• MOTIVACIÓN

Uno de los problemas que enfrenta la Astronomía moderna es el de la Formación de las Galaxias.   Ya que una descripción más detallada se presenta en el link anterior,  resumiremos aqui sólo el proceso "global",  el cual está basado en el siguiente escenario (el cual presentaremos de manera extremadamente simplificada, pues involucra muchos procesos complicados, tales como flujos e hidrodinámica no-lineal, viscosidad y arrastre gravitacional, colapso gravitacional no-lineal, evolución y trayectorias caóticas, modelos de simulación por computadoras, etc., lo cual está fuera del propósito de este artículo meramente divulgativo):
empezaremos con una gigantesca nube de material primario (hidrógeno, helio), la cual es una estructura ya formada. Debido a que la densidad de materia (o sea, la cantidad de materia que hay en un determinado volúmen, la cual se expresada como gramos por centímetro cúbico o kilogramos por centímetro cúbico o por toneladas por metro cúbico, etc.) de la nube no es uniforme, ésta con el paso del tiempo empieza a fragmentarse en regiones no uniformes cada vez más pequeñas. Cada región evoluciona bajo la conducción del colapso gravitacional; comienzan a contraerse para ir formando las protoestrellas y luego las primeras estrellas. Tales procesos no ocurren de manera simultánea en toda la nube original, sino que unas regiones se convierten en estrellas más rápido que otras. Las estrellas recien formadas comienzan, a su vez, a generar y a emitir energía, la cual afecta o no a otras regiones de la nube o a protoestrellas vecinas de una manera significativa. Estos procesos continúan hasta que todas las regiones de la nube,  las protoestrellas y las nuevas estrellas así formadas comienzan a aglomerarse cada vez más hasta formar una galaxia [espiral o elíptica o irregular, dependiendo del modelo teórico usado].

El problema con este escenario radica en lo siguiente. El modelo del Big Bang está basado en lo que se conoce como Principio Cosmológico, el cual establece que el Universo es Homogéneo e Isotrópico a grandes escalas. Esto significa que:      al principio de la expansión del Universo, la materia debió estar distribuida de una manera extremadamente uniforme, lo que se traduce en que la gravedad entre diferentes regiones del Universo estaba balanceada de tal manera que ninguna región atraía gravitacionalmente a otra para formar estructuras más compactas que sus alrededores y crear así inhomogeneidades, o sea, no-uniformidad en la distribución de materia.

Es obvio que de un modelo con tal característica no pueden surgir estructuras tales como estrellas y galaxias, por lo que es necesario que existan inhomogeneidades a escalas lo suficientemente pequeñas como para no entrar en contradicción con el Principio Cosmológico.   En el modelo del Big Bang se introducen tales inhomogeneidades a mano, sin ninguna "causa" que las origine.   Sin embargo, al calcular el tiempo requerido para la formación de estructuras a partir de tales inhomogeneidades, como la nube mencionada anteriormente, resulta ser que se necesitaría de un Universo muchísimo más viejo de lo que algunos cálculos actuales (basados en el modelo del Big Bang) señalan.   Una solución a este problema sería aumentar el tamaño de las inhomogeneidades, pero esto violaría el Principio Cosmológico.   La solución obvia sería que el mismo Universo genere dinámicamente, durante su evolución, inhomogeneidades cada vez más grandes.   Gracias a los estudios en Física de Altas Energía y Partículas fundamentales, aplicados a la Cosmología,  han surgido varios modelos dinámicos entre los cuales los mas importantes en la literatura son:  el Modelo Inflacionario y  la formación de "Defectos Topológicos" (Paredes de Dominio, Cuerdas Cósmicas y Monopolos Magnéticos).   Observaciones astrofísicas recientes [Junio, 2000] favorecen muy fuertemente al modelo Inflacionario, pero esto no significa que durante la evolución del Universo no se hayan formado tales defectos topológicos (cuyo significado se explicará más adelante);  sin embargo, ahora éstos jugarán un papel muy secundario en la formación de estructuras de gran escala en el Universo.

El escenario propuesto por tales estudios es como sigue: el Universo, en su evolución, va pasando por diferentes estados o fases [TRANSICIONES DE FASE  (TDF), una TDF se da cuando el sistema fisico pasa de un estado o fase a otro], las cuales van generando estructuras "atrapadas" que poseen una densidad de masa muchísimo mayor que sus alrededores. Si tales estructuras "atrapadas" son esféricas, entonces tendrían las características físicas de lo que se conoce como "monopolo magnético" (Magnetic Monopoles). El lector debe conocer perfectamente lo que es un imán y sus 2 polos magnéticos, norte y sur.    Si el imán se rompe, lo que se obtiene son imanes más pequeños, cada uno con sus 2 polos norte y sur. Esto quiere decir que no es posible separar el polo norte del sur simplemente rompiendo el imán en 2 !!!     Si esto fuese posible podríamos tener una "partícula" con una "carga magnética norte o sur" (situación análoga a la de la carga eléctrica que se define como "positiva" o "negativa"); en otras palabras, se obtendría un "monopolo" magnético.   Los modelos predicen que este tipo de "partículas" o estructuras "atrapadas" son muy masivas y que no deben existir muchas dentro de nuestro Universo observable puesto que de lo contrario ya se hubiesen detectado.   Si las estructuras "atrapadas" tienen una forma "alargada", se tiene lo que se califica como "Cuerda Cósmica" (Cosmic Strings),  las cuales tienen un diámetro muy pequeño, la cual puede tener millones de mega-parsecs de largo, con una densidad de materia enorme y un campo gravitacional tan fuerte como el de un Hoyo Negro !!!   La vibración de dichas cuerdas generaría ondas gravitacionales tan fuertes que comprimirían la materia a su alrededor, a modo de ondas de choque, lo cual constituiría un mecanismo de generación de inhomogeneidades mucho mas efectivo que los monopolos magnéticos, en lo que se refiere a la formación de estructuras en el Universo primitivo.   Las Paredes de Dominio (Domain Walls)  se entenderán mejor si se explica primero el mecanismo de formación de tales estructuras:

Usaremos la analogía de los diferentes estados o fases del agua y como el agua cambia de fase segun se aumenta o disminuye la temperatura.   Se CREE que el Universo, a medida que evoluciona, o sea, a medida que se expande y se enfria (segun la teoria del Big Bang), va pasando por varias transiciones de Fase (lo cual significa que el Universo posee varias fases o estados a lo largo de su evolucion).   En el agua, cada estado/fase se puede caracterizar por el ordenamiento (o "grado de simetria") de sus moleculas:  hielo (moleculas muy ordenadas = estado/fase de poca simetría),   liquido (moleculas menos ordenadas = estado/fase más simetrica que la anterior), vapor (moleculas totalmente desordenadas = estado/fase totalmente simétrica).    Por qué el vapor posee "más simetrías" que el hielo?     Si uno esta inmerso dentro del gas, uno se puede parar en cualquier lado dentro del gas y siempre va a ver lo mismo,  o sea,  una igual distribución de moléculas de gas por todos lados;  el hielo tiene una estructura más ordenada, y si uno se para en cualquier lugar dentro del cubo de hielo, uno no va a ver  la misma distribución de moléculas de gas por todos lados!   Uno ve moléculas de gas en un lado y en otro lado  no... en la fase de vapor existe homogeneidad e isotropia y en la fase de hielo no!

Para el Universo, cada estado o cada fase se puede caracterizar también por el "grado de simetría", o sea, de "orden" de sus componentes.  Cuando el Universo evoluciona, lo hace de tal forma que va de un estado más simétrico (un gas primordial de particulas elementales) a uno menos simétrico  (se forman estructuras en forma de "esponja", o sea, se forman galaxias y se distribuyen de tal forma que parece una esponja); o sea,  el Universo pasa de un estado muy desordenado a un estado más ordenado... se dice entonces que "hay un Rompimiento de Simetría".    Es como si el agua pasara del vapor hacia el sólido.   Ahora bien, el agua tiene 3 fases.    El Universo tiene muchas fases.  Cuantas exactamente?   Nadie sabe!   Depende aún del modelo cosmológico que se use y su comprobación experimental.    Cuando el Universo estaba en su estado más simétrico,  todas las 4 interacciones/fuerzas elementales estaban unidas, y a medida que el Universo pasaba a través de las TDF se rompía esta union entre las fuerzas.   Se CREE que hubo una transicion de fase en donde ocurrió algo especial:
el Universo paso de una fase en la cual la interacción Fuerte [QCD] y la interacción ElectroDébil estaba unidas hacia una fase en la que la interacción fuerte se separo de la electrodebil.   Cuando eso sucede SE CREE que no todo el Universo paso de una fase a la otra de manera uniforme, sino que algunas regiones del Universo (algunas "burbujas" del Universo, las cuales no necesariamente deben ser esféricas) pasaron a la siguiente fase (en donde las fuerzas se separan) mientras que otras regiones del Universo (afuera de las "burbujas") permanecieron en la fase anterior (en donde las 3 fuerzas aun estan unidas).  Es análogo a lo sucede cuando uno calienta agua-líquida en un recipiente.  Se van formando burbujas de agua-gaseosa (o sea, burbujas de una fase) dentro del agua-líquida (o sea, dentro de la otra fase).   Usando esta analogía, afuera de las "burbujas" el Universo está en el estado/fase anterior, y dentro de las "burbujas" el Universo está en el nuevo estado/fase.

Cuando estas "burbujas" se van haciendo más grandes, se juntan y entre ellas, entre sus paredes, queda atrapada una región del Universo en su estado anterior  (en el caso del agua, las burbujas de vapor van creciendo y se juntan, atrapando asi entre sus paredes al agua-líquida, o sea, al agua en su estado anterior).   Ahora bien, cuando las burbujas se juntan, entre sus paredes puede quedar atrapada una región en forma (aproximadamente) de esfera, o una región en forma de tubo muy delgado, o una region en forma de plano.   A la "forma" también se le llama "topología"  y a las regiones atrapadas se les llama  "defectos topológicos" en la estructura del Universo.

Cuando se analizan las propiedades físicas de estas regiones, se encuentra que aquellas en forma de esfera poseen muchas propiedades que se asemejan a la de una "carga magnética aislada", y por eso se les llama "monopolos magnéticos".    Según la física convencional los mono-polos magnéticos no existen, sólo existen los DI-POLOS magnéticos (o sea, "imanes" con 2 polos, norte y sur)...  es imposible tener solo un polo norte y un polo sur, aislados!...  Sin embargo, la Cosmología dice que no es imposible, y que tales mono-polos si pueden existir en el Universo!

Las regiones en forma de tubo muy delgado son las Cuerdas Cósmicas, y a las regiones en forma de plano muy delgado se les llama Paredes de Dominio, las cuales representan una especie de frontera entre una región del Universo y otra, como la pared entre dos burbujas de jabón.    Es posible, según este modelo, que nuestro Universo Observable se encuentre inmerso dentro de una "burbuja" y que exista afuera de dicha burbuja materia en una fase anterior, en cuyo caso atravesar una Pared de Dominio significaría la muerte segura ya que todos los componentes de nuestra materia se verían obligados a regresar a la fase anterior!