Estamos acostumbrados a observar el universo con fotones de longitudes de onda muy diversas, desde ondas de radio a rayos gamma, pasando por luz visible, ultravioleta e infrarroja. Los primeros telescopios ópticos -el año pasado celebramos el 400 aniversario de su invención- permitieron observar objetos diminutos como las lunas de Júpiter o descubrir las manchas solares. Desde entonces se han inventado telescopios ópticos progresivamente más sofisticados, hasta el siglo xx en que se construyeron los primeros radiotelescopios y se pusieron en órbita los primeros satélites con telescopios de rayos-X y rayos gamma.

 

Hoy en día cubrimos 20 órdenes de magnitud en las frecuencias de las ondas electromagnéticas. Nos llegan de procesos astrofísicos violentos o bien directamente de la propia gran explosión (Big Bang). Por ejemplo, medimos con bastante precisión el fondo cósmico de microondas, emitido cuando se formaron los primeros átomos en el universo, cuando éste tenía apenas 380.000 años. La información que podemos extraer hoy en día del fondo de radiación es tan completa que nos ha permitido definir por primera vez un modelo cosmológico estándar, cuyos parámetros se conocen con una precisión del uno por ciento.

 

Sin embargo, no es la luz el único mensajero que nos trae información de los confines del universo. Desde hace una década también vemos el Sol en neutrinos gracias a Super-Kamiokande, y hay en funcionamiento en estos momentos en el polo sur telescopios de neutrinos muy energéticos que nos permitirán observar el interior de los objetos más violentos del universo, como las supernovas, gracias a que los neutrinos atraviesan la materia cargada que hay a su alrededor, que es opaca a la luz. Por tanto, la información que podemos obtener de los neutrinos es complementaria a la que nos proporciona la luz.

 

Mientras que las ondas electromagnéticas nos hablan de procesos atómicos, o bien de cargas libres aceleradas en campos magnéticos, los neutrinos nos descubren el interior de los cuerpos, estrellas o galaxias, gracias a los procesos nucleares débiles que tienen lugar allí. Los neutrinos son partículas neutras que recorren enormes distancias sin interaccionar y por ello constituyen una extraordinaria sonda del universo profundo. Por desgracia, interaccionan tan débilmente en los detectores en Tierra, que son necesarios muchos neutrinos para detectarlos, luego sólo somos en principio capaces de ver los procesos más violentos y catastróficos del universo, como por ejemplo el colapso gravitacional de una estrella en forma de supernova, o bien el interior del disco de acreción de las galaxias activas, o los llamados gamma ray bursts.

 

En un futuro no muy lejano es posible que podamos medir por primera vez el fondo cósmico de neutrinos que la teoría de la gran explosión predice fue emitido cuando el universo tenía apenas unos segundos de vida, cuando se formaron los primeros elementos como el helio y el litio. Este fondo es enormemente débil, y por tanto muy difícil de detectar, pero contiene información valiosísima de cómo era el universo primitivo. Además de neutrinos y fotones, el universo está atravesado por partículas cargadas, los rayos cósmicos, que pueden ser desde protones del viento solar, que nos llegan a la Tierra después de una tormenta solar ordinaria, hasta núcleos de hierro que nos llegan de explosiones supernovas tanto en nuestra galaxia como en galaxias lejanas. Dichos rayos cósmicos pueden tener energías desde unos pocos gigaelectronvoltios (1GeV = 109 eV) hasta los 1020 eV de los UHECR, que inciden en la Tierra una vez al año aproximadamente.

 

Los rayos cósmicos más energéticos provienen todos de fuentes astrofísicas más allá de nuestra galaxia, probablemente de núcleos activos que aceleran partículas a energías increíbles, por lo que éstas nos llegan desde distancias verdaderamente cosmológicas. El interés de estos rayos cósmicos ultraenergéticos es que nos permiten deducir propiedades del espacio que hay entre la fuente y nosotros. Por ejemplo, si en su camino los rayos cósmicos se encuentran con campos magnéticos intensos, sus trayectorias se curvan de manera que la dirección con la que se reciben en la Tierra no tiene nada que ver con la de la fuente que los originó. Cuanto mayor es la energía de estos rayos cósmicos, menor es la deflexión, luego los experimentos de UHECR como el Observatorio Pierre Auger de Argentina, que detectan los rayos cósmicos más energéticos, nos permiten hacer un mapa de la distribución de fuentes ultraenergéticas de rayos cósmicos, como las galaxias activas tipo quasares. A menores energías nos permiten poner cotas sobre la presencia de campos magnéticos en el espacio intergaláctico. Luego vemos que la información que proporcionan los rayos cósmicos es complementaria a la de los fotones y los neutrinos que nos llegan de todas direcciones.

 

Finalmente, el cuarto mensajero del universo profundo serían las ondas gravitacionales. Aún no tenemos detectores de ondas gravitacionales funcionando como observatorios astronómicos, pero pronto será posible disponer de ellos para la observación cosmológica, probablemente durante la próxima década. Las ondas gravitacionales se generan siempre que se desplacen enormes masas a velocidades relativistas. La primera prueba de su existencia proviene de la pérdida de energía de sistemas binarios, como el pulsar PSR1913+17 que descubrieron Hulse y Taylor en 1973, que muestran cómo dos estrellas orbitando alrededor de su centro de masas común emiten ondas gravitacionales a un ritmo apreciable. Si el sistema lo constituyen dos agujeros negros masivos, o bien un agujero negro y una estrella de neutrones, la emisión sería lo suficientemente fuerte como para poder detectarlos con la próxima generación de observatorios de ondas gravitacionales, como Advanced-LIGO en EE.UU., VIRGO en EU o DECIGO en Japón.

 

Las ondas gravitacionales son tan débiles que prácticamente no interaccionan desde que son emitidas, luego su detección nos daría información interna sobre los procesos más violentos del universo, como explosiones de supernova, agujeros negros en galaxias de núcleos activos, o incluso la mismísima gran explosión. Esta última generaría un espectro característico cuya detección nos acercaría al comienzo del universo, no sólo a unos pocos segundos como en el caso de los neutrinos, o a 380.000 años como en el caso de los fotones. Es fascinante pensar en la posibilidad de que los observatorios de ondas gravitacionales podrían darnos un mapa de las inhomogeneidades del universo instantes después de la gran explosión, cuando se creó toda la radiación y la materia. De forma análoga a como ese mapa, en el caso del fondo de radiación de microondas, describe la época de formación de los átomos y nos permite con ello definir con precisión nuestro modelo estándar de la cosmología, será una ventana al pasado extraordinariamente rica en la comprensión de los fenómenos físicos a escalas de energía imposibles de acceder con los modernos aceleradores de partículas.

 

En resumen, no sólo tenemos detectores de fotones de muy diversas longitudes de onda para observar el universo cercano y lejano, sino que también disponemos recientemente de detectores de neutrinos y de rayos cósmicos que nos abren una nueva ventana al universo ultraenergético, que podría ayudarnos a conocer la distribución de materia a nuestro alrededor, hasta distancias de unos cientos de millones de años luz. Más aún, la próxima década dispondremos de telescopios de ondas gravitacionales que nos permitirán descubrir una nueva imagen del universo, más violento y más profundo que en ninguna de las anteriores, posiblemente llegando a la mismísima gran explosión. Si con cada nueva longitud de onda de la luz hemos abierto un nuevo campo, imaginemos la revolución, en cuanto a nuestro conocimiento del universo, que podrían traernos estos cuatro mensajeros actuando de forma complementaria.

 


 

El Sol visto en rayos-X, ultravioleta, UV extremo, luz blanca visible, visible-Ca-K, H, infrarrojo, radio, y en neutrinos.

 


 

El espectro de rayos cósmicos, desde energías de GeV hasta cientos de EeV, con flujos que decrecen aproximadamente con la energía al cubo.

 

Juan García-Bellido Capdevila
Juan García-Bellido Capdevila

Profesor de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid e investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC. Autor de más de cuatro centenares de artículos en revistas especializadas, es un cosmólogo teórico reconocido internacionalmente. Ha trabajado en el CERN, el Imperial College de Londres y la Universidad Stanford. Sus investigaciones cubren un amplio rango de fenómenos, desde el origen del universo en términos de la teoría de la inflación cosmológica, hasta la formación de galaxias y la naturaleza de la materia y energía oscuras. Participa en numerosas colaboraciones internacionales como el Dark Energy Survey, la misión Euclid de la ESA y el interferómetro Virgo para la deteccion de ondas gravitacionales. Actualmente desarrolla la idea de que la materia oscura está hecha de agujeros negros primordiales. Es un amante de la música y de la pintura. Está casado y tiene dos hijos.

Sobre este blog

Vivimos en estos momentos una revolución en cuanto a nuestro conocimiento del cosmos. Podemos determinar con precisión asombrosa, gracias a experimentos altamente sofisticados, un conjunto bastante grande de parámetros que caracterizan nuestras teorías, y sin embargo desconocemos de qué esta hecho casi el 95% del universo. Sin duda nos queda mucho por entender. Con la detección de ondas gravitacionales hemos entrado en una nueva era de multi-mensajeros que nos va a permitir explorar los límites de nuestro conocimiento sobre el universo primitivo y el tardío.

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