March 23rd, 2013

Por Jorge A. Vázquez

“Y les habló y les propuso temas de música.”
J.R.R. Tolkien, Ailunindalë

Esta semana se han publicado los esperados resultados de la misión Planck, que mide la radiación de fondo de microondas (CMB), relicto de la Gran Explosión, o Big Bang, que se cree que dio origen al Universo que habitamos. Voy a tratar de explicar algunas de las posibles implicaciones de una parte del análisis de estos datos.

Pequeñas diferencias de temperatura en la radiacion de fondo de microondas.

Imagen obtenida de los datos de la misión Planck, que muestra las pequeñas diferencias de temperatura que se observan en la radiación de fondo de microondas.

¿Qué es la radiación de fondo de microondas?

La CMB es una especie de mar de fotones que llega de todas partes, que llena el Universo y que lo ha llenado siempre. Esos fotones han sido testigos de la evolución del Universo desde sus inicios. Por eso, cuando observamos esta radiación de fondo de microondas o CMB, podemos aprender cómo ha sido la historia del Universo y qué forma o geometría tiene. Predicha por Gamow en 1940 y descubierta de forma accidental por Penzias y Wilson en 1965, es la imagen viva de que el Universo es igual en todas partes.

Dado que el Universo no recibe aportaciones de energía del exterior (porque el exterior del Universo sencillamente no existe), este se enfría conforme se expande. Los fotones, de los cuales hay unos mil millones por cada protón del Universo, si se encuentran a temperaturas superiores a los 3500 kelvin, son capaces de destruir los átomos con los que choquen, arrancando los electrones que orbiten los núcleos atómicos y dejándolos libres. Estos electrones llenaban el Universo sin dejar apenas espacio entre ellos. Cuando el Universo estaba tan caliente, los fotones no podían viajar, ya que no dejaban de chocar o interaccionar con los electrones libres, sin ser capaces por ello de llevar señales de un punto a otro del Universo, que por lo tanto era opaco a la luz.

Cuando el Universo por fin se enfrió y su temperatura fue inferior a los 3500 kelvin, los átomos de hidrógeno se formaron (la recombinación) y el Universo se hizo transparente porque, por fin, los fotones podían viajar libremente. Actualmente, la radiación que se emitió en ese instante y que se observa en forma de microondas, corresponde a una temperatura de unos -270º C o, dicho en otra escala de temperatura, 2,728 Kelvin. Esto es debido a que el Universo se ha enfriado debido a la expansión que ha experimentado desde entonces.

Modelo interactivo 3D del satelite planck

Modelo interactivo 3D del satélite Planck que estudia la CMB.

La existencia de la CMB demuestra que el Universo es igual en todas partes y así se muestra en cualquier dirección en la que lo observemos. Dicho en otras palabras, tal y como lo planteó Einstein en 1917, el Universo es, a gran escala, homogeneo e isótropo. Esto es lo que quiere decir el principio cosmológico, uno de los pilares fundamentales de lo que se viene llamando el “modelo estándar de cosmología o de la Gran Explosión” y que es, hoy en día, la teoría más aceptada en nuestros intentos por comprender el Universo. Todo esto sea dicho, evidentemente, sin perjuicio de que pueda haber pequeñas variaciones locales que no alteren esa homogeneidad del universo medio, que sí que es homogéneo a gran escala.

El Universo se muestra uniforme porque estaba causalmente conectado y porque era uniforme (a gran escala) en el preciso momento de su comienzo.

El equipo de Smoot consiguió detectar en la década de los 90, mediante la misión COBE (un complejo y sensible satélite artificial), las pequeñas variaciones o diferencias de temperatura de la CMB (anisotropías) que dieron origen al nacimiento de las grandes superestructuras de la materia. Son las rugosidades en el tejido del espacio-tiempo, las pequeñas diferencias de densidad, las ondas sonoras que poblaron el Universo antes de que nacieran las primeras estrellas, los primeros supercúmulos de galaxias, las primeras galaxias y los primeros agujeros negros. Dicho de otro modo, esas pequeñas diferencias de color que se aprecian en las observaciones de la CMB, y que se descubrieron mediante el satélite COBE, son ni más ni menos que las semillas de las grandes estructuras del Universo.

Aunque la imagen aún era borrosa, nos daba una idea de cómo fueron esas anisotropías que hoy en día seguimos estudiando y que nos servirán para desentrañar la historia del Universo y para descubrir cuál se su forma o geometría.

Las anomalías en la CMB

La precisión en las mediciones de estas pequeñísimas diferencias de temperatura mejoró notablemente con la misión WMAP, que mostró sus resultados en la década pasada. Pero, como ocurre cada vez que mejoramos nuestros telescopios, se encontró algo inesperado y, en este caso, se observaron ciertas “anomalías” que contradecían ese principio de “isotropía” del Universo, uno de los pilares fundamentales de lo que se viene llamando el “modelo estándar de cosmología”. Estas anomalías se hacían patentes cuando se comparaban las temperaturas de zonas del cielo separadas por distancias grandes. La comunidad científica se mostró sorprendida pero, muy prudentemente, decidió esperar a que se pudieran obtener datos más precisos, para lo que los equipos de físicos e ingenieros de la Agencia Espacial Europea (ESA) ya se encontraban trabajando.

La misión Planck pesa casi dos toneladas y mide más de 4 metros de largo. Se lanzó en un vehículo Ariane desde la Guayana Francesa en mayo de 2009 hacia uno de los puntos de Lagrange, situado a un millón y medio de kilómetros de la Tierra, punto alrededor del que revoluciona en una órbita de Lissajous.

Cada vez que un servidor asistía a una conferencia y preguntaba a algún investigador de la misión Planck acerca de si sus instrumentos estaban ayudando a descartar las anomalías detectadas por WMAP, o si bien las estaban confirmando, se negaban a contestar, con razón. La investigación puntera necesita de tiempo para asimilar los datos y no puede permitirse el lujo de que una filtración desbarate un trabajo de años.

Y esta semana, por fin, los datos han salido a la luz. Planck no sólo ha observado con mayor detalle las pequeñas diferencias de temperatura de la radiación de fondo (confirmando una vez más el modelo estándar de cosmología) sino que, además, también detecta las mismas anomalías que sacó a la luz su predecesora, la misión WMAP.

Anomalias bianchi en la CMB

Anomalías en la distribución de temperaturas en la radiación de fondo. Las anomalías han sido resaltadas para facilitar la comprensión de la imagen.

Implicaciones profundas de las anomalías en la CMB

No debemos confundir las pequeñas diferencias de temperatura, ya detectadas por COBE, a las que solemos referirnos habitualmente como “anisotropías” con las “anomalías” que detectó WMAP y que ahora confirma Planck. En el fondo, ambos conceptos se refieren a diferencias de temperatura en la radiación de fondo, pero las pequeñas, las que en el mapa aparecen como un granulado característico, las predice perfectamente la teoría del modelo estándar de cosmología (introduciendo para ello la inflación). Las segundas, las que se observan cuando comparamos las temperaturas de puntos muy alejados entre sí, esas no encajan en el modelo actual con el que tratamos de comprender el Universo.

Todo esto quiere decir que si bien comprendemos bastante bien la CMB a grandes distancias, no es tanto así si tratamos de estudiar a muy grandes distancias.

Así, nos encontramos ahora en una situación nueva. Como tantas veces ha ocurrido en la historia de la ciencia, estamos en la necesidad de reescribir nuestras ideas sobre cómo es la Naturaleza (con mayúsculas). El Universo que habitamos se nos muestra, ahora, más complejo e impredecible.

Topología del Universo

Si pudiéramos exceder las fronteras del universo observable, habría que renunciar a uno de los pilares del modelo estándar de cosmología: la isotropía. Más allá de ese límite el Universo podría ser enormemente complejo. Los fotones podrían verse forzados a agruparse y recorrer caminos intrincados, que los enfocarían de forma significativa, lo que estaría provocando las anomalías observadas en la CMB.

Una geometría concreta del universo local podría ser consistente con varias geometrías globales (topologías) diferentes. Lo difícil es saber cuál es la que se ajusta mejor a las observaciones. Partimos de la base de que la Relatividad General no impone restricciones sobre la posible topología del Universo. El universo observable (a gran escala) podría ser prácticamente plano y el Universo podría ser curvo a muy grande escala. Ya se venía trabajando desde hace tiempo con diferentes geometrías para el Universo. Después de que se hayan confirmado estos datos de Planck y de que se haya comprobado que las anomalías en la CMB no son debidas a los instrumentos de WMAP ni a efectos locales del entorno del satélite (el Sistema Solar, la Vía Lactea, etc.), la línea principal de trabajo parte de la geometría de Bianchi. Es esta una geometría anisotrópica que, además, ya fue tenida en cuenta por el por el propio Einstein en la ecuación de campo de la Relatividad General. Se está tomando en cuenta también la geometría toroidal.

 

Bibliografía para profundizar

Planck Published Papers (Agencia Espacial Europea)

Cosmología Física. Jordi Cepa. Akal, 2007.

Cosmology. Byrd, Chernin, Valtonen. URSS, 2007.

 

Agradecimientos

A mis profesores Vicent Martínez y Diego Sáez.

 

Publicado en Cosmología | Comments Off on ¿Qué significa la última medición de la CMB?
June 11th, 2011

A favor de la inflación

Se observa que nuestro Universo es homogeneo y plano, o al menos que su curvatura, si la tiene, es indetectable. Dado que eluniverso, en su origen, pudo tener una geometría retorcida y una distribución de energía totalmente inhomogenea, se hace necesario un mecanismo que lo aplanara y uniformizara. De ahí que el investigador Alan Guth introdujera el concepto de inflación, un campo que se habría encargado de provocar un espectacular acelerón a la expansión del Universo, que habría provocado un efecto similar al que hace que las arrugas de una sábana desaparezcan al estirarse, al haberse expanido el Universo en un factor de 1025 durante 10-30 segundos.

La mecánica cuántica establece que este campo tuvo que sufrir fluctuaciones aleatorias, que hicieron que la inflación no terminara al mismo tiempo en todos los puntos. De ahí surgieron pequeñas diferencias de temperatura entre diferentes regiones, concentraciones que acabarían generando las estrellas y galaxias que conocemos.

En contra de la inflación

De todas las posibles condiciones iniciales del Universo, sólo muy pocas necesitarían de un periodo inflacionario para acabar evolucionando hacia un Universo como el que se observa actualmente. Roger Penrose, empleando este razonamiento, calcula que la probabilidad de que no haya habido inflación ninguna es de 10100 frente a la probabilidad de que sí que la haya habido.

También parece más probable que, de producirse realmente un proceso inflacionario, este hubiera sido notablemente diferente del que concuerda con las observaciones. Para ser más claros, hay más probabilidades de que la inflación fuera mucho más acelerada de lo que se viene aceptando. Así, si el parámetro que se emplea es del orden de 10-15, un parámetro de 10-10 o de 10-12 habría provocado la evolución de un universo muy diferente al que ahora se observa, con muchas más estrellas y galaxias. Además diremos, para los amantes del principio antrópico, que esos otros valores del parámetro de la inflación serían incluso más compatibles con la vida, resultando en un Universo mucho más habitable.

Además, según investigaciones más recientes, y siempre según la mecánica cuántica unida a la expansión acelerada, se constataría que la inflación debería ser eterna. Esto quiere decir que las fluctuaciones cuánticas podrían generar regiones que estarían expandiéndose a la enorme velocidad típica de la inflación. Esto produciría un océano de espacio infinito que se inflaría en torno a pequeñas islas de materia y radiación en un proceso infinito que crearía infinitas islas rodeadas de un espacio cada vez más y más dilatado. El propio Alan Guth habría reconocido que, en un Universo con inflación eterna, todo lo que pueda ocurrir sucederá; de hecho, sucederá un número infinito de veces. Esto sería, para Steinhardt, una medida de nuestro propio fracaso, porque una teoría que predice cualquier cosa no predice nada.

Para saber más

Aunque hemos intentado sintetizar las claves del artículo de Reindhart, obviamente, se trata de un tema que no se puede resolver en unos pocos párrafos. Además del artículo original publicado porInvestigación y Ciencia y su bibliografía recomendada, proponemos:

Arrugas en el Tiempo, George Smoot y Keay Davidson, Plaza y Janés 1994.

Cosmología Física , Jordi Cepa, Akal 2007.


Publicado en Cosmología, Teorías cosmológicas | Comments Off on Cargos en contra de la inflación
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