Periodos postinflacionarios

La energía del universo es tan alta que impide la existencia de protones y neutrones (hadrones), que aparecen disociados como quarks-gluones acompañados de otras partículas como los leptones. La transición quark-hadrón comienza cuando la temperatura es de unos . ( ). Los quarks quedan confinados originando los protones y neutrones y mesones así como sus antipartículas, siendo el número de las ultimas ligeramente inferior al de las primeras. Un fenómeno denominado asimetría de los bariones. Comienza así la era hadrónica durante la cual los nucleones ( protones y neutrones) y antinucleones reaccionan entre ellos en un doble sentido. Realizando procesos de aniquilación entre ambas especies que producen una radiación muy energética ( g ). Y en sentido inverso originando pares a partir de la radiación. Reacciones de equilibrio similares ocurren para las demás partículas,

nucleón + antinucleón « g + g
electrón + positrón « g + g
neutrino + antineutrino « electrón + positrón ( electrón de carga positiva)

Para la creación de pares la temperatura ha de ser más grande que un valor umbral, que es característico de cada partícula. Como el universo se enfría como consecuencia de la expansión, irán alcanzándose sucesivamente las temperaturas umbrales de las diferentes partículas y las reacciones anteriores tendrán lugar únicamente de derecha a izquierda.

Cuando la temperatura del universo desciende a () concluye la formación de pares nucleón-antinucleón. Una gran parte de éstos son destruidos provocando una dramática disminución del contenido de partículas y el incremento simultáneo del contenido de radiación, de fotones, del universo. Sobreviven a este proceso los protones y neutrones que fueron creados en exceso en relación con sus antipartículas. Los neutrinos y electrones, cuya temperatura umbral es más pequeña, continúan participando sin embargo en los procesos de creación-aniquilación.

En un medio caracterizado por la profusión de fotones, neutrinos y electrones, los protones y neutrones residuales mantienen el equilibrio entre ellos por medio de las reacciones reversibles,

protón + electrón « neutrón + neutrino
neutrón + positrón« protón + antineutrino
neutrón « protón + electrón + antineutrino

de manera que el número de neutrones y protones es aproximadamente igual.

Cuando la temperatura es de unos ( t=1s) alcanzan el valor umbral los neutrinos y, poco después, los electrones. Deja de existir equilibrio entre neutrones y protones y la relación entre los números de ambas especies, número de neutrones/ número de protones, queda congelada en un valor que es aproximadamente igual a 0.14

NUCLEOSINTESIS PRIMORDIAL

La creación de los núcleos de elementos pesados es el resultado de una cadena de reacciones nucleares en las que intervienen unos ingredientes básicos. Sin su presencia esta tarea es imposible. Uno de ellos es el deuterio, cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón, a diferencia del hidrógeno, que posee un único protón. Este isótopo está producido por reacciones en las que intervienen neutrones y protones. Sin embargo cuando las temperaturas son superiores a los ( t = 3 s) estas reacciones son reversibles,

neutrón + protón « deuterio + g

de forma que el deuterio es destruido inmediatamente después de ser creado. Cuando la temperatura alcanza los ( t = 200s ) la reacción anterior ocurre únicamente de derecha a izquierda y el deuterio queda estabilizado. Esta situación favorece la formación de núcleos más pesados, en particular de helio, mediante un conjunto de reacciones ( Fig. 2 ) de las que citamos solamente algunas de ellas:

protón + neutrón Þ deuterio + g
deuterio + protón Þ helio-3 + g
deuterio + neutrón Þ tritio + g
tritio+ protón Þ helio + g
helio-3 +neutrón Þ helio + g

Figura 1.- Separación de las cuatro fuerzas fundamentales. El diagrama esquematiza los sucesivos desacoplamientos de las fuerzas en función de la temperatura indicada en el eje de las ordenadas.

El núcleo de helio-3 contiene dos protones y un neutrón. Es un isótopo de helio constituido por dos protones y dos neutrones. Las reacciones del helio con el deuterio, tritio producirán núcleos de litio, berilio, pero en cantidades muy pequeñas. La nucleosíntesis primordial no produce elementos más pesados. Serán las reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas las encargadas de producir los elementos restantes.

Al final del periodo de nucleosíntesis, la fracción de la materia que está bajo la forma de núcleos de helio es aproximadamente,

siendo A el número másico del núcleo, que está definido por la suma de los números de neutrones y protones que contiene y que es igual a la unidad para estas dos partículas.

De manera que el 25% de la materia creada fue helio. Esta relación permanecerá practicamente inalterada hasta nuestros días y constituye una de las predicciones más sobresalientes de la cosmología estándard. Y es que cuando observamos estrellas o galaxias y calculamos su abundancia de helio, encontramos siempre un valor que supera el 25% en masa. No importa cuales sean sus propiedades y edad. En este sentido es conveniente señalar los esfuerzos realizados para descubrir galaxias muy jóvenes que estén muy poco contaminadas por la nucleosíntesis estelar. Vamos a comentar a continuación este punto.

El efecto principal de la nucleosíntesis estelar es la producción de elementos que son luego arrojados al medio interestelar en el curso de la evolución de la estrella. Fundamentalmente gracias a mecanismos como el viento estelar o la explosión de supernovas. Así, un gas que inicialmente tenía una composición primordial, es enriquecido en elementos ligeros pero también en elementos pesados que constituyen un indicador de la contaminación experimentada. Cuando más baja sea ésta, más cercana será la medida de la abundancia de helio al valor predicho por la teoría.

Otro de los resultados importantes relacionados con la nucleosíntesis primordial concierne a materia ordinaria o bariónica, esto es la que tiene como ingredientes básicos los nucleones. Recordemos, del tema IV (cosmología (1), que la densidad media del universo, simbolizada por W , es el cociente entre la densidad de materia observada y una densidad crítica calculada a partir de los modelos de la cosmología estándard. Pues bien, la nucleosíntesis primordial establece que la contribución de la materia ordinaria no puede superar el 15% (W (bariónica) menor o igual que 0.15 ) . Sin embargo el análisis dinámico de los cúmulos de galaxias conduce a valores de W que son del orden 30%. Este resultado y otros análogos prueban no sólo la existencia de materia obscura, sino que esta puede ser además predominantemente no bariónica.

Por otro lado la radiación de fondo en microondas presenta una pequeñas anisotropías que solo pueden ser explicadas por la existencia en el universo de una gran cantidad de materia obscura no ordinaria.

La materia obscura ordinaria está constituida por agujeros negros de tamaño estelar y por otros, mucho más masivos, de los que existen evidencias en algunas galaxias. Así mismo por objetos planetarios, estrellas marrones, etc. La naturaleza de la materia obscura no ordinaria es mal conocida y por ello es un sujeto activo de investigación en la actualidad. Se supone que la forman una partículas englobadas bajo la denominación de wimps, partículas masivas débilmente interactuantes. De confirmarse que los neutrinos tienen masa, serían los candidatos más adecuados a materia obscura no ordinaria, obligando a revisar la descripción actual del universo que, como sabemos, está basada en la observación de la radiación electromagnética.