OPINIÓN: Cómo se descubrió el 'Big Bang'
Nota del editor: Meg Urry es profesora de la cátedra Israel Munson de Física y Astronomía en la Universidad de Yale y dirige el Centro para la Astronomía y la Astrofísica de Yale.
(CNN) — Durante la última semana y media, la gente se ha maravillado con el descubrimiento de las pruebas que respaldan la "inflación" , teoría que describe los dolores de parto del Big Bang hace 13,700 millones de años. ¿Qué significan estos hallazgos y cómo se descubrieron?
En muchos artículos se dio a conocer la noticia, pero yo trataré de explicarla a fondo. No se vayan, porque este es uno de los descubrimientos astrofísicos más emocionantes en varias décadas.
Los humanos se han preguntado por el origen del universo desde hace milenios; la noticia de la semana pasada nos acercó un poco más a la respuesta. Lo que esta noticia significa, básicamente, es que tal vez veremos por primera vez lo que ocurrió en la primera milmillonésima de billonésima de billonésima de segundo de existencia del universo.
Si asumimos que este descubrimiento se comprueba por medio de otros experimentos similares, eso significa que se puede estudiar el nacimiento mismo del universo. Estos experimentos nos hablarán sobre la física de la materia y la energía que están más allá de la capacidad de los aceleradores de partículas terrenales como el Gran Colisionador de Hadrones .
Durante una conferencia de prensa, el 17 de marzo, los líderes del experimento de Imaginología de Fondo de la Polarización Cósmica Extragaláctica (BICEP2, por sus siglas en inglés) anunciaron que habían descubierto indicios de ondas gravitacionales —que Einstein predijo en su teoría de la relatividad general— que se generaron en la expansión casi instantánea del universo y se multiplicaron 1050 (un 10 con 50 ceros) veces. Esas ondas se habían predicho en la teoría de la inflación que Alan Guth, Andrei Linde y otros científicos propusieron hace 30 años.
La inflación es la expansión inicial instantánea y fue mucho más rápida que la velocidad de la luz, lo que "describe el mecanismo de propulsión que llevó al universo al periodo de expansión tremenda que conocemos como Big Bang", como lo explicó Alan Guth. Por cierto, el término Big Bang se acuñó como un insulto contra un físico al que no le gustaba la teoría. La idea del Big Bang es simple en sí. Edwin Hubble —en cuyo honor se nombró al telescopio espacial Hubble— demostró hace más de 80 años que nuestro universo está en expansión. Eso significa que la distancia que hay entre dos galaxias aumenta aunque ninguna se esté moviendo por el espacio.
Al extrapolar a la inversa la expansión de Hubble, hemos sabido desde hace mucho que el universo alguna vez fue muchas veces más pequeño. Toda la masa y energía del universo entero se concentró en un volumen tan pequeño que debió haber sido mucho más caliente y denso. Entonces, conforme el universo se expandió, la densidad energética disminuyó y la temperatura descendió . Esta idea implica que la radiación fría primitiva debería verse actualmente.
De hecho, dos ingenieros de los laboratorios Bell —Arno Penzias y Robert Wilson— que trataban de construir la mejor antena de radio del mundo descubrieron este resplandor de la radiación del Big Bang a principios de la década de 1960.
Su instrumento registró un misterioso ruido irreducible de bajo nivel que provenía de todas direcciones. Al parecer les preocupó que la superficie de la boca de la antena se hubiera corrompido a causa de los desechos de las palomas que anidaban dentro, así que los ingenieros desarmaron y limpiaron la antena repetida e infructuosamente.
Más tarde, los físicos relacionaron esta medición con la predicción de un fondo de microondas cósmicas, por lo que Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel en 1978. Uno de sus colegas de los laboratorios Bell bromeaba respecto a su obsesión con las heces de paloma: "Fueron en busca de heces y encontraron oro. Para la mayoría de nosotros (los científicos) funciona al revés".
La idea del Big Bang ya estaba bien arraigada para la década de 1980. Sin embargo, no explicaba partes importantes de la historia. Primero: el universo parece ser bastante homogéneo e isotrópico, es decir, las galaxias de un extremo se parecen mucho a las del otro extremo, sin importar lo distantes que estén. La cantidad de galaxias, su masa, su forma y su contenido estelar es notablemente similar en los rincones más lejanos que podemos observar.
Esto es sorprendente porque la expansión del Big Bang de Hubble implica que las regiones muy distantes nunca deberían haber tenido un origen común. ¿Cómo podrían ser tan similares? Esta es una simple analogía: imagina un termo con agua helada y un termo con té caliente. Mientras estos líquidos estén separados, tendrán temperaturas distintas. Sin embargo, si se combinan, el líquido combinado alcanzará rápidamente una temperatura intermedia. De forma similar, dos regiones muy distantes en el universo pueden parecerse únicamente si estuvieron en contacto en algún momento.
La teoría de la inflación explica esto de forma bastante natural: si al principio el universo se infló a un ritmo extraordinariamente rápido —mucho más rápido que la expansión actual que el Hubble mide—, entonces todas las partes del universo visible estuvieron en contacto en algún momento. Eso significa que tuvieron las mismas condiciones físicas iniciales (como la temperatura y la densidad), de tal suerte que se formaron estrellas y galaxias similares a partir de la sopa cósmica.
La inflación también explica que el universo tiene una geometría bastante "plana", cosa que se reveló en la década de 1990 gracias al análisis de la distribución espacial de las pequeñas oscilaciones (puntos calientes y fríos) en la radiación de fondo de microondas cósmicas.
De entrada era posible que en el espacio hubiera otras geometrías. Por ejemplo: una superficie bidimensional puede ser plana como una mesa; convexa como la superficie de una esfera (también conocida como "cerrada"), o cóncava como la superficie de una silla de montar (también llamada "abierta").
Para que el universo sea plano se requiere un equilibrio muy preciso. Hay infinidad de formas abiertas o cerradas: con curvatura pronunciada, con curvatura suave o cualquier cosa intermedia. Pero para que sea plano… bueno, es como mantener el equilibrio en el filo de un cuchillo. La inflación explica naturalmente este hecho extraño.
Específicamente, la idea es que al principio el universo debió haber estado lo suficientemente inflado como para estirar el tejido del espacio hasta que no quedara ninguna curvatura. Imagina que inflas una pelota de playa del tamaño de la Tierra: puedes ver fácilmente la curvatura de la pelota en tus manos, pero una vez que está hiperinflada, cualquier porción de su superficie parece ser muy plana, así como la Tierra parece plana.
La enorme inflación borraría eficazmente las condiciones iniciales del universo. Sin importar cuál fuera la temperatura inicial, por ejemplo, la inflación enfriaría el universo hasta alcanzar el cero absoluto. Aunque el universo inicial tuviera muchas protuberancias, tras la inflación solo podemos ver una parte muy lisa y aislada del volumen original y parecería perfectamente plana.
De acuerdo con los teóricos, tras más o menos una cienmillonésima de billonésima de billonésima de segundo, la gravedad repulsiva que provocó la inflación se habría transformado en una sopa caliente y densa de partículas y energía. En este punto entró en escena la expansión del Big Bang que Hubble descubrió.
Aún no se entiende cómo inició y terminó la inflación, pero esta sencilla idea de la inflación explica perfectamente las características de nuestro universo —la isotropía y lo plano— que de otra forma serían extrañas.
No obstante, hasta ahora no ha habido una prueba directa de la inflación. Lo que se descubrió en el BICEP2 fue la huella de la inflación en la radiación de fondo de microondas cósmicas.
En específico, la inflación debería haber generado muchas ondas gravitacionales, es decir, habría causado la propagación de ondas en el espacio mismo. Esas ondas tienen un patrón característico, comprimen el espacio rítmicamente en una dirección y luego en la dirección perpendicular, como si fueran dos manos presionando una pelota de goma de arriba abajo y luego de lado a lado.
Esta distorsión del espacio provoca un patrón especial de polarización en la radiación de fondo de microondas cósmicas. Entonces, ¿qué es la polarización?
La luz es una onda que oscila de un lado a otro; la luz polarizada oscila preferentemente sobre un plano. Como la mayor parte de la luz es una mezcla de sentidos aleatorios de polarización, su polarización neta equivale a cero. Pero la luz difractada, como la luz del Sol que se refleja en el agua, está polarizada, por lo que los lentes polarizados reducen los reflejos considerablemente.
Los científicos del BICEP2 buscaron ese patrón especial de polarización en el fondo de microondas cósmicas que demostraría la inflación; trabajaron durante varios años y analizaron los datos una y otra vez.
Mientras ejecutaban todas las verificaciones posibles de sus análisis, los miembros del equipo finalmente empezaron a creer que habían detectado los primeros indicios directos de la inflación.
Ahora, otros equipos de experimentación redoblan los esfuerzos para encontrar la misma señal o para encontrar contradicciones. La señal que se reportó en el BICEP2 es inesperadamente potente, así que debería estar al alcance de al menos algunos de estos experimentos.
Los físicos de todo el mundo saben que el descubrimiento del BICEP2 es apenas el principio de la historia. Si se verifica este resultado en experimentos independientes, se diseñarán experimentos nuevos y más precisos para medir mejor la huella de la polarización. A cambio, esto nos mostrará la forma en la que la materia y la energía se comportan en condiciones mucho más calientes y densas que en la Tierra o en cualquier otra parte del cosmos.
Como dijo Carl Sagan alguna vez: "Las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias".
Que empiecen las observaciones.
Las opiniones recogidas en este texto pertenecen exclusivamente a Meg Urry