¿Radiación gravitacional procedente del Big Bang?

La teoría del Big Bang describe la expansión del Universo pero no su origen. Esto deja la puerta abierta a la especulación sobre la gran variedad de procesos que pudieron haber ocurrido durante el primer segundo que siguió a la Gran Explosión, como el llamado Recalentamiento del Universo. El grupo de Cosmología de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) investiga cómo éste proceso podría haber generado señales observables que nos proporcionarían información directa sobre ese segundo primigenio.

Entre los diversos procesos físicos que se piensa pudieron haber ocurrido durante el primer segundo, se encuentra el denominado Recalentamiento del Universo. La cosmología moderna propone que el Universo primitivo se expandió aceleradamente durante un breve lapso de tiempo conocido como período de Inflación Cósmica.

Durante la Inflación, una enorme densidad de energía actuó como motor de la expansión, por lo que al finalizar dicho proceso el Universo quedó vacío de partículas. Pero entonces, ¿de dónde salieron todas las partículas que constituyen la materia del Universo hoy en día? La respuesta está en el Recalentamiento, justo al finalizar la Inflación, proceso durante el cual la enorme energía responsable de la expansión se convirtió en toda clase de partículas elementales.

El problema es que aún se desconoce la dinámica responsable del propio periodo Inflacionario, y naturalmente el Recalentamiento depende crucialmente de los detalles de dicha dinámica. Debido a esta dificultad, en los últimos años sólo se ha investigado este proceso en modelos simplificados, en los que la materia considerada sólo es del tipo denominada “escalar” (un ejemplo de partícula elemental de tipo escalar es la famosa partícula de Higgs, tan buscada en el colisionador LHC del CERN en Ginebra).

Pero la materia, o más concretamente las partículas elementales, no sólo pueden ser de tipo escalar, sino que también pueden ser de tipo espinorial (como por ejemplo el electrón) o vectorial (como los bosones gauge, responsables de las interacciones, como por ejemplo el fotón).

Sólo muy recientemente se ha empezado a estudiar el Recalentamiento del Universo con modelos más realistas que incorporan todo tipo de materia. En un trabajo reciente, publicado en la revista americana Physical Review D, investigadores del grupo de cosmología del departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Física Teórica UAM/CSIC (Jean-Francois Dufaux, Daniel G. Figueroa y Juan García-Bellido), estudiaron las consecuencias de considerar la presencia de bosones gauge durante el Recalentamiento

Un período de Inflación Híbrida

En particular, los investigadores de la UAM consideraron un período de Inflación Híbrida, que corresponde a un proceso inflacionario muy concreto en el que, al final del mismo, toda la energía responsable de la inflación se transfiere a un campo de materia denominado ‘campo de ruptura de simetría’, muy parecido al Higgs. Si además dicho campo escalar posee interacciones conocidas como ‘interacciones gauge’, entonces necesariamente el proceso del Recalentamiento involucrará a bosones gauge.

En un trabajo de hace tres años el mismo grupo de investigación estudió las características del fondo de ondas gravitacionales que se generaría debido a la dinámica del campo escalar durante el estadío del Recalentamiento en estos modelos. Sin embargo, en el artículo recientemente publicado, ha estudiado cómo al incluir campos gauge vectoriales éstos son amplificados significativamente durante el Recalentamiento.

Al incorporar en el modelo las interacciones gauge, no sólo el modelo adquiere un grado de realismo mucho mayor debido a su semejanza con el Modelo Estándar de partículas elementales, sino que además estos campos gauge adquieren configuraciones espaciales muy concretas durante la dinámica del Recalentamiento, actuando como una nueva fuente muy potente de radiación gravitacional. Concretamente, dichos campos forman los denominados defectos topológicos de tipo ‘cuerda cósmica’, cuya dinámica genera significativamente más radiación gravitacional.

Al investigar este proceso, los autores hallaron que el espectro de las ondas gravitacionales poseía una frecuencia característica relacionada con la masa efectiva de dichos campos gauge. De esta forma, el espectro total de ondas gravitacionales resultante posee dos máximos locales bien diferenciados, uno debido a la dinámica de los campos escalares y centrado en la masa del campo escalar de ruptura de simetría, y otro debido a la dinámica de las cuerdas topológicas y centrado en la masa de los campos gauge. Desde el punto de vista observacional esto constituye una signatura idónea para poder determinar si realmente el escenario de inflación híbrida pudiera ser el correcto para describir el origen del Universo.

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Referencia bibliográfica:

Jean-Francois Dufaux, Daniel G. Figueroa, Juan Garcia-Bellido, Gravitational Waves from Abelian Gauge Fields and Cosmic Strings at Preheating, Phys.Rev.D82:083518, 2010.

Fuente: Universidad Autónoma de Madrid (UCCUAM)

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