el principio, cuando las temperaturas alcanzaron miles de millones de grados en un volumen relativamente pequeño de espacio, las partículas de materia oscura pudieron chocar entre sí y aniquilarse al entrar en contacto, transfiriendo su energía a componentes estándar de la materia -partículas como los electrones y los quarks. Pero a medida que el universo continuó expandiéndose, las partículas de materia oscura frías se encontraron unas con otras con mucha menos frecuencia, y la tasa de aniquilación no pudo seguir el ritmo de la tasa de expansión.
"En este punto, la abundancia de la materia oscura es inevitable", dice Davoudiasl. "Recordemos que la materia oscura interactúa muy débilmente. Por lo tanto, una tasa de aniquilación significativa no puede persistir a temperaturas más bajas. La auto-aniquilación de materia oscura se vuelve ineficiente bastante pronto, y la cantidad de partículas de materia oscura se congela."
Sin embargo, cuanto más débiles son las interacciones de la materia oscura, es decir, menos eficiente es la aniquilación, mayor será la abundancia definitiva de partículas de materia oscura. Dado que los experimentos ponen restricciones cada vez más estrictas a la fuerza de las interacciones de la materia oscura, hay algunas teorías actuales que terminan sobreestimando la cantidad de materia oscura en el universo.
Para alinear la teoría con las observaciones, Davoudiasl y sus colegas sugieren que tuvo lugar otro período inflacionario, impulsado por interacciones en un "sector oculto" de la física. Este segundo periodo de inflación, más suave, caracterizado por un rápido aumento en el volumen, habría diluido la abundancia primordial de partículas, y pudo dejar el universo con la densidad de materia oscura que observamos hoy.
"Definitivamente no es la cosmología estándar, pero hay que aceptar que el universo puede no regirse de la manera estándar que pensábamos", dijo. "Pero nosotros no tuvimos que construir algo complicado. Mostramos como un modelo simple puede incluir este corto periodo de la inflación en el universo temprano y dar cuenta de la cantidad de materia oscura que creemos que hay."
Davoudiasl dice que podría haber una forma de buscar la más débil de las interacciones entre el sector oculto y la materia ordinaria.
"Si ocurrió este período inflacionario secundario, pudo caracterizarse por energías dentro del alcance de los experimentos de aceleradores como el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC, Brookhaven) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, del CERN)", dice. Sólo el tiempo dirá si aparecen señales de un sector oculto en las colisiones dentro de estos colisionadores, o en otras instalaciones experimentales.
Referencia bibliográfica:
Hooman Davoudiasl, Dan Hooper y Samuel D. McDermott: Inflatable dark matter. Phys. Rev. Lett. (2016).
Hooman Davoudiasl, Dan Hooper y Samuel D. McDermott: Inflatable dark matter. Phys. Rev. Lett. (2016).