La época más temprana y trascendental de la historia del universo liberó una avalancha de ondas gravitacionales, pequeñas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo.

Ahora, una nueva investigación muestra cómo las detecciones futuras de estas ondas gravitacionales primordiales pueden revelar el funcionamiento interno de un proceso llamado recalentamiento, que puede ser el origen del Big Bang “real”.

Los astrónomos no están exactamente seguros de qué sucedió cuando el universo tenía menos de un segundo de edad, pero sí saben que fue algo lleno de acontecimientos.

Las observaciones cosmológicas han revelado que el universo es demasiado suave y uniforme en la mayor de las escalas, dada la imagen estándar del Big Bang y la edad conocida del universo. Las regiones distantes del universo tienen aproximadamente la misma temperatura a pesar de estar separadas por miles de millones de años luz. Simplemente no ha habido suficiente tiempo en la historia del cosmos para que esas regiones intercambien calor.

Para dar cuenta de estas observaciones, los cosmólogos sospechan que en un momento, hace mucho tiempo, esas regiones distantes del universo estaban mucho más juntas, lo que les permitía alcanzar una temperatura común antes de separarse. Para hacer el trabajo de “deshacerse”, los cosmólogos han teorizado un evento conocido como inflación.

Antes de la inflación, el universo era muy pequeño y las temperaturas y densidades estaban igualadas. Pero luego sucedió la inflación, lo que hizo que todo volara lejos de todo lo demás en un período muy breve de tiempo, lo que explica por qué partes muy distantes del universo se ven más o menos iguales.

La inflación ocurrió mucho antes de que el universo tuviera siquiera un segundo, y el evento duró menos de una mil millonésima de mil millonésima de mil millonésima de segundo. Pero en ese período de tiempo extraordinariamente breve, el universo se convirtió en miles de millones y miles de millones y miles de millones (y probablemente hay algunos miles de millones más allí) más grande de lo que había sido antes.

Los astrónomos han visto evidencia de inflación en el patrón particular de luz observado en el fondo cósmico de microondas, la radiación que quedó de cuando el universo tenía solo 380.000 años. Pero más allá de eso, los astrónomos no están seguros de qué provocó la inflación, qué la mantuvo en funcionamiento y qué la detuvo.

Un poco de calor

Uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna es lo que sucedió al final de la época inflacionaria. Verá, el proceso de inflación (sea lo que sea) es realmente bueno para suavizar las cosas, hacer las cosas grandes y enfriar todo. Entonces, poco después de que terminó la inflación, el universo era grande, frío y vacío, que definitivamente no son las condiciones que observamos en el universo temprano.

En cambio, poco después de la inflación, el universo se llenó de una sopa caliente y frenética de partículas. Los cosmólogos piensan que, para que eso suceda, todo lo que impulsó la inflación decayó, liberando energía y recalentando el universo (ahora mucho más grande) con una avalancha de partículas que conocemos y amamos hoy.

Sería completamente justo considerar este proceso de recalentamiento como el Big Bang “real”, el mecanismo por el cual un universo en expansión se llenó de partículas y radiación.

Observar este proceso de recalentamiento y la inflación en sí es increíblemente difícil. Eso es porque, cuando el universo tenía menos de 380.000 años, era un plasma y opaco. Simplemente no podemos ver más en el pasado que eso, al menos no con luz.

Sintiendo que la Tierra se mueve

Pero los procesos de inflación y recalentamiento no solo inundaron el universo con energía y radiación; también liberaron enormes cantidades de ondas gravitacionales. Las ondas gravitacionales son ondas en el tejido del espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. En este momento, las ondas gravitacionales te están inundando de una variedad de fuentes, incluida la fusión de agujeros negros, supernovas y todo tipo de otros fenómenos de alta energía y alta densidad en el cosmos.

También te inundan ahora mismo las ondas gravitacionales que quedan de la inflación y el recalentamiento. Estos procesos generaron tanta energía que fueron capaces de sacudir el espacio-tiempo en sí, y esas ondas gravitacionales, llamadas ondas gravitacionales “primordiales”, todavía están ondeando en el cosmos hoy.

Durante muchos años, los cosmólogos han estado investigando las posibles señales de ondas gravitacionales liberadas por la inflación. Pero una nueva investigación, que se publicó recientemente en la base de datos de preimpresión arXiv, examinó más de cerca el proceso de recalentamiento al final de la inflación. Los investigadores encontraron que diferentes modelos de recalentamiento conducían a firmas muy distintas y potencialmente detectables en las ondas gravitacionales primordiales.

Por ejemplo, no sabemos si el recalentamiento fue lento y suave o más abrupto. Estos dos escenarios hipotéticos conducen a firmas muy diferentes de ondas gravitacionales.

Estas ondas gravitacionales primordiales tienen una frecuencia demasiado baja para ser observadas con nuestros detectores actuales, como el Observatorio de ondas gravitacionales del interferómetro láser en los EE. UU. Y el interferómetro Virgo en Europa. Pero los futuros observatorios basados ​​en el espacio, como la Antena Espacial de Interferómetro Láser y el Observador Big Bang propuestos por la Agencia Espacial Europea, estarán diseñados específicamente para buscar ondas gravitacionales primordiales.

Ver estas ondas gravitacionales primordiales directamente proporcionaría una evidencia férrea del proceso de inflación y nos ayudaría a comprender la física que intervino en él. Y de acuerdo con el nuevo trabajo, también obtendremos pistas sobre el recalentamiento, el fin de la inflación y la física detallada que dio origen al universo tal como lo conocemos hoy.