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14 de marzo de 2008

Las ondas gravitacionales podrían producirse por un mecanismo distinto a la inflación

Imagen: CWRU

Un equipo de investigadores de la Universidad Case Western Reserve ha encontrado que la radiación gravitatoria (ampliamente aceptada como prueba irrefutable para la teoría de la 'inflación' para el inicio del Universo) podría ser producida por otro mecanismo.

De acuerdo con los expertos en Física, la teoría de la inflación propone que el universo pasó por un periodo de expansión exponencial justo después de la Big Bang. Una predicción clave de la teoría de la inflación es la presencia de un espectro particular de "radiación gravitatoria" (ondas en el tejido del espacio-tiempo que son notoriamente difíciles de detectar, pero sin embargo se cree que existen).

"Si vemos un fondo de onda gravitatoria primordial, ya no podremos decir que se debió a la inflación", dijo Lawrence Krauss, Profesor Ambrose Swasey de Física y Astronomía en Case Western Reserve.

Al mismo tiempo, los investigadores encontraron que las ondas gravitatorias son una sonda mucho más sensible de lo que antes se pensaba para la nueva física cerca de las mayores escalas de energía que es de interés para los físicos de partículas. De esta forma su trabajo proporciona una fuerte motivación para detectar la radiación gravitatoria primordial.

Krauss, junto con sus colegas de Case Western Reserve, Katherine Jones-Smith, estudiante de pos-grado, y Harsh Mathur, profesor asociado de física, presentan sus conclusiones en el artículo "Nearly Scale Invariant Spectrum of Gravitational Radiation from Global Phase Transitions" publicado en Physical Review Letters de abril de 2008.

La teoría de la inflación surgió en la década de 1980 como una forma de explicar algunas características del Universo que habían desconcertado a los astrónomos, tales como por qué el Universo es prácticamente plano y no tan uniforme. Hoy, la inflación sigue siendo la mejor forma de comprender, de forma teórica, muchos aspectos del inicio del Universo, pero la mayoría de sus predicciones son tan maleables que la consistencia con las observaciones no puede ser considerada como una confirmación precisa.

Aquí entra en juego la radiación gravitatoria (la predicción clave de la teoría de la inflación es la presencia de un espectro de radiación gravitatoria). La detección de este espectro se ha considerado, entre los físicos, como una prueba irrefutable que la inflación tuvo lugar hace miles de millones de años.

En 1992, Krauss, entonces en Yale, argumentó que otro mecanismo además de la inflación podría haber dado lugar a exactamente el mismo espectro de radiación gravitatoria que se predice en la inflación. El argumento dado por Krauss, en 1992, proporcionó una estimación aproximada del espectro.

El año pasado Krauss se unió a sus colegas de Case Western Reserve, Jones-Smith, estudiante de pos-grado de física, y Mathur, profesor asociado de física, para hacer un cálculo más completo. Encontraron que los cálculos exactos predicen que la señal será mucho más potente que la aproximación estimada.

Describiendo sus resultados, dijo Krauss, "Es impactante y sorprendente cuando se encuentra que la respuesta es 10.000 veces mayor que la aproximación estimada y podría posiblemente producir una señal que simule el tipo producido por la inflación".

La radiación gravitatoria es una predicción de la Teoría General de la Relatividad de Einstein. De acuerdo con la teoría, cada vez que una gran cantidad de masa o energía se desplaza, perturba el espacio-tiempo a su alrededor y surgen ondas en la región de desplazamiento de la masa/energía.

Estas ondas de espacio-tiempo, conocidas como radiación gravitatoria, son imperceptibles a escala humana, pero son altamente sensibles a experimentos (tales como el Observatorio de Ondas Gravitatorias de Interferómetro Láser, LIGO, en Livingston) que están diseñados con precisión para buscar tal radiación y que son la única esperanza de detectarlos en forma directa.

Sin embargo, la radiación gravitatoria de los inicios del Universo puede también detectarse indirectamente a través de su efecto en la radiación del fondo de microondas cósmico, CMB, reliquia de la Big Bang que impregna todo el espacio. La radiación CMB se polarizaría en presencia de la radiación gravitatoria. Detectar tal luz polarizada es la misión de un experimento satelital, Planck, previsto para su lanzamiento durante 2009.

La radiación gravitatoria producida por la inflación o por el otro mecanismo propuesto por Jones-Smith, Krauss y Mathur se imprimiría él mismo en la CMB y sería detectado como polarización. Hasta ahora estaba ampliamente aceptado que la detección de luz polarizada procedente de la CMB era una prueba irrefutable para la teoría de la inflación. Pero con la publicación del reciente artículo en Physical Review Letters, Krauss y sus colaboradores han planteado la cuestión de si la luz polarizada puede ser asociada de forma incontestable a la inflación.

El mecanismo propuesto por Krauss y sus colaboradores invoca un fenómeno llamado "ruptura de la simetría" que es una parte central de todas las teorías de la física fundamental de partículas, incluyendo el llamado Modelo Estándar que describe las tres fuerzas no gravitatoria que se sabe que existen. Aquí, un "campo escalar" (similar a un campo eléctrico o magnético) se alinea a medida que el Universo se expande. Pero conforme el Universo se expande sobre la región en la que el campo está alineado entra en contacto con otras regiones en las que el campo tiene un alineamiento distinto. Cuando esto sucede el campo se relaja en un estado donde está alineado a lo largo de toda la región global y en el proceso de relajación emite radiación gravitatoria.

(jg)

Más información en:
http://blog.case.edu/