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

Ondas gravitacionales primordiales y universo inflacionario.

escrito por Eclectikus 18 marzo, 2014

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.

  • Muy de acuerdo, arte y ciencia utilizan al menos un mismo motor: el de la creatividad. Por eso yo siempre he criticado a la gente de ciencias que no disfruta (o incluso desprecia) el arte, y a los humanistas que reniegan de la ciencia y no son capaces de apreciar su belleza.

    Ciao!

  • Tobaga

    Richard Feynman decía que un poeta es capaz de hacernos resonar con su ensaltación de la belleza de una rosa, mientras que un científico, además de ser sensible a tal belleza, es capaz de ver más allá, a niveles de descripción más profundos y hablar de los mecanismos de construcción de esa rosa a partir de unas pocas instrucciones en el genoma de las células de la rosa, y que esa comprensión profunda de la naturaleza también tiene su belleza.

    Recordemos que la Academia Americana de las Artes y las Ciencias se fundó en 1780 precisamente para aunar ambas vertientes del saber humano, no para diferenciarlas, y hoy forman parte de ella miles de miembros honorarios de todo el mundo. Es una prueba fehaciente de que el Arte y la Ciencia pueden ir de la mano.

    Saludos

  • Gracias Tobaga, aunque no soy Teórico (lo mio es mucho más prosaico), y tampoco los Teóricos son merecedores de todo el pastel (físicos experimentales e ingenieros juegan un buen papel en todo este asunto).

    En cuanto a las bellas artes, posiblemente haya más conexiones entre éstas y la física teórica de las que a primera vista pueda parecer. Un gran teórico (quizá el más grande con el permiso de Einstein), Paul Dirac, decía:

    It seems that if one is working from the point of view of getting beauty in one’s equations, and if one has really a sound insight, one is on a sure line of progress.

  • Tobaga

    Me he enterado, al menos de lo mas importante, pero ten en cuenta que yo soy de bellas artes.

    Felicitarte por la parte que te toca, así como a todos los Cosmólogos.

  • Bueno Miguel, es que tu eres medio de Ciencias… y eso ayuda 😉

  • Un gran artículo. Hasta me he enterado yo.

    Y me uno a la solicitud de Nobel súbito para estos señores 🙂

  • Es una visión intuitiva que como todas tiene defectos. Quizá con este comentario puedas afinarla un poco más 😉

    Un aspecto importante es que no se puede considerar en general la luz como “un rayo que viaja”, y menos aún en ese estado primigenio del universo en el que todas las partículas (fotones, electrones, positrones, neutrinos, quarks…) interaccionaban de tú a tú en una especie de caos cuántico, creándose de la nada, aniquilándose por parejas, o en cascada… y con dominios independientes unos de otros como burbujas de champán (que es la analogía que utiliza Leonard Susskind en el altamente recomendable libro “The Cosmic Landscape – String Theory and the Illusion of Intelligent Design”)

    Rigurosamente hablando sólo podemos hablar del Universo desde el instante en que los fotones se desacoplaron de la fiesta y pudieron comportarse como lo que ahora son, portadores del campo electromagnético en el rango que va desde las ondas de radio hasta los rayos x, pasando por el visible que sería el intervalo de frecuencias en el que la analogía del “rayo de luz” tiene cierto sentido. La reliquia que nos queda de ese momento del universo es precisamente la radiación de fondo de microondas, y analizando la estructura de ésta se pueden inferir (o validar/falsar) modelos que eventualmente se acercarán más o menos a la realidad insondable de esa primera fase en la que surgió el universo.

    Si se confirma este hallazgo (la detección de B-modes primordiales) querrá decir que el modelo de la inflación cósmica (que los predice) no puede andar muy lejos de lo que sucedió, mientras que otros modelos pueden estar estos días cavando su tumba. Así es como funciona la Ciencia de verdad, teorías que progresan por que son respaldadas por la validación empírica, y teorías que mueren por la ausencia de esta.

  • pvl

    Gracias por tu paciencia Eclek: creo que yo lo he entendido. Si dejamos a un lado los primeros instantes en los que la luz no podía viajar, la cosa yo me la imagino así:
    Imaginamos una esfera diminuta que en el instante inicial empieza a expandirse en el mismo instante que un rayo de luz empieza su viaje, recorriendo uno de los diámetros de esa esfera desde uno de sus extremos.
    Si la velocidad de la expansión es más rápida que la velocidad de la luz, entonces siempre existirán regiones que la luz no puede alcanzar, como por ejemplo el otro extremo del diámetro, cualquiera que sea el tiempo posterior que haya trascurrido desde el inicio simultaneo de la expansión y del viaje del rayo de luz.

  • Si, ese es el concepto, pero aplicado al universo primigenio (antes del desacoplamiento de los fotones antes de 380000 años). Date cuenta que hacer hoy ese racionamiento carece de sentido por qué (de la Wikipedia):

    …Aunque la edad del universo sea de 13.700 millones de años, la expansión producida debido al Big Bang hace que el universo más lejano observable se haya alejado mucho más que esa distancia, a pesar de haber recorrido menos de 13.700 millones de años luz (1,37×10^10)…

  • pvl

    Gracias EcleK: respecto a la 2ª de mis preguntas, ¿se puede llegar a la conclusión de que hay regiones no conectadas causalmente de la siguiente manera?:
    Datos de partida:
    1º El universo observable es una esfera con centro en la Tierra y radio 1,37×10^26 m
    2º La velocidad de la luz c=3×10^8 m/s
    3º La edad del universo es de unos 13 mil millones años.
    De 1º se deduce que el diámetro de del universo observable es 2×1,37×10^26 m, que podemos redondear a 3×10^26 m.
    Por lo tanto la luz tardaría en viajar de un extremo a otro del universo observable (es decir en recorrer ese diámetro): distancia/velocidad de la luz= 3×10^26 m/ 3 x10^8 s= 10^18 s que son aproximadamente 33 mil millones de años.
    Como la edad del universo es solo de 13 mil millones de años, eso significa que a la luz no le ha dado tiempo a recorrer el diámetro del universo observable y por tanto regiones situadas en los extremos de ese diámetro( así como cualquier par de regiones situadas a una distancia mayor de esos 13 mil millones de años luz) no podrían estar causalmente conectadas, ni ahora, ni en el pasado.
    ¿Es esto correcto?
    ¿Es esto correcto?

  • Bueno, “saber” es una palabra un poco fuerte cuando hablamos de cosmología. Lo que tenemos es un modelo que intenta explicar lo que pasó en los primeros instantes del universo, y un residuo de microondas posterior a esos instantes (en torno a los 380000 años después) en el que universo dejó de ser opaco (los fotones no escapaban de esa sopa de partículas y anti-partículas), que podemos utilizar para verificar qué modelos reproducen la realidad observada y cuáles no. Y a día de hoy el modelo del Big Bang con una época inflacionaria reproduce bastante bien el fondo de microondas, y es a la vez consistente con el resto de la Física de partículas… pero las incógnitas están ahí, y la dificultada de extraer conclusiones creo que son evidentes. En el corazón del dilema está la distinción entre teoría, modelo, especulación, evidencia directa, evidencia indirecta… y las relaciones entre dichos conceptos.

  • pvl

    Gracias Ecleck: permíteme que siga abusando de tu amabilidad y paciencia.
    ¿Como sabemos que la “sopa” original era heterogénea en vez de homogénea?

  • Tenía un error que he corregido y que posiblemente sea la causa de tu confusión. Este es el párrafo ya corregido:

    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…

    El error era grave porque tener una idea de los ordenes de magnitud es indispensable para saber en el terreno que nos movemos, y por qué el principio de causalidad (y el límite relativista de la velocidad de la luz) es crucial para tener que recurrir a la teoría inflacionista para describir la realidad.

  • Gracias PVL!

    En cuanto la primera pregunta la clave está en el principio de causalidad, no es esperable que de una sopa primigenia heterogénea que se expande produzca un universo como el que nosotros observamos (isótropo, homogéneo y plano). En la entrada he puesto el ejemplo más evidente que es la temperatura, pero hay más: curvatura espacio-tiempo, tasa de materia/antimateria… Una respuesta más elaborada (y rigurosa) la puedes encontrar en esta entrada de la Mula Francis: La inflación cósmica y el multiverso inflacionario.

    En cuanto a la segunda pregunta simplemente tienes que echar las cuentas, y notar que la velocidad de la luz es finita y que estamos hablando de tiempos del orden de 10^-33 (la luz solo recorre distancias ~10^-25 metros).

  • pvl

    Eclec: felicidades por el art.
    Abusando de tu amabilidad y paciencia: ¿Podrías explicar un poco más porqué “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 de tal manera que tengan en la actualidad el mismo aspecto a gran escala (la misma temperatura, las mismas constantes físicas…)?. O preguntado de otra forma: si partimos de un universo muy pequeño, muy denso, y muy homogéneo, ¿por qué se ría lógico pensar que regiones no conectadas causalmente deberían evolucionar con distintas constantes físicas dando como resultado que a gran escala estas regiones fueran muy diferentes entre sí?.
    Por cierto, tampoco comprendo como en un universo muy pequeño, a la luz no le da tiempo a conectar todas las regiones, (salvo que la expansión sea más rápida que la propia luz que es justamente lo que afirma la inflacción), o dicho de otra manera ¿como sabemos que hay regiones del universo no conectadas por la luz?.

  • Gracias JJI, es que me parece que hay un gap entre la prensa generalista y la especializada… y ahí he intentado meter este artículo.

  • Así lo había entendido Plaza, aunque el otro sentido es perfectamente válido. Me he intentado quedar en un punto medio entre el refinamiento de Lubos y la grosería de los medios generalistas, así que su nivel de ilustración es necesariamente relativo 😉

  • JJI

    Había leído esta noticia en la prensa (me interesa mucho la Ciencia), sin poder sacar ninguna conclusión. Con tu artículo, aunque la mayoría me sobrepasa, sí que he podido intuir por dónde van los tiros de la importancia de este descubrimiento, que a nivel general, es lo que importa a los profanos en la materia, así que por lo que a mi respecta, objetivo logrado. Este blog no para de sorprenderme (y de robarme el tiempo).

  • ¡Ay!, perdón. Veo que lo he dicho mal. Dentro de un orden no quería decir que fuera incompleto, sino que se puede entender “dentro de un orden”. Dentro de lo que se puede hacer en un artículo, y con este toro. Mucho toro.

  • Gracias Haddock, lo importante es coger una idea general de lo que se cuece, y transmitir que lo que se mueve por dentro es demasiado complejo, especializado, y probablemente inútil 😉

  • Haddock

    Creo haber entendido lo más relevante del artículo Eclec y no te esfuerces en echarte las culpas… Si no lo he pillado todo a la primera (lo volveré a leer tantas veces como sea necesario), el único responsable soy yo por haber renunciado, hace mucho tiempo ya, a recibir formación en el campo de las ciencias (que en el fondo me seducía más que las letras) pero, por no recuerdo ya qué oscuros motivos (entre ellos, posiblemente vaguería) , me dediqué a menesteres menos esforzados.

    ¡Magnífico post!

  • Muchas gracias Luis, es lo que he intentado, aunque supongo que mucha gente saldrá espantada en los primeros párrafos 😉

  • Me parece bien que esté recortado. Así,al menos, yo me he enterado de algo. Bueno, no. Me he enterado de todo. A nivel pedagógico, este artículo es de diez, Eclectikus!

  • Gracias Plaza, está muy recortado, hay mucha más tela de lo que parece, y conceptos que directamente no he mencionado, como lo referente a la constante cosmológica… en fin, para otra ocasión será 😉

  • ¡Gracias, Elípticus! Muy ilustrativo. Dentro de un orden, ¿eh? 😉