La detección de ondas en el espacio marca un hito en la Teoría del Big Bang
Por Dennis Overbye
Por Dennis Overbye
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| Alan Guth fue uno de los primeros físicos en hipotetizar la existencia de la inflación, que explica cómo el universo se expandió de manera uniforme y tan rápidamente en el instante después del Big Bang hace 13.8 mil millones años (Crédito Rick Friedman del New York Times) |
Una noche, a finales de 1979, un joven físico itinerante llamado Alan Guth, con un nuevo hijo y la designación de un año en Stanford, se quedó hasta tarde con su cuaderno de notas y ecuaciones, aventurándose mucho más allá del mundo de la física conocida.
Estaba tratando de entender por qué no había ni rastro de algunas partículas exóticas que deberían haber sido creados en el Big Bang. En su lugar, descubrió lo que podría haber sido la explosión inicial con la que empezó el universo. Un tirón potencial en el supuesto curso de la evolución cósmica podría haber infundido al propio espacio con una energía especial que ejerció una fuerza repulsiva, haciendo que el universo se hinche más rápido que la velocidad de la luz por un instante prodigiosamente violento.
Si es cierto, la rápida congestión resolvería paradojas como por qué el cielo se ve uniforme de polo a polo y no como un caos deformado e irregular. El enorme globo limaría todas las arrugas e irregularidades. Esas partículas no se perderían, sino que se diluyen más allá de la detección, como un escupitajo en el océano.
"REALIZACIÓN ESPECTACULAR" El Dr. Guth lo escribió en la parte superior de la página y dibujó un doble recuadro alrededor.
Estaba tratando de entender por qué no había ni rastro de algunas partículas exóticas que deberían haber sido creados en el Big Bang. En su lugar, descubrió lo que podría haber sido la explosión inicial con la que empezó el universo. Un tirón potencial en el supuesto curso de la evolución cósmica podría haber infundido al propio espacio con una energía especial que ejerció una fuerza repulsiva, haciendo que el universo se hinche más rápido que la velocidad de la luz por un instante prodigiosamente violento.
Si es cierto, la rápida congestión resolvería paradojas como por qué el cielo se ve uniforme de polo a polo y no como un caos deformado e irregular. El enorme globo limaría todas las arrugas e irregularidades. Esas partículas no se perderían, sino que se diluyen más allá de la detección, como un escupitajo en el océano.
"REALIZACIÓN ESPECTACULAR" El Dr. Guth lo escribió en la parte superior de la página y dibujó un doble recuadro alrededor.
El lunes, la nave del Dr. Guth llegó. Los radioastrónomos informaron que habían visto el comienzo del Big Bang, y que su hipótesis, conocida sin dramatismo como la inflación, se veía bien.
Atravesando 13,8 mil millones años hasta la primera franja de tiempo cósmico con telescopios en el Polo Sur, un equipo de astrónomos dirigido por John M. Kovac, del Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica detectó ondas en el tejido del espacio-tiempo -las así llamadas ondas gravitacionales-, la señal de un universo siendo arrancado violentamente cuando tenía aproximadamente un billonésimo de billonésimo de billonésimo de segundo de edad. Son la una prueba de fuego largamente buscada de la inflación, la prueba, dicen el Dr. Kovac y sus colegas, que el Dr. Guth estaba en lo cierto.
La inflación ha sido el caballo de batalla de la cosmología desde hace 35 años, aunque muchos, entre ellos el Dr. Guth, se preguntaban si se la podría probar alguna vez.
Si es corroborado, el trabajo del Dr. Kovac se mantendrá como un hito en la ciencia comparable con el reciente descubrimiento de la energía oscura presionando al universo, o del propio Big Bang. Abriría vastos reinos del tiempo y el espacio y la energía para la ciencia y la especulación.
La confirmación de la inflación significaría que el universo que vemos, que se extiende 14 mil millones de años luz en el espacio, con sus cientos de miles de millones de galaxias, es sólo un parche infinitesimal en un cosmos más grande cuya extensión, arquitectura y destino son incognoscibles. Por otra parte, más allá de nuestro propio universo podrían haber un número infinito de otros universos burbujeando hacia la eternidad espumosa, como una olla de agua hirviendo sobre la pasta.
En nuestro propio universo, esto serviría como una ventana a las fuerzas que operan energías siempre fuera del alcance de los aceleradores de partículas en la Tierra y produciría nuevos conocimientos sobre la propia gravedad. Las ondulaciones del Dr. Kovac serían la primera observación directa de las ondas gravitacionales, que, según la teoría de la relatividad general de Einstein, deberían rizar el espacio-tiempo.
Según la teoría de la inflación, las ondas son las hipotéticas partículas cuánticas, conocidas como gravitones, que llevan a la gravedad, magnificados por la expansión del universo a una medida extragaláctica.
"Se puede ver cómo el cielo se está distorsionando por las ondas gravitacionales", dijo Andrei Linde, un prominente teórico de la inflación en Stanford. "Estamos utilizando nuestro universo como un gran microscopio. El cielo es una placa fotográfica".
Marc Kamionkowski, de la Universidad Johns Hopkins, experto en el universo temprano, quien no fue parte del equipo, dijo: "Esto es enorme, tan grande como parece".
"A pesar de que puede que no lo entienda completamente", dijo el Dr. Kamionkowski, "esto es una señal de lo más temprano del universo, es el envío de un telegrama codificado en ondas gravitacionales".
Las ondas se manifestaron en sí mismas como débiles patrones en espiral en un baño de radiación de microondas que impregna el espacio y conserva una imagen del universo cuando tenía 380.000 años de edad y estaba tan caliente como la superficie del Sol.
El Dr. Kovac y sus colaboradores, que trabajan en un experimento conocido como BICEP, por Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, publicaron sus resultados en una conferencia científica en el Centro de Astrofísica este lunes y en un conjunto de documentos presentados en The Astrophysical Journal.
El Dr. Kovac dijo que la posibilidad de que los resultados fueran un golpe de suerte era sólo uno de cada 3,5 millones -un estándar de oro de los descubrimientos llamado cinco sigma.
El Dr. Guth se declaró "boquiabierto", diciendo que no había esperado tal confirmación definitiva en su vida.
"Con la naturaleza, tienes que tener suerte", dijo. "Al parecer, hemos tenido suerte".
Los resultados son la destilación muy bien guardada de tres años de valiosas observaciones y análisis. Evitando el email por temor a una fuga, el Dr. Kovac entregó personalmente los borradores de su trabajo a un grupo selecto, en una reunión con el Dr. Guth, quien ahora es profesor en el MIT (al igual que su hijo, Larry, que dormía esa noche en 1979), en su oficina la semana pasada.
"Fue un momento muy especial, y uno que tomamos muy en serio como científicos", dijo el Dr. Kovac, que elige sus palabras con tanto cuidado como maneja sus radiotelescopios.
El Dr. Linde, quien describió por primera vez la variante más popular de la inflación, conocida como inflación caótica, en 1983, estaba a punto de irse de vacaciones al Caribe la semana pasada cuando Chao-Lin Kuo, un colega de Stanford y miembro del equipo del Dr. Kovac, llamó a su puerta con una botella de champán para darle la noticia.
Confundido, el Dr. Linde llamó a su esposa, a quien le pregunta si ella había pedido champán.
"Y entonces yo le dije que al principio pensamos que se trataba de una entrega, pero no pensamos que pedimos nada, pero simplemente me olvidé de que en realidad lo hice para él, hace 30 años", escribió el Dr. Linde en un correo electrónico.
Llamando desde Bonaire, la isla holandesa del Caribe, el Dr. Linde dijo que todavía estaba hiperventilando. "Contar con noticias como esta es la mejor manera de echar a perder las vacaciones", dijo.
Durante el último fin de semana, cuando los medios sociales eran un hervidero de rumores de que la inflación había sido vista y difundido la noticia, los astrofísicos respondieron con una mezcla de júbilo y cautela.
Abraham Loeb, un astrónomo del Harvard-Smithsonian, que no fue parte del equipo, dijo: "Parece que la inflación tuvo lugar realmente. Desde 1980, esto fue física realmente especulativa".
Max Tegmark, cosmólogo del MIT, escribió en un correo electrónico: "Creo que si esto se mantiene así, será recordado como uno de los mayores descubrimientos en la historia de la ciencia". Y añadió: "Es un avance sensacional que implica no sólo nuestros orígenes cósmicos, sino también la naturaleza del espacio".
Michael S. Turner, cosmólogo de la Universidad de Chicago, lo aclamó como el tipo de descubrimiento que podría conducir finalmente a la resolución de enigmas como la materia oscura y la energía oscura, escribiendo en un correo electrónico, "¡Estoy empezando a sentirme como un posdoctorado de 20 y algo años de edad!"
Lawrence M. Krauss de la [Universidad] del Estado de Arizona y otros también hicieron hincapié en la necesidad de confirmación, señalando que los nuevos resultados superaron las estimaciones anteriores sobre la base de los mapas de temperatura del fondo cósmico del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea y otras hipótesis sobre el universo.
"Así que tendremos que esperar y ver antes de saltar arriba y abajo", dijo el Dr. Krauss.
La corroboración puede que no tarde en llegar. La nave espacial Planck, que ha estado haciendo exquisitas mediciones de las microondas del Big Bang, reportará sus propias conclusiones este año. Al menos una docena de otros equipos están intentando mediciones similares desde globos, cimas de montañas y el espacio.
Espirales en el cielo
Las ondas de gravedad son el último y más profundo secreto fuera de las microondas cósmicas, que fueron descubiertas accidentalmente por Arno Penzias y Robert Wilson, ambos entonces en los Laboratorios Bell, hace 50 años. Obtuvieron el Premio Nobel.
El Dr. Kovac ha pasado toda su carrera tratando de leer los secretos de estas ondas. Es uno de los cuatro líderes de BICEP, que ha operado una serie de radiotelescopios cada vez más sensibles en el Polo Sur, donde el aire -delgado, frío y seco- crea condiciones de observación ideales. Los otros son Clemente Pryke, de la Universidad de Minnesota; Jamie Bock, del Instituto de Tecnología de California; y el Dr. Kuo de Stanford.
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| El telescopio Bicep2, en primer plano, se utilizó para detectar los débiles patrones en espiral de gravedad -la firma de un universo siendo arrancado violentamente en su nacimiento (Crédito Steffen Richter / Associated Press) |
"El Polo Sur es lo más cercano que se puede llegar al espacio y aún así estar en el suelo", dijo el Dr. Kovac. Él ha estado allí 23 veces, dijo, hibernando en 1994. "He estado enganchado desde entonces", dijo.
En 2002, formó parte de un equipo que descubrió que la radiación de microondas estaba polarizada, es decir, las ondas de luz tienen una ligera preferencia a vibrar en un sentido y no en otro.
Este fue un paso hacia el objetivo final de detectar las ondas gravitacionales de la inflación. Tales ondas, exprimiendo el espacio en una dirección y extendiéndolo en otro cuando pasan, torcerían la dirección de la polarización de las microondas, dijeron los teóricos. Como resultado, los mapas de la polarización en el cielo deben tener pequeñas flechas que van en espirales.
En 2002, formó parte de un equipo que descubrió que la radiación de microondas estaba polarizada, es decir, las ondas de luz tienen una ligera preferencia a vibrar en un sentido y no en otro.
Este fue un paso hacia el objetivo final de detectar las ondas gravitacionales de la inflación. Tales ondas, exprimiendo el espacio en una dirección y extendiéndolo en otro cuando pasan, torcerían la dirección de la polarización de las microondas, dijeron los teóricos. Como resultado, los mapas de la polarización en el cielo deben tener pequeñas flechas que van en espirales.
La detección de esas espirales requirió medir infinitamente pequeñas diferencias en la temperatura de las microondas. El telescopio del grupo, BICEP2, es básicamente un termómetro gigante superconductor.
"No teníamos expectativas de lo que íbamos a ver", dijo el Dr. Kovac. El estudio anterior Planck había llegado a la conclusión de que un parámetro r, que es una medida del arremolinamiento de la polarización, no podía ser superior a 0,11, lo que habría impactado a muchas versiones populares de la inflación. Pero no fue una medición directa, tal como estaba tratando el equipo BICEP.
La medición BICEP de r cerró en casi el doble, 0,20, poniendo al modelo más favorecido en la contienda.
La fuerza de la señal sorprendió a los investigadores, y pasaron un año quemando tiempo en una supercomputadora de Harvard, asegurándose de que tenían las cosas bien y preocupados de que los competidores pudieran ganarles la brecha.
Un tiempo especial
Los datos remontan la aparición de la inflación a un momento de la historia cósmica que los físicos como el Dr. Guth, que se quedó hasta tarde en su casa de Palo Alto hace 35 años, sospecharon fue un punto de inflexión especial en la evolución del universo.
Los físicos reconocen cuatro fuerzas en el trabajo en el mundo de hoy: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Pero han sospechado durante mucho tiempo que esas son simplemente manifestaciones diferentes de una única fuerza unificada que gobernó el universo en sus primeros momentos más calurosos.
A medida que el universo se enfrió, según esta teoría, hubo una caída en desgracia, no muy diferente de una vieja mitología popular de los dioses, o hermanos que caen entre sí. Las leyes de la física evolucionaron, con una fuerza detrás de otra "congelándola" o desdoblándole la distancia.
Ahí fue donde el doctor Guth entró.
En algunas circunstancias, un vaso de agua puede permanecer líquido cuando la temperatura cae por debajo de 32 grados, hasta que se altera, momento en el que se congela rápidamente, liberando el calor latente en el proceso.
Del mismo modo, el universo podría "superenfriarse" y permanecer en un estado unificado demasiado tiempo. En ese caso, el espacio mismo llegaría a estar imbuido temporalmente con una misteriosa especie de calor latente o energía.
Insertado en las ecuaciones de Einstein, la energía latente actuaría como una especie de antigravedad, y el universo se aspiraría. Ya que era el espacio mismo el que suministra la fuerza de repulsión, la mayor parte del espacio fue creado y la parte más difícil fue empujada aparte. En una explosión fuera de control, lo que se convertiría en nuestro universo observable proliferó rápidamente en tamaño en al menos un billón de billones de veces -desde una partícula submicroscópica de la energía primordial hasta el tamaño de un pomelo- en menos de un parpadeo cósmico.
Casi tan rápidamente, esta energía decaería en partículas ordinarias y la radiación que ya estaba en sintonía, a pesar de lo lejos que terminaron, porque todas habían salido de un pequeño punto tan primordial, como si las galaxias se hubieran puesto de acuerdo en el vestuario en hacer un plan antes de salir. Toda la historia cósmica normal estaba todavía por delante, lo que resulta en el universo observable de hoy, un trozo de cielo y estrellas de 14 millones de años luz de diámetro.
"A menudo se dice que no hay tal cosa como un almuerzo gratis", le gusta decir al Dr. Guth, "pero el universo podría ser el último almuerzo gratis".
Haga aquella comidas libres. La mayoría de los cientos o más modelos que han sido generados por la visión original del Dr. Guth sugieren que la inflación, una vez iniciada, es eterno. Mientras que nuestro universo se asentó en una acogedora y cómoda expansión con los átomos, las estrellas y los planetas, el resto del cosmos seguirá volando, escisiéndose de otras burbujas aquí y allá indefinidamente, un concepto conocido como el multiverso.
Los datos de BICEP no revelan lo que es esta energía inflacionaria que suena mágica. La antigravedad puede sonar como algo loco, pero fue Einstein quien planteó por primera vez la posibilidad de su espacio impregnado en la forma de un factor de elusión llamado la constante cosmológica, que más tarde se abandonó como un error. Esta idea se retomó con el descubrimiento hace 15 años de que algo llamado energía oscura está dando un impulso a la expansión del universo, aunque mucho más suave que como lo hizo la inflación.
Así que el futuro del cosmos es tal vez brillante y fecundo, pero no se moleste en preguntar acerca de ir más profundamente en el pasado.
Como el Dr. Guth fue el primero en decir, nunca podríamos saber lo que pasó antes de la inflación, desde el principio, ya que la inflación borra todo lo que vino antes que ella. Todo el caos y la aleatoriedad del momento primordial son barridos, siempre fuera de nuestra vista.
"Si se traza sus raíces cósmicas", dijo el Dr. Loeb, "acabas en la inflación".
Modificado por orbitaceromendoza
