El Big Bang, el periodo inflacionario y nuestra visión del Universo

 

El pasado 17 de marzo se hizo pública la detección de las ondas gravitacionales producidas durante el periodo inflacionario de la Gran Explosión que dio lugar a nuestro Universo. Se trata de un descubrimiento fascinante, puesto que por una parte supone una de las evidencia más consistentes de la existencia de ondas gravitacionales, y por otra parte confirma una de las predicciones más concretas de los modelos que explican la formación del Universo. Este descubrimiento cierra de alguna manera el cambio de paradigma que comenzó cuando en el año 1929 Edwin P. Hubble comunicó que el Universo se encontraba en expansión, y no era por lo tanto ni eterno ni infinito como se creía hasta entonces.

En realidad todo comenzó hace mucho tiempo, cuando en el proceso de la evolución el ser humano adquirió consciencia de su existencia. Es esta consciencia la característica que nos hace “humanos”, y no sólo la inteligencia. Y fue esta consciencia la que nos hizo plantearnos las preguntas básicas de nuestra existencia: ¿qué somos?, ¿de dónde venimos?, ¿dónde estamos? La Humanidad lleva muchos siglos buscando respuestas a estas preguntas, y a medida que la ciencia y la tecnología han ido avanzando hemos podido ir desvelando las propiedades del Universo en que vivimos y nuestro papel en él. El desarrollo de la Relatividad General y de la Mecánica Cuántica a comienzos del siglo XX, lo que muchos consideramos el mayor avance en nuestra comprensión de la Naturaleza de toda la historia, nos permitió abordar el estudio del Universo a gran escala, proporcionando una visión cosmológica de nuestro Universo cada vez más completa y detallada.

 

Hoy en día pensamos que el Universo en que habitamos no existe desde “siempre”, sino que se formó en un proceso que de manera gráfica denominamos la “Gran Explosión” o Big Bang, que tuvo lugar hace algo menos de 14.000 millones de años. Durante este tiempo, las sucesivas generaciones de estrellas sólo han consumido aproximadamente un 9% del hidrógeno primordial que se creó en los primeros instantes, por lo que podemos considerar que nos encontramos en un Universo todavía relativamente joven. Aplicando las leyes de la Mecánica Cuántica y de la Gravedad podemos reproducir con sorprendente nivel de detalle la evolución de las condiciones físicas del Universo desde su formación.

 

Así, todo parece indicar que en los primeros instantes de la Gran Explosión, concretamente a los 10-37 segundos, el incipiente Universo sufrió un proceso extraordinariamente rápido (10-32 segundos) de expansión, multiplicando su tamaño por 13 órdenes de magnitud (básicamente, pasó de una escala similar al diámetro de un protón a la de una pelota de golf). Esta expansión súbita se conoce como la etapa inflacionaria en la formación del Universo, y es un fenómeno que los físicos teóricos predijeron para poder explicar las propiedades del Universo tal y como lo podemos observar en la actualidad.

Diagrama que muestra el proceso de expansión del Universo desde sus orígenes. La inflación tuvo lugar durante un tiempo extremadamente corto, pero aumentó en 13 órdenes de magnitud la escala del universo (fuente: colaboración BICEP2).

 

 


 

En los siguientes 380.000 años el Universo continuó su expansión, aunque a un ritmo mucho más modesto. Esta expansión llevó aparejada un enfriamiento del medio, hasta que a los 380.000 años la temperatura bajó lo suficiente como para que la materia pudiera condensarse en forma de partículas estables, formando protones y electrones que se combinarían para dar lugar a un 99% de hidrógeno, un 1% de helio, y trazas de algunos otros elementos como el Litio (sí, parte del Litio de las baterías de nuestros móviles se formó en aquellas primeras etapas convulsas del Universo). A partir de ese momento la interacción entre la materia y los fotones disminuyó lo suficiente como para que el medio se hiciera transparente, de manera que los fotones emitidos en aquel instante pueden ser observados aún hoy en día formando la denominada radiación cósmica de fondo. Fue precisamente el descubrimiento de esta radiación en los años 60 del siglo XX, con propiedades muy similares a las predichas, lo que dio el apoyo definitivo a las teorías cosmológicas del Big Bang.

 

 

Fluctuaciones en temperatura de la radiación cósmica de fondo, medidas por el observatorio Planck de la ESA. La amplitud es de sólo ±300 millonésimas de grado. Las regiones más calientes eran más densas, y alrededor de ellas se fueron condensando los cúmulos y supercúmulos de galaxias que podemos observar hoy en día (fuente: ESA).


 

La inflación súbita amplificó enormemente las fluctuaciones cuánticas del incipiente Universo, dando lugar a regiones ligeramente más densas, y por lo tanto más calientes, y regiones algo más vacías y frías. Estas fluctuaciones de densidad/temperatura se descubrieron hace unos 20 años en los mapas de la radiación cósmica de fondo, con una amplitud de ±300 millonésimas de grado, y constituyeron la semilla a partir de la cual se condensaron las grandes estructuras cósmicas que hoy conocemos (cúmulos, supercúmulos, filamentos intergalácticos….). Pero los cosmólogos habían predicho que el proceso inflacionario debería haber generado una potente emisión de ondas gravitacionales. Estas ondas se fueron diluyendo con el paso del tiempo, de manera que hoy en día son imperceptibles. Pero a la edad de 380.000 años, cuando se formó la radiación cósmica de fondo, todavía eran suficientemente intensas como para alterar la estructura del espacio-tiempo a su paso. La Relatividad General nos enseña que la luz sigue siendo trayectorias geodésicas del espacio-tiempo. En las proximidades de objetos masivos estas geodésicas se curvan, haciendo que la luz se desvíe. Las ondas gravitacionales producidas durante la inflación produjeron un cierto “retorcimiento” de la estructura del espacio tiempo, que hizo que la luz se viera afectada adquiriendo un tipo de polarización muy específico, denominado Modo B. El efecto en las observaciones se detectaría con una amplitud mucho más pequeña que la de las fluctuaciones de densidad, de sólo unas décimas de millonésima de grado.

 

Telescopio BICEP2 en el Polo Sur. En segundo plano se puede ver el telescopio SPT (fuente: colaboración BICEP2).

 

Un efecto tan sutil parecía imposible de detectar. Pero en Ciencia se aplica a la perfección el lema “Nunca digas nunca jamás”. Ante grandes retos siempre hay grandes ideas para superarlos. Así, instalando su telescopio en pleno Polo Sur, en unas condiciones inhumanas ciertamente parecidas a las del espacio exterior, John Kovac (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics – CfA, Cambridge, Massachusetts) y su equipo han logrado medir esta polarización de la radiación cósmica de fondo, con unas propiedades compatibles con las predicciones teóricas. El resultado es ciertamente fascinante: no sólo somos capaces de ver cómo era el Universo al terminar la Gran Explosión, cuando tan sólo contaba con 380.000 años de edad, sino que podemos detectar incluso los efectos de las ondas gravitacionales producidas durante la explosión en sí misma. En estos momentos científicos de todo el mundo se afanan en repetir las observaciones con otros instrumentos, a fin de comprobar los resultados. Las propiedades de estas ondas gravitacionales nos permitirán caracterizar las condiciones del Universo naciente, como su contenido total de energía, algo básico para entender cómo evolucionará en el futuro y para tratar de encontrar una respuesta a otra de las grandes incógnitas de la actualidad: la naturaleza de la denominada Energía Oscura. Esta energía Oscura, de naturaleza repulsiva, es responsable de la aceleración del ritmo de expansión del Universo en los últimos 5.000 millones de años, pero aún no sabemos apenas nada de ella.

 

Mapa de polarización en modo B de la radiación cósmica de fondo. La amplitud de las fluctuaciones es de sólo ±0.3 millonésimas de grado. La escala de color indica el sentido de la polarización, mientras que los segmentos marcan su intensidad y orientación (fuente: colaboración BICEP2).


 

 

 

 

 

Espectro de potencias de polarización en modo B de la radiación cósmica de fondo. Como se puede ver, los experimentos anteriores no alcanzaron la sensibilidad precisa para su detección. La señal medida por BICEP2 es perfectamente compatible con la esperada para las ondas gravitacionales producidas durante el periodo inflacionario (línea roja), con un parámetro r próximo a 0.2. r mide la relación entre las fluctuaciones asociadas a ondas gravitacionales y las debidas a ondas de densidad (fuente: colaboración BICEP2).

 

 

Si bien hemos encontrado que el Universo no es infinito, la curiosidad humana sin embargo no parece tener límites. Poco a poco vamos avanzando en encontrar respuesta a las preguntas fundamentales, y los horizontes que nos abren las nuevas tecnologías nos permitirán llegar cada vez un poco más lejos, un paso más allá, hasta que logremos descifrar el misterio de nuestros orígenes.

 

 

J. Miguel Mas Hesse

Centro de Astrobiología (CSIC-INTA)

 

Enlaces:

  • Página del proyecto BICEP2: http://bicepkeck.org/index.html
  • Noticia y video explicativo en Nature.com: http://www.nature.com/news/telescope-captures-view-of-gravitational-waves-1.14876
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