Entender la infancia del universo puede depender de algo que quizá resulte sorprendente: saber cuál es el tiempo de vida de los neutrones. Algo tan común puede ser una pieza clave para poder comprender cómo se desarrollaron los primeros instantes del universo, tras el Big Bang…

La infancia del universo todavía es visible

Ya sabemos que, al mirar al cielo, vemos el pasado. En ese pasado, cuanto más nos alejamos, vemos que el cosmos era más cálido y denso que en la actualidad. Si nos adentramos lo suficiente en el pasado del cosmos, llegaremos a encontrarnos con la radiación de fondo de microondas. Ese punto marca, literalmente, el límite de hasta dónde podemos ver en el pasado del universo. Dicho de otra manera, si lo preferimos, marca hasta dónde llega el universo observable, desde nuestro punto de vista en nuestro planeta, en la Tierra.

los neutrones para entender la infancia del universo
Esta es la radiación de fondo de microondas. La imagen muestra un rango de temperaturas de sólo ± 200 microKelvin. Crédito: NASA/WMAP Science Team

La radiación de fondo de microondas, sin embargo, no es lo más viejo del universo. Se emitió cuando el cosmos tenía unos 380 000 años. No es posible observar antes de eso. Gran parte del período anterior está bien entendido gracias a la comprensión que tenemos por la física. Pero los primeros momentos de la infancia del universo, justo después del Big Bang, sigue siendo algo misterioso. Según el Modelo Estándar, en los primeros momentos, el universo era tan denso, y caliente, que incluso las fuerzas fundamentales funcionaban de otra manera.

Para entender mejor el Big Bang, es necesario entender mejor esas fuerzas. Una de las más complicadas es la interacción nuclear débil. A diferencia de fuerzas más familiares, como la gravedad o el electromagnetismo, la interacción nuclear débil se ve a través de la radiactividad. Así que es posible estudiar la interacción nuclear débil midiendo el ritmo al que se degradan las cosas. Los neutrones, en este sentido, resultan un problema. Junto a los protones, forman el núcleo de los átomos que nos rodean. Dentro de un núcleo atómico, los neutrones pueden ser muy estables…

La inestabilidad de los neutrones

Sin embargo, un neutrón por sí mismo es todo lo contrario. Se degrada en apenas unos minutos. El ritmo de degradación de los neutrones se suele indicar por su vida media. Es decir, el momento en el un neutrón tiene una posibilidad de un 50% de degradarse. Hay varias formas de medir la vida media de un neutrón. Por ejemplo, medir un haz de neutrones. O enfriarlos y atraparlos en una botella magnética. El inconveniente es que cada método da un resultado diferente para la vida media de los neutrones. No debería ser así.

Cada técnica debería dar, como ya sospecharemos, el mismo resultado. En el caso del método del haz de neutrones, la vida media del neutrón es de 888 segundos. En el método de la botella magnética, se obtiene una vida media de 879 segundos. Puede que se deba a un error sistemático en los métodos que se utilizan. Pero esa discrepancia es un problema para la física. Ahora, se ha publicado un estudio en el que se lleva a cabo una nueva estimación de la vida media del neutrón. Lo han hecho con un tercer método, una nave orbitando a la Luna.

La superficie de la Luna recibe, constantemente, un bombardeo de rayos cósmicos. A veces, un rayo cósmico expulsará a un neutrón de la superficie del satélite. Mientras el neutrón se aleja de la Luna, tiene una posibilidad de degradarse. Así que los investigadores recurrieron al satélite Lunar Prospector de la NASA. Contaron la cantidad de neutrones en diferentes alturas orbitales. Es decir, a diferentes distancias de la Luna. A partir de esos datos, calculan el tiempo de vida media de un neutrón y obtiene una cifra de 887 segundos.

La infancia del universo puede entenderse mejor… si se consigue dar con la cifra clave

Aunque es muy interesante, por desgracia, el resultado no es lo suficientemente preciso como para resolver el dilema. La discrepancia en la vida media del neutrón no queda resuelta con este estudio. Pero sí permite ver que se puede utilizar una sonda espacial para obtener resultados más precisos. En el futuro, cabe suponer que se llevarán a cabo nuevos intentos para obtener una estimación más certera. Por lo que, tarde o temprano, se puede esperar que se llegue a un único valor. Cuando se consiga, irónicamente, se podrá entender mejor el pasado.

En esta imagen se muestra la ubicación de la galaxia GN-z11. La vemos tal y como era hace 13.400 millones de años. Crédito: NASA, ESA, P. Oesch, G. Brammer, P. van Dokkum, y G. Illingworth

A fin de cuentas, uno de los grandes retos de la astronomía moderna es, precisamente, entender mejor la infancia del universo. Hasta la radiación de fondo de microondas, todo está bien entendido (o bastante bien) porque se puede observar. Los telescopios han permitido detectar las galaxias más lejanas de la Tierra. Galaxias que observamos tal y como eran apenas unos cientos de millones de años tras el Big Bang. Algo que permite profundizar, por ejemplo, en cómo han evolucionado las galaxias durante miles de millones de años.

Pero tras la radiación de fondo de microondas no hay forma alguna de observar lo que sucedió. Se ha planteado que se debería poder detectar las ondas gravitacionales producidas en el Big Bang. Sería tremendamente útil para entender cómo fueron esos primeros instantes (que se describen gracias a la comprensión que tenemos de la física en la actualidad). En los próximos años, seguramente, veremos intentos en ambos sentidos. Tanto para captar esas ondas gravitacionales como para medir mejor la vida media del neutrón. O lo que es lo mismo, con más conocimiento obtendremos más respuestas.

Estudio

El estudio es J. Wilson, D. Lawrence, P. Peplowski et al.; «Measurement of the Free Neutron Lifetime using the Neutron Spectrometer on NASA’s Lunar Prospector Mission». Puede consultarse en arXiv, en este enlace.

Referencias: Universe Today