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  • 18/03/2014

cosmología

Espaldarazo a la inflación cósmica

El experimento BICEP2 detecta en el fondo cósmico de microondas la huella de las ondas gravitacionales producidas durante el nacimiento del universo.

BICEP2

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Evolución del universo [BICEP2]

Los cosmólogos están de enhorabuena. Ayer, los científicos del experimento BICEP2, un gran telescopio instalado en el Polo Sur, informaron de la que podría ser la primera señal inequívoca de las ondas gravitacionales emitidas durante los primeros instantes del universo.

Los resultados, que superan la rigurosa significancia estadística que los físicos se exigen a sí mismos para proclamar un descubrimiento (5 sigmas), aportarían la pieza que faltaba para corroborar uno de los paradigmas centrales de la cosmología moderna: la teoría de la inflación cósmica. Según esta, el espacio y el tiempo habrían experimentado una expansión de proporciones descomunales durante los instantes posteriores a la gran explosión.

Los físicos de BICEP2 no han detectado directamente las ondas gravitacionales producidas en aquel momento primigenio. Su análisis se ha centrado en las propiedades estadísticas de los fotones que componen el fondo cósmico de microondas, la luz más antigua existente en el universo. Según sus resultados, en ella aún persistiría una sutil impronta que solo podría haber sido provocada por las distorsiones del espaciotiempo que sacudieron el universo durante el período inflacionario.

En el pasado, varios estudios sobre de las pequeñas fluctuaciones de temperatura que motean el fondo de microondas ya habían avalado de manera indirecta la hipótesis inflacionaria. El análisis de BICEP2, sin embargo, es completamente nuevo, ya que no se ha centrado en estudiar la temperatura de esa radiación, sino su polarización (la dirección en la que vibra el campo electromagnético).

«La confirmación de la inflación tiene dos partes», explica Juan García-Bellido, reputado cosmólogo del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC que ha dedicado gran parte de su carrera a investigar y desarrollar la teoría inflacionaria. «Con COBE, WMAP y Planck se comprobó la primera, y ahora se confirma la segunda. Los datos no solo ratifican que la inflación es una buena hipótesis, sino que es la única explicación razonable para dar cuenta de las observaciones.»

«Rizos» luminosos y ondas gravitacionales

La teoría de la inflación cósmica nació hace más de 30 años para explicar por qué el cosmos muestra un aspecto tan uniforme miremos en la dirección en la que miremos. Según la hipótesis inflacionaria, el violento estirón que sufrió el universo nada más nacer lo habría uniformizado casi por completo. Después, ese período de dilatación exponencial habría dejado paso a la expansión mucho más moderada predicha por la teoría «tradicional» de la gran explosión.

Por su parte, el fondo cósmico de microondas fue emitido cuando el universo apenas contaba 380.000 años, menos del 0,003 por ciento de su edad actual (estimada en 13.800 millones de años). Aunque en términos relativos se trata de una época muy posterior a la inflación, por aquel entonces el cosmos era aún tan joven que las distorsiones espaciotemporales que lo sacudieron durante su nacimiento aún se propagaban por él con una intensidad considerable.

Al examinar las propiedades estadísticas de la polarización del fondo de microondas, los físicos de BICEP2 han detectado los llamados modos B de dicha radiación: «rizos» en su estructura vectorial que, matemáticamente, resultarían análogos a la parte magnética de un campo electromagnético.

¿Por qué la detección de ese ensortijamiento en la polarización del fondo cósmico estaría delatando la existencia de ondas gravitacionales primigenias? Según explica García-Bellido, el fenómeno puede verse en ultima instancia como una consecuencia del espín de gravitón, el cuanto del campo gravitatorio, que distorsiona la orientación de la polarización de los fotones del fondo de radiación. Aunque el gravitón aún no ha sido detectado por medios directos, se sabe que su espín solo puede valer 2, una propiedad que no posee ninguna otra partícula elemental conocida (el fotón, por ejemplo, tiene espín 1; el electrón, espín 1/2, y el bosón de Higgs, espín 0). Por ello, los expertos atribuyen los modos B detectados por BICEP2 a las ondas gravitacionales emitidas durante el período inflacionario.

Daniel G. Figueroa, cosmólogo experto en inflación de la Universidad de Ginebra, apunta que la causa difícilmente podría ser otra: «Debido a las escalas angulares en las que se ha observado, ese campo de ondas gravitacionales solo puede ser de origen cosmológico, no astrófisico», subraya.

De la cosmología a la física de partículas

Desde que fuera propuesta como un mecanismo genérico para explicar el origen del universo, la hipótesis inflacionaria se ha visto encarnada en un sinnúmero de modelos diferentes. Los resultados de la colaboración BICEP2, sin embargo, no solo corroboran de manera genérica la teoría inflacionaria, sino que reducen enormemente el espacio de modelos.

«Esta medición nos informa sobre la escala de energías característica del período inflacionario», señala Figueroa. «Y el resultado es impactante: coincide con la energía típica de las teorías de gran unificación, unos 1016 GeV [gigalectronvoltios].» Por teorías de gran unificación (GUT) se conoce una variedad de modelos de física de partículas que, por diversas razones teóricas, predicen que las distintas interacciones de la naturaleza se tornarían indistinguibles al alcanzar esa escala de energías.

Cabe señalar que el acelerador de partículas más potente del planeta, el LHC del CERN, se halla extraordinariamente lejos de poder sondear esas energías (el bosón de Higgs, cuya masa da una idea de la escala que puede explorar el LHC, posee una masa del orden de 100 GeV, cien billones de veces menor que la escala típica de las GUT). Por tanto, cualquier indicio experimental de lo que ocurra a tales escalas de energías constituiría un preciado tesoro no solo para los cosmólogos, sino también para los físicos de partículas. «No sabemos todavía qué implicaciones para la física de partículas puede tener este descubrimiento», observa Figueroa.

¿Quedan alternativas a la inflación?

Si los resultados de BICEP2 se ven corroborados por otros experimentos, como se espera que en unos meses haga el satélite Planck, de la ESA, el día de ayer pasará sin duda a los anales de la cosmología.

«En caso de verificarse, este hallazgo podría equipararse al descubrimiento de la radiación cósmica de fondo, que en los años sesenta sirvió para confirmar la teoría del big bang», señala Figueroa. «En primer lugar, porque representa una prueba indirecta de la existencia de ondas gravitacionales; pero, lo que es aún más relevante, confirmaría que el paradigma inflacionario es correcto.»

Hasta ahora, y a pesar de sus éxitos, la hipótesis inflacionaria no había conseguido poner de acuerdo a toda la comunidad de cosmólogos. Desde hace algún tiempo, ciertos problemas conceptuales habían llevado a que teóricos de la talla de Paul Stainhardt o Roger Penrose se planteasen mecanismos alternativos a la inflación, como una evolución cósmica cíclica. Los resultados hechos públicos ayer, sin embargo, «descartan definitivamente estas propuestas alternativas», concluye García-Bellido.

Más información y enlaces a los artículos técnicos en la página web de la colaboración BICEP2

—IyC

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