Previously on «cien años de curiosidad»:

A finales de la década del setenta —estudiando la órbita de un púlsar perteneciente a un sistema binario—, Hulse y Taylor lograron demostrar la existencia de la radiación gravitacional, lo que aportaba una evidencia indirecta de la existencia de las ondas gravitacionales predichas por la relatividad general.

Sin embargo, por entonces el instrumental astronómico carecía de la precisión suficiente para detectarlas.

Fueron necesarios otros treinta años para que dos equipos científicos distintos, empleando procedimientos diferentes, dispusieran de las herramientas adecuadas para hacerlo.

En esta última parte de la saga te hablaré de esos dos experimentos: de su enfoque teórico y sus resultados. Te explicaré qué tipo de ondas gravitacionales se descubrieron y cuáles son las perspectivas que se abren ante nosotros.

¡No te pierdas el gran final de esta historia!

 

Capítulo diez: Sacando músculo

En un lugar de la Antártida, de cuyo nombre sí quiero acordarme, no ha mucho tiempo que había un laboratorio de los de última generación, astrofísicos del Centro Harvard-Smithsonian, telescopio de microondas y buen soporte económico.

El nombre del laboratorio era Dark Sector y el del telescopio (y su proyecto asociado) BICEP2.

El motivo de que se ubicara en la Antártida (a un kilómetro del polo sur) eran las condiciones de la atmósfera. La extrema sequedad (sé que suena raro, pero es así) del continente helado, reduce al mínimo las interferencias del aire. Y era imprescindible reducir las interferencias porque el tipo de información que buscaban obtener era apenas perceptible.

Intentaban obtener una prueba de las ondas gravitacionales primigenias.

Claro que, para poder explicarte cómo, primero tengo que explicarte qué son. Y para eso debo hablarte de una «versión» del universo muy poco conocida.

 

observatorio BICEP2
Vista diurna del Laboratorio Dark Sector (ubicado a un kilómetro del polo sur) en el que se encuentra el telescopio de microondas BICEP2 (a la izquierda de la foto).

 

Capítulo once: La inflación también afecta a la cosmología

Quien más, quien menos, todos hemos oído hablar del Big Bang, la gran explosión, el origen del universo. Pero lo cierto es que una de las principales incógnitas de la física contemporánea es qué ocurrió en el momento del Big Bang. La teoría de la relatividad general no plantea una definición adecuada de las leyes de la física en semejante situación. De hecho, a día de hoy carecemos de una teoría que lo haga…

Lo que sí existen son muchas teorías que obvian esa «singularidad» presentando un origen «alternativo» del universo: son las llamadas «teorías inflacionarias».

Lo correcto sería decir que en dichas teorías no existe tal «origen», tal «momento inicial»; pero como nuestra mente no está preparada para semejante idea digamos que en el principio había un «falso vacío»; algo que, por un lado, era un vacío (porque no existían partículas), y por otro, presentaba una energía «no mínima» sujeta a fluctuaciones cuánticas (lo cual, quitando toda la mística new age, significa que no eran detectables dado que surgían y desaparecían en brevísimos períodos de tiempo).

Recapitulando, entonces, en el principio había un «falso vacío». Y si pasamos ese falso vacío por el tamiz de la relatividad general, nos encontramos con un efecto muy curioso: un espacio-tiempo que contenga un campo de falso vacío experimentará una expansión descomunal; un tipo de expansión que expuso Alan H. Guth, en 1981, y a la que denominó «inflación».

Ahora bien, los sistemas tienden a estabilizarse en sus estados de mínima energía, y el estado de mínima energía del «falso vacío» es el vacío real. Así que imaginemos ese campo inflacionario (al que, por cierto, se lo denomina «inflatón», lo que me hace pensar en un robot mecha a leches con Godzilla) con sus constantes fluctuaciones cuánticas. Puede ocurrir que, en determinado momento, las fluctuaciones cuánticas de cierto sector del inflatón hagan decaer su falso vacío en un vacío real. ¿Qué ocurre entonces? En primer lugar, la expansión de ese sector del espacio-tiempo se enlentece (como la cámara en una película de mechas cuando Inflatón le da un golpe a Godzilla). Y en segundo, el exceso de energía (es decir, la diferencia de energía entre el falso vacío y el vacío real) se libera, dando origen (ahora sí podemos hablar de «origen») a lo que terminarán convirtiéndose en las partículas que componen el universo…

Bueno, eso en nuestro universo, porque cada sector desacelerado del inflatón (léase, cada universo) tiene sus propias leyes físicas.

 

Historia del universo
El período inflacionario se encuentra a la izquierda de la imagen, en los primeros instantes del cosmos.

 

Capítulo doce: La foto del bisabuelo

Y ahora me dirás: «Vale, todo esto está muy bien para escribir una novela de ciencia ficción, pero ¿qué pruebas hay de que sea cierto?»

Para responder a tu pregunta tengo que seguirte contando qué ocurrió en nuestro universo mientras «frenaba».

Lo cierto es que el sector del inflatón al que hoy llamamos universo no pasó del falso vacío al vacío real en tiempo cero. Durante el proceso se siguieron produciendo fluctuaciones cuánticas y esas fluctuaciones hicieron que la «materia» que se estaba «creando» se condensara en ciertas partes y espaciara en otras.

Explicado con palabras sencillas: debido al proceso de inflación, nuestro universo es muy homogéneo al ser visto en conjunto, pero no es tan homogéneo al ser visto en detalle.

Y lo interesante es que la teoría inflacionaria predice que esas variaciones deben ser del orden de 1/ 10.000.

Ahora bien, ¿cómo podemos saber cuán homogéneo es nuestro universo?

Durante 380.000 años, su temperatura fue tan elevada (y es importante aclarar que «temperatura» equivale a «excitación», movimiento de las partículas) que no podía generar átomos neutros.

Debido a eso, los fotones colisionaban una y otra vez con los electrones libres sin posibilidad de escapar. (Dicho de otro modo, si Dios creó el universo, tardó 380.000 años en decir: «¡Hágase la luz!»).

Pero entonces el universo se «enfrió» lo suficiente para generar átomos neutros y la luz se disparó. Fue «la foto del bisabuelo». Esa primera foto, tomada con una caja de madera, en la que tuvo que quedarse quieto para no salir movido. Y del mismo modo en que aquella foto se ha desvaído con los años, esa «foto» original del universo se ha ido enfriando, conforme el universo se ha ido expandiendo.

En la actualidad, la «foto» tiene una temperatura de alrededor de 2,7 grados Kelvin (-270,4 grados Centígrados), por lo que el espectro de radiación electromagnética en el que puede ser detectada corresponde a las microondas.

Seguro que has oído hablar del «fondo cósmico de microondas», esa imagen tal chula en tonos de verde, azul y rojo, tomada primero por el satélite COBE, perfeccionada después por el satélite WMAP y llevada a su máximo detalle por el satélite PLANK. Si le prestas atención verás que está «granulada». Esos gránulos representan variaciones (anisotropías) que coinciden exactamente con las predichas por la teoría inflacionaria. Son anisotropías levísimas (porque visto en conjunto, nuestro universo es muy homogéneo), pero claramente detectables (porque no es tan homogéneo visto en detalle).

 

Fondo cósmico de microondas
Imagen del fondo cósmico de microondas tomada por el satélite WMAP (NASA) en la que se puede observar su anisotropía térmica.

 

Capítulo trece: mal momento para jugar al tenis

Pero volvamos a la Antártida, al telescopio de microondas de la estación Dark Sector y al experimento BICEP2.

¿Para qué necesitaba un telescopio de microondas si el satélite PLANK ya estaba tomando imágenes en órbita? Y, sobre todo, ¿qué tiene que ver el fondo cósmico de microondas con las ondas gravitacionales?

La respuesta a ambas preguntas la hallamos en el proceso de frenado del inflatón. La teoría inflacionaria predice que las mismas fluctuaciones cuánticas del falso vacío que dieron origen a la anisotropía del universo, generaron ondas gravitacionales primigenias (dado que esas fluctuaciones hicieron «ondular» el propio tejido del espacio-tiempo).

Ahora pensemos en los primeros 380.000 años del universo, cuando los fotones no podían desplazarse libremente porque eran constantemente absorbidos y emitidos por los electrones. Estos electrones (así como los propios fotones) se ubicaban dentro de ese espacio tiempo zarandeado por las ondas gravitacionales primigenias.

Para poder visualizarlo imagina un barco navegando en un mar embravecido. Y ahora imagina que hay un jugador de tenis intentando devolver saques en la cubierta del barco.

Sé que suena raro, pero, ya que estamos, imagina una de esas máquinas que tiran pelotas a los jugadores de tenis. La máquina, que está frente al barco, le lanza una pelota al tenista. El pobre tenista (de tanto que se zarandea el barco, debido a la tormenta) lo único que puede hacer es dejar su raqueta en ángulo recto con respecto a la cubierta.

Cuando la pelota golpeé su raqueta, rebotará en una dirección que dependerá del punto de la ola en la que se encuentre el barco (y por lo tanto su cubierta, y por lo tanto el jugador) en ese momento. En definitiva, es el mar embravecido el que, en última instancia, determina la dirección en la que saldrá despedida la pelota.

 

pelota en movimiento
Fotografía realizada por Josh Calabrese.

 

Capítulo catorce: polarizando, que es gerundio

Ahora pensemos en la «sopa» primigenia de electrones libres, fotones y bariones (antes de que se «hiciera la luz») y cambiemos algunos nombres. Digamos que el mar embravecido es el espacio tiempo «ondulado» por las ondas gravitacionales; que el barco, el tenista y su raqueta son los electrones libres; y que las pelotas de tenis son los fotones… Pues bien, a la nueva «dirección» que adquiere el fotón tras ser absorbido y emitido por el electrón libre se le denomina polarización.

Si he puesto entre comillas la palabra dirección es porque la polarización no afecta a la dirección en la que se desplaza la onda, sino a la trayectoria que realiza la onda al desplazarse en dicha dirección. Pero mejor no entremos en detalles respecto a eso (ya bastante complicado es el tema en sí) y quedémonos con la idea central del símil anterior.

Las ondas gravitacionales primarias (el mar embravecido) determinaron la polarización de los fotones (la dirección en la que salieron despedidas las pelotas de tenis) que dieron origen a esa «foto» inicial del universo denominada fondo cósmico de microondas.

¿Y cómo sabemos que esa polarización se debe a las ondas gravitacionales primigenias y no a otro factor?

Lo sabemos porque las ondas gravitacionales primigenias generan un modo específico de polarización.

La materia presente en el universo 380.000 años después del Big Bang produce unos patrones particulares de polarización conocidos como «modo-E» (E-Mode), mientras que las ondas gravitacionales primigenias producen otro tipo de patrones llamados «modo-B» (B-Mode).

¿Y los patrones modo-B solo pueden deberse a las ondas gravitacionales primigenias?

Buena pregunta, pero antes de responderla déjame que te explique (ahora sí) en qué consistió el experimento BICEP2.

 

Capítulo quince: estudiando la polarización en el polo

La imagen que todos tenemos en mente del fondo cósmico de microondas solo muestra sus (sutiles) diferencias de temperatura, lo que, básicamente, es una prueba de la anisotropía del universo predicha por la teoría inflacionaria.

Sin embargo, del fondo cósmico de microondas también se puede extraer otro dato: la polarización de sus ondas electromagnéticas.

Eso es lo que intentaba hacer el telescopio de microondas del experimento BICEP2: analizar la polarización del fondo cósmico de microondas en una región pequeña del cielo (del orden de un grado angular), en busca de indicios de las ondas gravitacionales primigenias.

No es que tuviera que demostrar que sus patrones de polarización del fondo cósmico de microondas son solo de modo-B. Por el contrario, lo que debían demostrar era que la relación entre los patrones de modo-E y los de modo-B es distinta de cero. Dicho de otra forma: que mezclados con una inmensa mayoría de patrones modo-E había algunos patrones modo-B.

El 18 de marzo de 2014, el equipo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CFA), liderado por John Kovac, dio a conocer a la prensa los resultados de un trabajo que sería publicado el 19 de junio de dicho año titulado «Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2» («Detección de polarización modo-B en escalas de grado angular por BICEP2»).

En él se decía que, tras estudiar el fondo cósmico de microondas en estas pequeñas regiones del cielo, habían comprobado que la relación entre los patrones de polarización modo-E y modo-B era de 0,2; es decir, distinta de cero, y por lo tanto habían encontrado una evidencia directa de las ondas gravitacionales primigenias.

 

Prueba obtenida por BICEP2 de la existencia de ondas gravitacionales primigenias
En la imagen obtenida por BICEP2, las líneas negras representan la polarización de las ondas electromagnéticas del fondo cósmico de microondas.

 

Capítulo dieciséis: no es onda todo lo que reluce

Claro que semejante conclusión, por su importancia, debía ser confirmada por otros equipos que, por entonces, estaban trabajando en lo mismo. Y fue en ese punto cuando llegó la decepción.

¿Recuerdas lo que me preguntaste hace unos minutos? ¿Si los patrones modo-B solo correspondían a las ondas gravitacionales?

Pues la respuesta es que no. El polvo interestelar también puede afectar a la polarización generando ese tipo de patrones. Eso no significa necesariamente que los resultados obtenidos (y publicados) por BICEP2 sean incorrectos. Lo que significa que es que adolecen del grado de certeza necesario en ciencia para ser confirmados.

Así que, en lugar de echar las campanas al vuelo, los distintos proyectos enfocados en la detección de ondas gravitacionales primigenias (BICEP2, Keck Array y Plank) realizaron un análisis comparativo de sus datos para ver qué podían sacar en limpio.

Sus conclusiones (a decir de un excelente artículo de Cuentos Cuánticos al que el mío le debe muchísimo) son un ejemplo del autocontrol y el rigor con que funciona la ciencia.

¿Por qué?

Porque si bien coincidieron en obtener una relación de 0,05 entre los patrones modo-E y modo-B (lo que demostraría la existencia de las ondas gravitacionales primigenias). También coincidieron en que «esto es lo que se espera por puro azar el 8% de las veces (…) en simulaciones de un modelo que solo contiene polvo».

Dejo que sea el autor del artículo de Cuentos Cuánticos (no he podido hallar su nombre para citarlo como es debido) quien explique lo que eso significa.

«… los datos obtenidos solo se pueden explicar por la presencia de polvo un 8% de las veces que se simula la radiación cósmica de fondo en un universo sin ondas gravitacionales primordiales. Leído de otro modo, (…) podemos afirmar que lo que hemos visto es debido a las ondas gravitacionales primordiales con un 92% de confianza. Un 92%.

Y con un 92% de confianza en los datos la ciencia nos dice:  NO PODEMOS CONFIAR EN QUE HAYAMOS ENCONTRADO LAS ONDAS GRAVITACIONALES PRIMORDIALES.

Eso es escepticismo y autocontrol en estado puro. Así funciona la ciencia».

Solo puedo sumarme a sus palabras.

 

Capítulo diecisiete: … por razones artísticas

Toda buena saga (sobre todo si es cinematográfica; sobre todo si está basada en novelas para adolescentes) divide su tercera entrega en dos partes «por razones artísticas».

Y como «cien años de curiosidad» no podía ser menos, por razones artísticas esta tercera parte saldrá en dos entregas; la que acabas de leer, y la que publicaré aquí mismo en un par de semanas.

Nos vemos entonces.

To be continued

 

cliffhanger

 

 

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