Cómo era el universo antes del universo: del vacío cuántico a las galaxias

Hay una pregunta incómoda que podemos aventurarnos a explicar: ¿qué había antes del Big Bang? Aquí tomamos el camino más largo posible, desde las fluctuaciones cuánticas hasta las galaxias.

Algo sucedió antes, preparando el escenario para esa fase caliente que conocemos como el Big Bang. Los albores del cosmos, antes de que apareciera el universo conocido, pueden parecer poco interesantes: todas las regiones eran extremadamente similares, lo que llamamos homogeneidad. No hubo diferencias significativas entre los puntos cercanos y lejanos. Desde el punto de vista estadístico las variaciones fueron mínimas. Serenidad aparentemente absoluta. Pero ese comienzo estuvo lejos de ser trivial. De esa uniformidad casi perfecta surgieron cambios profundos.

Antes de la fase caliente (que llamamos Big Bang) algo debió haber sucedido para preparar el terreno y dejar al universo listo para desarrollarse como lo hizo después. La extremadamente rica distribución de materia que creó estrellas, galaxias, cúmulos, filamentos y vacíos. La cuestión central de la cosmología moderna puede formularse de la siguiente manera: ¿por qué este comienzo aparentemente simple ya contenía las semillas de toda la estructura posterior del universo?

Invierno cósmico

En el plasma primordial, la serenidad no era la reportada. Por tanto, si preguntamos a un cuanto si el vacío está vacío, responderá que no. Este plasma estaba compuesto de partículas que chocaban entre sí e interactuaban entre sí. La nada llena de acción. En aquel plasma eran frecuentes las transformaciones entre partículas, algo que es responsable de la interacción débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que cambia el sabor de las cosas.

Y el universo se estaba expandiendo. Cuanto más lo hacía, menos posibilidades tenían estas partículas de interactuar entre sí y la velocidad de las colisiones se aceleraba. Apenas un segundo después de que comenzara la expansión del universo, quedaron congelados. La feliz consecuencia de aquel invierno cósmico fue que los neutrinos se separaron del plasma y comenzaron a propagarse libremente. Estos neutrinos son ahora candidatos a guardar el secreto de por qué el universo está compuesto principalmente de materia y no de antimateria.

Mucho más tarde, unos 380.000 años después, los fotones se separaron y el plasma se volvió transparente. Los fotones comenzaron a viajar casi sin obstáculos. Son lo que hoy conocemos como radiación de fondo de microondas, un remanente del comienzo del universo visible. Así se creó la luz en el cosmos.

El Big Bang caliente describe con gran precisión esta etapa en la que el universo ya estaba lo suficientemente frío y diluido como para ser gobernado por la física bien conocida. Pero, como hemos visto, antes han sucedido pequeñas cosas grandes.

inflación

Esa etapa anterior fue un período de expansión acelerada del espacio-tiempo, que duró una fracción de segundo, y que llamamos inflación. No se trata de un accesorio que cumple una función decorativa, sino de un marco que hace comprensible el propio Big Bang caliente. La inflación explica no sólo la homogeneidad que se observa hoy en el universo, sino también la geometría espacial casi plana y la existencia de pequeñas perturbaciones que pueden crecer por efecto de la gravedad.

Podemos pensar en la inflación como el efecto de un campo que llena todo el espacio, que se desarrolla lentamente y pierde energía. La intensidad de su energía determina el ritmo de expansión del universo, más o menos acelerado. Pero hay más. La energía no sólo estira la sábana; También lo deforma, como creando ondas suaves e imperceptibles. Esa curvatura guía cómo se mueve y contrae la materia. La inflación no sólo hace crecer el universo, sino que también prepara el relieve que permitirá luego la formación de galaxias y estructuras cósmicas.

Lo hermoso de la inflación, o al menos lo sorprendente, es que prolonga, por así decirlo, las perturbaciones primordiales que surgen en ese plasma de energía primordial, prolonga las inevitables fluctuaciones del campo cuántico que gobiernan el universo. ¿Qué quiere decir esto?

La gravedad y lo que ya existe.

Según la física cuántica, en un campo (como lo era aquel plasma primordial) hay variaciones mínimas y aleatorias en la densidad de energía en puntos específicos. En el universo primitivo, estas fluctuaciones eran pequeñas y ocurrían a escala subatómica.

Durante la fase de inflación cósmica, el universo experimentó una expansión exponencial extremadamente rápida. Esto extendió las fluctuaciones cuánticas desde escalas microscópicas a escalas mucho mayores, incluso tan grandes como el universo mismo. Los sacó del mundo microscópico y los convirtió en grandes variaciones de densidad.

Una vez que estas fluctuaciones se volvieron macroscópicas, se convirtieron en pequeñas variaciones en la densidad de la materia. Y cuando la materia entró en juego, el campo quedó preparado para la acción de la gravedad.

Bajo la influencia de la gravedad, estas variaciones de densidad crecieron hasta formar las estructuras cósmicas que vemos hoy, como galaxias y cúmulos de galaxias. El hecho de que la materia esté organizada de esta manera permitió que regiones de suficiente densidad formaran estrellas y sistemas planetarios, en lugar de ser un espacio vacío y uniforme.

La existencia de fluctuaciones derivadas del azar cuántico es la condición mínima para la existencia de cualquier estructura a escalas mayores, que permita contar historias.

Sabemos que estas perturbaciones primordiales existieron porque, afortunadamente, dejaron huellas distintivas en la radiación cósmica de fondo, fósiles de pequeñas irregularidades de origen cuántico que surgieron cuando el universo aún era casi homogéneo.

Una huella cuántica del universo primitivo

Tradicionalmente, el estudio del universo se ha centrado en cómo la gravedad atrae la materia para formar estructuras. Hoy, sin embargo, buscamos algo más profundo: la audacia de descubrir, indirecta pero rigurosamente, la huella cuántica del universo primitivo, el origen de las fluctuaciones primordiales. La gravedad sólo actúa sobre lo que ya existe. Pero la idea no es sólo poder confirmar la existencia del pasado cuántico, sino también predecir sus consecuencias. La naturaleza probabilística de esa fase cuántica fue responsable de que la materia se organizara de maneras específicas.

Mientras esperamos lograr el desafío intelectual de unificar la gravedad con las otras interacciones de la naturaleza, al menos estamos avanzando en la comprensión de cómo cooperaron para crear el universo, un lugar donde podrían surgir entidades capaces de perseguir esa búsqueda.

Este artículo fue publicado originalmente en la revista Telos, de la Fundación Telefónica.