¡¿Qué se puede decir después de haber vivido la semana más excitante en el campo de la cosmología?! Después de la noticia que dio una vuelta al mundo el lunes pasado a las 9 am (hora del D.F., México):
¡Las ondas gravitacionales han sido detectadas y están para quedarse! Permítanme darles un breve recorrido sobre este suceso y las nuevas fronteras que conllevarán sus resultados.
Todo comenzó con un anuncio oficial de prensa del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian(spaceref):
Este Lunes 17 de marzo, hora del este, los astrónomos anunciarán un “gran descubrimiento”.
Sin embargo, dicho anuncio no reveló evidencia de qué se trataba el “descubrimiento” realmente. Y los rumores en la comunidad científica empezaron...
Claro que al conocer cosmólogos o teniendo amigos de dicha área en Facebook, Twitter, o cualquier otra red social, el rumor empezó a esclarecerse: el experimento en el polo sur BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, por sus siglas en inglés) que cuenta con el trabajo de 47 investigadores de varios países y dirigidos por John Kovac, ha detectado señales de ondas gravitacionales.
¿Qué son las ondas gravitaciones? y ¿cuál es la importancia de su detección? Estas preguntas serán reveladas más adelante, pero primero permítame mencionar la importancia por la cual esta noticia es extraordinaria: la detección de éstas señales extrañas provenientes del espacio daría una enorme e importante pista de lo que pasó en los primeros momentos de la Gran Explosión (o Big Bang) que dio origen a nuestro universo.
De la misma forma que el electromagnetismo predice la existencia de ondas electromagnéticas, la Relatividad General propuesta por Albert Einstein en 1915 predice la existencia de ondas gravitacionales, las cuales pueden verse como perturbaciones en el espacio-tiempo y que se propagan a la velocidad de la luz. Explicar la ciencia de las ondas gravitacional requeriría unas líneas extras a esta noticia, pero invito al lector a que disfrute de 3 minutos sobre este fenómeno en el Universo con este vídeo.
Continuando con esta noticia impactante, es interesante mencionar que además de encontrar vida en otros planetas o detectar la materia oscura, se podría pensar que no hay descubrimiento plausible más importante que éste para ampliar nuestro entendimiento del Universo. Y por supuesto, muchos consideran que es uno de los más grandes descubrimientos desde la presentación de la energía oscura.
Una idea que debemos tener en mente es que el descubrimiento no indica que las ondas gravitacionales existen -claro que existen-. La gran noticia es que ahora tenemos la evidencia experimental de ese algo que pasó justo cuando nuestro universo nació. Y de la mano de este descubrimiento, tenemos la teoría de la inflación cósmica, una hermosa teoría que describe ese instante del Universo y que explica por qué lo vemos al mismo tiempo grande y muy parejo en todas direcciones. Esta idea fue propuesta en 1979 por Alan Guth, aquí vemos en sus apuntes como se resolvía el problema de la teoría de la Gran Explosión:
En resumen, en épocas muy, muy tempranas (aún no estamos seguros cuándo exactamente, pero ha sido plausible considerar 10-35 segundos o menos antes del tiempo de Planck, que es la unidad de tiempo más pequeña que puede ser medida y es de alrededor de 10-43 segundos), el Universo pasó por una fase de expansión acelerada por alguna razón u otra. Existe una amplia variedad de modelos que describen cuál pudo haber sido dicha fase; y descubrir cuál es el modelo adecuado es el pan de cada día de los cosmólogos. Pero claro, el efecto básico de la idea de la era inflacionaria suaviza mucho las cosas: elementos como la densidad de las perturbaciones (las cuales al colapsar gravitacionalmente formaron las galaxias, grupos de galaxias y super agrupaciones de galaxias), la curvatura espacial, y ciertas reliquias de esa época quedan diluidas. Claro que, según la mecánica cuántica, no podemos suavizar estas cosas completamente. Sin prolongar estas ideas, la inflación ciertamente hace predicciones crudas: el universo es aproximadamente homogéneo, y la curvatura del espacio es muy pequeña. Pero las perturbaciones que aparecen en dicho escenario proveen información aún más específica y cualitativa, y ofrecen una esperanza tangible de que estamos aprendiendo más de la era inflacionaria.
Hay dos clases de perturbaciones que esperamos ver: el campo “inflaton” y las “ondas gravitacionales”. No sabemos qué campo llevó a cabo la inflación, es por ello que le llamamos inflaton y tratamos de determinar sus propiedades con base en observaciones. Y por supuesto, hay fluctuaciones cuánticas en el campo gravitacional: las ondas gravitaciones o gravitones. Esta idea fue propuesta a principio de los años 80 y justo después de que la teoría inflacionaria fuera publicada.
Las ondas gravitacionales son interesantes por las siguientes razones: primero, sabemos que deben estar ahí; segundo, existe un proceso por el cual podemos separar las ondas gravitacionales de las fluctuaciones de la densidad usando la polarización de la radiación cósmica de fondo, es decir, podemos separar la señal de estas ondas, las cuales tienen forma de remolinos en la polarización de la luz más antigua del universo y que éstas sean polarizadas significa que en su movimiento de propagación se mueven de una manera específica en un plano dado. Finalmente, las ondas gravitacionales podrían revelar un número mágico: la densidad de energía del Universo durante la era inflacionaria.
Usualmente, un mapa de la polarización de la radiación cósmica de fondo toma la forma de pequeños segmentos de líneas en el cielo. Si uno tiene polarización en un punto específico, esa es toda la información disponible; pero si uno tiene un mapa de polarización sobre una determinada área, se podría descomponer en lo que llamamos modos E y modos B, y son éstos últimos el resultado de las perturbaciones de las ondas gravitacionales. En la imagen 3 tenemos el mapa obtenido por BICEP2 donde vemos como giran las flechitas haciendo espirales en algunos sitios según los cambios de temperatura. Podemos conocer la medida del efecto los modos B a través de un parámetro al que denominamos “r” (tensor-to-scalar ratio, en inglés). Si r=0, quiere decir que no se observan estas ondas gravitacionales. Es aquí donde el rumor de la semana pasada y el ahora descubrimiento confirmado recae: el experimento BICEP2 ha encontrado signos de los modos B de las ondas gravitacionales primordiales con r=0.2 como se observa en la Imagen 4. Los resultados oficiales fueron publicados en http://bicepkeck.org.
Pensemos por un momento lo que este descubrimiento quiere decir. Las ondas gravitacionales son producidas por la inflación, y ahora que se han detectado tenemos los datos que describen el proceso físico a escalas un poco más abajo que las de Planck. Actualmente, nuestro conocimiento empírico del universo temprano se extiende a escenarios cerca de un segundo después de la Gran Explosión, por supuesto, cortesía de la época de nucleosíntesis, etapa del universo temprano que duró alrededor de tres minutos y dio origen a la formación de elementos ligeros, como por ejemplo: el hidrógeno.
La predicción de las ondas gravitacionales es una de las grandes palancas que tenemos para decir que la inflación realmente ocurrió. Y ahora que BICEP2 ha publicado sus resultados es seguro que afectará nuestras ideas de cómo pensamos que fueron los primeros momentos de la historia de nuestro Universo. Es por lo cual hasta este punto se podría pensar en el fin del mundo como lo conocemos: primero, con estos resultados sabemos que la era de inflación realmente ocurrió. Segundo, sería prueba de que la gravedad cumple con los preceptos de la mecánica cuántica y podría ser unificada con las otras fuerzas que aparecen en la naturaleza Tercero, tenemos un valor numérico que indica la escala de energía a la cual ocurrió la época inflacionaria. Y por último, muchos modelos teóricos alternativos a la inflación y propuestos hasta el momento quedarían en el olvido. Mencionemos también que hay más de un pilar en la historia de la teoría inflacionaria: tenemos en una columna a Alexei Starobinski con su espléndido artículo publicado en la Journal of Experiment and Theoretical Physics Letters en 1979, en otra a Andrei Linde con su artículo publicado en Physics Letters B en 1982 y el dúo Andreas Albretch y Paul Steinhardt con su ideas plasmadas en la revista Physical Review Letters de 1982. No pasen desapercibidos estos héroes de la idea de la época inflacionaria, que seguramente serán los rostros de muchos comentarios en la próxima reunión del comité del Premio Nobel.
No olvidemos que actualmente existen muchos experimentos en competencia, por ejemplo la Misión Planck, la cual dio relevantes resultados precisamente hace un año. Cada uno de ellos está trabajando muy rápidamente para decirnos si estamos en el camino correcto a describir el Universo en el que vivimos.
Mientras tanto en la comunidad científica los rumores continuan: ¡suenan campanas para el Premio Nobel de Física 2014! Cerremos este breve artículo con un video emotivo de las reacciones de Andrei Linde y su esposa Renata Kallosh al recibir la noticia de este descubrimiento:
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Acerca de la autora:
Celia Escamilla Rivera es Doctor Europeus por la Universidad del País Vasco y la Universidad de Oxford. Actualmente investigadora visitante en la Universidad de Nottingham, Reino Unido. Su investigación se centra en la interacción entre la cosmología teórica y observacional.
El físico teórico Kip Thorne escribía en El futuro del espacio tiempo, obra de 2002: «En algún momento entre 2008 y 2030 se descubrirán ondas gravitacionales procedentes de la singularidad del Big-Bang [y] seguirá una era, que durará hasta 2050, en la que se harán grandes esfuerzos para medir el espectro de las ondas gravitacionales primordiales». Si los datos que hace poco presentaron en una conferencia de prensa John Kovac y sus colegas del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian superan el escrutinio, la era predicha por Kip Thorne comienza en este momento.