Destellos en la oscuridad

Desde chiquita, a Cora le atrajeron las matemáticas, primero por influencia de su padre, el reconocido ingeniero Eduardo Dvorkin, pero su vocación quedó definitivamente sellada a partir de los encuentros que su padre mantenía con uno de los próceres de la ciencia argentina, Manuel Sadosky. “Mi papá se reunía seguido con Manuel y me llevaba con él. Ellos hablaban largamente de política, pero después Manuel me contaba sobre la historia de las matemáticas, sobre el número cero, sobre el infinito. Eso me marcó mucho”. Luego, llegó el secundario en el Nacional Buenos Aires donde tomó un curso extracurricular en el observatorio que tenía el colegio. Muy interesada en la física, su gusto por la cosmología no llegó de la mano de Carl Sagan y su serie Cosmos, como le ocurrió a tantas y tantos astrofísicos, sino por libros de Stephen Hawking que leyó en su adolescencia.

Así, finalmente, Cora Dvorkin, de ella estamos hablando, decidió estudiar física en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, donde se diplomó con honores, y luego viajó a Estados Unidos para hacer el doctorado en cosmología en la Universidad de Chicago. Allí empezaron a llegar los reconocimientos: la “Beca Sidney Bloomenthal”, otorgada por su “desempeño sobresaliente en investigación”, por el Departamento de Física de la Universidad de Chicago; el Premio “Martin and Beate Block” (2012), otorgado al mejor físico joven por el Aspen Center for Physics; la Beca Hubble 2014-2017, otorgada por la NASA; el premio Star Family Challenge por Promising Scientific Research, en la Universidad de Harvard; y, en 2018, fue elegida como “Científica del año” por la Fundación Harvard.

“Yo estudio la materia oscura usando observaciones cosmológicas a partir de la estadística de la radiación cósmica de fondo, que es la luz que nos llega desde el Big Bang”.

Actualmente, desde su puesto de profesora en la Universidad de Harvard, Cora Dvorkin dedica sus esfuerzos en estudiar la física del universo temprano, la naturaleza de la materia oscura, la energía oscura, los neutrinos y otras partículas livianas que pueden haber existido en los primeros instantes después del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años. “Mi interés principal, en estos tiempos, es entender cuál es la naturaleza de la materia oscura. El 84 por ciento de la materia del universo es lo que llamamos materia oscura, que sabemos que debería existir por como se mueven las estrellas y por una serie de observaciones cosmológicas, pero para la que no tenemos una explicación desde el modelo estándar de partículas. Yo dedico mucho de mi esfuerzo, con mi grupo de investigación, a tratar de entender qué es. ¿Es una partícula? ¿Es una partícula liviana o pesada? ¿Interactúa con las partículas del modelo estándar? ¿Interactúa consigo misma? También dedico otra parte de mi trabajo a entender la física del universo en su primera fracción de segundo después del Big Bang. Hice el doctorado en este tema pero después fui poniendo más y más esfuerzo en la materia oscura.

– ¿Cómo se estudia la materia oscura?

– Hay distintas maneras. Yo la estudio de manera indirecta, usando observaciones cosmológicas, por ejemplo, a partir de la estadística de la radiación cósmica de fondo, que es la luz que nos llega desde el Big Bang. Si la materia oscura tuviese determinadas propiedades, este tipo de propiedades afectaría la estadística de la radiación cósmica de fondo y sus propiedades, entonces, estudiando las mediciones que se hacen se podría restringir el espacio de parámetros de distintos modelos. Por otro lado, están los métodos de detección directa, que intentan encontrarla con detectores subterráneos. En este caso esperan ver el choque de una partícula de materia oscura contra ese detector. Pero, hasta ahora, ninguno de estos detectores encontró nada. También están los intentos que se hacen con los aceleradores de partículas, como el del proyecto CERN pero que hasta ahora tampoco tuvo éxito.

– Es decir que todavía, en laboratorio, no se pudo hallar ni producir la materia oscura.

– Efectivamente, no se pudo ni hallar ni producir.

– ¿Por qué la curvatura de la luz sirve para estudiar la materia oscura?

– Por lo siguiente: suponete que hay una galaxia con estrellas y la luz que emiten esas estrellas viene directo hacia vos, que estás en la Tierra observando con un telescopio. Si entre esas estrellas y la Tierra hubiera un cuerpo masivo de materia oscura, en lugar de dirigirse directamente hacia vos, la luz se curvaría y esto fue predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Entonces, lo que observamos, dado que la materia curva el espacio y entonces curva la luz, son arcos en el cielo. Estos arcos que observamos con el telescopio Hubble y ahora con el James Webb, tendrían pequeñas perturbaciones y nosotros tratamos de detectar estas pequeñas perturbaciones. De hecho, las detectamos hace unos años. Si detectásemos varias de estas perturbaciones, esto nos podría decir algo sobre la naturaleza de la materia oscura.

– ¿Para ayudar a detectar esas perturbaciones están aplicando inteligencia artificial?

– Sí, en los últimos años estuvimos aplicando técnicas de inteligencia artificial, en particular el método de machine learning para acelerar estas detecciones porque en los próximos años con el James Web se espera tener decenas de miles de nuevas imágenes con arcos. Cada análisis para ver si hay una pequeña perturbación en estos arcos lleva meses. Imaginate que si hay decenas de miles ya no se puede hacer imagen por imagen, entonces, empezamos a aplicar técnicas de machine learning para tratar de detectar estas perturbaciones de manera más rápida. Para los próximos años esperamos obtener mucha más información. No sé si vamos a lograr detectarla o no pero, por lo menos, vamos a tener una idea mucho más precisa de cuáles son los modelos más favorables.

– Otro gran misterio que esconde el Universo es la energía oscura, ¿qué se sabe sobre ella?

– El 70 por ciento de la densidad de energía del universo es lo que se conoce con el nombre de energía oscura. O sea, le ponen “oscuro” a todo lo que no se entiende. Pero, ¿a qué se le llama energía oscura? Se llama así a una componente que es responsable de la expansión acelerada del universo que vemos hoy. No entendemos si es por una constante cosmológica, o si es porque tenemos que modificar la gravedad tal como la entendió Einstein en la Teoría de la Relatividad General, o si hay un nuevo campo responsable de esta fuente de presión negativa que hace que el universo se esté expandiendo. Se trata de una componente que va en sentido opuesto a la gravedad. Imagínate que, en realidad, lo que se esperaba, en su momento, era que el universo esté en una expansión desacelerada porque la masa atrae otra masa y cuanto más masivo, más lento se expande. Pero lo que se vio es lo opuesto. En 1998 con observaciones de supernovas, un grupo de Harvard y un grupo de Berkeley vieron que el universo se expande de forma acelerada, lo que fue una revolución en ese momento. Hubo tres premios Nobel por ese trabajo.

El 70 por ciento de la densidad de energía del universo es lo que se conoce con el nombre de energía oscura y va en sentido opuesto a la gravedad.

– Para seguir avanzando en el entendimiento de la materia oscura, ¿las limitaciones vienen más por el lado de la tecnología o de la teoría?

– No diría que en este momento estemos teniendo dificultades tecnológicas. Hay varios nuevos experimentos para medir materia oscura con distintas propiedades. Uno de ellos, por ejemplo, se llama SENSEI, y está intentando medir partículas más livianas con nuevas tecnologías. Creo que si la materia oscura fuera una partícula e interactuara con el modelo estándar deberíamos detectarla en algún momento. El problema es que estamos buscando un pez en un océano enorme sin saber exactamente para qué lado mirar. Nos está faltando una motivación para mirar para un determinado lugar y cuando no hay una motivación muy fuerte para mirar hacia un cierto lugar, la gente mira para todos lados y se hace más complicado.

– ¿En qué situación se encuentra hoy el conocimiento que existe sobre el Big Bang?

– Hay una teoría que se llama “Teoría Inflacionaria del Universo” en la que el universo tiene una expansión ultrarrápida en sus instantes iniciales y predice ciertos parámetros. Un parámetro en particular que se llama el “índice espectral”, es una predicción que corroboramos. Esa y otras predicciones apuntan hacia la  confirmación de esa teoría, pero todavía seguimos buscando más corroboraciones. Una confirmación importante sería encontrar ondas gravitacionales primordiales que este modelo predice. Por esta razón, hoy hay muchos esfuerzos enfocados en la búsqueda de estas ondas gravitacionales primordiales que se imprimen en un tipo de polarización que se llama modo B de polarización de la radiación cósmica de fondo.

– ¿Las ondas gravitacionales primordiales traerían información de momentos más próximos al Big Bang que la que se puede obtener con la radiación cósmica de fondo?

– Bueno, las ondas gravitacionales se forman porque, creemos, hay un período inflacionario en el universo temprano. Este período expande las perturbaciones cuánticas que había en el espacio tiempo y esa deformación del espacio tiempo genera un tipo de polarización en esta radiación cósmica de fondos, que es la misma radiación cósmica de fondo que viene viajando hacia nosotros desde hace un poco menos de 14 mil millones de años.

– ¿Eso ocurre unos 400 mil años después del Big Bang?

– La edad del universo es de un poco menos de 14 mil millones de años. Luego, el universo se expande, se enfría y en un momento, unos 380 mil años después del Big Bang tiene la temperatura necesaria como para que se empiecen a formar átomos de hidrógeno. En esa etapa, los protones y electrones que antes chocaban todos entre sí, y con los fotones, se pueden combinar para formar átomos de hidrógeno. Y los fotones, a partir de allí, “se liberan” y vienen viajando hacia nosotros casi sin chocar con otras partículas. Por eso decimos que lo que vemos ahora es como una foto de lo que pasaba en ese momento, pero en realidad esa luz comenzó antes, comenzó en el Big Bang.

– Algún investigador me decía que la gran esperanza para obtener nuevos conocimientos de esa etapa está puesta en la investigación de la polarización de la radiación cósmica de fondo ¿Coincidís con esa apreciación?

– Claro, hay varias experimentos, uno de ellos está en Argentina, en la Puna salteña y se llama Qubic.  El principal objetivo de estos experimentos es medir los modos B de la polarización de la radiación cósmica de fondo para saber si hay ondas gravitacionales primordiales, pero también van a medir mucho mejor los otros modos de polarización de la radiación cósmica de fondo, en particular unos que se llaman modos E, van a medir el efecto de lente gravitacional muchísimo mejor, o sea que vamos a aprender muchas más cosas. Quiero decir que aunque no detecten las ondas gravitacionales primordiales hay otro tipo de información que podemos sacar de estos experimentos.

“Si encontramos las ondas gravitacionales primordiales, vamos a tener una evidencia fuertísima de la Teoría Inflacionaria del Universo”.

– De hallarse, las ondas gravitacionales primordiales, serían los nuevos mensajeros que permitirían entender mejor esa etapa temprana del Universo?

– Absolutamente sí, serían los nuevos mensajeros.

– ¿Podría considerarse a los neutrinos como un mensajero más para entender ese universo primigenio?

– Sí, claro. Sabemos que debería haber neutrinos que vienen del principio del universo viajando hacia nosotros y tienen un efecto sobre la radiación cósmica de fondo y también sobre las galaxias. Y con experimentos que están tomando mediciones ahora vamos a conocer la masa de los neutrinos a través de observaciones cosmológicas. Y hay gente que estudia posibles interacciones entre los neutrinos y la materia oscura. Los neutrinos no pueden ser toda la materia oscura, esa fue una de las primeras ideas que tuvieron algunos investigadores pero fue descartada rápidamente porque no era consistente con algunas observaciones, pero sí podrían interactuar con la materia oscura. Creo que estamos en camino a entender más sobre este mensajero del universo en sus primeros momentos.

– ¿La posibilidad de avanzar en el conocimiento acerca del Big Bang se enfrenta hoy, principalmente, a limitaciones de tipo tecnológicas? Quiero decir, ¿la teoría plantea una serie de hipótesis a las que les falta comprobación empírica?

– Sí, absolutamente, falta la comprobación empírica. En este caso, la teoría está más adelantada que el experimentación. Además este tipo de experimentos llevan mucho tiempo. O sea, un experimento que planeamos ahora para medir la radiación cósmica de fondo se va a concretar, probablemente, en 10 años. Son generaciones de cosmólogos y cosmólogas.

– En términos de vaticinio, ¿cuáles pueden ser  los hallazgos más importantes en los próximos diez años?

– Creo que en los próximos 10 años vamos a entender la masa de los neutrinos mediante observaciones cosmológicas. Si encontramos las ondas gravitacionales primordiales, vamos a tener una evidencia fuertísima de la Teoría de Inflación y si no, vamos a poder restringir el espacio de parámetros en el marco de esa teoría. Vamos a tener una idea mucho más precisa de la naturaleza de la materia oscura, no digo que la vayamos a encontrar, no lo sé, pero sí me parece que vamos a avanzar mucho en nuestro entendimiento de qué tipo de propiedades tiene. No soy tan optimista en cuanto a la naturaleza de la energía oscura, ahí no estoy tan segura de qué es lo que va a pasar en un futuro próximo. En este momento, mi sueño, lo que me desvela sería entender qué tipo de propiedades tiene la materia oscura.