Erre cero dos

20/03/2014 20 comentarios
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La detección de ondas gravitacionales en el modo B de la polarización del fondo de radiación abre las puertas a la exploración del origen cuántico del universo.

Erre cero dos, erre cero dos,... sonaba como uno de esos nombres que tanto entusiasman a los fans de la serie de Star Wars. Aunque el lugar donde se descubrió —la base Scott-Amundsen del Polo Sur— tiene todas las características de una estación de algún remoto planeta de sus películas, no se trataba del estreno de la nueva trilogía. Estas tres palabras estaban de hecho en boca de todos los "cognoscenti" de la teoría inflacionaria durante el fin de semana pasado, pocos días antes de que la noticia fuera hecha pública en rueda de prensa por los investigadores principales del experimento BICEP2. El viernes recibimos todos un mensaje del Harvard Smithsonian Center anunciando un "Major Discovery" para el mediodía del lunes, sin especificar cuál era el descubrimiento. Esto hizo saltar todas las alarmas y empezamos a indagar. Pronto aparecieron artículos en periódicos como El Guardian y en varios blogs por todo el mundo discutiendo el posible descubrimiento del modo B primordial en la polarización del fondo de microondas, señal inequívoca de la generación de ondas gravitacionales durante inflación. El descubrimiento era tan extraordinario que muchos empezamos a hablar entre nosotros recabando más información.

Dark-Sector-Lab_BICEP2 Base Scott-Amundsen del Polo Sur. ® BICEP Collaboration

 

El 17 de marzo de 2014 pasará a ser una de las fechas clave en cosmología por la presentación en rueda de prensa de la detección de las ondas gravitacionales generadas instantes después del origen del universo. Esto supone la confirmación definitiva de la teoría de la inflación cosmológica, que describe cómo una enorme densidad de energía impulsa la expansión acelerada del espacio y comienza la gran explosión (big bang). Esas ondas son una reliquia del origen del universo. El hecho de que tengamos una huella de algo que ocurrió en el universo una trillonésima de trillonésima de segundo después de su origen es sobrecogedor, pero quizá más importante sea el darse cuenta de que estas ondas nos permiten corroborar aspectos esenciales sobre nuestras ideas de cómo se originó el universo a partir de una fluctuación cuántica del espaciotiempo.

 

History-of-the-Universe

Historia del universo desde su origen cuántico hasta hoy en día,
13.800 millones de años más tarde. ® BICEP Collaboration

 

El fondo de radiación de microondas, detectado hace 50 años, ha resultado ser una fuente extraordinaria de información, no sólo sobre el momento en que este fondo se generó, 380.000 años después de la gran explosión, cuando se formaron los primeros átomos y la radiación se desacopló de la materia, sino también sobre el universo primordial, fracciones infinitesimales de segundo después de su origen. Las medidas que acaban de anunciar los científicos del telescopio BICEP2 en el polo Sur nos abren una nueva ventana a la comprensión de los primeros instantes de nuestro universo. Voy a intentar describir aquí, en términos sencillos, en qué consisten estas observaciones y qué quiere decir eso de "erre cero dos".

BICEP2
Modos rotacionales (B) de la polarización del fondo de radiación. ® BICEP Collaboration

 

La teoría inflacionaria surgió por la necesidad de resolver los problemas de la planitud y la homogeneidad de la teoría de la gran explosión. Inflación predice un período de expansión acelerada del universo, fracciones infinitesimales de segundo después de su origen cuántico, y es responsable de todo lo que vemos a gran escala, de toda la materia y la radiación, así como de su distribución en el espacio. Dicho proceso inflacionario genera fluctuaciones cuánticas que son estiradas por la expansión del universo y determinan las perturbaciones del espacio-tiempo que observamos en el fondo de radiación. Estas perturbaciones son de dos tipos: ondas de densidad y ondas gravitacionales. Las primeras fueron observadas inicialmente por el satélite COBE, en 1992, y más tarde por los WMAP y Planck, y sus propiedades estaban perfectamente de acuerdo con las predicciones de inflación. Las segundas no habían sido observadas hasta ahora y constituían una de las predicciones más buscadas de la teoría.

 

Polarization-diagram

 

Las ondas de densidad inducen un patrón de polarización de tipo E,
mientras que las ondas gravitacionales lo inducen de tipo B.
® BICEP Collaboration

Mientras que las fluctuaciones de densidad dan lugar a variaciones en la temperatura del fondo de radiación entre puntos distantes del cielo y acaban dando origen a las galaxias, las ondas gravitacionales predichas por inflación generan un patrón característico en la orientación de la polarización del fondo de radiación. La polarización lineal de la luz se observa fácilmente con unas gafas polarizadas en un día radiante frente al mar, ya que reduce la cantidad de luz que nos llega a los ojos. El fondo de radiación está débilmente polarizado, por lo que la señal que se buscaba era muy pequeña, lo que explica por qué se ha tardado tanto en descubrirla. Y además, tiene dos componentes, uno polar (de tipo E) y otro rotacional (de tipo B), que es el que nos ha permitido detectar las ondas gravitacionales.

PolarizationWMAP
La luz que nos llega del fondo de radiación esta polarizada linealmente. Los detectores en BICEP son similares a los del satélite WMAP y filtran la luz de la gran explosión. ® WMAP Collaboration

 

Según la teoría de inflación el fondo cósmico de microondas debe seguir un patrón característico. En particular, la razón entre la amplitud de las fluctuaciones en la polarización de tipo B (la asociada a las ondas gravitacionales) y las de densidad (asociadas a la temperatura) se denomina con la letra "r", y nos da información de las escalas de energías a las cuales ocurrió el proceso inflacionario en el universo primitivo. Según el BICEP2, el valor recientemente medido, r = 0,2 (de aquí el "mantra" escuchado repetidamente este fin de semana: erre cero dos), nos sugiere que la inflación ocurrió a escalas billones de veces más energéticas que las colisiones en el acelerador LHC del CERN, donde se descubrió la partícula de Higgs. Esta medida constituye la primera prueba de una nueva escala de energía (1016 GeV) entre la escala del modelo estándar de partículas (102 GeV) y la llamada escala de Planck de la gravedad cuántica (1018 GeV). El mecanismo de Inflación actua sobre dichas escalas como una lupa, acercándonos el mundo microscópico que tuvo lugar en esos instantes hasta hacerlos del tamaño del universo actual. Es fascinante poder aprovechar la inflación para abrir una nueva ventana al universo primitivo y con ello explorar su origen cuántico.

En definitiva, la detección del modo B de polarización supone la confirmación de la teoría de inflación, propuesta por Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky hace algo más de 30 años. El fondo de ondas gravitacionales predicho y finalmente detectado por BICEP2, afianza la teoría inflacionaria como escenario del origen cuántico del universo, y abre las puertas al conocimiento de la dinámica responsable de esa expansión acelerada. Dicha teoría predice también una conversión violenta de energía en materia y radiación al final de la inflación, el así llamado recalentamiento del universo, dando lugar a lo que comúnmente se denomina la gran explosión. Desde entonces, el universo se fue enfriando hasta llegar a su estado actual, 13.800 millones de años después.

 Evolucion Universo

La evolución del universo desde su origen cuántico hasta hoy en día

Este descubrimiento es extraordinario y será seguido muy pronto por detecciones de otros experimentos que están tomando datos en estos momentos, confirmando y afianzando el resultado con mejores determinaciones de las propiedades a gran escala de las ondas gravitacionales, como por ejemplo su índice espectral. Se espera pronto una confirmación de dicho resultado gracias a las observaciones del satélite europeo Planck, que posee un gran número de detectores a bordo, lo que permitirá sustraer fuentes astrofísicas espurias que podrían contaminar la señal cosmológica.

En un futuro próximo se espera que satélites de tercera generación, como COrE y PRISM, se lancen al espacio para explorar en detalle estas elusivas ondas gravitacionales que dejaron su huella en el fondo de radiación, lo que permitirá la exploración de una nueva escala de energía, muy por encima de la que es actualmente accesible con los grandes aceleradores. Estos resultados nos acercarán a una comprensión más profunda de las interacciones fundamentales próximas a la escala de Planck, donde estarán regidas por la gravedad cuántica, cuyos fenómenos están muy alejados de nuestra experiencia diaria.

Con este descubrimiento la cosmología entra en una nueva era, en la que observaciones y teoría tendrán que ir de la mano y podrán avanzar a grandes pasos. Vivimos un momento fascinante.