Dado que el CMB es lo más antiguo que podemos ver, ¿cómo sabemos con certeza qué sucedió antes del CMB?

Tiene toda la razón en que no podemos ver lo que sucedió antes del CMB (esta vez se conoce como recombinación ), pero esto no es inusual en Física. Por ejemplo, no podemos ver lo que sucede en las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones. Todo lo que podemos ver son los escombros que salen volando de las colisiones. Pero entendemos la física involucrada, por lo que al medir las propiedades de los escombros podemos calcular qué sucedió en la colisión. Así fue como se descubrió el bosón de Higgs. No se observó directamente, pero su existencia se demostró mediante mediciones precisas de las partículas que podemos detectar.

Y lo mismo se aplica al universo. El CMB son los desechos que salieron volando del Big Bang, por lo que al medir las propiedades del CMB podemos calcular lo que sucedió en ocasiones antes de la recombinación.

La pregunta obvia es cómo sabemos que nuestros cálculos son correctos. La forma en que abordamos esto es intentar calcular lo mismo de diferentes maneras. Por ejemplo, los bosones de Higgs se pueden detectar de varias maneras diferentes, y si esas diferentes medidas dieran masas diferentes para el bosón de Higgs, sabríamos que al menos algunos de nuestros cálculos deben ser incorrectos. Esto es más difícil para el universo ya que solo tenemos un universo y la creación del universo no es un experimento que podamos repetir. Pero aún podemos verificar varios cálculos diferentes y al menos asegurarnos de que sean consistentes, que es exactamente lo que se hace.

La recombinación ocurrió unos 370000 años después del Big Bang y, de hecho, las propiedades físicas del universo en este momento son fáciles de entender. La densidad y la temperatura están en el rango que podemos recrear en el laboratorio, por lo que podemos probar directamente las propiedades del plasma en estas condiciones. De hecho, incluso desde la nucleosíntesis , que ocurrió solo unos minutos después del Big Bang, todavía entendemos bien la física a partir de experimentos.

Por ejemplo, mencionas un tiempo$10^{-12}$segundos después del Big Bang, y este tiempo normalmente se toma como el final de la época electrodébil . A partir de este momento, las interacciones entre partículas en el universo ocurren a energías que se pueden probar en colisionadores para que podamos determinar experimentalmente qué estaría sucediendo a partir de este momento. Por cierto, la temperatura en este momento era más como$10^{15}$K que$10^{12}$k

Pero ciertamente es cierto que a medida que retrocedemos hacia el Big Bang, llega un punto en el que la densidad y la temperatura superan cualquier cosa que podamos estudiar experimentalmente, y podemos estar menos seguros de lo que sucedió entonces. Esta sigue siendo un área activa de investigación.

No es lo más antiguo que podemos ver.

La mayoría de los núcleos de hidrógeno, helio y deuterio que existen ahora en el universo se crearon en el período de tiempo entre unos pocos segundos y unos 15 minutos después del Big Bang.

La abundancia de estos núcleos en el universo es una prueba directa de las condiciones físicas y la evolución temporal de esas condiciones en la época de la nucleosíntesis primordial.

El único parámetro libre importante en el modelo estándar del Big Bang, en lo que se refiere a estas abundancias, es la proporción de bariones a fotones, que a su vez se puede encontrar a partir de las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas formado cientos de miles de años después.

Existe una concordancia completa en las abundancias primordiales estimadas de He y D. Espectacularmente precisamente en el caso de D, donde la abundancia primordial es bastante sensible a las condiciones nucleosintéticas y la abundancia primordial se puede estimar con precisión.

Sin embargo, aparte de esto, está el hecho de que no necesitamos ver algo para saber qué ha ocurrido. El fondo cósmico de microondas y las fluctuaciones dentro de él son la consecuencia de eventos que ocurrieron en épocas anteriores. A menos que uno quiera abandonar el razonamiento físico, entonces no hay dificultad en aceptar que el fondo cósmico de microondas y su temperatura que evoluciona con el tiempo (que ha sido medida) es una evidencia muy fuerte de que el universo era mucho más denso y caliente en el pasado, con todas las consecuencias físicas que ello implicaría.

Por supuesto que puedes llevar eso demasiado lejos. Hay detalles de la física misma que son mal entendidos antes de$10^{-12}$s, aunque cosas como la relación de bariones a fotones, medida en el CMB, codifican la misteriosa asimetría materia/antimateria y permiten que se pruebe; aunque no se pueda "ver".

pero publicar$10^{-12}$s la física se entiende razonablemente, por lo que si tenemos una buena idea de cuáles son las condiciones en el período de unos pocos segundos después del big bang (desde la nucleosíntesis primordial) y unos cientos de miles de años después del big bang (desde el CMB) , entonces podemos extrapolar razonablemente a$10^{-12}$s.

De la misma manera que si sigues la parte final de la trayectoria de un proyectil lanzado, es perfectamente razonable medir esa trayectoria y seguirla para identificar dónde fue el sitio de lanzamiento.

¡Interesante pregunta! Déjame ver si puedo arrojar algo de luz con una analogía. Por cierto, me referiré a la respuesta de John en algunos puntos.

Estudiar o investigar en astronomía es muy parecido a la investigación criminal. Tienes el crimen, buscas pistas que se utilizan para reconstruir los eventos del crimen. Aquí tenemos un crimen, la construcción del universo, con pistas esparcidas aquí y allá. Una de las pistas más conocidas es el CMB, y la pista más antigua que podemos encontrar (o hemos encontrado, más sobre esto más adelante). Como nos dice John, podemos recrear esta pista y ver lo que sigue. Una deducción natural. Pero, ¿podemos trabajar hacia atrás a partir de esta pista, lo que lleva al crimen?

Trabajando hacia atrás, necesitamos un método que cree el CMB. Tenemos una teoría, que en un momento la materia se acopló a la luz, el universo era opaco y exactamente 380.000 años después, se desacoplaron y la luz finalmente fue libre para viajar por el universo, y esto es lo que vemos como el CMB. ¿Es esto correcto? Probablemente, y Sherlock les dirá, que por el equilibrio de la probabilidad, es más probable que posible porque el espectro del cuerpo negro y las anisotropías del CMB predichas por esta teoría coinciden muy precisamente con lo que se observa. ¡Hemos dado un paso muy importante!

Ahora, ¿cómo es que se desacoplaron? Debido a que en este momento ocurrió la "recombinación", los electrones y los protones formaron hidrógeno, que era transparente a la luz. ¡Voila!

Pero antes de esto? Nucleosíntesis, lo sabemos porque una vez más, balance de probabilidad y experimentos. ¿Antes de esto? Formación de protones y neutrones y otras partículas subatómicas compuestas. Y finalmente antes de esto, esperamos el CvB (Cosmic neutrino Background), cuando los neutrinos se desacoplaron de la materia. Estamos tratando de observar CvB para ver si estamos en el camino correcto.

Yendo más atrás...

Aquí tenemos, como vuelve a mencionar John, el final de la época electrodébil. Ya que él menciona esto, vayamos y veamos si podemos rastrearlo más atrás. Aquí nos encontramos con problemas. Hay varias formas de llegar a esta etapa. ¿Cual es correcta?

He aquí una analogía que nos dice lo que podemos hacer ahora mismo. Las notas de Watson sobre Sherlock dicen: "Casi caigo en el error de suponer que estabas escribiendo a máquina. Por supuesto, es obvio que es música. ¿Observas la punta del dedo espátula, Watson, que es común a ambas profesiones? Hay un espiritualidad en el rostro sin embargo... que la máquina de escribir no genera. Esta señora es música".

Nuestra pista es que tenemos que llegar al final de la época electrodébil, este es nuestro "extremo del dedo espátula". Y por lo tanto creamos teorías, nuestras "máquinas de escribir" y "músicos", todos los cuales predicen esto. Pero nos falta nuestra "espiritualidad sobre el rostro", y esto es lo que estamos tratando de encontrar, y lo que John menciona como "un área activa de investigación".

Hay una cosa que me viene a la mente. Hay una teoría que establece que el universo comenzó como la colisión de dos "branas", en oposición a una inflación repentina a partir de un punto de energía (o incertidumbre, que nuevamente es discutible). Los investigadores dicen que pueden resolver esto observando las ondas gravitacionales formadas durante ese evento. Si son lo suficientemente leves, entonces la primera teoría gana credibilidad, si no, entonces la segunda.

Así es como funciona la astronomía. Investigación Criminal.