Tres científicos que estudian la estructura a gran escala del universo reciben el premio Breakthrough Physics de 100.000 dólares
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Tres científicos ganaron 100.000 dólares por su nuevo enfoque para estudiar la estructura a gran escala del universo, los zarcillos gigantes de materia que lo atraviesan y ocultan evidencia de las fuerzas fundamentales del universo.
Mikhail Ivanov del MIT, Oliver Philcox de la Universidad de Columbia y la Fundación Simons, y Marco Simonovic de la Universidad de Florencia Marko Simonovic recibió el Premio New Horizons en Física por «contribuciones a nuestra comprensión de la estructura a gran escala del universo y las grandes -estructura a escala del universo.» Desarrollar nuevas herramientas para extraer la física fundamental de los estudios de galaxias. «
El Premio New Horizons lo otorga anualmente la Breakthrough Prize Foundation a investigadores que inician su carrera y está financiado por los multimillonarios tecnológicos Sergey Brin, Priscilla Chan y Mark Zuckerberg, Yuri y Julia Milner y la donación de Anne Wojcicki. Este año, Alexandru Lupsasca de la Universidad de Vanderbilt y Michael Johnson de la Universidad de Harvard también recibieron segundos premios por su investigación sobre misteriosas bolas de fotones de agujeros negros.
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Dentro del colisionador cósmico
Según el modelo estándar de cosmología, el universo comenzó a formarse después del Big Bang, cuando el joven universo estaba lleno de partículas de materia y antimateria que surgieron sólo para aniquilarse entre sí al contacto. La mayoría de los componentes del universo desaparecieron de esta forma. Si hicieran esto, no se formarían galaxias, estrellas ni planetas.
Sin embargo, el universo se salvó gracias a pequeñas perturbaciones en el tejido del espacio-tiempo en rápida expansión, lo que permitió que algo de plasma sobreviviera. A medida que la turbulenta sopa de partículas y antipartículas del joven universo se expandía, sus filamentos fundidos se desplazaban hacia afuera, formando estructuras interconectadas en forma de pompas de jabón con innumerables vacíos, en su mayoría vacíos, rodeando la membrana.
Hoy en día, el universo existe como un mapa de las primeras interacciones de partículas, congeladas en el tiempo a lo largo de los hilos y estructuras de la vasta red cósmica (que hoy es el lugar de nacimiento de galaxias como la nuestra). La forma de esta red insinúa las fuerzas misteriosas y primarias que le dieron forma.
«Si imaginas el Gran Colisionador de Hadrones del CERN y lo amplías un billón de veces o un billón de billones de veces», dijo Oliver Philcox a OkNoticias, que es el tipo de colisionador de partículas que realmente ejecutarías en el universo primitivo. «Cualquier cosa extraña que suceda afecta la distribución de la materia».
Sondear la ubicación de la materia después del Big Bang puede revelar las primeras interacciones de partículas que ocurrieron durante la inflación posterior, cuando el universo se expandió exponencialmente rápidamente en solo una fracción de segundo. Si pensamos en las galaxias como restos petrificados de estos primeros momentos, dice Philcox, podemos buscar pistas sobre la física de partículas en el universo ultratemprano.
«Por eso a veces se le llama ‘colisionador cósmico’, como un colisionador de partículas a escala de todo el universo», añadió Philcox.
Hasta hace poco, debido a limitaciones teóricas y experimentales, los físicos que estudian cómo evolucionó el universo se han centrado principalmente en el fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación sobrante del Big Bang que existe como una imagen bidimensional que arde en cada rincón del cielo. . Esto puede explicarse mediante un teorema simple que incluye sólo términos lineales, llamado teoría de la perturbación cósmica.
Sin embargo, la creciente capacidad de mapear la red cósmica y el deseo de comprender fenómenos misteriosos como la materia y la energía oscuras, ninguno de los cuales la cosmología actual puede explicar, ha llevado a los físicos a observar directamente la estructura a gran escala de la red cósmica.
Diagrama de puntos de un huracán cósmico
Sin embargo, el mapeo astronómico de estas enormes estructuras es difícil. Las galaxias se crean mediante complejos procesos astrofísicos moldeados por la expansión del universo y el colapso de la materia.
Por ejemplo, efectos no lineales como la virialización (cuando un objeto gravitacional gira en espiral hacia una órbita estable) pueden ocurrir cuando estructuras grandes se acercan unas a otras. Cuando están muy separados, los efectos relativistas de la expansión del universo distorsionan el espacio-tiempo y también alteran las ecuaciones lineales.
«Una buena analogía pueden ser las ondas de agua. Si nuestro universo es un océano, entonces las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas son pequeñas ondas en su superficie. Entonces las galaxias pueden ser tsunamis o huracanes», dijo Mikhail Ivanov a la revista «OkNoticias». «Las ondas del agua se pueden describir fácilmente utilizando la dinámica de fluidos básica desarrollada hace siglos. Esto es esencialmente una teoría de la perturbación cosmológica. Los huracanes no se pueden describir con lápiz y papel, podemos hacer algunos cálculos costosos con simulaciones por computadora, pero son altamente inciertos».
Para superar estas dificultades matemáticas, los investigadores han estado proponiendo una teoría de estructuras a gran escala llamada teoría de campos efectivos (EFT) y han construido varias herramientas estadísticas para ayudarles a analizar cómo interactúan las galaxias.
Cuando las ecuaciones lineales que describen el universo primitivo se descomponen en cualquiera de los extremos de la escala cósmica, EFT suaviza el panorama reduciendo las galaxias a puntos y observando sus posiciones en el universo a las distancias justas, dándonos dos ideas sobre la gravedad. Las descripciones (mecánica newtoniana y relatividad general) se aplican con sólo ajustes menores.
Los teóricos que estudian EFT lo comparan con mirar una pintura de puntillismo: dado el orden de magnitud con el que observamos el universo, podemos verlo claramente; ni demasiado cerca para un caos a pequeña escala, ni demasiado cerca para la relatividad. En términos de distorsión, no puede. No estará demasiado lejos.
Canal View (1894) es una pintura pontillista del pintor holandés-indonesio Jan Toorop. (Fuente de la imagen: Alamy)
Esto brinda a los físicos una nueva y poderosa herramienta para observar el universo, permitiéndoles hacer predicciones comprobables sobre los orígenes más antiguos del universo.
«Estas nuevas ideas podrían generar nuevos casos científicos para futuros estudios de galaxias», dijo Marko Simonovic a LiveScience. «A medida que comiencen a llegar nuevos datos en los próximos años, será sin duda muy emocionante ver qué podemos aprender sobre lo que hay más allá de lo que ya sabemos sobre el universo, y qué sorpresas nos esperan en el camino».
