Los primeros destellos de la creación del Universo

El gran revuelo

Unas horas después del anuncio, el pasado 17 de marzo, de la detección de los tan buscados modos-B, todas las revistas científicas más importantes habían cubierto la noticia. En la Internet la noticia corrió como reguero de pólvora.

Los investigadores principales del proyecto BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, versión segunda) mostraron un resultado donde se sugiere la detección de los modos-B, e indirectamente, de las ondas gravitacionales, es decir, la primera evidencia de que el universo pasó por un periodo de expansión muy acelerada en una etapa muy temprana de su formación; a ese breve periodo le llamamos la inflación.

Imagen tomada de http://apod.nasa.gov/apod/image/1403/DSLmap_BICEP2_3888.jpg

Imagen tomada de http://apod.nasa.gov/apod/image/1403/DSLmap_BICEP2_3888.jpg

Esto no era producto de la suerte. BICEP2 había desarrollado detectores muy sensibles, había tomado la experiencia de BICEP1, su predecesor. Mientras los demás experimentos solo mostraban que la precisión se debería mejorar para acercarse al resultado, BICEP2 caía muy cerca de la predicción con una certidumbre de 5 sigmas, i.e., que la posibilidad de encontrar este resultado al azar es de una en casi dos millones. Esto debería satisfacer a cualquier físico experimental reconociendo que BICEP2 había detectado los modos-B. Pero el aparato experimental es complejo y la señal que se busca es muy débil (1/1000 000 de la intensidad de la luz que se está midiendo). Por lo tanto, ante la dificultad e importancia de la medición, se debe esperar una confirmación independiente.

El experimento BICEP2, cuyo objetivo era medir los modos-B, se localiza en la estación Amudsen-Scott, en la Antártida. En ese sitio se encontraron las condiciones ideales para el experimento, por ser un lugar a 2835 m sobre el nivel del mar, seco y libre de la radiointerferencia ocasionada por las comunicaciones humanas.

 

¿Por qué es tan importante este descubrimiento?

El modelo de la gran explosión o Big Bang es el paradigma con el que se interpretan y guían las observaciones cosmológicas en la actualidad. El Big Bang supone que el universo tuvo un origen, donde toda la materia se encontraba concentrada en una región tan pequeña que no había lugar para nada de lo que conocemos; era un lugar con condiciones extraordinarias, con una temperatura de más de un quintillón (un 1 seguido de 30 ceros) de grados. Era un lugar muy complejo, donde las leyes de la física que conocemos dejan de funcionar. Por lo tanto, el Big Bang no dice nada acerca del momento de la creación del universo.

El universo contiene cuatro dimensiones: tres espaciales y una temporal; el tiempo comienza a correr con el Big Bang, y el espacio se crea a partir de ese momento. Podemos hablar de más dimensiones, pero al Big Bang cuatro dimensiones le vienen muy bien. Al iniciarse la expansión, el universo comienza a enfriarse; la densidad disminuye también. Comienzan a formarse las primeras partículas elementales, como leptones y quarks, que más tarde formarán a los átomos. Los núcleos de los átomos, tal como ahora los conocemos, se forman unos 10 minutos después del Big Bang. El proceso de formación de los núcleos lo llamamos núcleo-síntesis, pero el universo no llegó muy lejos; formó Hidrógeno (H), Helio (He) y un poco de Litio. El H conforma 75% de la masa de todos los átomos en el universo, mientras que 25% son átomos de He. Alrededor de 400 mil años después de la formación del universo, éste se vuelve transparente; para entonces, el universo se encuentra a 3 mil grados. Esa luz que escapa por primera vez constituye un vestigio de que el universo está en expansión; le llamamos el fondo de radiación cósmica (CMB por sus siglas en inglés).

En la actualidad el universo es aproximadamente 100 mil veces más grande que cuando se produjo el CMB; entonces al medir la temperatura del universo debemos detectarla como más baja. Además, la frecuencia de los fotones que fueron emitidos sufre un desplazamiento hacia longitudes de onda más largas; esto se conoce como corrimiento al rojo. George Gamow y sus colaboradores, los primeros proponentes del Big Bang en 1948,  predijeron que el universo debería tener una temperatura de -268oC en el presente. Aquí una pausa para mencionar a otro de los padres del Big Bang: George Lamaitre. En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron el CMB y le asignaron una temperatura de -270oC. Por tal descubrimiento, un derrotero en la cosmología, se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1978.

Los estudios teóricos revelaron que el CMB contenía más información que tan solo la temperatura; debería haber fluctuaciones dentro, de donde se deberían formar las galaxias. El cosmólogo canadiense Richard Bond había hecho predicciones sobre el tamaño de dichas fluctuaciones a inicios los 80; si existían deberían de ser muy pequeñas y difíciles de detectar. Fue hasta 1992 cuando George Smoot anunció el descubrimiento de tales fluctuaciones a partir de mediciones hechas con un radiómetro a bordo del Cosmic Background Explorer (COBE); éstas eran de apenas una cienmilésima de grado. A bordo del COBE también se llevaba un instrumento muy preciso que actuaba como  termómetro; midió la temperatura del universo con una precisión de una milésima de grado; este experimento lo lideraba John Mather.

El modelo está pasando casi todas las pruebas. Pero al ser el universo tan uniforme surgen otros problemas. ¿Cómo le hizo para tener la misma temperatura por todos lados? ¿Cómo le hizo para ser tan plano, es decir, sin curvatura? A finales de los 70, un joven postdoc llamado Alan Guth decide cambiar de campo de investigación. Un amigo lo inicia en el tema de las teorías unificadas, donde se pueden unificar todas las fuerzas fundamentales, excepto la gravedad. Independiente del trabajo de Andrei Linde y Alexei Starobinsky en la antigua URSS, Guth descubre la inflación a inicios de los años 80.

La inflación es un periodo en donde el universo acelera su expansión con una tasa exponencial, suavizando todo a su paso. Alcanza a conectar a todas las zonas dentro de una región llamada el horizonte de Hubble para permitir llegar al equilibrio, es decir, alcanzan la misma temperatura; esto resuelve la primera pregunta, también conocida como el problema del horizonte. Al terminar la inflación también la curvatura del espacio tiempo estaba aplanada; esto contesta la segunda pregunta, conocida como el problema de la planicidad. Sin embargo, se piensa que esto ocurrió tan solo una pequeñísima fracción de segundo después del Big Bang, unos 0.00000000000000000000000000000001 segundos después.

Parecía la teoría perfecta, resolvía los problemas del Big Bang y no teníamos forma de explorarla directamente. Se inventaron muchas variaciones de la inflación; el CMB se estudió con exquisito detalle; todo concordaba; aunque no se tenía una restricción fuerte sobre la inflación, el universo inflacionario cobraba adeptos.

A mediados de los 90 hubo una explosión en estudios teóricos donde se demostraba que había más información escondida en el CMB; la radiación que la conforma es intrínsecamente polarizada, pero con una muy pequeña amplitud. El ejemplo más accesible que tenemos de la luz polarizada es la luz del cielo. Mirando al cielo a través de unos lentes polarizados, nos podemos percatar que al irlos rotando varía la intensidad de la luz que dejan pasar. Se descubre que hay direcciones preferenciales. Esto no pasa con la luz de una lámpara incandescente, por ejemplo. En general,  la luz se puede descomponer una componente eléctrica y otra magnética. Los modos eléctricos los llamamos modos-E, a los modos magnéticos les llamamos modos-B. Se encontró que la generación de los modos-B, como los que detectó BICEP2, solo se deben a fluctuaciones, la ondas gravitacionales del espacio-tiempo durante la inflación. Por lo tanto, si se detectaban los modos-B, se podía inferir la detección indirecta de las ondas gravitacionales y dar con una firma directa de la inflación.

En 2006, George Smoot y John Mather compartieron el Premio Nobel de Física. Con esto se entró a una nueva época en la exploración cosmológica, a la que ahora llamamos cosmología de alta precisión. La cacería de los modos-B ya había comenzado. El año pasado la colaboración South Pole Telescope (SPT) anunció la detección de los modos-B, pero pasó casi desapercibida; su detección no correspondía a los modos-B producidos por la inflación.

 

Continuará…

El descubrimiento de los modos-B ha causado tal sensación que ya se habla de que al menos un Premio Nobel se otorgará por este resultado tan esperado. Aunque la duda aún subyace, muchos dicen que si el resultado persiste, será uno de los descubrimientos más importantes del siglo XXI. Esta historia continuará subiendo de tono, pues resulta que la inflación relaciona al bosón de Higgs y a los modos-B…

 

*omarlx@inaoep.mx