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Reportan evidencia de la inflación cósmica

Aleida Rueda
19/mar/2014

Cuando Andre Linde, físico ruso-estadunidense y profesor de la Universidad de Stanford, recibió esta noticia, no pudo contener el llanto.

Y no es para menos. Linde junto con Alan Guth, del Instituto Tecnológico de Masachussets, y Alexei Starobinsky, del Instituto Landau de Física Teórica en Moscú, se han enterado que su predicción del llamado "periodo inflacionario" ha sido comprobada después de 35 años.

A finales de los años 70, estos tres hombres afirmaron que hace 14 millones de años, recién formado el Universo, hubo un momento, una mínima fracción de segundo, en el que el Universo se expandió aceleradamente y se extendió mucho más allá de las distancias que podrían ser alcanzadas por un rayo de luz.

Aunque esta teoría, conocida como la inflación cosmológica, era bastante convincente, era sólo teoría y requería ser comprobada.

Lo no-homogéneo dentro de lo homogéneo

La teoría de la inflación era convincente, incluso antes del gran anuncio de esta semana, porque resuelve uno de los grandes problemas del modelo cosmológico para entender el inicio del Universo. “En el modelo sin inflación no se puede entender porqué el Universo es homogéneo (igual en todos lados)”, afirma Axel de la Macorra, cosmólogo investigador del Instituto de Física.

Para explicarlo, el investigador utiliza una analogía: “imaginemos que traemos un millón de cubetas de agua de distintos lados (los Himalayas, Francia, Chile, etcétera) y al checar su temperatura resulta que todas tienen la misma. Evidentemente, no es normal. ¿Qué sí es normal? Si tenemos una alberca y sacamos un millón de cubetas de agua de esa alberca, todas ellas tienen la misma temperatura porque estuvieron en contacto térmico”.

Esto es parecido a lo que nos dice la teoría de la inflación: si existe homogeneidad a gran escala en nuestro Universo es porque hubo un momento en que todos los cuerpos que lo conforman estuvieron juntos en una misma pequeñísima región que casi por definición era homogénea.

Pero ¿cómo podríamos entender el surgimiento de galaxias y estrellas si todo era homogéneo?

Lo contradictorio y maravilloso de la inflación es que al mismo tiempo que explica la homogeneidad a gran escala, también lanza luz sobre las inhomogeneidades observadas, precisamente, por la presencia de estrellas y galaxias.

De acuerdo con este modelo, sí, después de los primeros segundos de su formación el Universo era idéntico... pero no totalmente. "Había una mínima parte (una parte en 10 mil) no-homogénea", explica De la Macorra. A pesar de ser mínima, es una fluctuación importantísima porque con el periodo inflacionario esta fracción diminuta también creció. La inflación de la no-homogeneidad da como resultado fluctuaciones, que son las "semillas primordiales que generarían miles de millones de años después estrellas y galaxias".

De hecho, la teoría de la inflación predice que “las amplitudes de las fluctuaciones son invariantes de escala”, dice el cosmólogo, es decir, que todas las estructuras del Universo (estrellas, galaxias, etcétera) crecieron con la misma amplitud inicial sin importar su volumen.

La inflación también predice la posible existencia de una partícula, el inflatón, que sería la responsable de la inflación. Y afirma que los efectos cuánticos de esta partícula son los que generaron las fluctuaciones, las semillas primordiales de estrellas y galaxias.

Con estas predicciones que eran puramente teóricas, físicos en diversas partes del mundo se lanzaron a la aventura de buscar las pistas de esas perturbaciones en el espacio-tiempo. Porque encontrarlas significaría que la teoría de Guth-Linde era una realidad.

En busca de las ‘huellas’ primordiales

Es un hecho que debían buscar fluctuaciones en la curvatura espacio-tiempo la pregunta era ¿cómo? Y la respuesta nos la dieron George Smoot y John C. Mather, ganadores del Premio Nobel 2006 por descubrir la radiación cósmica de fondo o la radiación cósmica de microondas (CMB por sus siglas en inglés).

“La CMB se originó cuando el Universo tenía 380,000 años. Es la luz más lejana que recibimos y el ‘mapa’ que nos permite buscar rastros del pasado del Universo”, explica De la Macorra.

Al analizar la CMB, los científicos pueden identificar fluctuaciones. Algunos cambios de temperatura, por ejemplo, pueden dar pistas del pasado: una mayor temperatura representa las partes más densas que dieron como resultado la formación de una galaxia.

La gran noticia que recibió Linde este lunes es que investigadores de la colaboración BICEP2 (las siglas del telescopio Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) tienen las primeras imágenes de las ondas gravitacionales primordiales y, por lo tanto, la primera evidencia directa de esta inflación cósmica, afirma el boletín del Centro Harvard -Smithsonian para la Astrofísica.

"Las ondas gravitacionales -dice De la Macorra- se generaron en la primera fracción (10-32) del segundo de ‘vida’ del Universo, siguieron moviéndose y permeando todo el espacio, afectando a la luz, a la radiación cósmica de fondo y dejando en ella una huella inconfundible.

Para haber encontrado las señales de ondas gravitacionales primordiales en la radiación cósmica de fondo, los físicos experimentales tuvieron que buscar un efecto conocido como polarización que es, básicamente, la 'preferencia' de la luz para girar en una determinada dirección ya sea izquierda o derecha respecto a la dirección de propagación. Es justo lo que ocurre con la luz que viene del Sol que al pasar por la atmósfera es dispersada y polarizada, es decir, toma una dirección distinta a la de su propagación.

De manera similar, la radiación cósmica de fondo es dispersada por átomos y electrones y se polariza. Esta polarización de la CMB, producida por la interacción con partículas cargadas, ya había sido detectada. Pero adicionalmente es posible que la radiación de fondo adquiera un nuevo tipo de polarización que sólo se puede observar en las ondas gravitacionales. Es decir, la polarización de la luz debido a las ondas gravitacionales deja una huella muy diferente a la polarización de la luz, y es justamente la que detectaron.

"Nuestro equipo estuvo cazando un tipo especial de polarización llamado 'modos B', lo que representa un giro o patrón tipo ‘rizo’ en las orientaciones de polarización de la luz antigua", dijo el co-líder de la investigación Jamie Bock en el mismo boletín de prensa.

Las ondas gravitatorias comprimen el espacio a medida que viajan, y esta compresión produce un patrón distinto en la radiación cósmica de fondo. Las ondas gravitatorias tienen una ‘firma’ y "el patrón de modo B es una firma única de las ondas gravitacionales", dijo el co-líder de Chao-Lin Kuo.

Tanto Chao-Lin Kuo como Bock y los otros dos líderes de la colaboración BICEP2, John Kovac y Clem Pryke, se sorprendieron al detectar una señal de polarización modo B considerablemente más fuerte que lo que muchos cosmólogos esperaban.


En estas gráficas, lo investigadores identifican la ‘firma’ de las ondas gravitaciones a partir de la forma en cómo está acomodada la luz (se aprecia bien el patrón modo B, el 'giro' característico de estas ondas).

Los 7 sigmas que les darán el Nobel

¿Cómo saben que esa señal de polarización es “más fuerte”? De acuerdo con De la Macorra, la respuesta está principalmente en el tipo de polarización de la luz, y también en la amplitud de onda gravitacional o, más específicamente, en la relación entre la intensidad de las ondas gravitacionales y las escalares (que son más grandes). Esta relación finalmente expresa qué tan intensa resulta la direccionalidad de las señales de las ondas gravitacionales.

En el artículo publicado en arxiv.org el 17 de marzo, los autores señalan que “el espectro de mode B observado encaja con el modelo teórico con un radio tensor-escalar de 0.2 y una exclusión de r=0 de 7 sigmas”.

De acuerdo con De la Macorra, quiere decir que la relación de la amplitud de ondas (básicamente, la intensidad de la señal) es de 0.2 "un número que resulta no ser tan importante como lo que le sigue: la exclusión de 0 ¡a 7 sigmas!

Mientras que el valor de la intensidad esté ubicado lejos del 0 significa que hay más certeza de que la inflación existe. Si lo que están diciendo es que la exclusión de 0 tiene 7 sigmas, significa que hay solamente una posibilidad entre más de 3 mil millones de que el resultado sea una casualidad aleatoria. Por eso, dice Axel de la Macorra, “el resultado es contundente. Ese numerito, esos 7 sigmas, es lo que les va a dar el Nobel”, afirma.

Y la imagen que aparece en el artículo lo describe perfectamente:

En ella, se pueden ver (en rojo) los resultados de Planck (el satélite lanzado al espacio en 2009 por la Agencia Espacial Europea para captar la radiación cósmica de fondo) en el que la relación en la amplitud de onda llega incluso al 0.3 y, sin embargo, al ser consistente con el 0 reduce la probabilidad de que exista. En contraste, los resultados de Planck con las recientes observaciones del BICEP2 reportan un valor de 0.2 excluyendo a 0 completamente, lo que significa una mayor posibilidad de que no pueden estar equivocados.

De hecho, en varias fuentes se menciona la “derrota” de Planck frente al BICEP2, pues teniendo los mismos datos, el primero se tardó mucho tiempo en analizarlos y, de forma inesperada, ha sido superado en certeza y resultados por el telescopio que identificó las ondas gravitacionales desde la Tierra.

La confirmación de una teoría bellísima

Sobre las implicaciones de este descubrimiento, el teórico Avi Loeb, jefe del Departamento de Astronomía de la Universidad de Harvard, afirmó que "este trabajo ofrece nuevas pistas sobre algunas de nuestras preguntas más básicas como ¿por qué existimos? ¿Cómo empezó el Universo?”.

Para Axel de la Macorra, la implicación es más simple: “no va a cambiar nada en cosmología porque la ciencia siguió funcionando pensado que la inflación estaba ahí, nada más que los experimentales no habían logrado medirla”.

“Esto lo único que hace es confirmar una teoría bellísima y desecha a muchas de las demás. Quien estaba trabajando en eso, no necesita cambiar nada, quien estaba trabajando en cosas opuestas a la inflación, quizás le conviene cambiar de rumbo”.

En contraste, Manuel Torres Labansat, director del Instituto de Física, afirma que "el descubrimiento es un enorme avance y tendrá consecuencias profundas en la cosmología porque corrobora una teoría fundamental, la de la inflación (que puede ser más fundamental que la teoría del origen del Universo). Antes de esto es cierto que ya los científicos la daban por sentado, y la utilizaban en cosmología, pero mientras no existiera una evidencia observacional, siempre había lugar a la duda", dice el físico teórico.

Lo que está claro para ambos es que queda mucha ciencia por hacer. “Dada la medición de r=0.2, podremos enfocarnos en los modelos teóricos que predicen este número y así saber el potencial y la física del inflatón y del Universo a los 10-32 segundos de vida. Lo cual es fantástico”, concluye De la Macorra.

El análisis de la radiación de fondo que se reporta ahora "seguramente permitirá poner a prueba diversas teorías más detalladas del proceso de inflación o de la gravedad", afirma Torres Labansat.

El entusiasmo de buena parte de la comunidad académica se ha volcado hacia los padres de la predicción teórica (Linde, Gudh y Starobinsly) y también sobre los físicos experimentales John Kovac, Clem Pryke, Jamie Bock y Chao-Lin Kuo que hicieron la ‘chamba’ de comprobar la predicción de hace 35 años.

Mientras tanto, los rumores del Nobel de Física para BICEP2 y los físicos teóricos crecen aceleradamente, tal como lo hizo el Universo primigenio.

Enlaces Relacionados

Artículo original:

http://arxiv.org/pdf/1403.3985.pdf

Comunicado de prensa del Centro Harvard -Smithsonian para la Astrofísica:

http://www.cfa.harvard.edu/news/2014-05