Universo primordialqué pasó justo después del Big Bang

En su primer instante, el universo pasó por la separación de la gravedad, la época de gran unificación, la inflación, el recalentamiento y la ruptura de la simetría electrodébil. El paso clave fue la inflación: el espacio se expandió por un factor de 10²⁶, luego el campo del inflatón decayó y su energía del vacío se convirtió en partículas y radiación. Solo entonces empezó de verdad un universo caliente.

Cuanto más nos acercamos al comienzo, más dependemos de la teoría y menos de la observación directa. Parte de lo que sigue está confirmado por la observación y parte sigue siendo un marco teórico, así que ten presente esa diferencia al leer.

Las primeras siete etapas

• 10⁻⁴³ s · Época de Planck: El tiempo y el espacio empiezan a tener sentido. Antes de esto, palabras como «antes y después» o «cerca y lejos» todavía no se aplican.
• 10⁻⁴³ s · Se separa la gravedad: La gravedad se desprende de la fuerza unificada y se convierte en una interacción propia.
• 10⁻³⁶ s · Época de gran unificación: Las fuerzas fuerte, débil y electromagnética siguen siendo una sola, como una única pintura que aún no se ha vertido en tres botes.
• 10⁻³⁶ s · Inflación cósmica: El espacio se expande por un factor de 10²⁶. Lo que se estira es el propio espacio, no las cosas que hay en él saliendo despedidas en todas direcciones.
• 10⁻³² s · Fin de la inflación: El campo del inflatón decae.
• 10⁻³² s · Recalentamiento: La energía del vacío se convierte en partículas y radiación. La inflación hizo el universo enorme y frío; el recalentamiento liberó la energía almacenada, que se convirtió en la fuente de toda la materia y la luz posteriores.
• 10⁻¹² s · Ruptura de la simetría electrodébil: El campo de Higgs da masa a las partículas, y partículas distintas empiezan a tener su propio «peso».

El universo en expansión: de la teoría a la observación

Que el universo se expande se dedujo primero en teoría, y tres artículos se pasaron el testigo. Alexander Friedmann mostró a partir de la relatividad general que el universo podía expandirse o contraerse, siete años antes de que hubiera pruebas observacionales (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922). Georges Lemaître propuso por su cuenta que el universo se expande y más tarde lo imaginó partiendo de un «átomo primigenio», una forma temprana de la teoría del Big Bang (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927). Siguió la observación: cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja, así que el universo no es estático (Hubble, PNAS, 1929). El artículo de Hubble se titula «A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae». El de Friedmann trataba de la curvatura del espacio, y el de Lemaître, de un universo homogéneo de masa constante y radio creciente. Puestos uno al lado del otro, los tres artículos siguen el orden «primero la teoría, después la observación».

Inflación: por qué el universo es tan plano y uniforme

Alan Guth propuso que el universo temprano se expandió de forma exponencial, lo que explicaba de golpe por qué el universo es tan plano y por qué su temperatura es casi igual en todas partes (Guth, Physical Review D, 1981). El título de su artículo, «Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems», nombra los dos enigmas. El primero pregunta por qué regiones lejanas tienen casi la misma temperatura; el segundo, por qué el universo parece tan plano. El modelo original tenía un defecto, sin embargo. Andrei Linde resolvió el problema de cómo podía terminar la inflación con elegancia, lo que hizo viable la teoría de la inflación (Linde, Physics Letters B, 1982).

El universo sigue acelerándose hoy

Una «vela estándar» es una fuente de luz de brillo conocido, como una hilera de bombillas con la misma potencia: cuanto más tenue se ve, más lejos está. Los investigadores usaron supernovas lejanas como esas bombillas y descubrieron que la expansión se acelera. Entró en escena la energía oscura, y el trabajo ganó el Nobel de 2011 (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). Otro equipo llegó por su cuenta a la misma conclusión: alguna energía del universo está impulsando la aceleración (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). El satélite Planck dio los parámetros cosmológicos más precisos hasta la fecha: una edad de unos 13 800 millones de años, con la materia ordinaria en solo un 5 % aproximadamente (Colaboración Planck, Astronomy & Astrophysics, 2020).

De dónde viene la masa

Peter Higgs propuso un campo que llena todo el espacio y da masa a las partículas, y predijo una nueva partícula (Higgs, Physical Review Letters, 1964). El Gran Colisionador de Hadrones encontró una nueva partícula de unos 125 GeV, que confirmaba una predicción que llevaba 48 años esperando (Colaboración ATLAS, Physics Letters B, 2012). Esto coincide con el paso de la ruptura de la simetría electrodébil de arriba: el campo de Higgs da masa a las partículas.

Cómo lo muestra el juego

En el juego, la era Universo primordial empieza en «0 s después del Big Bang» y su recurso es la energía. Los generadores se llaman Fluctuación cuántica, Campo del inflatón, Decaimiento del vacío y Recalentamiento, nombrados por las ideas clave de arriba.