Proyecto QUBIC: un telescopio en la puna salteña para develar el origen del universo

Por muchos años, la Teoría del Big Bang fue explicación más aceptada por la comunidad científica sobre la creación del universo que sucedió hace 13.800 millones de años atrás. Postulaba que el universo comenzó en un estado muy caliente y denso que luego se fue enfriando por su expansión. Con el trascurso del tiempo, las observaciones realizadas permitieron determinar otras características del universo que llevaron, en los años 80, a que la comunidad científica postulara una nueva teoría modificada del Big Bang, a la que llamaron Teoría de la inflación cósmica. Ese nuevo paradigma propone que hubo una expansión acelerada y exponencial en los primeros instantes del universo. Pero como toda teoría, debe ser comprobada empíricamente. Y si bien hasta ahora hubo intentos fallidos, ningún equipo científico pudo lograrlo: sigue siendo uno de los objetivos más ambiciosos de la astrofísica.

Con ese ímpetu, científicos y científicas de Argentina, Francia, Italia, Reino Unido, Irlanda y Estados Unidos conformaron el “Proyecto QUBIC” (por su sigla en inglés: Q y U Bolometric Interferometer for Cosmology). Es un equipo de colaboración internacional -integrado por más de ciento cincuenta investigadores e investigadoras, técnicos, técnicas, administrativos y administrativas-, a punto de instalar un telescopio de alta tecnología en Salta. El instrumento que diseñaron será capaz de rastrear, en el cielo de la Puna, la huella del momento de la inflación en la “radiación de fondo cósmico de microondas” (CMB por su sigla en inglés), una radiación que data del momento en el que se originó el universo. Si consiguen captarla, será la confirmación de la teoría inflacionaria de los astrofísicos, sobre cómo fueron los instantes iniciales del universo.

“Si uno pregunta qué sucedió antes del Big Bang, eso es a cierto nivel, ciencia ficción. Es como si uno preguntara: ´¿qué hacía uno antes de existir?´ Son respuestas complicadas. Pero nosotros estamos haciendo ciencia, porque estamos buscando observaciones experimentales de las fracciones de fracciones de segundos de la época inmediatamente posterior al Big Bang. Yo creo que, si nosotros lográsemos efectivamente medir observacionalmente, tener datos observacionales y reales de la creación del universo, sería ciencia de frontera. Y por supuesto son cosas muy difíciles de descubrir. Pero si la naturaleza es buena con nosotros, tal vez podamos lograrlo o aportar a su descubrimiento.”, se esperanza Alberto Etchegoyen, investigador del CONICET, la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de San Martín (UNSAM), director del Instituto de Tecnología en Detección y Astropartículas (ITeDA) y representante local del Proyecto QUBIC en Argentina.

 Buscando el modo B

“Como astrofísicos sabemos lo que pasó desde 400 mil años después del inicio del universo, cuando la materia se desacopló de la energía y los fotones comenzaron a viajar libremente”, explica Beatriz García, investigadora del CONICET y vicedirectora de ITeDA. “Las huellas de lo que ocurrió antes, están en la CMB y en lo que deseamos detectar: la polarización de esa radiación. Podemos saber qué sucedió antes de que la luz comenzara a viajar por el universo (o sea antes  del desacople mencionado) estudiando la polarización de la radiación”.

Eso que las y los científicos quieren llegar a captar se llama “Modo B” de la polarización de la CMB. El modo B surge en esa expansión a una velocidad inusitada que habría sucedido en los primeros instantes durante la inflación y estaría relacionada con ondas gravitacionales primordiales. Este modo fue propuesto de manera teórica por el físico argentino Matías Zaldarriaga. Dicha polarización todavía no se descubrió empíricamente porque los instrumentos que se requieren deben ser muy sensibles y son complejos. Para eso, QUBIC diseñó y construyó un instrumento para detectar en la CMB la pequeña cantidad polarizada con Modos B: los indicios de la creación del universo.

El telescopio de alta tecnología que se desarrolló en el marco del Proyecto QUBIC para captar esa radiación se construyó por partes en laboratorios e institutos radicados en Francia, Italia, Irlanda, Inglaterra y Argentina. Ahora todas las partes se están ensamblando en Salta. “No se va al supermercado y se pide ´deme dos detectores del comienzo del universo´. Se tiene que hacer desarrollos tecnológicos muy de avanzada. El instrumento que se diseñó en QUBIC es el corazón del proyecto. Hace una mezcla única de bolometría e interferometría”, explica Etchegoyen.

Etimológicamente, bolómetro proviene del griego y significa medición de haz de luz. Los bolómetros son microsensores trabajando a muy bajas temperaturas, que al detectar la CMB se calientan cambiando así la resistencia eléctrica del material, permitiendo entonces su detección en forma de señal electrónica. La otra ventaja del instrumento es que hace interferometría, es decir, mide la longitud de onda de lo que está llegando y analiza las características de la radiación. Esto hace una interferometría bolométrica. “Esa combinación nos ayuda a dilucidar si está relacionado con la radiación primordial o no. Tenemos entonces esta gran ventaja, que uniendo interferometría con bolometría, tenemos más claro lo que estamos midiendo, si son modos B de la CMB primordial”, aclara Etchegoyen.

El telescopio del proyecto QUBIC estará encerrado dentro de una carcasa cilíndrica que sirve para mantener temperaturas muy bajas, llamada “criostato”, de 1,8m de alto y 1,6m de diámetro. Esa carcasa lo protege y mantiene al telescopio a -269°C y a los sensores aún a temperaturas más bajas. Dicha temperatura permitirá captar las pequeñas fluctuaciones de temperatura producidas en los sensores por la CMB. El criostato y su montura estarán albergado en un domo que se abrirá para la observación al cielo.

 En las puertas de la percepción

A casi 5 mil metros de altura, en plena Puna, a 300 kilómetros de distancia de Salta, en la localidad de Altos Chorrillos, estará apostado el telescopio. Es lugar, con bajo contenido de vapor de agua y buena calidad atmosférica, es ideal para este tipo de observaciones. Su potencial como lugar para instalaciones astrofísicas fue explorado y por científicos argentinos, en particular por aquellos que desde hace veinte años forman parte además del Observatorio Pierre Auger, gerenciado por una colaboración internacional conformada por dieciocho países,  apostado en Malargüe, provincia de Mendoza, que detecta y analiza rayos cósmicos de ultra elevada energía. “Nosotros tenemos veinte años de experiencia muy positiva con el Proyecto Pierre Auger, por eso nos vinieron a buscar para la instalación de QUBIC”, cuenta Etchegoyen. “En 2016, la colaboración internacional golpeó nuestra puerta y nos dijo que querían instalar QUBIC en Argentina por los cielos de la Puna y por nuestra trayectoria y experiencia. Entonces nosotros buscamos este lugar de la Puna salteña, que ya lo teníamos analizado”.

Ahora, este lugar específico de la Puna en el que instalarán el telescopio de QUBIC “es una zona desde donde se puede observar un cielo limpio, con poco material intergaláctico o polvo. Porque ese material también polariza la luz, entonces puede falsear la observación (aunque la interferometría aporta en este sentido, como ha sido mencionado). Esas regiones son muy buenas para ver la radiación de fondo limpia, sin contaminación”, explica García.

“El telescopio mira al cielo y no hay nada que le tape la vista hacia afuera, lo hará a través de una ventana que es transparente a la radiación de microondas”, señala Christian Kristukat, gerente del proyecto QUBIC. La CMB se visualizará sobre la línea del horizonte en momentos específicos del año. “Como la Tierra se traslada, no se ve siempre el mismo cielo –explica García-. Las zonas observables no están siempre sobre el horizonte. Más o menos durante seis a ocho meses cada año será posible la observación de regiones específicas. Con nieve, vientos fuertes, habrá que cerrar el domo, pero en todo momento en que se pueda observar se va a usar”.

Los responsables del proyecto estiman que los primeros resultados científicos estarán tres años después de comenzar a observar el cielo con el instrumento completo. “La astronomía es estadística. Hay que observar durante mucho tiempo. Los resultados no son instantáneos: hay que juntar muchos datos porque después se analiza la relación entre la señal y el ruido instrumental, por ejemplo, y eso implica que se debe hacer una exposición de largo tiempo colectando datos para tener un resultado creíble”, añade García.

Y tener datos creíbles no será algo accesorio: Etchegoyen advierte que “tener claridad en lo que se mide es fundamental, porque ya hubo falsas alarmas en años anteriores”. En 2014, por ejemplo, en el marco de un proyecto internacional llamado BICEP, científicos que estaban trabajando con un bolómetro emplazado en la Antártida comunicaron públicamente que habían detectado por primera vez la polarización en modo B de la CMB. El hallazgo fue festejado por toda la comunidad científica, pero al chequearlo, se descubrió que lo que habían detectado era, en realidad, polarización producida por el polvo galáctico, no la del universo primordial. “Los modos B de CMB estaba contaminada por polvo galáctico. Es muy fácil equivocarse, porque es muy difícil la detección -dice Etchegoyen-. Nosotros pensamos que con la interferometría bolométrica no vamos a tener ese tipo de errores. Esa es la belleza de este nuevo instrumento”.

Etchegoyen vislumbra que, si logran cumplir con su objetivo, el proyecto QUBIC podría tener consecuencias mucho más allá de lo meramente científico. “Establecer observacionalmente la inflación universal de la creación del universo podría llegar a impactar en el mediano y largo plazo en las ideas de la humanidad en torno a la creación del universo. Tal vez influya sobre la forma filosófica y sociológica de cómo se maneja el ser humano, cómo nos situamos en el universo, a partir de saber cómo se creó”, dice. Para García, “aunque no cambie nuestra vida cotidiana, sí va a cambiar el límite del conocimiento. Porque la idea es llegar hasta el nacimiento de este universo, hay una fracción de tiempo insignificante en donde hasta ahora solo hay un signo de pregunta: no sabemos qué pasó. Estamos tratando de correr ese límite. Si para comprobar la teoría de la relatividad de Albert Einstein hubo que esperar cien años, no es extraño pensar que nosotros podríamos estar a las puertas de un nuevo descubrimiento sobre el Big Bang. Las ideas ya estaban: por primera vez tenemos la tecnología adecuada para verificarlas”.