Desvelando los Orígenes del Universo: ¿Qué Había Antes del Big Bang y el Rol de la Materia Oscura?

La pregunta sobre qué existía antes del Big Bang, el evento que marcó el inicio de nuestro universo hace aproximadamente 14 mil millones de años, es uno de los misterios más profundos de la humanidad. Como el físico David Tong mencionó en una charla de 2017, el término ‘Big Bang’ es engañoso: ‘No tenemos la menor idea de lo que realmente sucedió allí’. Los físicos desconocen lo que ocurría en el instante previo a que el universo comenzara a existir, en lo que se conoce como la singularidad. Tong incluso sugirió que ‘ni siquiera sabemos si hubo un ‘antes’ del estallido’.

La singularidad, concepto que también describe el centro de un agujero negro, es un punto donde una inmensa cantidad de materia se compacta en un espacio infinitesimal; un lugar más pequeño que una partícula subatómica, con volumen cero y densidad infinita. Se cree que nuestro universo surgió de esta singularidad, pero antes de esa explosión, simplemente ignoramos qué, si acaso algo, existía.

No obstante, se han propuesto diversas teorías. En 2008, físicos que estudiaban el fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación remanente del Big Bang que aún es observable, sugirieron que las fluctuaciones en el CMB indicaban que nuestro universo ‘brotó’ de uno previo. Un estudio de 2018, publicado en Physical Review Letters por Latham Boyle, Kieran Finn y Neil Turok, planteó la existencia de una imagen especular de nuestro universo que lo precedió. Además, investigaciones recientes han sugerido la posibilidad de un momento intermedio entre la singularidad y el Big Bang, e incluso un modelo reciente propone que este instante pudo haber generado la materia oscura.

¿Qué Precedió al Big Bang?

A pesar de nuestra continua incertidumbre sobre lo que sucedió en el momento del Big Bang —y antes de él—, poseemos un conocimiento notablemente preciso de lo que ocurrió en los instantes posteriores. Por ejemplo, el hecho de que el universo se está expandiendo nos permite rastrear esa expansión hacia atrás hasta un punto donde el cosmos estaba comprimido en la singularidad. También sabemos que la temperatura del universo en el momento del Big Bang fue de 18 × 10³¹ grados Fahrenheit, un dato asombroso. Pero quizás aún más sorprendente es la idea de lo que pudo haber existido antes del Big Bang.

Si el Big Bang fue el comienzo de nuestro universo, ¿cómo pudo existir algo antes? Para responder a esta pregunta, necesitamos examinar cómo ha evolucionado nuestra comprensión del Big Bang en años recientes. La teoría del Big Bang postula que el universo comenzó con la singularidad hace 13.8 mil millones de años y se expandió rápidamente desde un estado pequeño, caliente y denso, volviéndose más frío y menos denso a medida que continuaba su expansión, hasta convertirse en el cosmos que observamos hoy.

Sin embargo, en años recientes, los científicos han adoptado una teoría que sugiere una etapa adicional en el proceso que dio origen a nuestro universo: un momento extremadamente breve, que duró una fracción de segundo, durante el cual el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz.

La Teoría de la Inflación Cósmica: Un Momento Antes del Big Bang

Para comprender cómo algo pudo haber existido antes del Big Bang, es fundamental familiarizarnos con otra teoría: la inflación cósmica. Esta propone la existencia de un estado intermedio entre la singularidad y el Big Bang mismo. Desarrollada a principios de la década de 1980 por físicos como Alan Guth, Alexei Starobinsky, Andrei Linde y Katsuhiko Sato, la teoría sugiere que hubo un brevísimo periodo de expansión exponencial antes de lo que consideramos el Big Bang. Este lapso extremadamente corto es el responsable de las imperfecciones de temperatura que ahora podemos observar en el resplandor del Big Bang, el fondo cósmico de microondas.

Las investigaciones de las últimas dos décadas parecen haber confirmado la existencia de este momento de inflación rápida pre-Big Bang. Estos estudios revelaron la existencia de las llamadas fluctuaciones superhorizonte, que, sin entrar en demasiados detalles, implican que el modelo de ‘singularidad al Big Bang’ no coincide con el universo tal como lo observamos hoy. Para explicar estas fluctuaciones superhorizonte, necesitamos el modelo de inflación cósmica, que las interpreta como remanentes de la rápida expansión pre-Big Bang.

Con esto en mente, podemos empezar a vislumbrar cómo la materia oscura pudo haber existido antes del Big Bang.

La Materia Oscura: La Sustancia Misteriosa que Pudo Preceder al Big Bang

La materia oscura es otro de los gigantescos misterios que los físicos aún no han resuelto. Implicada por primera vez a raíz de uno de los grandes descubrimientos de Albert Einstein, la teoría general de la relatividad, la materia oscura es tan elusiva que todavía no la hemos observado directamente, a pesar de que constituye aproximadamente el 85% de toda la materia en el universo. Hasta ahora, solo hemos podido inferir su existencia basándonos en sus efectos, específicamente en la forma en que rotan las galaxias.

El término ‘materia’ se refiere a sustancias que tienen masa y ocupan espacio. Si bien la materia oscura también ocupa espacio y posee masa, no refleja, absorbe ni irradia luz de ninguna manera que nos permita detectarla. Hoy en día, todavía no sabemos qué partículas componen la materia oscura, y ahora esta sustancia parece volverse aún más enigmática, ya que aparentemente pudo haber existido antes del Big Bang.

Publicado en Physical Review Letters, un artículo de 2024, coescrito por tres científicos de la Universidad de Texas en Austin, propone un modelo conocido como inflación cálida por ‘freeze-in’ ultravioleta, o WIFI (Warm Inflation via Ultraviolet Freeze-in). Este modelo sugiere que la materia oscura se creó mucho antes de lo que se pensaba, formándose justo antes del Big Bang durante la etapa de inflación cósmica. Los investigadores Katherine Freese, Gabriele Montefalcone y Barmak Shams Es Haghi lideraron el estudio. Freese explicó en un comunicado de prensa (vía MSN): ‘En la mayoría de los modelos, cualquier cosa que se crea durante la inflación es luego ‘inflada’ por la expansión exponencial del universo, hasta el punto de que esencialmente no queda nada’. Pero el modelo WIFI de los investigadores sugiere que la materia oscura, que sabemos constituye una proporción tan inmensa de nuestro universo, se creó durante la etapa de inflación cósmica a través de interacciones minúsculas en un entorno increíblemente caliente y energético.

El Modelo WIFI y Sus Futuras Implicaciones

El estudio de la Universidad de Texas en Austin es bastante complejo en cuanto a los mecanismos que propone para la creación de materia oscura durante la inflación cósmica. Los investigadores utilizaron modelado matemático para sugerir que, en esta fase de inflación, se produjo radiación, creando un ‘baño térmico’ que permitió interacciones que resultaron en la producción de partículas de materia oscura. Este proceso se denomina ‘freeze-in’ (congelación), e involucra un campo de partículas hipotéticas llamadas ‘inflatones’. Aquí es donde el modelo se adentra en la teoría cuántica de campos, que sugiere que, en el nivel subatómico más profundo, más allá del reino de las partículas, el universo está compuesto por campos de sustancias similares a fluidos. En el modelo WIFI, se dice que el campo de inflaton (el motor teórico de la inflación) pierde energía en la radiación del baño térmico durante el período de inflación cósmica, produciendo así partículas de materia oscura.

Este modelo es notable no solo por su sugerencia de que la materia oscura existió antes del Big Bang, sino también por proponer que este mecanismo WIFI es lo suficientemente eficiente como para producir mucha más materia oscura que los modelos convencionales.

Aunque las propuestas del estudio aún no han sido confirmadas, los autores son optimistas de que sus predicciones se corroborarán en futuras investigaciones. Si el modelado matemático del estudio resulta ser correcto, representará una revolución en nuestra comprensión de la materia oscura y sus orígenes, así como en la creación de materia en general y la evolución de nuestro universo en su conjunto. Como Shams Es Haghi señaló en el comunicado de prensa: ‘En nuestro estudio, nos centramos en la producción de materia oscura, pero WIFI sugiere una aplicabilidad más amplia, como la producción de otras partículas que podrían desempeñar un papel crucial en la evolución temprana del universo. Esto abre nuevas oportunidades para la exploración en futuras investigaciones’.