90.- De cómo el Big Bang fue sólo un pequeño destello

Autor: Max Tegmark

Las ondas de choque todavía están reverberando desde el explosivo anuncio del descubrimiento del Santo Grial de la Cosmología: la firma inequívoca de ondas en el tejido del espacio, generadas cuando se "infló" durante nuestro origen cósmico.

Creo que si este descubrimiento se sostiene, será recordado como uno de los más grandes en la historia de la ciencia. Nos enseña a pensar en grande, porque somos los maestros de la subestimación. Una y otra vez hemos subestimado no sólo el tamaño de nuestro universo, descubriendo luego que todo lo que creíamos que existía era sólo una pequeña parte de una estructura mucho mayor (un planeta, un sistema solar, una galaxia, un universo, y tal vez incluso un multiverso), sino también hemos subestimado en repetidas ocasiones el poder de la mente humana para comprender el cosmos.

Evidencia de ondas gravitacionales en la Radiación de Fondo de Microondas (CMB)

Al descubrir patrones y regularidades matemáticas en la naturaleza (a las que denominamos ecuaciones de la Física), hemos mejorado nuestra capacidad de predecir las cosas - desde el clima de mañana a la tecnología del mañana. Tanto el planeta Neptuno, como las ondas de radio y el bosón de Higgs fueron predichos matemáticamente antes de ser observados. Nuestra predicción más audaz ha sido la teoría de la Inflación Cósmica, que extrapola la física conocida a un nivel de energía un billón de veces más elevado que el alcanzado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

La inflación predice que nuestro universo bebé creció en buena medida tal como lo hizo Ud. justo después de la concepción: cada una de sus células se duplicó (aproximadamente) cada día, llevando el número total de células a aumentar día a día a razón de 1, 2, 4, 8, 16, etc. La duplicación repetida es un proceso vertiginoso, por lo que su madre hubiera estado en problemas si su peso se hubiera seguido doblando todos los días hasta el momento del parto. Después de nueve meses (unas 274 duplicaciones), ¡Ud. habría pesado más que toda la materia contenida en nuestro universo observable!

Parece absurdo, pero eso es exactamente lo que hizo la inflación: se necesita una partícula de materia con menos masa que una manzana, más pequeña que la mil millonésima parte del tamaño de un protón, y repetidamente duplica su tamaño hasta que es más masiva que todo nuestro universo observable a causa de una inestabilidad en la teoría de la Relatividad General de Einstein. Y mientras Ud. duplicaba su tamaño una vez al día, nuestro universo se duplicó una vez en cada centésima parte de una billonésima de una billonésima de una billonésima de segundo.

Y de pronto, así como Ud. detuvo su duplicación regular y comenzó a crecer a un ritmo más pausado, nuestro universo bebé redujo su velocidad de expansión al alcanzar el tamaño de una uva. Pero en ese punto estaba creciendo tan rápidamente que su expansión continuó por 13.800 millones de años más, durante los cuales se enfrió y reagrupó para formar objetos cada vez más interesantes: quarks, núcleos, átomos, estrellas, planetas, y en última instancia, nosotros.

Afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, y la afirmación de que la Física necesita menos masa que la de una manzana para crear los miles de millones de galaxias que adornan nuestro cosmos actual es ciertamente extraordinaria. Afortunadamente esa teoría hace una serie de predicciones, y los cosmólogos hemos descubierto con asombro que han demostrado ser correctas a un ritmo cada vez más acelerado, en un crescendo que culminó con el sorprendente descubrimiento de antiquísimas ondas en el espacio.

Algunas predicciones confirmadas hasta el momento son que nuestro universo se está expandiendo (1929), que una vez estuvo tan caliente como la superficie del Sol y dejó atrás un resplandor (1965) que puede ser fotografiado para proporcionar imágenes del universo bebé con una edad de 400.000 años (1992), que los puntos en esas imágenes tienen los tamaños predichos (1999-2000) y un gran número de otras propiedades predichas con una precisión exquisita (última década).

Pero ahí estaba la "madre de todas las predicciones": que la repetida duplicación inicial del espacio era lo suficientemente violenta como para causar ondas en el tejido del espacio conocidas como ondas gravitacionales, y que serían tan intensas y enormes (cerca de mil millones de años-luz de largo) que ningún otro proceso podría haberlas producido.

Crear ondas gravitacionales tan fuertes requiere de una extrema violencia, y se puede demostrar que cualquier proceso físico diferente a la inflación crearía ondas mucho más cortas. Por ejemplo, una colisión cataclísmica de dos agujeros negros capaz de comprimir más masa que la del Sol en un volumen menor que el de una ciudad puede crear ondas gravitacionales que el experimento LIGO podría detectar - pero esas ondas son sólo tan grandes como el par de objetos que las crean.

Es por esa razón que mis colegas y yo quedamos tan sorprendidos cuando se anunció que se habían descubierto ondas gravitacionales enormes. Las ondas gravitatorias distorsionan la luz, y después de pasar tres años observando un 1 % del cielo con el telescopio BICEP2 (ubicado en el Polo Sur) para obtener fotos cada vez más nítidas de nuestro universo bebé, incluyendo la polarización (orientación) de las ondas, los científicos descubrieron que la imagen estaba distorsionada precisamente de la forma como lo había predicho la teoría de la inflación.

Radiotelescopio BICEP2 ubicado en el Polo Sur

¿Y ahora qué? En primer lugar, esperaremos para ver si otros experimentos pueden confirmar los hallazgos del BICEP2. Como las ondas gravitacionales de la inflación han sido durante mucho tiempo el Santo Grial de la cosmología, la búsqueda de ellas ha sido muy competitiva, por lo que si las ondas gravitacionales son tan largas e intensas como se alega, otros experimentos debieran detectarlas también y medirlas de forma más precisa.

En segundo lugar, este descubrimiento ha provocado una gran "limpieza de primavera" en la física teórica. Si los resultados soportan la prueba del tiempo, quedan descartados no sólo todos los competidores de peso de la inflación (incluyendo ciertos modelos de universos cíclicos), sino también la gran mayoría de los modelos de inflación populares. Porque tanto para el bosón de Higgs como para la inflación, los modelos originales eran extremadamente simples, pero luego los teóricos creativos les agregaron detalles llamativos, inventando innumerables modelos complicados durante las décadas siguientes. En ambos casos, sin embargo, los resultados experimentales nos trajeron "de vuelta a lo básico", concordando a la perfección con los modelos más simples, y anotando victorias sorprendentes para la navaja de Occam.

Si la inflación realmente sucedió, se modifica radicalmente la comprensión de nuestros orígenes. Tenemos que dejar de decir que la inflación ocurrió poco después del Big Bang, ya que sucedió antes, creándolo. Ya no es apropiado definir nuestra Gran Explosión Caliente como el principio del tiempo, ya que no sabemos si el tiempo en realidad tuvo un principio, y porque en las primeras etapas de la inflación no era ni tan sorprendentemente caliente, ni tan grande, ni tenía mucho parecido a una explosión (bang).

La inflación debiera interpretarse más bien como un frío y pequeño destello, porque en ese momento nuestro universo no era tan caliente (llegó a ser mil veces más caliente una vez que terminó la inflación), no era tan grande (era menos masivo que una manzana y más pequeño que la mil millonésima parte del tamaño de un protón) y no parecía una explosión (se expandía un billón de billones de veces más lento después de la inflación).

En suma, BICEP2 ha revelado que nuestra Gran Explosión Caliente fue creada por un pequeño y frío destello, y que a pesar de que los seres humanos somos pequeños, el poder de nuestras mentes para comprender las cosas ha superado los sueños más audaces de nuestros antepasados.

Fuente: Big Bang to Little Swoosh

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31-01-2015

Actualización

El descubrimiento de ondas gravitacionales en el CMB anunciado hace casi un año ha sido descartado:

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck/Planck_gravitational_waves_remain_elusive

Es mucho más probable que las "ondas" observadas sean el producto de nubes de polvo interestelar.

En esencia, se trata de un problema de relación señal/ruido muy baja que no puede ser superado con la tecnología actual. Quizás se pueda en el futuro, con mejores equipos y algoritmos.

Aún así, la firma de las ondas gravitacionales provocadas por el proceso inflacionario puede estar en el CMB.

No detección no implica inexistencia; en este caso, ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia.