Ondas gravitacionales primordiales y universo inflacionario.

Ayer se confirmaba un rumor que llevaba algunos días resonando por todos los blogs relacionados con la Física Teórica, la Cosmología y la Física de Partículas: había sido hallada por primera vez señal de ondas gravitacionales primordiales que confirmaban el modelo de inflación cósmica del Big Bang. Antes de repasar los crípticos conceptos engarzados en la sentencia anterior, dejadme que os diga que en el caso de que se validen estos datos (i.e. sean confirmados por equipos independientes) estaríamos ante un descubrimiento tan importante como el hallazgo del bosón de Higgs hace casi dos años, y tiene todas las características para convertirse en premio Nobel de Física súbito.

El BICEP2 (en primer plano) y el South Pole Telescope. Crédito: Steffen Richter (Harvard University)

El BICEP2 (en primer plano) y el South Pole Telescope. Crédito: Steffen Richter (Harvard University)

Veamos entonces, en modo sintético (y por tanto incompleto), algunos de los conceptos más importantes para valorar esta noticia en el contexto de la Física moderna. Si tras leer la entrada vuelves a leer la sentencia inicial y tienes la sensación de que la entiendes mejor, daré mi trabajo por válido, de lo contrario la culpa no será tuya sino mía (así funciona la divulgación).

Ondas gravitacionales (wiki): son una consecuencia inmediata de la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, y se pueden describir como una perturbación gravitacional que se propaga por el universo a la velocidad de la luz. Una imagen visual que se utiliza a menudo es considerarlas como una especie de ondulación que se propaga por el espacio-tiempo y que afecta a todos los objetos de una manera adicional e independiente de su equilibrio inicial (libres de fuerzas externas). Son muy difíciles de detectar debido a que surgen de fenómenos muy energéticos (campos gravitatorios extremos) que impliquen una aceleración en objetos no simétricos, los cuales se producen en zonas muy alejadas del universo (o de hace muchísimo tiempo, que viene a ser lo mismo), siendo su intensidad -inversamente proporcional a la distancia- minúscula en la Tierra.

Evidencias indirectas de la generación de ondas gravitacionales se han producido en varias ocasiones en los últimos 40 años, siendo la más conocida la debida al análisis del sistema binario Hulse–Taylor (PSR B1913+16), que les valió el Nobel de Física de 1993 a ambos astrofísicos (estudiante de doctorado y tutor en el momento del descubrimiento en 1974). Más recientemente otro sistema binario (PSR J0348+0432) cuya degeneración gravitatoria (variaciones en la rotación del sistema estrella de neutrones – enana blanca) está unívocamente relacionada con la emisión de ondas gravitacionales, confirmaba una vez más la precisión de las predicciones de la Relatividad de Einstein.

Inflación Cósmica (wiki): es un marco teórico que pretende dar solución al problema del horizonte, es decir a la contradicción entre la uniformidad del universo observable (a gran escala) y la imposibilidad de que zonas alejadas entre sí pudieran haberse influido mutuamente (tener la misma temperatura, las mismas constantes físicas…). Si consideramos el principio de causalidad como inviolable, no parece lógico pensar que zonas muy distantes (que jamás han estado “en contacto”) hayan evolucionado exactamente de la misma manera a partir de la caliente sopa cuántica que debió existir en los primeros instantes del Big Bang, es decir durante el mismísimo “bang”, cuando todas las partículas e interacciones, incluida la gravedad, convivían a muy altas temperaturas (energías) hasta que en algún momento, alrededor de 380000 años después de la explosión, con un universo expandiéndose y enfriándose, se produjo el desacoplamiento (la capacidad de interacción) entre fotones y partículas masivas, permitiendo a la radiación electromagnética (fotones) propagarse durante miles de millones de años. A medida que el universo ha ido expandiéndose la longitud de onda ha ido aumentando hasta el punto de que en la actualidad caen en su práctica totalidad en el rango de las microondas, y es por lo que a esa radiación se la conoce como radiación de fondo de microondas.

En otras palabras, en un universo primigenio de tan solo 300000 años, puntos separados por distancias superiores a los 300000 años-luz, jamás podrían haber estado en contacto y por tanto, según el principio de causalidad mencionado arriba, resultaría extravagante pensar que pudieran tener propiedades físicas similares (específicamente temperatura). Sin embargo el análisis de la radiación de fondo nos habla de un universo esencialmente homogéneo a gran escala, con una temperatura prácticamente constante de 2.726 K.

El modelo propuesto para salvar esta contradicción fue ideado en un principio por Alan Guth en 1981 y perfeccionado por Andrei Linde al año siguiente, y son desde ya, salvo sorpresa, mis candidatos para el premio nobel de Física 2014. Su postulado fundamental se basa en una gigantesca expansión en los instantes iniciales del Big Bang (desde los 10−36 segundos hasta los 10−32, es decir un lapso en el orden de los 10−33 segundos, o una milésima de millonésima de millonésima de millonésima de millonésima de millonésima de segundo) la denominada época inflacionaria, durante la cual el Universo se expandiría desde una superficie del tamaño de una pantalla de ordenador hasta practicamente las monstruosas dimensiones actuales (ver la entrada Inflation el blog de Matt Strassler).

Esto llevaría a una aparente violación de la Teoría de la Relatividad (puntos alejándose a velocidades mayores que la velocidad de la luz), que en realidad no es tal (son puntos que se alejan entre sí, no que viajan a velocidades mayores que la luz), y que por contra explicaría porque puntos más allá del horizonte de sucesos, mantienen las mismas propiedades en todo el universo.

En realidad existen anisotropías, dudo que nadie haya conseguido sustraerse de gráficos como este de la sonda WMAP:

Anisotropías en la radiación de fondo de microondas

Anisotropías en la radiación de fondo de microondas

pero resultan que éstas encajan perfectamente en los cálculos del modelo inflacionario.

Fluctuaciones primordiales (wiki): las condiciones físicas de estos primeros instantes eran las de un universo muy caliente, en el que se producían una serie de fluctuaciones cuánticas que permitían la creación (y aniquilación) de pares de partículas y anti-partículas, y que en última instancia son las responsables de las irregularidades (anisotropías) observadas en la estructura actual del universo (y su radiación de fondo de microondas).

B- modes (wiki): La radiación de fondo de microondas presenta dos tipos de polarización, los E-Modes y los B-Modes relacionados físico-matemáticamente con el campo eléctrico (E) los primeros y con el campo magnético (B) los segundos. La polarización en modo B se puede producir por dos mecanismos, o bien por efectos de lente gravitatoria (como fue el caso de los detectados el año pasado con el South Pole Telescope), o provenientes precisamente de la época inflacionaria. La clave para distinguir entre uno u otro mecanismo está en el desarrollo multipolar y el análisis de los términos para las detecciones producidas, de tal manera que los valores en torno a l = 90 se corresponderían con los B-modes primigenios:

Espectro de modos-B observado (puntos negros) y predicción teórica (lineas rojas intermitentes)

Espectro de modos-B observado (puntos negros) y predicción teórica (lineas rojas intermitentes)

lo que supone la smoking gun de la emisión de ondas gravitacionales durante la época inflacionaria, y por tanto la evidencia de la detección de ondas gravitacionales primordiales.

Soy consciente de que este último punto necesita un desarrollo mayor, en el que no se pueden evitar las matemáticas, para aquellos lectores interesados en profundizar en los B-modes, les recomiendo se den una vuelta por esta entrada de Lubos Motl, y por algunos de los enlaces que cita, incluidos (o empezando por) las entradas del Blog de la Mula Francis.

¿Y por qué resulta todo esto tan importante?

  • Porque confirma una teoría de la que había múltiples evidencias pero no validación experimental.
  • Porque abre una ventana en el rango de energía de gran unificación, 1016 GeV (inalcanzable en el mayor acelerador de partículas actual, el LHC que está trabajando en el orden de los 10000 GeV, 12 órdenes de magnitud por debajo) solo dos órdenes de magnitud por debajo de la escala de Planck, a la cual la gravedad es comparable al resto de las fuerzas y un hito hacia el estudio experimental de la gravedad cuántica, más allá de especulaciones.
  • Porque las ondas gravitacionales primordiales son de origen intrínsecamente cuánticas, por lo cual suponen la primera evidencia experimental de la cuantificación del campo gravitatorio.
  • Porque significan una purga que descarta y promueve teorías, modelos y propuestas dentro y fuera de la propia cosmología inflacionista. Precisamente Lubos Motl ha publicado una entrada con los vencedores y vencidos de la eventual confirmación de estos datos: BICEP2: some winners and losers.
  • Porque aunque no confirma la Teoría de Cuerdas (ninguna de ellas), tampoco la descarta quedando intacta como único modelo serio de unificación de las fuerzas fundamentales que tiene buena pinta.

Adicionalmente, aunque ya esto son cosas mías, es una prueba más de como funciona la Ciencia de verdad, en contraste con seudociencias como el Alarmismo climático. No hay color.

Y por último, y también es cosa mía, no os perdáis el momento en que el profesor Chao-Lin Kuo sorprende al profesor Andrei Linde con la noticia de que su teoría se ha visto confirmada con una certeza de 5 sigmas (equivalente a una posibilidad de error en 2 millones), y que publiqué ayer en Science is Beauty en cuanto salió la noticia (y el vídeo). Por cierto el blog es finalista en los bloggies para mejor blog educativo en 2014 (premio que ya ganó en 2013), así que si alguien lo tiene a bien, no tiene más que votar por él aquí.

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