CIENCIA CON VOZ PROPIA

Ecos de los orígenes del universo

En marzo se anunció la detección de evidencia indirecta de las ondas gravitatorias primordiales, que se habrían originado al momento del Big Bang.


Gabriel Bengochea. Foto: gentileza investigador.

Por Gabriel R. Bengochea*

Recientemente el instrumento BICEP2, ubicado en la Antártida, ha detectado por primera vez, “el modo B de la polarización del fondo cósmico de microondas“. Para comprender el alcance del anuncio, tenemos que presentar previamente a los protagonistas: la inflación cósmica, las perturbaciones cosmológicas primordiales, el fondo cósmico de radiación, y la polarización de dicha radiación.

La hipótesis inflacionaria llegó al modelo del Big Bang con Alan Guth a comienzos de los ‘80s. Guth propuso que el universo, al comienzo de su historia (aproximadamente a los 10-36 segundos) habría sufrido una brevísima y violenta expansión acelerada. Eso era suficiente para dar solución a problemas que ya tenía el modelo del Big Bang antes de 1980.

En la actualidad pensamos que la naturaleza es esencialmente cuántica. O dicho de otra manera, que las leyes de la naturaleza deben tener sus cimientos en la Mecánica Cuántica (la física que surgió para explicar el mundo microscópico); una teoría sumamente exitosa y cuyas predicciones han venido corroborándose desde sus inicios, a principios del siglo XX.

Cuando se propone una descripción cuántica para el inicio mismo del universo, aparece el hecho de tener que tratar con el análisis de perturbaciones cosmológicas primordiales, las ‘semillas’ de las estructuras. Y éstas pueden ser de tres clases: escalares, vectoriales y tensoriales.

– Las vectoriales, si existieron, habrían sido como pequeños vórtices que fueron diluidos por la expansión, y que por lo tanto no habrían jugado un papel relevante, entonces no las trataremos aquí.

– Las perturbaciones escalares son las que vinieron con el campo responsable de producir la expansión acelerada, y también en el espacio-tiempo mismo. Éstas últimas son las que luego produjeron las fluctuaciones en la densidad de la materia para originar, mucho tiempo después, estrellas, galaxias y todo lo que hoy observamos.

– Por otra parte, al comienzo se habrían encendido también perturbaciones tensoriales del espacio-tiempo. Éstas no son ni más ni menos que las ondas gravitatorias primordiales.

Las ondas gravitatorias fueron predichas por la Relatividad General de Einstein a partir de 1915. Estas ondas pensamos que pueden ser generadas astrofísicamente de diversas maneras, y no sólo al principio del universo, como las que aquí estamos llamando ‘primordiales’. El periodo inflacionario aquel caracterizado por la expansión violenta y acelerada que se menciona al comienzo, habría amplificado a estas perturbaciones iniciales, y los modelos predicen cuánto deberían haber sido amplificadas las amplitudes de dichas ondas gravitatorias primordiales. Y nos dicen también cómo debería haber sido alterado el espectro que hoy vemos en la polarización del fondo cósmico de radiación. Así que, vayamos al siguiente protagonista.

El fondo cósmico de radiación, o llamado también fondo cósmico de microondas, es una señal que se detecta en todas las direcciones del cielo con prácticamente la misma temperatura, y que trae información de cuando se formaron los primeros átomos estables en el universo; unos 380.000 años después del inicio de la historia, según el modelo cosmológico del Big Bang. Este fondo de radiación, que había sido predicho desde 1948, fue detectado por primera vez en 1964 por Arno Penzias y Robert Wilson, y desde 1990 también se han podido medir pequeñísimas fluctuaciones en la temperatura de esa radiación en diferentes direcciones del cielo; variaciones que serían los fósiles de las perturbaciones iniciales de la época inflacionaria.

El análisis de este fondo cósmico también llevó a la predicción de que esta radiación debería llegarnos vibrando de determinada manera. Esto se conoce como la polarización. Y efectivamente posee polarización, que fue detectada en 2002 por primera vez. El asunto es que esa polarización puede venir en dos variantes conocidas, llamadas modo E y modo B. El modo E es el que fue detectado en 2002, y es generado fundamentalmente por perturbaciones escalares. Pero el modo B se supone que puede ser generado exclusivamente a través de un mecanismo que involucra a las ondas gravitatorias primordiales que mencionamos anteriormente. Estas ondas, al viajar por el espacio, lo distorsionan y afectan a la radiación allí presente. La señal de este modo B de polarización, por ser mucho más débil que la del modo E, aun no había podido ser detectada.

Como se describió más arriba, los modelos inflacionarios predicen cuánto deberían haber sido amplificadas las amplitudes de esas ondas gravitatorias primordiales. Y esas ondas, si existieron, y con esas amplitudes predichas, deberían haber alterado el espectro que hoy vemos en la polarización del fondo cósmico de radiación, generando el modo B con cierta magnitud.

El descubrimiento anunciado recientemente por BICEP2 dice que, por primera vez, ha sido detectado este modo B de la polarización en el fondo cósmico de radiación, y con la magnitud que se esperaba según los modelos inflacionarios más sencillos. Estas observaciones representan una detección indirecta de la existencia de ondas gravitatorias primordiales. Estos resultados, si son confirmados por otros experimentos, permitirán seleccionar los escenarios más favorecidos para los orígenes, y nos ayudarán a estimar mejor cuándo pudo haber sucedido esta fase acelerada en el universo primigenio.

 

La noticia sobre este descubrimiento pueden leerla en la siguiente página.

*Gabriel R. Bengochea es Doctor en Ciencias Físicas de la Universidad de Buenos Aires, es investigador asistente del CONICET y forma parte del Grupo de Teorías Cuánticas Relativistas y Gravitación, del Instituto de Astronomía y Física del Espacio (IAFE, CONICET-UBA). Trabaja en cosmología observacional, modelos de energía oscura y cosmología inflacionaria.