El verdadero principio del Universo es algo que se escapa a nuestro conocimiento. De hecho, poniéndonos filosóficos, podríamos decir que ni siquiera sabemos con certeza si verdaderamente hubo un inicio. Lo que sí podemos asegurar, abusando un poco del lenguaje, es que el universo conocido nace a partir de un estado sumamente denso, sumamente concentrado, que, tras una primera fase de expansión que se supone ultra acelerada, retoma un ritmo de dilatación más calmado pero continuo, hasta llegar finalmente al estado que presenta en la actualidad.
Justo tras esa fase inicial de rápida expansión (conocida como inflación), de las tres categorías en las que podemos englobar los ingredientes que componen el Universo (radiación, materia y energía oscura, véase por ejemplo El Modelo Cosmológico Estándar), la radiación toma las riendas y dirige el futuro del Cosmos. Su hegemonía no dura mucho, apenas unos miles de años, un período extremadamente pequeño en comparación con la edad del Universo (no muy diferente a lo que dura un parpadeo si lo comparamos con toda una semana), pero suficientemente largo para que el Universo sufra cambios que marquen su futuro.
Muchos de estos cambios, de hecho, ocurren en el transcurso de apenas unos minutos desde el Big Bang. En cierto modo, resulta perturbador pensar que el destino del Universo fue escrito, al menos en gran parte, en menos tiempo del que nosotros empleamos en comernos un bocadillo.
¿Qué puede suceder en un lapso de tiempo tan pequeño y ser tan importante? Nada menos que procesos como el desacoplamiento de los neutrinos, la aniquilación de pares electrón-positrón (e⁻e⁺) o la nucleosíntesis primordial (figura 1).
El evento que aquí nos interesa, el desacoplamiento de los neutrinos, fue fundamental porque determinó la cantidad de radiación que hubo en el universo primitivo, y con ello la velocidad de expansión cosmológica en aquella época. De haber tenido el Universo una velocidad de expansión diferente, tanto su evolución como su estructura actual habrían cambiado irremediablemente.
La aniquilación de pares electrón-positrón jugó también un papel importante a la hora de fijar dicha cantidad de radiación primitiva, pero este proceso lo explicaremos en una nueva entrada del blog, en la que también hablaremos sobre el número efectivo de neutrinos.
Asimismo, el último proceso mencionado en la figura 1, la nucleosíntesis primordial, lo dejaremos pendiente para otra ocasión. Pero que aquí juegue un papel de figurante no significa que no sea un fenómeno de máxima importancia, ya que la nucleosíntesis primordial es el proceso que dio lugar a la formación de los primeros núcleos atómicos, especialmente los de elementos ligeros como el hidrógeno y el helio, que posteriormente darían lugar a las primeras estrellas.
El desacoplamiento de los neutrinos
Para entender en qué consiste el desacoplamiento de los neutrinos, imaginemos el Universo como una inmensa pista de baile llena de gente a rebosar, gente que baila o se desplaza de una punta a otra del local en busca de nuevas parejas con las que moverse al ritmo de la canción cósmica. Debido a las altas temperaturas, el universo temprano (es decir, el Universo durante los primeros minutos tras el Big Bang) se parece bastante a esta pista de baile, donde conviven mayormente neutrinos, fotones, electrones y positrones.
La pista está tan llena que es imposible no encontrar pareja, e incluso los bailarines (partículas) más indecisos, que se desplazan más lento hacia sus acompañantes, no consiguen evitar el baile.
Ahora imaginemos que el suelo de la sala comienza a dilatarse, como un chicle que se estira, al principio poco a poco, pero enseguida a un ritmo más y más rápido. Los bailarines descubren de pronto que necesitan recorrer más distancia para encontrarse con sus próximas parejas, ya que la distancia que los separa crece por momentos conforme la superficie del suelo se expande. Como la expansión de nuestro ejemplo sucede cada vez más deprisa, aquellos bailarines con menor motivación no llegan a alcanzar nunca a sus nuevos compañeros, a los que ven alejarse sin remedio debido a que sus ganas de bailar no los acercan con la suficiente rapidez como para vencer la expansión del suelo. Llegado este punto, podríamos decir que los bailarines desmotivados se han desacoplado del resto, y se ven obligados a moverse en solitario en una pista que se les queda cada vez más grande.
La figura 2 muestra un esquema de la expansión del Universo y el consecuente desacoplamiento de una partícula.
El tamaño de los círculos de la figura 2 indica el volumen del Universo en distintos instantes, y los diferentes colores muestran dos tipos de partículas (bailarines, según nuestro ejemplo): en azul aquellas que interactúan (bailan) con dificultad, y en rojo las que lo hacen más fácilmente. El tamaño de las líneas simboliza la capacidad de interacción de las partículas, de modo que si dos o más líneas se cortan, las correspondientes partículas podrán interactuar en algún momento.
Al principio, cuando el Universo es muy joven y su tamaño es pequeño (es decir, su temperatura y su densidad son muy altas), tanto las partículas rojas del dibujo como las azules interactúan (primer círculo). Sin embargo, en cuanto la expansión del Universo supera cierto límite, vemos que tan solo las líneas rojas se encuentran (tercer círculo). Llegado este momento, las partículas azules han perdido el contacto con sus compañeras de baile y se han desacoplado. Nótese que el aumento de espacio debido a la expansión ocurre por igual en toda la superficie del círculo, de manera que la posición relativa de cada partícula dentro del mismo no cambia, así como tampoco lo hace el tamaño de las líneas.
En el universo real los neutrinos se desplazan, por lo que su posición debería cambiar dentro del círculo. Por otro lado, el tamaño de las líneas tampoco debería ser invariable, sino que tendría que decrecer conforme disminuye la temperatura del Universo. A efectos prácticos, no obstante, podemos considerar que las partículas están fijas en el espacio.
Pese a todo, nuestro ejemplo falla en un par de conceptos clave (pero intencionados) que usaremos para aclarar unos detalles que pueden ser confusos cuando se habla de la expansión del Universo y del desacoplamiento de una partícula.
En primer lugar, la velocidad de expansión del Universo no aumenta durante la época en la que transcurre el desacoplamiento de los neutrinos (como asumimos que ocurre con el suelo de la pista de baile en el ejemplo), sino que la expansión del verdadero universo decrece poco a poco en esa época. De este modo, cuando alguien dice que el Universo se expande de manera acelerada, o bien se está refiriendo a la época actual, o bien a la hipótesis de un período de inflación que pudo haber tenido lugar antes de que hubiera transcurrido siquiera un segundo después del Big Bang. Tras ese instante de inflación, el ritmo de expansión del Universo fue decreciendo hasta tiempos muy recientes, incluyendo la época en la que sucedió el desacoplamiento de los neutrinos.
En segundo lugar, los neutrinos reales no son precisamente los bailarines más lentos de la sala (como asumimos en nuestro ejemplo), sino que se desplazan a velocidades cercanas a la de la luz durante todo el lapso de tiempo que dura su desacoplamiento.
En realidad, lo que determina que un neutrino interactúe (baile) con otra partícula no es la velocidad a la que se mueve, sino su energía y el tipo de interacción que comparte. Los neutrinos interactúan mediante la fuerza nuclear débil, que en nuestro ejemplo viene a decirnos que son los bailarines más apáticos de la fiesta. Sí, es cierto que avanzan muy rápido, pero rara vez se paran a entablar conversación y menos aún a bailar con quien se cruza en su camino. Además, si bien hemos desvelado que la pista se dilata a un ritmo cada vez menor, no deja de expandirse, y conforme lo hace disminuye la energía de los neutrinos, cuya apatía aumenta a un ritmo aún más alto de lo que se frena la expansión de la sala.
Y este es precisamente el motivo por el que se produce el desacoplamiento de los neutrinos. No se trata de que el universo temprano (la pista de baile del ejemplo) se expanda a un ritmo acelerado. Lo importante es que llega un momento en el que dicha expansión sucede a un ritmo superior (a pesar de estar disminuyendo) que la frecuencia con la que los neutrinos interactúan con otra partícula, lo que provoca que sus interacciones sean cada vez menos frecuentes, hasta el punto de llegar a ser efectivamente inexistentes. Esto provoca el mismo efecto que se tendría si la pista de baile (el Universo) se expandiera cada vez más rápido.
En definitiva, el desacoplamiento de los neutrinos es el proceso por el cual los neutrinos primordiales, aquellos que existieron cuando el Universo era muy joven, perdieron el contacto con las demás partículas del plasma cósmico en el convivían. Esto se debe a la expansión del Universo, que diluyó la energía promedio de los neutrinos (y con ello su capacidad de interactuar, que depende de su energía) a un ritmo mayor que el de frenado de la propia expansión.
A día de hoy, dichos neutrinos siguen a nuestro alrededor. De hecho, se los conoce como neutrinos reliquia por ser los más antiguos del Universo, ya que son apenas unos segundos más jóvenes que el Big Bang. Pero su capacidad de interacción se ha visto mermada hasta tal punto que ni con la ayuda de la tecnología más puntera somos capaces de capturarlos. Aunque sabemos que están ahí por cómo ha afectado su presencia a la evolución del Universo, su detección directa sigue siendo una asignatura pendiente.
