Un Fondo Cósmico de Ondas Gravitacionales procedentes del Big Bang

Juan García-Bellido
Universidad Autónoma de Madrid

El violento proceso por el cual el Universo se recalienta después de Inflación (esto es, el mismísimo Big Bang), genera un fondo de ondas gravitacionales que podría ser observado en el futuro gracias a observatorios de ondas gravitacionales como LIGO (actualmente en construcción), LISA (un satélite que será puesto en órbita dentro de una década) o el Big Bang Observer (propuesto recientemente). La amplitud y la forma del espectro de ondas gravitacionales contiene información sobre la época, aun grandemente desconocida, de la evolución del Universo primitivo en la cual se convierte la enorme densidad de energía responsable de inflación en la radiación y la materia que observamos hoy en día. El descubrimiento de dicho fondo abriría una nueva ventana al Universo primitivo.

Las observaciones cosmológicas recientes apoyan un nuevo Modelo Estándar de la Cosmología, basado en la Teoría del Big Bang y en el Paradigma Inflacionario. La Inflación es un periodo de la evolución del Universo primitivo en la que una densidad de energía aproximadamente constante hace que éste se expanda exponencialmente rápido. Durante la inflación, las fluctuaciones cuánticas son «estiradas» hasta escalas cosmológicas y se cree que dieron lugar a las semillas de las anisotropías en la temperatura del fondo de radiación que observaron los satélites COBE y WMAP, así como a las pequeñas inhomogeneidades responsables de la formación de estructuras cósmicas como galaxias y cúmulos de galaxias. Las predicciones de Inflación sobre las características espectrales de dichas anisotropías y la distribución de materia en el universo han sido confirmadas recientemente por diversas observaciones cosmológicas. Más aún, la inflación termina convirtiendo la enorme densidad de energía que genera la expansión primordial en la radiación y la materia que observamos, en un proceso llamado «recalentamiento» y considerado hoy en día como el verdadero Big Bang de la antigua teoría.

En un trabajo reciente, publicado en la revista Physical Review Letters, predecimos un nuevo fondo cósmico que proviene de dicho periodo, cuando enormes distribuciones de materia colisionaron a velocidades próximas a la de la luz, convirtiendo una fracción importante de la densidad de energía en forma de ondas gravitacionales. Estas ondas son «arrugas» en el espacio-tiempo que viajan a la velocidad de la luz. Su emisión por objetos relativistas como sistemas binarios de agujeros negros, y otros fenómenos astrofísicos violentos como las supernovas, son una de las predicciones más robustas de la teoría de la Relatividad General de Einstein. De hecho, el cambio en el periodo orbital del pulsar binario PSR 1913+16 fue usado por J. Taylor y R. Hulse para obtener evidencia indirecta de su existencia, por lo que fueron galardonados el Premio Nobel en 1993. De la misma forma que los agujeros negros de un sistema binario, o las burbujas que colisionan en una transición de fase cósmica pueden crear una gran cantidad de ondas gravitacionales, el violento proceso del recalentamiento del Universo en el Big Bang también produce un importante fondo de ondas gravitacionales.

La forma de reconocer este nuevo fondo cósmico es a través de sus características espectrales. Es conocido que el fondo cósmico de microondas tiene exactamente un espectro de cuerpo negro a una temperatura de 2.75 grados Kelvin (unos 270 grados centígrados bajo cero), que es uniforme a lo largo y ancho del cielo. Dicho espectro es consecuencia del hecho de que los fotones del fondo estaban en equilibrio con la materia del plasma en el momento del desacoplo, cuando el Universo tenía 380.00 años y se hizo transparente. Antes de ese instante el Universo es más parecido a una densa «niebla», donde los fotones son dispersados múltiples veces por el plasma, por lo que es imposible obtener información directa de cómo era el universo antes del desacoplo de los fotones. Por otra parte, el fondo de ondas gravitacionales generado al final de Inflación se produce cuando el plasma estaba muy lejos del equilibrio térmico y la enorme densidad de energía de Inflación se estaba convirtiendo violentamente en radiación y materia, pero aún no había termalizado. De hecho, el espectro predicho es más parecido a un espectro turbulento y los detalles espectrales (la amplitud para un rango de frecuencias) contienen gran cantidad de información sobre el proceso de recalentamiento, y podría ser la ventana a mecanismos tan misteriosos hoy en día como la generación de la asimetría materia- antimateria o el origen de la materia oscura.

Debido a que la interacción gravitacional es tan débil, las ondas gravitacionales producidas entonces se desacoplan inmediatamente del plasma y viajan sin obstáculos hasta nosotros. Si en un futuro pudiéramos detectar este fondo, estaríamos viendo cómo era el Universo una trillonésima de segundo después del Big Bang, en lugar de los 380.000 años del fondo de radiación de microondas. Naturalmente, la misma razón por la cual las ondas gravitacionales viajan sin impedimento hasta nosotros desde el Universo primitivo es lo que las hace tan difíciles de detectar. De manera que es necesario emplear enormes dispositivos como los interferómetros de ondas gravitacionales LIGO, LISA o BBO para medirlas. La detección directa de ondas gravitacionales por estos observatorios es uno de los mayores retos científicos que tiene la humanidad en estos momentos, y su logro abriría las puertas a una nueva exploración del cosmos, comparable a la revolución que sufrió la Astronomía con la apertura de las sucesivas ventanas al radio, infrarrojo, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Estos observatorios de ondas gravitacionales podrían servirnos para detectar el fondo cósmico de ondas gravitacionales predicho y así nos permitirían caracterizar el periodo inflacionario, el mecanismo de conversión de energía en materia, y posiblemente el origen de la asimetría materia-antimateria. Creo que no debemos perder la oportunidad de usar este fondo para mirar atrás en el tiempo al origen de nuestro Universo.

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