Durante varios años, astrofísicosastrofísicos Las partículas desarrollan una idea original, la de un gran explosióngran explosión negro. El concepto fue propuesto y estudiado en particular por Katherine Freese (conocida por su trabajo sobre las estrellas negras) y Martin Winkler en un artículo que puede consultarse en acceso abierto en arXiv y más recientemente por Cosmin Ilie y Richard Casey.
Todo el mundo sabe hoy que el modelo cosmológico estándar, que explica la existencia de las galaxias y determinadas características de la radiación fósil, se basa en la existencia de una componente de masa desconocida que domina la de los núcleos atómicos conocidos de la Tierra, pero a escala de. galaxias y amas de galaxiesamas de galaxies. Este componente desconocido estaría formado por partículas de asuntoasunto incapaz o muy poco para emitir luzluz y que por esta razón se llaman partículas de materia oscuramateria oscura. Serían sensibles a la gravitacióngravitaciónpero no a las fuerzas nucleares y quizás a fuerzas nuevas, aún desconocidas, entre estas mismas partículas de materia oscura.
Durante 13.800 millones de años, el Universo ha seguido evolucionando. Al contrario de lo que nos dicen nuestros ojos cuando contemplamos el cielo, lo que lo compone dista mucho de ser estático. Los físicos realizan observaciones en diferentes edades del Universo y realizan simulaciones en las que reproducen su formación y evolución. Parece que la materia oscura jugó un papel importante desde el inicio del Universo hasta la formación de las grandes estructuras que se observan hoy. © Investigación CEA
La inflación y la creación de materia.
El modelo cosmológico estándar supone que la materia oscura ya existía durante el primer segundo del Big Bang, y el escenario actualmente más favorecido más allá del modelo estándarmodelo estándar implica una llamada fase de inflación causada por un nuevo campo, probablemente primo de bosónbosón el Brout-Englert-Higgs lo llamó inflarinflar. En este escenario, el cosmoscosmos observable habría sufrido una fase exponencialmente acelerada y muy importante aunque transitoria de la expansión del espacio al comienzo del Big Bang.
Al final de esta fase, incluso si elUniversoUniverso observable estuviera lleno de partículas justo antes, el efecto de dilución de la expansión lo habría dejado casi vacío y frío. Según las teorías inflacionarias propuestas, entonces se habría producido el llamado proceso de calentamiento, llenando nuevamente el cosmos de partículas, en este caso un baño de quarksquarksde leptonesleptonesde fotonesfotonesde gluonesgluones y los bosones W y Z, así como, por supuesto, sus antipartículasantipartículas y partículas de materia oscura.
Pero, según el nuevo escenario propuesto por Katherine Freese y Martin Winkler, las partículas de materia oscura se habrían producido mucho más tarde (meses después de la nucleosíntesisnucleosíntesis primordiales de los tres primeros minutos del Universo según el título de la famosa obra de Steven Weinberg) aunque desde entonces han dominado, en masa, a las demás partículas y sin producir fotones ordinarios como los que se encuentran en la radiación fósil (pero quizás una radiación de “fotones oscuros” que no interactúan con la materia normal).
Por lo tanto, habría habido un segundo Big Bang, un Big Bang negro…
Ondas gravitacionales causadas por verdaderas colisiones de burbujas de vacío
Sorprendentemente, este Big Bang negro produciría ondas gravitacionalesondas gravitacionales similares a los que se cree que se generaron mucho después de la fase de inflación, pero antes del primer segundo del Big Bang por el transición de fasetransición de fase electrodébil asociado al bosón Brout-Englert-Higgs que dio masas a los quarks, leptones y bosones W y Z del modelo estándar del físicofísico alto energíasenergías. Poco antes de esta transición, el vacío cuántico era el equivalente de una líquidolíquido alestado gaseosoestado gaseoso que se condensará en gotas que chocarán y generarán ondas gravitacionales.
Según los investigadores, el equivalente de esta transición con un campo escalar responsable de la creación de materia oscura en el momento del Big Bang Negro habría producido ondas gravitacionales que modernizan el método de detección colaborativa delConjunto de sincronización internacional Pulsar (IPTA) podría pasar a primer plano en un futuro próximo.
El lector algo perspicaz quizá se haya planteado la siguiente pregunta. El diagrama anterior explica que tanto en el momento de la inflación como durante la transición electrodébil o la del Big Bang Negro, tenemos un campo escalar de valor cero pero, paradójicamente, todavía con una densidad de energía distinta de cero que llega a serlo, mientras que el campo escalar se vuelve distinto de cero… pero ¿adónde se fue la energía del vacío cuántico que precedió a la aniquilación de estos campos?
Imágenes de la simulación de la aparición de verdaderas burbujas de vacío en el momento de la transición electrodébil. Se fusionan caóticamente, lo que genera ondas sonoras (que no son las que escuchamos). Estas ondas a su vez generan ondas gravitacionales. © Nuevo científicoYouTube
Resulta que la teoría postula que en ecuacionesecuacioneslos campos de materia y las fuerzas electrodébiles están acoplados al campo escalar responsable de una fase de inflación, un poco como una bola al final de un resorte en elaireaire.
Cuando el campo escalar transita de un estado de vacío falso a un estado de vacío verdadero, no se detiene inmediatamente en el fondo del valle de energía del potencial del campo escalar, sino que oscila. Al hacerlo, su acoplamiento con los demás campos es responsable de un efecto de fricción similar al de la bola anterior que, al oscilar, perdería su energía, debido a la fuerza de fricción que se le da al aire que se calentaría.
Este es exactamente el proceso análogo que habría sido responsable de la creación de materia ordinaria y partículas de materia oscura, en el escenario clásico del Big Bang con inflación o el de un Big Bang oscuro, un Big Bang oscuro en Inglés.
