Los atomos también confirman el Big Bang

Big Bang confirmado nuevamente, esta vez por los primeros átomos del universo Comenzó con un estallido El Universo está ahí, esperando a que lo descubras Nuestros telescopios más potentes pueden mirar hacia atrás en el Universo ultra distante, pero sólo pueden ver las nubes prístinas de gas si hay una fuente de luz muy, muy distante más allá para iluminarlos. Crédito de la imagen: NASA Por Ethan Siegel para Forbes Julio 11 de 2017 Las opiniones de los Colaboradores de Forbes son exclusivamente de ellos El Big Bang es la principal teoría sobre el origen de nuestro Universo. El Universo era más caliente, más denso, más uniforme y más pequeño en el pasado, y es tan vasto como lo es hoy debido a la estructura del espacio en expansión. Esta idea fue extremadamente polémica durante muchas décadas, hasta que se descubrieron y midieron observaciones detalladas del resplandor sobrante de esa bola de fuego caliente y temprana, en acuerdo extraordinario con las predicciones del Big Bang. Pero hay otra predicción que hizo la teoría: que en los primeros minutos del Universo se crearían cantidades exactas de hidrógeno, deuterio, helio y litio. Esas relaciones predichas son fijadas por la física y no negociables, pero difíciles de medir. Gracias a las nuevas observaciones, se miden las proporciones de helio y deuterio, confirmando de nuevo el Big Bang. El Universo primitivo estaba lleno de materia y radiación y era tan caliente y denso que los quarks y gluones presentes no se formaban en protones y neutrones individuales, sino que permanecieron en un plasma de quark-gluón, con partículas de materia y antimateria por todas partes. Crédito de la imagen: RHIC collaboration, Brookhaven Aquí es donde estos elementos vinieron. En las primeras etapas del Universo, había materia, antimateria y radiación, todas volando y chocando a energías extraordinariamente altas. A medida que el Universo envejece, se expandió y se enfrió, y la materia y la antimateria comenzó a aniquilar a distancia más rápido que los nuevos pares de partículas y antipartículas se podrían crear. La materia sobrante incluía protones, neutrones, electrones y neutrinos, que podrían experimentar reacciones gracias a la fuerza nuclear débil. En particular, los protones y los neutrones podrían convertirse uno en otro: un protón más un electrón daría lugar a un neutrón y un neutrino, y viceversa. Pero los neutrones son más pesados que los protones y los electrones combinados, de modo que cuando el Universo se enfría, terminamos con más protones que los neutrones. En el Universo primitivo, cuando todo está muy caliente, los neutrones y los protones pueden interconectarse muy rápidamente; El Universo joven es 50% de protones y 50% de neutrones. Pero a medida que se enfría, se hace más difícil hacer neutrones a partir de protones, pero todavía es fácil hacer protones a partir de neutrones, inclinando las escalas a favor de los protones significativamente, pero no completamente. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy En este punto, el Universo habría amado formar elementos más pesados a través de la fusión, pero cualquier núcleo compuesto que se formó de inmediato se hizo explotar por toda la radiación que los rodea. El Universo necesita enfriarse — y la radiación necesita perder suficiente energía — para que estos núcleos se estabilicen. El primer núcleo que se puede formar es deuterio: hecho de un protón y un neutrón. Pero el deuterio es frágil, y tarda más de tres minutos para que el primer deuterio se forme establemente en el Big Bang. Durante este tiempo, los neutrones libres, que son inestables, no tienen más remedio que decaer. Por el tiempo se puede formar deuterio, el Universo es de alrededor de 87-88% de protones y sólo 12-13% de neutrones. Desde el principio con sólo protones y neutrones, el Universo acumula helio-4 rápidamente, con cantidades pequeñas pero calculables de deuterio y helio-3 restantes también. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy Pero una vez que estás lo suficientemente fresco para hacer eso, una reacción en cadena se produce. Casi todos los neutrones entran en la fabricación de helio-4: un núcleo con dos neutrones y dos protones. Una pequeña cantidad - unas pocas milésimas de un por ciento - permanece en forma de deuterio (hidrógeno-2) y helio-3, junto con unas pocas millonésimas de un por ciento en litio. Las predicciones dependen de un solo parámetro: la relación de fotones a nucleones (protones más neutrones) en el Universo. Ese parámetro se midió con precisión a principios de 2000 por WMAP, y fija las proporciones de hidrógeno a todos estos otros elementos e isótopos. Las abundancias de helio, deuterio, helio-3 y litio-7 dependen en gran medida de un solo parámetro, la proporción barión-fotón, si la teoría del Big Bang es correcta. Crédito de la imagen: NASA, WMAP Science Team and Gary Steigman Entonces, la cuestión se trataba de medir estas cantidades en el Universo. La parte difícil es encontrar estos átomos en su estado original prístino: el gas que nunca ha estado expuesto a las regiones que forman las estrellas. Esto es notoriamente difícil, debido al hecho de que la única manera en que podemos observar qué tipo de átomos tenemos es cuando emiten o absorben luz ... ¡para lo que necesitamos estrellas! Así que tenemos que tener suerte. Necesitamos átomos neutros y prístinos para existir entre nosotros y una fuente de luz distante, como una galaxia brillante, joven o un cuásar. Esto puede ser raro, pero el Universo es un lugar grande. Teniendo suficientes oportunidades, a veces tenemos suerte. Un cuasar ultra-distante encontrará nubes de gas en el viaje de la luz a la Tierra, permitiéndonos medir todo tipo de parámetros, incluyendo abundancias de absorción. Crédito de la imagen: Ed Janssen, ESO El helio es bastante fácil de medir, pero problemático porque es tan insensible. Claro, sabemos que el Universo, a partir de las observaciones, tiene entre 23.8% y 24.8% de helio en las primeras etapas, pero eso no ayuda mucho; Los errores son grandes en comparación con las diferentes predicciones teóricas de diferentes razones. Pero el deuterio no es sólo sensible, finalmente se ha medido bien! El primer gran salto para el deuterio se produjo en 2011, cuando el equipo de Michele Fumagalli, John M. O'Meara, y J. Xavier Prochaska descubrió dos muestras de gas prístino de 12 millones de años en el pasado, alineados con los cuásares. Lo que encontraron fue espectacular: dentro de los errores de medida, las predicciones y las observaciones acordadas. El jet de rayos X más distante del Universo, desde el quasar GB 1428, se encuentra a 12.400 millones de años luz de la Tierra. Cualquier gas intermedio a lo largo de esa línea de visión absorberá la luz, permitiéndonos detectar su relación deuterio-hidrógeno. Crédito de la imagen: X-ray: NASA/CXC/NRC/C.Cheung et al; Optical: NASA/STScI; Radio: NSF/NRAO/VLA Pero más datos acaba de entrar! Dos nuevas mediciones, en un documento que acaba de salir de Signe Riemer-Sørensen y Espen Sem Jenssen, de diferentes nubes de gas alineadas con un cuásar diferente nos han dado nuestra mejor determinación de la abundancia de deuterio justo después del Big Bang: 0,00255%. Esto se compara con la predicción teórica del Big Bang: 0,00246%, con una incertidumbre de ± 0,00006%. Para dentro de los errores, el acuerdo es espectacular. De hecho, si se suman todos los datos de las mediciones de deuterio tomadas de esta manera, el acuerdo es indiscutible. Ahora hay muchas observaciones independientes del gas prístino poco después del Big Bang, mostrando las cantidades sensibles de deuterio relativas al hidrógeno. El acuerdo entre la observación y las predicciones teóricas del Big Bang es otra victoria para nuestro mejor modelo de origen del Universo. Crédito de la imagen: S. Riemer-Sørensen and E. S. Jenssen, Universe 2017, 3(2), 44 Si algo pudiera poner el Big Bang en crisis, sería si una muestra verdaderamente prístina de gas no estuviera de acuerdo con las predicciones de cómo deberían salir los elementos. Pero todo se alinea tan increíblemente bien, entre la teoría de lo que debemos observar sólo tres o cuatro minutos después del Big Bang y las observaciones que hacemos miles de millones de años más tarde, que sólo puede considerarse una confirmación notable de los más exitosos Teoría del universo nunca. Desde las más pequeñas partículas subatómicas hasta las más grandes escalas cósmicas y estructuras, el Big Bang explica una enorme serie de fenómenos que ninguna otra alternativa puede tocar. Si alguna vez quieres reemplazar el Big Bang, vas a tener que explicar algunas observaciones tremendamente dispares, desde el fondo de microondas cósmico hasta la expansión de Hubble a los primeros átomos en el Universo. El Big Bang es la única teoría que puede hacernos los tres, y ahora los ha conseguido con mayor precisión que nunca. ―――――――――――――――――――――― With a little help from Google Translate for Business