Como gotas de lluvia cayendo sobre un lago: grandes ¨¦xitos de la teor¨ªa del Big Bang

?Qui¨¦n no se ha quedado absorto viendo caer las primeras gotas de lluvia sobre un charco o un lago? Es hipn¨®tico comprobar c¨®mo crean olas conc¨¦ntricas. Una vez que ya han ca¨ªdo muchas gotas, la superficie del lago se llena de ondulaciones y esa primera simetr¨ªa circular se difumina y se pierde para siempre. O no... ?Creen posible que estudiando la mara?a de ondulaciones del agua en un determinado momento podamos conocer d¨®nde cayeron las gotas de agua, o cu¨¢ntas y c¨®mo eran? Pues algo muy parecido constituye una de las predicciones m¨¢s fascinantes, por no decir incre¨ªble y aun as¨ª comprobada, de la teor¨ªa del Big Bang.

Las gotas cayendo en el lago producen perturbaciones que se trasladan en forma de onda hacia el exterior con una determinada velocidad. Si ponemos un barquito veremos que sube y baja, no se mueve en horizontal, lo cual significa que la onda solo implica movimientos de las mol¨¦culas de agua hacia arriba y abajo. Es lo que se llama una onda transversal, que en este caso viaja hacia fuera desde el punto de impacto de la gota, formando circunferencias conc¨¦ntricas.

De manera parecida a las gotas cayendo en el lago, en los primeros momentos del universo, una fracci¨®n de segundo despu¨¦s del Big Bang, se produjeron lo que se conoce como ¡°fluctuaciones cu¨¢nticas¡±, variaciones aleatorias de las propiedades del universo en determinadas zonas

De manera parecida a las gotas cayendo en el lago, en los primeros momentos del universo, una fracci¨®n de segundo despu¨¦s del Big Bang, no es que ¡°cayera¡± algo sobre ¨¦l (t¨¦cnicamente, eso no es posible), pero se produjeron lo que se conoce como ¡°fluctuaciones cu¨¢nticas¡±, variaciones aleatorias de las propiedades del universo en determinadas zonas. Esas fluctuaciones, posiblemente combinadas con lo que se conoce como inflaci¨®n (otra historia esa), dieron lugar a que ciertas regiones del universo fueran m¨¢s densas que sus inmediaciones. Como las gotas en un lago, esos picos de densidad crearon una onda, aunque no transversal como la del agua del lago, sino una onda que se denomina ac¨²stica, como el sonido en el aire.

Esas ondas estaban principalmente producidas por la presi¨®n que ejerc¨ªan los fotones, que actuaban de tambor dando lugar a ese ¡°sonido¡±. Que la luz ejerza presi¨®n sobre la materia puede parecer incre¨ªble, pero se comprueba por ejemplo en la estructura de los cometas, que tienen colas apuntando en direcci¨®n opuesta al Sol formadas por part¨ªculas empujadas por los fotones de nuestra estrella. En el universo temprano se dice que la luz y la materia ordinaria estaban acopladas. Esto significa que los protones y neutrones, que se llaman en conjunto bariones, segu¨ªan el comportamiento de los fotones, con lo que formaban parte tambi¨¦n de esa onda. La onda se propag¨® a partir de cada sobredensidad a una velocidad bastante alta, la mitad de la de la luz, correspondiente a la velocidad del sonido en el material que compon¨ªa el universo en ese momento. De manera an¨¢loga al caso del lago, pero en este caso siendo una onda ac¨²stica, se formaron zonas conc¨¦ntricas de mayor densidad que las regiones adyacentes y se fueron propagando alej¨¢ndose de la sobredensidad central. Esto es lo que se conoce como oscilaciones ac¨²sticas bari¨®nicas, BAO por sus siglas en ingl¨¦s.

Sin embargo, en el centro de cada BAO qued¨®, casi sin enterarse, la sobredensidad dominada por materia oscura, materia oscura pata negra, aquella que los astrof¨ªsicos incluyen en todas sus teor¨ªas, pero que nadie ha encontrado en laboratorio. Es una materia oscura ex¨®tica, que no es propensa a captar ni emitir fotones, interacciona con los fotones much¨ªsimo menos que la materia normal (bari¨®nica). Como consecuencia, la onda ac¨²stica no afect¨® a la materia oscura, que ¡°luchaba¡± porque la masa-energ¨ªa no se alejara, lo que m¨¢s le gusta a la materia oscura pata negra es la interacci¨®n gravitatoria.

Las BAO predichas por la teor¨ªa son un fen¨®meno que se ha observado, por primera vez en 2005, mediante la detecci¨®n de una abundancia relativamente alta de galaxias alrededor de las zonas m¨¢s densas del universo, justo donde las oscilaciones ac¨²sticas hab¨ªan alcanzado el m¨¢ximo antes de congelarse en el tiempo

Los acontecimientos espectaculares que predice la teor¨ªa del Big Bang no acaban ah¨ª. Una de las predicciones m¨¢s importantes de esta teor¨ªa es que en alg¨²n momento el universo pas¨® de ser opaco a transparente, cuando su edad era de unos 370000 a?os. En esa ¨¦poca los electrones se juntaron con los protones o ¨¢tomos de helio (y una peque?a cantidad de otros ¨¢tomos peque?os) y la materia del universo pas¨® de estar ionizada a tener carga neutra. Sin part¨ªculas cargadas, los fotones se desacoplaron de los bariones y viajaron libres por el universo. Otra consecuencia es que las oscilaciones bari¨®nicas se pararon, no siguieron propag¨¢ndose. Es como si las ondas en el lago quedaran, de repente, congeladas.

Resumimos entonces que algunos de los ingredientes principales de la teor¨ªa del Big Bang, como la existencia de materia oscura que no interacciona con los fotones, la expansi¨®n y enfriamiento del universo, con procesos como el paso de un universo ionizado a uno neutro, y la existencia de sobredensidades de materia provenientes de fluctuaciones cu¨¢nticas que dieron lugar a galaxias m¨¢s tarde, todos ellos explican algo como las BAO.

Las BAO predichas por la teor¨ªa son un fen¨®meno que se ha observado, por primera vez en 2005, mediante la detecci¨®n de una abundancia relativamente alta de galaxias alrededor de las zonas m¨¢s densas del universo, justo donde las oscilaciones ac¨²sticas hab¨ªan alcanzado el m¨¢ximo antes de congelarse en el tiempo. En esas peque?as sobredensidades y a partir de la recombinaci¨®n, empez¨® a dominar la acci¨®n de la gravedad, que dio lugar a la formaci¨®n de galaxias. La densidad era, claro, mucho m¨¢s grande en el centro de cada oscilaci¨®n bari¨®nica, donde se hab¨ªa quedado la materia oscura, por lo que en ese centro es d¨®nde se formaron las galaxias m¨¢s grandes, con un enjambre de galaxias m¨¢s peque?as emergiendo en las capas conc¨¦ntricas creadas por las BAO. El resultado fue espectacular y muy complicado de obtener, porque no hab¨ªa una ¨²nica oscilaci¨®n, sino un gran n¨²mero de ellas superponi¨¦ndose, decenas de miles fueron estudiadas en ese art¨ªculo de 2005.

El estudio detallado de las oscilaciones ac¨²sticas bari¨®nicas a distintas ¨¦pocas de la historia del universo es uno de los proyectos fundamentales del Centro de Estudios F¨ªsica del Cosmos de Arag¨®n (CEFCA), que est¨¢ ultimando la construcci¨®n de un telescopio en el Observatorio astrof¨ªsico de Javalambre, en Teruel. En los pr¨®ximos a?os este proyecto, entre otros, nos dar¨¢ una visi¨®n mucho m¨¢s precisa de c¨®mo se ha ido expandiendo el universo y determinar¨¢ las propiedades de la energ¨ªa oscura o la existencia de algo parecido a la quintaesencia. Observar la lluvia sobre un lago o las BAO nos seguir¨¢ fascinando y dejando absortos, seguro.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa

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