¿Tiene defectos el universo?

Desde que hace unos días se hicieran públicos los resultados de la misión Planck ha habido cierto revuelo con la existencia de una anomalía en el fonto cósmico de microondas.

Como se ve en la imagen hay zonas frías y zonas calientes que son difíciles de encajar en el modelo estándar de la cosmología. Para una presentación del tema:

«Hay una mancha en el mapa del universo primitivo que no sabemos explicar»

Entrevista de Antonio Martínez Ron (@aberron) a Enrique Martínez del Instituto de Física de Cantabria.

Una de las posibles explicaciones de esta anomalía en el fondo de microondas es la presencia de un defecto topológico (o varios).

Así que, para entender lo que se avecina, en esta entrada vamos a aprovechar que la anomalía pasaba por aquí para explicar un poco el tema de los defectos topológicos en el constexto cosmológico.

Transiciones de fase

Es bien conocido que los sistemas pueden cambiar su fase en función de la temperatura que tengan. Los cambios de fase van asociados a cambios, que pueden ser dramáticos, en la estructura y propiedades del sistema.

Pues bien, nuestro universo sufrió dichos cambios de fase a causa de la bajada de temperatura asociada a la expansión.

Pero antes de entrar en detalles hemos de pararnos a discutir un pequeño detalle en las transiciones de fase usuales, por ejemplo en la del paso del agua líquida a hielo.

Cuando bajamos la temperatura a una masa de agua el paso al estado sólido no se hace simultáneamente en todos sus puntos, esto implica que se van formando cristales (a partir de diferentes nucleos de cristalización) con diferentes orientaciones. Al ir creciendo estas regiones y encontrarse se forman defectos, puntos, burbujas, líneas, superficies, donde queda encerrada agua en fase líquida.

Es decir, en una transición de fase, pueden generarse defectos en el sistema final que contiene la fase original de partida.

¿Qué pasa con nuestro universo?

Como explicamos en la entrada «La historia caliente del universo«, durante su evolución, el universo pasó por distintas fases hasta llegar a la actual. En este contexto, las fases hacen referencia a la forma en la que actuaban las fuerzas y a las partículas que podían estar presentes.

• Inicialmente todas las interacciones se suponen que estaban unificadas.
• Esta interacción unificada, ya en tiempos cercanos a los de Planck, se dividió en la interacción gravitatoria y la GUT (que es la hipotética teoría que combina las interacciones electromagnética, débil y fuerte en una única interacción).
• Tras unos segundos, aproximadamente, después del inicio del universo, la GUT se dividió a su vez en la interacción fuerte y la electrodébil.
• A los (aprox) la interacción electrodébil se separa en la interacción electromagnética y la débil.

Es concebible que en estas transiciones de fase se generaran defectos, como los que vemos en el hielo, que contengan fases previas de la evolución térmica del universo.  A estos defectos se los denomina, defectos topológicos.

Rotura espontánea de la simetría

El concepto clave en este tema es el de la rotura espontánea de la simetría. Para refrescar la memoria sobre este tema sería bueno repasar esta entrada: La simetría se rompe, así como las ahí referenciadas. También la entrada de Francis: La mula de Buridan y el bosón de Higgs.

Supongamos que nuestro universo tiene un determinado perfil de energía, definido por un potencial. Conforme el universo se expanda y se enfría este perfil va cambiando de forma que aparecen mínimos de energía que previamente no estaban:

Conforme la temperatura disminuye vemos como va apareciendo un mínimo que para temperaturas altas no existía. Es decir, se crea una situación en la que el campo phi puede tener menor energía tenía en el mínimo original a altas temperaturas.

Entonces el campo tiende a pasar del vacío en el que estaba a altas temperaturas (lo que se llama falso vacío) al nuevo vacío. Pero suele ocurrir que este nuevo vacío no es único:

Entonces el campo, al caer el nuevo vacío elegirá un punto de todos eso y la simetría inicial se rompe.

Ahora bien, dado que no en todas las regiones del universo en expansión va a elegir el mismo estado de vacío, puede que ocurra que esas distintas regiones hayan elegido distintas configuraciones del campo que corresponden a la situación de nuevo vacío (nuevo mínimo de energía).  Al encontrarse estas regiones tendremos defectos topológicos.

Dichos defectos pueden ser de tres tipos:

Paredes de dominio

Imaginemos que tenemos esta situación:

En distintas regiones del universo el campo toma diferente valor, con la misma energía, así que al encontrarse dichas regiones se formaran superficies, las paredes de dominio:

Cuando diferentes zonas del universo, para valores positivos y negativos del campo, se encuentran se forman las paredes de dominio.

Estas estructuras se encuentran en configuraciones de cristales líquidos.

Cuerdas cósmicas

Otra opción es que, si nos damos cuenta en la figura:

El campo se puede considerar un vector con dos componentes, al ser un número complejo. Con lo cual, podemos tener la situación en la que el campo tome diferentes direcciones alrededor de un eje, en el centro tendríamos la fase antigua del mismo, evidentemente esto visto en tres dimensiones generaría un objeto de una dimensión denominado, cuerda cósmica.

En el espacio, el campo tomaría distintas direcciones alrededor de un eje.

Monopolos

Una tercera posibilidad es que se formaran defectos puntuales que se comportarían como monopolos magnéticos. Visualizar cómo se forman estos defectos por rotura de simetría no es fácil. Baste decir que su existencia parece inevitable en teorías que contengan gran unificación y, en ese caso, se predice una gran densidad de estos objetos con lo cual, su no observación, se convierte en un problema cosmológico.

¿Están ahí?

Por sus características, de existir, tales objetos deberían de dar señales por ejemplo en el fondo cósmico de microondas.  De hecho, la presencia de una cuerda cósmica, que es la opción más plausible para los defectos topológicos, se produciría un claro efecto en la estructura del espaciotiempo.

La presencia de la anomalía en la radiación cósmica de fondo podría ser debida a la presencia de estos defectos topológicos. Pero, también existe la opción de que sea debido a que no entendemos lo suficientemente bien el comportamiento de la galaxia.

Como hemos dicho en varias ocasiones, para llegar a la radiación cósmica de fondo hemos de restar la contribución de microondas procedentes de la galaxia. El problema es que esta resta se puede hacer de distintas formas y aún no está claro cual de ellas es la mejor.

De una forma u otra, sea la anomalía un artefacto o producida por algún fenómeno inesperado, estudiándola aprenderemos muchas cosas por el camino. Como siempre, podemos concluir que nos queda mucho por entender de nuestro universo y de la física que lo dirige.

Nos seguimos leyendo…