Murmullos del Universo
En las últimas horas argentinas del domingo 16 de marzo, las redes sociales propagaban el anticipo, desde fuentes académicas, de un gran descubrimiento en el campo de la astrofísica. El lunes 17, la Universidad de Harvard comunicaba un crucial avance en la comprensión de los primeros instantes del universo. Ni más, ni menos. ¿Los conceptos en juego? Ondas gravitatorias, fondo cósmico de radiación (FCR) y teoría del universo inflacionario.
Imagen de una parte del universo tomada por el telescopio Hubble. Foto: NASA
La Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA concentra la mayor diversidad de investigadores del país. Por eso, es muy fácil vincularse, a través de ellas y ellos, con las fuentes genuinas de los grandes logros científicos. Incluso, muchas veces “ellas” y “ellos” son las propias fuentes. En este caso, Noticias Exactas dialogó con la especialista Susana Landau, licenciada en física de Exactas UBA y doctora en Astronomía de la Universidad Nacional de La Plata e investigadora del CONICET. Sus temas de interés están ligados al origen y evolución del universo, en general, y también realiza investigaciones destinadas a profundizar esos conocimientos mediante el estudio tanto del FCR como de otros datos astronómicos, en particular.
Las ondas gravitatorias primordiales son espasmos inimaginablemente pequeños del esqueleto que formaba el espacio-tiempo en el universo temprano. Tales ondas son plausiblemente adjudicables a complejas propiedades cuánticas de la materia en las condiciones extremas del Big Bang.
Susana Landau comienza: “Esta es la segunda vez en que se detectan ondas gravitatorias de manera indirecta. La primera fue la que le valió el premio Nobel de 1993 a los astrofísicos Russell Hulse y Joseph Taylor, quienes descubrieron en 1974 el primer pulsar binario y midieron el tiempo entre pulsaciones, lo cual se considera la primera medición indirecta de ondas gravitatorias. Un pulsar es una estrella de neutrones que emite radiación periódica, si además este pulsar está acompañado por otra estrella u otro pulsar que gira alrededor del primero, se llama pulsar binario. Sin embargo, ahora logramos la evidencia de ondas gravitatorias primordiales, o sea, presentes desde el primer segundo del universo. Debemos aclarar que el descubrimiento no es una foto de ese primer segundo sino de propiedades electromagnéticas del FCR de microondas que nos llega desde el momento de la formación del elemento hidrógeno, aproximadamente 400.000 años después del Big Bang. Antes de formarse el hidrógeno neutro, los electrones y los fotones interactuaban mediante choques formando parte de algo que se puede pensar como un fluido. En este fluido, los electrones proporcionaban la masa o la inercia que tiraba para el centro mientras que los fotones ejercían una presión de radiación que empujaba hacia afuera. De esta manera, la radiación electromagnética estaba atrapada en ese fluido. A medida que se expandía el fluido del universo también se enfriaba y, entonces, cuando la energía de los electrones bajó a niveles favorables para la unión con los protones, se formaron los átomos de hidrógeno. En ese momento, los fotones se quedan sin compañeros de juego, lo que es equivalente a decir que la radiación electromagnética ya no estaba atrapada y que ellos podían viajar libremente por el universo. Aún ahora esos fotones viajan por el cosmos sin interactuar con nada y constituyen el FCR: un fósil cósmico que guarda muchísima información acerca de la cantidad de materia y de energía totales, de cómo se forma el elemento más abundante –el hidrógeno neutro–, de la geometría temprana por donde ellos mismos viajaron y, lo fundamentalmente novedoso, de la primera milésima de segundo posterior al Big Bang. Repito, no es una foto de ese instante sino un mapa de la polarización de la radiación electromagnética que nos llega y que, a su vez, es una representación de las ondas gravitatorias primordiales.” La polarización es una propiedad de todas las ondas electromagnéticas; la misma que tiene que ver con los cristales polarizados de los autos.
“Distintos tipos de causas tiene la polarización de esta radiación. Lo asombroso es que la escala angular e intensidad de la polarización comunicada recientemente es exactamente la que predicen las llamadas teorías de inflación, o sea, las de una expansión acelerada sólo en el comienzo del universo. Por esto, este descubrimiento es la primera evidencia directa de estos modelos inflacionarios que parecían muy locos. La idea de la inflación nos permitía a los cosmólogos explicar, de una manera elegante, un montón de problemas como, entre varios otros, la formación de galaxias y de cúmulos de galaxias, pero ahora además nos dice esa teoría que ustedes hicieron, que además toma elementos tanto de la mecánica cuántica como de la relatividad general, está prediciendo estas ondas gravitatorias que hoy estamos viendo”, explica Landau y agrega: “Si bien ya se habían medido la temperatura del FCR y su granuralidad o anisotropía con gran detalle, eso no era suficiente para validar la teoría de la inflación.”
El complejo experimental BICEP-2, con el que se hizo esta medida en el Polo Sur, está diseñado para analizar la polarización. “Hay dos maneras de buscar ondas gravitatorias”, indica Landau. “Cuando se mide el FCR se hace con telescopios terrestres o con sondas satelitales. Las sondas escanean o mapean todo el espacio pero tienen menor sensibilidad y resolución. Sin embargo, BICEP-2 mapeó una parte muy chiquitita del cielo pero con una profundidad exquisita. Va midiendo diferencias en la radiación entre un punto y otro y luego cambia el ángulo. Toma un pedacito chiquito de cielo y mapea todas las diferencias de polarización de la luz para distintas aberturas angulares con una resolución de alta precisión. Esa es la diferencia. La sondas son muy buenas para medir la temperatura pero no tanto para medir la polarización”, detalla la investigadora.
¿Qué nos depara el futuro a partir de ahora? Landau responde: “Más allá de los modelos de inflación, lo que pretendemos ahora es mejorar nuestro conocimiento de la llamada energía oscura que motoriza el tipo de expansión que hoy observamos.”
Con respecto a uno de los grandes protagonistas de este logro, el físico argentino graduado de Exactas UBA Matías Zaldarriaga, Landau comenta: “ha sido uno de los creadores del código numérico que calcula la predicción teórica de la anisotropía y la polarización del FCR, tanto de manera numérica como analítica. Después, en los últimos años, él se ha dedicado a entender mejor la posible reionización que hubo en el universo mediante experimentos que se están montando en Australia”.
Acerca de una de las grandes metas de la Física, la unificación de las teorías cuánticas con las de la gravitación, Landau concluye: “Este descubrimiento no alcanza para armar una teoría sobre gravedad cuántica pero sí nos permite entender mejor esa interacción y, de paso, afirmar que el carácter especulativo de la teoría de la inflación ya no lo es más.”
Aunque el universo con solo pocos milisegundos de vida parezca algo ajeno a nuestra cotidianeidad, la conexión entre las ondas gravitatorias primordiales y el Homo sapiens que se pregunta sobre ellas se ha comprendido mucho mejor desde el lunes 17 de marzo de 2014.
