El estudio de la polarización de la luz del fondo cósmico de microondas ha revelado la imagen más antigua que se tiene del universo, aportando nuevos conocimientos sobre sus primeros instantes de existencia. La importancia de este descubrimiento se refleja en el hecho de que se le compara con el reciente hallazgo del Bosón de Higgs. También es significativo que se pida el Nobel para John Kovac, líder del detector BICEP2, y para Alan Guth, el científico estadounidense que propuso la teoría de la inflación cósmica.
Conocer cómo fue el universo desde sus primeros instantes es uno de los grandes objetivos de la cosmología actual. Según el modelo imperante en nuestros días, el de la Gran Explosión o Big Bang, hace casi 13.800 millones de años se originó el universo. En el mismo instante en el que se creó apareció el espacio, el tiempo y las leyes que gobiernan la naturaleza a través de las cuatro fuerzas fundamentales (la electromagnética, la nuclear fuerte, la nuclear débil y la gravitatoria). Durante las primeras millonésimas de segundo de su existencia, el universo se fue expandiendo y enfriando, dando lugar a las primeras partículas subatómicas; al mismo tiempo, se separaban entre sí las cuatro fuerzas que gobiernan la naturaleza y que desde hace unas décadas los físicos buscan la manera de poder aunarlas en una teoría fundamental, la llamada Teoría del Todo.
Los autores del hallazgo son un equipo de investigadores del Centro Harvard Smithsonian de Massachusetts, USA. El descubrimiento lo han hecho desde su laboratorio situado en el Polo Sur, en la base Amundsen Scott. El anuncio de que habían detectado por primera vez ondulaciones gravitacionales primordiales ha causado un gran revuelo entre la comunidad de cosmólogos de todo el mundo y ha despertado la euforia, puesto que se trata de uno de los grandes descubrimientos de este siglo.
La hipótesis del estado inflacionario, propuesta por Alan Guth, permite explicar por qué el universo es homogéneo
Una fase inflacionaria del universo
La importancia de este hallazgo estriba en que confirma empíricamente la tesis de que el universo pasó por un periodo de inflación poco después de haber comenzado a existir (una fase en la que la gravedad se comportó durante un breve lapso de tiempo como una fuerza repulsiva). Si la inflación existió realmente, debió de haber generado unas ondulaciones gravitacionales primordiales. Justamente esto es lo que ahora se afirma haber detectado.
En esta fase inflacionaria el universo aumentó su tamaño varios centenares de veces en una fracción de tiempo extremadamente diminuta, para luego salir de ese estado de inflación y volver a expandirse a un ritmo “normal”, incluso decelerado por la acción de la gravedad (hasta que hace casi cinco mil millones de años empezó a expandirse aceleradamente por acción de la energía oscura). Esta hipótesis del estado inflacionario fue propuesta por Alan Guth en 1981 (y mejorada por Andrei Linde, Albrecht y Steinhardt) para resolver dos de las grandes dificultades de la teoría clásica del Big Bang: ¿por qué el universo es homogéneo? Y ¿por qué tiene una densidad crítica de materia que le hace ser casi plano? .
Que el universo es homogéneo implica que tiene cualidades idénticas (la temperatura, por ejemplo) sea cuál sea la región del espacio que se observe; pero el modelo del Big Bang sin periodo inflacionario no permite explicar cómo hoy partes extremadamente distantes del universo, que no han estado en contacto, pueden tener la misma temperatura, es lo que en cosmología se llama el problema del horizonte cósmico. En cambio, si se acepta la fase inflacionaria, el crecimiento exponencial permite entender que regiones distantes tengan la misma temperatura, puesto que originariamente estuvieron muy próximas y luego se separaron aceleradamente, de modo que proceden de una misma región.
Confirma empíricamente la tesis de que el universo pasó por un periodo de inflación poco después de haber comenzado a existir
Ondas gravitacionales del comienzo
La densidad crítica de materia es el parámetro que hasta ahora se pensaba que determinaba la geometría del universo y, por consiguiente, su futuro. En efecto, la densidad crítica de materia es el parámetro que determina el destino del universo, puesto que si hay más materia que la indicada por este parámetro el universo se colapsará, si hay menos se expandirá indefinidamente; la cuestión es que parece que la materia existente en el universo está muy cerca de esa cifra. Pero todo esto quedó alterado por el descubrimiento de la energía oscura. El valor de la densidad crítica de materia predicho por la teoría estándar es muy distinto del que se puede observar, las correcciones propuestas por los modelos inflacionarios logran que se ajusten las predicciones con la observación.
La teoría general de la relatividad de Albert Einstein predice que existen ondas gravitacionales producidas por las vibraciones del propio espacio-tiempo a causa de fenómenos cósmicos violentos, como podría ser la explosión de una gran supernova o la colisión de dos agujeros negros, máxime si son supermasivos. El problema es que estas ondas todavía no se han detectado por causa de la debilidad con la que se manifiestan, de modo que su detección representa uno de los grandes desafíos de la física actual.
¿Cómo se produjeron las ondulaciones gravitacionales primordiales? La teoría predecía que si era real que el universo hubiera pasado por una fase de expansión acelerada, el denominado periodo inflacionario, se producirían unas vibraciones en el tejido del espacio- tiempo que dejarían unas débiles huellas en la radiación cósmica de fondo. Esto es, precisamente, lo que ha encontrado el conjunto de detectores que forman el telescopio BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) formado por 512 detectores y que entró en servicio en el año 2010, permaneciendo operativo hasta diciembre de 2012. El BICEP1 tenía 98 detectores y estuvo en activo entre 2006 y 2008.
Otra idea de la gravedad
Otra de las cuestiones importantes asociadas a este gran descubrimiento es que el periodo inflacionario es un fenómeno cuántico, es decir: susceptible de ser descrito por las leyes de la mecánica cuántica; de modo que si la inflación produjo ondulaciones gravitacionales significaría que la gravedad podría tener una naturaleza cuántica, tal como sucede con las otras tres fuerzas fundamentales. Cada vez se iban descubriendo más datos que indicaban que se había producido un periodo inflacionario en los primeros instantes de la existencia del universo; pero el anuncio de la detección de las ondulaciones gravitacionales supone un firme espaldarazo, para la teoría del Big Bang y para la hipótesis del estado inflacionario.
Aunque el equipo liderado por Kovac lleva tres años estudiando los resultados descubiertos por BICEP2 en la radiación cósmica de fondo, como siempre, la prudencia se ha de imponer, y ante la celeridad con la que algunos reclaman un Nobel para Kovac y Guth, cabe esperar al resultado de los estudios que deberán de realizar otros equipos de investigación independientes de los que han hecho el hallazgo, a fin de poder confirmar los resultados anunciados. Se trata de un criterio de validación imprescindible para poder aceptar las conclusiones anunciadas con todas las garantías de verosimilitud.
De todos modos, se respira un ambiente de optimismo justificado, pues el propio equipo de Kovac ha trabajado concienzudamente para asegurarse de que los efectos detectados son realmente las ondulaciones gravitacionales primordiales y no otros fenómenos que presentan unos efectos idénticos a los causados por ellas, como podría ser el polvo de la Vía Láctea. Para poder refinar más los datos, el Harvard Center Smithsonian tiene previsto poner en funcionamiento el BICEP3 en 2015, de modo que pueda confirmar la validez del descubrimiento anunciado este lunes, así como la segura aportación de más datos sobre los primeros instantes de existencia del universo.