SEÑALES CÓSMICAS DEL FIN DE LOS TIEMPOS

Actualmente estamos asistiendo a una fascinante competición entre teoría y experimento en lo que se refiere a la energía oscura: la relatividad general y los experimentos realizados hasta ahora favorecen la hipótesis de la constante cosmológica, sin embargo, nuestras teorías fundamentales "más avanzadas" que incluyen gravedad y mecánica cuántica favorecen claramente la opción de una energía oscura que cambia con el tiempo. Además, los recientes resultados del experimento DESI aunque aún son provisionales parecen favorecer una energía oscura variable.

En este artículo describiremos las consecuencias derivadas de esta trascendente competición incluyendo la inquietante posibilidad de que la destrucción del Universo ya haya comenzado y como podría detectarse este escenario apocalíptico.

La energía oscura

La naturaleza del 73% de la energía total del Universo es desconocida, por ello, al puro estilo de las películas de "Star Wars" los físicos y cosmólogos la denominan energía oscura. Generalmente esta energía se asocia a la energía del vacío del propio espacio-tiempo y básicamente puede ser de dos tipos: una energía constante asociada a una constante cosmológica o una energía variable asociada a un nuevo campo escalar. El modelo cosmológico estándar y las mediciones actuales apuntan a la primera opción, sin embargo, la mayoría de las teorías de gravedad cuántica descartan la primera opción y apuntan claramente a la segunda. Dilucidar este problema es una de las cuestiones más importantes de la física y la cosmología moderna y más aun después de que el experimento DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) haya anunciado recientemente cierta tensión entre las mediciones y el modelo cosmológico estándar que podrían resolverse si la energía oscura fuera variable.

Incompatibilidad entre física fundamental y la constante cosmológica

Uno de los argumentos teóricos más sólidos para descartar una energía oscura constante es el siguiente: de forma similar a lo que sucede durante la inflación cósmica

la expansión acelerada del Universo provoca que las fluctuaciones cuánticas de los campos sean amplificadas hasta tamaños macroscópicos. De hecho estas fluctuaciones amplificadas durante la inflación dieron lugar a inhomogeneidades que se convirtieron en las semillas de las galaxias que hoy observamos. Si nos centramos en las estructuras y los modos de los campos que observamos en nuestro Universo actual y los extrapolamos hacia atrás en el tiempo llegaremos hasta el instante y la distancia a la que estos modos fueron creados. Al realizar este proceso considerando una aceleración constante nos encontraríamos con que, a partir de cierta edad del Universo, las distancias a la que estos modos fueron creados serían inferiores a la longitud de Planck. Esto implicaría que a partir de cierta edad del Universo comenzarían a aparecer estructuras macroscópicas procedentes de fluctuaciones que fueron creadas a distancias inferiores a la mínima distancia físicamente posible. Este hecho tendría consecuencias desastrosas para la física como violaciones de la unitariedad.

Durante la inflación cósmica las fluctuaciones cuánticas de los campos fueron amplificadas y quedaron plasmadas como inhomogeneidades en el fondo cósmico de microondas. Estas inhomogeneidades dieron lugar, por atracción gravitatoria, a las estrellas y galaxias que vemos hoy en día.

Una imagen más intuitiva de este fenómeno es la siguiente: imagina un globo que se infla muy rápido. Sobre la superficie del globo hay puntitos diminutos tan pequeños que no los podemos ver. Estos puntitos se corresponderían con fluctuaciones cuánticas de longitud de onda del tamaño de la longitud de Planck. Si el globo siguiera inflándose eternamente de forma exponencial esos puntitos se separarían más y más. Con el tiempo, incluso puntitos más pequeños que los correspondientes a la escala de Planck acabarían separándose tanto que crecerían hasta tamaños enormes y acabarían "congeladas" como imperfecciones clásicas en la superficie.

La conjetura de la censura de los modos transplackianos

El problema que hemos descrito en el apartado anterior da lugar a la llamada conjetura de censura de los modos transplackianos (TCC). La conjetura TCC puede definirse de la siguiente forma:

Donde a(t) es el factor de escala del Universo, lpl es la longitud de Planck y H(t) es el parámetro de Hubble. Esta expresión quiere decir que los modos del tamaño de la longitud de Planck multiplicados por el factor de escala del Universo correspondiente a cierto intervalo de tiempo deben de permanecer siempre dentro del radio de Hubble (1/H). Si esto no fuera así estos modos se amplificarían y serían encontrados en las estructuras clásicas de tamaño cosmológico. ¿Cuándo sucedería esto?

Esto sucedería en un tiempo dado por:

Este tiempo es unas 140 veces la edad actual del Universo. Por esto, si la condición TCC es correcta, las leyes de la física fundamental no permiten la existencia de una constante cosmológica. (1)

El tiempo anterior supone un tiempo máximo de existencia de un Universo con expansión acelerada constante, lo que implica que antes de ese tiempo el Universo debe de transitar a una nueva fase que no este dominada por una constante cosmológica. Esta transición puede ocurrir principalmente de dos formas: o bien el Universo decae a otro estado de vacío de menor energía que el actual o bien el potencial del vacío, en lugar de asentarse en otro estado de vacío inferior, "rueda" continuamente hacia potenciales inferiores haciendo que el potencial de la energía oscura disminuya con el tiempo (modelos de quintaesencia).

Aunque parezca increíble, en ambos casos existe la probabilidad de que el proceso de decaimiento del vacío de nuestro Universo ya haya comenzado:

-En el primer caso, aunque la probabilidad de transición es muy baja, esta posibilidad está siempre activa. Además, ciertos procesos como la existencia de agujeros negros primordiales de baja masa aumentan esta probabilidad de forma dramática.

-En el segundo caso, si se confirmase una aceleración cosmológica con un parámetro de estado cercano al de la constante cosmológica pero un poco inferior significaría que el campo que dirige la energía oscura está perdiendo energía y que por tanto ya está "rodando" por la pendiente de potencial descendente. En este caso podría incluso darse la posibilidad de que el Universo frene su expansión y comience a contraerse

(ver este artículo).

Detectando la destrucción del Universo

Sabemos por las mediciones realizadas en el LHC que el vacío del modelo estándar (el vacío de nuestro Universo actual) no es estable y por tanto existe la posibilidad de que decaiga por efecto túnel a un vacío más estable de menor potencial. Esto produciría una burbuja de vacío verdadero que se expandiría casi a la velocidad de la luz destruyendo todo a su paso. La probabilidad de que esto suceda a corto plazo es muy baja, sin embargo, si existen en el Universo agujeros negros primordiales de baja masa entonces estos actuarían como "catalizadores" aumentando esta probabilidad de forma dramática (ver por ejemplo este artículo). En este escenario cabría incluso la probabilidad de que la destrucción del Universo ya haya comenzado (2).

A continuación nos haremos la siguiente pregunta: ¿Existe la posibilidad de detectar esa burbuja antes de que llegue a la Tierra? ¿Puede la ciencia contestar a esta pregunta o esto es solo posible en los guiones de las películas de ciencia-ficción?

La burbuja de vacío verdadero en expansión tiene un vacío de menor potencial que el del resto del Universo. Esta diferencia entre los potenciales del interior y del exterior de la burbuja hace que se produzcan partículas de Higgs. Estas partículas decaen en fotones y neutrinos con una energía característica que podría ser detectada.

¡ La ciencia moderna nos permitiría detectar las señales del fin del Universo ! (3)

Si la burbuja de vacío verdadero se expandiese justo a la velocidad de la luz entonces no existiría posibilidad de detectarla, sin embargo, si esta burbuja contiene un gran número de partículas de Higgs estas partículas interaccionarían con cualquier cosa que encuentren a su paso (gas interestelar, radiación, etc) y esta interacción ralentizaría su expansión (4). Por ejemplo, si la burbuja se crease a una distancia de un millón de años luz de la Tierra con que solo se ralentizase 1km/s la señal nos alcanzaría 3 años antes que la burbuja.

Los canales de desintegración del Higgs en fermiones (tabla 1) y bosones (tabla 2)

son los siguientes:

A nosotros nos interesarían los canales de desintegración en fotones (rayos gamma) y neutrinos (mu) ya que son los procesos más fáciles de detectar. Teniendo en cuenta estos valores la densidad de energía emitida por unidad de volumen de la burbuja sería:

Espectro de la densidad de energía de radiación de fotones de la burbuja

!

Espectro de la densidad de energía de radiación de neutrinos de la burbuja

Debido a los efectos relativistas esta densidad de energía debe ser corregida por un factor:

Donde d es la distancia desde la Tierra a la burbuja y z es el correspondiente desplazamiento al rojo.

Por esto, si algún día apuntamos nuestros detectores de rayos gamma o de neutrinos hacia el espacio exterior y registramos una radiación con el espectro de energía de las figuras anteriores ¡ podríamos estar siendo testigos de las señales del fin del Universo !

Notas:

(1) Aunque la conjetura TCC se asienta sobre sólidos principios físicos su validez sigue siendo objeto de debate. Futuros trabajos deberán confirmar o rechazar la conjetura.

(2) Afortunadamente la probabilidad de transición a un falso vacío sigue siendo muy baja incluso si existiesen agujeros negros primordiales. Además las incertidumbres teóricas presentes en los trabajos sobre agujeros negros primordiales como catalizadores de esta transición son muy grandes.

(3) En la práctica la detección de esta radiación procedente de la burbuja sería muy complicada. Además, si la burbuja alcanzase velocidades muy cercanas a las de la luz esta radiación sería indetectable.

(4) La densidad de materia y radiación en el espacio cósmico es extremadamente baja por lo que no está muy claro que su interacción con la burbuja pueda tener efectos apreciables.

Fuentes:

The Signals of the Doomsday, Why DESI results should not be a surprise