El descubrimiento de los modos-B primordiales permite refutar la mayoría de los modelos cosmológicos y abre una nueva ventana de observación.
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Hay momentos en la historia de la ciencia en los que los individuos conscientes de un gran avance se sienten privilegiados. Esto es lo que ha pasado estos días a raíz de haberse descubierto los supuestos modos-B cosmológicos en el fondo cósmico de microondas por parte de BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization). Constituyen lo que se ha llamado la “pistola humeante” que delata la inflación cósmica, idea esta la de la inflación propuesta hace 30 años por Alan Guth. Es un descubrimiento a la misma altura que el Higgs y probablemente merezca el premio Nobel.
Después de la irrupción de la noticia [1] han venido los análisis por parte de la comunidad científica internacional, en donde hay bastante entusiasmo con estos resultados.
Lo primero que hay que decir es que se trata de un primer análisis que requiere de la confirmación posterior por parte de otros experimentos, especialmente por parte de la misión Planck. No va a ser fácil, pues la misión Planck no fue especialmente diseñada para medir estos modos-B.
El problema es el peso que se puede poner en órbita. BICEP2 compensa el tener que observar a través de la atmósfera terrestre sólo un trozo del cielo con un instrumental que puede ser tan pesado como se quiera. La detección está basada en bolómetros, que miden básicamente el cambio de temperatura inducido sobre un material al incidir sobre él las ondas electromagnéticas. El bolómetro más sencillo consiste en una resistencia que cambia su resistividad al calentarse. Pero los bolómetros más precisos están basados en materiales superconductores.
El problema de BICEP2 es que observa a través de la atmósfera terrestre algo que es muy débil y que, además, está entre otras fuentes de ruido.
La atmósfera terrestre puede cambiar la polarización de la luz que la atraviesa. Además, el polvo galáctico y la radiación sincrotrón también pueden hacer lo mismo. Encima, los cúmulos de galaxias pueden producir modos-B debido al efecto de lente gravitatoria. Algunos modos-B considerados como cosmológicos en este resultado podrían no serlo.
BICEP2 no observa todo el cielo, sino sólo una parte del hemisferio Sur, al estar situado en el mismo polo. Pero lo observa muy bien, con mucho detalle. La ubicación es importante porque la atmósfera seca, fría y estable del polo sur ayuda en las observaciones, pero el coste de no observar todo el cielo es tener una estadística peor.
Algunos científicos del ramo señalan que los problemas que acabamos de mencionar pueden haber causado desviaciones sobre los resultados de BICEP2. Estos resultados son fundamentalmente dos. El primero de ellos es que r=0,2 (+0,07, -0,05), que se obtiene con buena significación estadística y está por encima de lo esperado. Este r nos dice lo poderosa que fue la inflación y está definido como una razón entre la parte tensorial y escalar. El segundo resultado es un espectro de potencia en el que la amplitud es función de la escala angular. En este caso la información es más rica, pero con menos significación estadística según lo medido por culpa de las fuentes de ruido.
Es en este punto donde más atacan los escépticos (y hacen bien), pues, pese a que los investigadores de BICEP2 dicen haber eliminado los efectos de la atmósfera, de la radiación sincrotrón y del polvo galáctico, este resultado lo dan con poca significación estadística, es decir, con poca seguridad. Este espectro es raro y parece indicar que la inflación no se produjo del todo como cabía esperar. Si es cierto entonces a la receta de la inflación habría que añadirle algo más.
Como una vez dijo Sagan: “afirmaciones extraordinarias requieren de pruebas extraordinarias.” En los próximos meses o años asistiremos a la confirmación y refinamiento de todo esto o a su refutación.
El asunto es importante porque si los resultados de BICEP2 son ciertos, aunque bailen un poco los números (algo, por otra parte inevitable), permiten eliminar modelos cosmológicos. Crear modelos cosmológicos sale gratis si no se tienen que rendir cuentas sobre los datos observados. Esto es lo que ha pasado en las últimas décadas.
Pero ahora, este resultado de BICEP2 produce una gran limpieza en el ámbito cosmológico. Un r=0.2 elimina todos los modelos que predecían una inflación suave que no producía ondas gravitatorias intensas y favorece los modelos más sencillos de inflación. La familia de modelos compatibles con estos resultados se ha reducido enormemente, en concreto son incompatibles el 90% de los modelos que había: todos aquellos que predecían ondas gravitacionales débiles. Así por ejemplo, el modelo ekpirótico (modelos de inflación cíclica) de Paul Steinhardt y Neil Turok predice ondas muy poco intensas incompatibles con ese valor. Turok es uno de los científicos que está poniendo pegas al resultado de BICEP2 por obvias razones.
Este modelo se basa en la idea según la cual el Big Bang se produciría por el choque de dos branas en el hiperespacio. La idea es inteligente porque evita la singularidad inicial, pero genera ondas gravitacionales que son indetectables de los débiles que son. Pero ahora se han detectado gracias a los modos-B.
De hecho, los modelos cosmológicos basados en cuerdas necesitarán una revisión profunda si se quiere que sean compatibles con los resultados de BICEP2. Pero los entusiastas de las cuerdas ya están acostumbrados a ajustar parámetros hasta que el modelo encaje. Es de esperar que consigan algún modelo compatible pronto.
También son eliminados algunos modelos cosmológicos en los que el campo escalar de la inflación es generado por una partícula tipo Higgs, debido a la debilidad que predicen en las ondas gravitacionales generadas.
Los que sí son compatibles con los resultados son los modelos de inflación caótica, idea propuesta por primera vez en los ochenta por Andrei Linde. Según esta idea, la inflación nunca para y sólo se detiene en ciertas regiones o bolsillos en donde hay universos como el nuestro que observamos ahora. La inflación continúa exponencialmente por siempre, creando otros universos por el camino. Este tipo de inflación produciría no sólo nuestro universo observable, sino un multiverso con bolsillos que tendrían distintas leyes físicas, algunos de ellos serían inestables bajo nuestro punto de vista.
El problema, como siempre, es que, por definición, nunca tendremos acceso a esos universos, ni podremos hacer ciencia sobre ellos o saber siquiera con seguridad que existen. Son una predicción directamente incomprobable de la teoría. Al principio parecía un problema el que la inflación no se parase, pero resulto que no hacía falta. A cambio, muchos modelos inflacionarios predicen de forma natural y directa esta generación continua de universos.
Pero queda el gran problema teórico de saber qué partícula fue la responsable de la inflación: el inflatón. Es de suponer que quedará siempre fuera del alcance de nuestros aceleradores de partículas.
La inflación es creada por un campo escalar, pero la idea de un campo escalar ya se introdujo con el Higgs previamente, que también es un bosón que controla un campo escalar. Pero el Higgs aparece a una gamas de energías muchos menores que el inflatón.
La existencia de este tipo de campos escalares es predicha por la física de partículas y la consecuencia de esto, según los modelos inflacionarios, es que la gravedad adquiere características repulsivas que es lo que hace expandirse brutalmente el universo durante la inflación. En una fracción de segundo minúscula el universo es expandió tantos órdenes de magnitud que es comparable a tomar un átomo e hincharlo hasta el tamaño de la Tierra. Esta expansión es similar a la energía oscura, pero a una escala de energía mucho mayor.
Además, todo esto proporciona lo que Lawrence M. Krauss llama “el almuerzo gratis definitivo” (“the ultimate free lunch”). La energía total en el proceso es nula, pero el espacio en expansión consigue volcar energía positiva para crear partículas (y por tanto, galaxias, estrellas, planetas y seres vivos en última instancia) a costa de una energía gravitacional negativa. Todo a partir de una pequeña región de espacio vacía con energía cero.
La inmensa mayoría de las veces los físicos teóricos llegan a modelos o hipótesis que son incorrectos o, peor, que no se pueden comprobar experimentalmente. Debe ser un privilegio ser alguno de los que finalmente tienen razón. Ni Alan Guth, ni Andrei Linde ni ninguno de los implicados esperaba que finalmente se confirmara esta idea. Han esperado 30 años para ver cumplida su confirmación, pero también cabía la posibilidad de morirse antes de ello.
La gran ventaja de este resultado es que se ha abierto una ventana observacional más allá y atrás en el tiempo de la época de recombinación. En esa época previa el Universo no era transparente, así que no podemos saber nada de ella usando luz directamente. Pero las ondas gravitatorias evitan esto al ser distorsiones del propio espacio. Al llegar el momento de la recombinación dejaron esa información sobre la inflación en la luz de aquel entonces y que ahora vemos como microondas. Esa información es justo de cuando se produjo la inflación y no nos habla sólo de la intensidad de la misma, sino de más cosas. Así por ejemplo, la amplitud (o intensidad) de los modos-B a diferentes escalas nos hablan de cómo la expansión inflacionaria fue cambiando en el tiempo durante el periodo inflacionario. Es un mensaje de los primeros instantes del universo.
Pero en el momento de la inflación las condiciones del Universo eran tales que las fuerzas fundamentales estaban unificadas. Además, la gravedad sólo se puede describir bien en ese momento con una teoría cuántica de gravedad. Así que se ha especulado que este tipo de medidas pueden ayudar a encontrar una teoría de ese tipo, tan buscada por otra parte, y para testar teorías de gran unificación.
El segundo gran descubrimiento ha sido también la confirmación de las ondas gravitaciones, que fueron propuestas por Einstein hace casi 100 años.
El Universo, o más bien el espacio que constituye el Universo, resonaría como una campana por culpa de la inflación. Esa resonancia estaría constituida por ondas gravitatorias con una frecuencia de 80 ciclos en 14000 millones de años. Son en una gama de frecuencias muy distinta a la que LIGO y otros experimentos pretenden detectar ondas gravitatorias. Las colisiones de estrellas de neutrones o la explosión de supernovas producirían ondas gravitaciones de frecuencia mucho más alta. Hay que tener en cuenta que la longitud de onda a detectar tiene que ser del mismo orden que el tamaño del detector a emplear. El sensor para el caso de los modos-B es todo el Universo observable.
Las únicas pruebas indirectas que había hasta ahora sobre las ondas gravitatorias venían dadas por los casos de los púlsares PSR 1913+16 y PSR J0737-3039.
Sólo añadir que BICEP2 fue concebido tanto para estudiar la inflación como para encontrar pruebas de que la materia oscura pueda esta constituida por axiones. Aunque en este aspecto no se han eliminado todos los modelos de axiones, sí que se han quedado ya fuera los modelos en los que sólo una pequeña parte de la materia oscura está constituida por estas hipotéticas partículas.
La Naturaleza ha sido generosa y nos ha develado algunos de sus secretos. Celebremos el haber sido testigos de ello.
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