Así resolveremos el misterio de cómo era el universo en su infancia

Cuando comencé mi carrera en cosmología hace cuarenta años, mi primer mentor, Juan Bahcall, me dijo que el modelo cosmológico que describe el universo temprano es simple debido a la falta de datos.

Durante las últimas cuatro décadas, los cosmólogos recopilaron grandes cantidades de datos sobre las anisotropías de la radiación remanente del Big Bang, el fondo cósmico de microondas, lo que indica que el universo primitivo comenzó de manera simple. Estadísticamente, las condiciones iniciales se pueden resumir en una una sola hoja de papel.

Después de que Albert Einstein dedujera en noviembre de 1915 las ecuaciones que describen la evolución gravitacional del universo, se dio cuenta de que la solución más simple a estas ecuaciones es una distribución homogénea e isotrópica de materia y radiación. Homogeneidad significa que las densidades de la materia y la radiación son las mismas en todas partes. Isotropía significa que el universo parece tener las mismas propiedades en todas direcciones.

Esta sencilla solución cosmológica de las ecuaciones de Einstein fue obtenida por el matemático soviético Alejandro Friedmann hace un siglo, en 1922, e independientemente en 1927 por el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître, y en 1935-1937 por el físico estadounidense Howard Robertson y el matemático británico Arthur Geoffrey Walker. Esta solución es actualmente reconocida como el Modelo cosmológico de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW).

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La razón por la que este sencillo modelo se celebra hoy es porque describe los datos del universo en expansión con una precisión exquisita. A gran escala, el universo parece seguir el modelo simple FRLW, mientras que en pequeñas escalas las heterogeneidades crecen por su propia gravedad y colapsan para formar galaxias y cúmulos de galaxias. La formación de estructuras a partir de las heterogeneidades primordiales impresas en el fondo de microondas no es isotrópica. El colapso se produce primero a lo largo de un eje, formando una lámina, luego un segundo eje, formando un filamento y finalmente a lo largo del tercer eje, formando un objeto como nuestra galaxia, la Vía Láctea.

El éxito del modelo FLRW significa que el tiempo cósmico está bien definido y los relojes se pueden sincronizar con alta precisión en todo el universo observable. De hecho, el tiempo corre al mismo ritmo en todas partes, dentro de una parte entre cien mil. Por eso podemos aprender sobre nuestra propia historia estudiando galaxias lejanas con el telescopio webb. Lo que vemos a grandes distancias es cómo se veía el universo naciente cuando la luz de estas antiguas galaxias fue emitida hace mucho tiempo. Dado que el cosmos evolucionó estadísticamente de la misma manera en todas partes, esto nos educa sobre nuestra propia historia. Al mirar profundamente en el espacio, observamos las raíces cósmicas de la Vía Láctea, dentro de la cual se formó el Sol, dejando atrás los escombros que formaron la Tierra, en la que evolucionó la vida tal como la conocemos. La cosmología se parece de adentro hacia afuera a una excavación arqueológica esférica, en la que las capas más exteriores son las más antiguas. Al estudiar la luz que se emitió tempranamente desde lejos, podemos recrear la versión científica de la historia del génesis: “Hágase la luz.” Para más detalles, consulte mis libros de texto "¿Cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias?" y "Las primeras galaxias del universo", así como "La vida en el cosmos”.

Este resultado homogéneo e isotrópico del modelo FLRW es consistente con todos los datos de observación en la escala del horizonte del universo con una precisión de una parte entre cien mil.

En la primera clase de mi curso de cosmología en Harvard, a menudo pregunto a los estudiantes: "¿Qué constituiría un universo isotrópico pero no homogéneo?" La respuesta son cáscaras de cebolla esféricamente simétricas y de densidad variable centradas en nosotros. Esto requiere que estemos en el centro, violando el Principio copernicano que plantea que no ocupamos un lugar privilegiado.

Mi segunda pregunta a los estudiantes es: "¿Qué constituiría un universo homogéneo pero no isotrópico?" La respuesta implica una distribución uniforme de materia o radiación en un espacio-tiempo que se expande a diferentes velocidades en diferentes direcciones. Esto introduce direcciones preferidas en nuestro paisaje cósmico.

¿Nuestro universo comenzó siendo isotrópico? La respuesta no está clara. En colaboración con el brillante cosmólogo Mark Hertzberg de la Universidad de Tufts, resolvimos las ecuaciones de Einstein para la evolución de un universo anisotrópico con la composición conocida de radiación, materia y una constante cosmológica. Y demostramos que, de manera genérica, el nivel de anisotropía disminuye con el aumento del tiempo cósmico. Esto implica que incluso si la tasa de expansión cósmica fuera mucho más rápida a lo largo de un eje preferido desde el principio, de modo que el universo naciente pareciera una aguja justo después del Big Bang, la expansión llegaría a ser casi isótropa con una precisión exquisita en la actualidad. En otras palabras, los límites de isotropía establecidos por nuestros mejores datos actuales no pueden limitar el nivel de anisotropía global de la geometría de expansión en los primeros tiempos cósmicos.

Si pudiéramos detectar ondas gravitacionales en escalas diminutas (longitud de onda de centímetros), generadas en menos de un quectosegundo (diez elevado a -30 de segundo) después del Big Bang, entonces su anisotropía en el cielo podría habernos informado sobre el nivel de anisotropía que existía al principio, alrededor del Big Bang. Pero por ahora, sólo podemos detectar fluctuaciones del espacio-tiempo a escalas mucho mayores que entraron en el horizonte del universo cuando se parecía mucho al modelo FLRW. Por tanto, no podemos decir mucho sobre si el universo recién nacido se parecía a una aguja o a una esfera.

A pesar del enorme progreso en nuestra comprensión de la cosmología desde el comienzo de mi carrera, el casi isotrópico modelo FLRW para el universo temprano puede ser simple debido a la falta de datos. Allá vamos de nuevo, John.

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Avi Loeb es jefe del Proyecto Galileo, director fundador de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, director del Instituto para la Teoría y la Computación del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor del bestseller “Extraterrestrial: The First Sign of Intelligent Life Beyond Earth”.

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