Una nueva edad de oro de la cosmolog¨ªa

Con la estrecha y fecunda alianza de la astronom¨ªa y la f¨ªsica de part¨ªculas, fraguada hace unos a?os, los cient¨ªficos est¨¢n preparando nuevos experimentos y observatorios para dar un salto cualitativo en su comprensi¨®n del cosmos. "Sabemos mucho del universo, pero no lo entendemos tanto", dice el f¨ªsico te¨®rico Michael Turner (Universidad de Chicago), quien prev¨¦ "un impulso en nuestra comprensi¨®n tanto del universo como de las leyes que lo gobiernan, que sit¨²a la cosmolog¨ªa al borde de una edad de oro" que eclosionar¨¢ en 15 a?os. El truco de esa alianza de lo m¨¢s grande y lo m¨¢s peque?o reside en el hecho de que, para explicar cosas como los agujeros negros o la formaci¨®n de las galaxias, los cient¨ªficos aplican los mecanismos f¨ªsicos profundos desvelados en el ¨¢mbito de las part¨ªculas elementales y sus interacciones. A la vez, aprovechan el universo como laboratorio de fen¨®menos que, por ahora, no pueden imitar en la Tierra.

"Sabemos mucho del universo, pero no lo entendemos tanto", dice el f¨ªsico Michael Turner

Seis especialistas explican los pilares experimentales en que basan este optimismo en el ¨²ltimo n¨²mero de la revista Science. Telescopios de neutrinos de nueva generaci¨®n para ver el universo desde el fondo del agua o del hielo ant¨¢rtico, observatorios de rayos c¨®smicos y de rayos gamma son instrumentos clave que los cient¨ªficos van a explotar a la vuelta de unos pocos a?os. En varios de ellos participan cient¨ªficos e instituciones espa?oles.

Antes de desgranar las ideas y los nuevos medios en perspectiva para comprobarlas, Turner repasa lo que se sabe ya del universo, que es mucho m¨¢s de lo que la gente piensa y mucho menos de lo que los expertos quisieran. Se ha determinado que el cosmos tiene 13.700 millones de a?os (con un error del 1%), que es espacialmente plano y que su expansi¨®n a partir del Big Bang inicial est¨¢ aceler¨¢ndose. Turner da como composici¨®n aproximada: ¨¢tomos (4%), materia oscura (un 20%) y energ¨ªa oscura (76%), con sus correspondientes m¨¢rgenes de error. Esta misma semana se hizo p¨²blico el primer mapa tridimensional de un ¨¢rea relativamente grande del cielo que incorpora la distribuci¨®n de la materia oscura. Las estrellas, lo que se ve tradicionalmente en el cielo, suponen el 1% de ese 4% de ¨¢tomos o materia normal conocida, al que hay que sumar los neutrinos (m¨¢ximo, un 1%).

"Los neutrinos tienen el potencial para ser mensajeros, c¨®smicos ideales", dice Francis Halzen (Universidad de Wisconsin). Estas part¨ªculas sin carga el¨¦ctrica se producen, por ejemplo, en las reacciones nucleares del interior del Sol, y a la Tierra llegan 100.000 millones de neutrinos solares por segundo por cent¨ªmetro cuadrado, pero apenas interaccionan con la materia. Esto tiene el inconveniente de que es dificil¨ªsimo detectarlos, pero tambi¨¦n la ventaja de que, al pasar limpiamente por las galaxias y c¨²mulos de materia, sin desviarse ni apenas ser absorbidos, pueden traer a los astr¨®nomos informaci¨®n inalterada de los confines del universo. "Tal vez puedan hablarnos de lugares c¨®smicos jam¨¢s vistos y permitirnos penetrar en el coraz¨®n de agujeros negros", explica Halzen.

En su art¨ªculo, Halzen se ocupa sobre todo del observatorio de neutrinos que utiliza el hielo profundo ant¨¢rtico, transparente y ultrapuro, y que se est¨¢ construyendo en el Polo Sur, junto a la base Amundsen-Scott. Se llama IceCube y est¨¢ formado por centenares de fotodetectores especiales que abarcan un kil¨®metro c¨²bico de hielo, colocados en 80 agujeros que llegan hasta 2.450 metros de profundidad. Cuando alguno de los muchos billones de neutrinos que atraviesan el hielo interacciona con un ¨¢tomo de ¨¦ste, produce un lev¨ªsimo destello que captan los fotodetectores. IceCube, que estar¨¢ terminado en 2008-2009, es la ampliaci¨®n del m¨¢s modesto Amanda, que ya funciona all¨ª.

En lugar de hielo, Antares y N¨¦stor aprovechan el agua de mar. Son dos detectores ubicados en el Mediterr¨¢neo, y el primero de ellos cuenta con poder ampliar a principio de la pr¨®xima d¨¦cada su trampa a un kil¨®metro c¨²bico de agua, lo que significar¨ªa un complemento esencial de IceCube en el otro hemisferio.

Eli Waxman (Instituto Weizmann, en Israel) titula su art¨ªculo Astrof¨ªsica de neutrinos: una nueva herramienta para explorar el universo y resume que con estas nuevas ventanas, los f¨ªsicos podr¨¢n explorar aceleradores c¨®smicos como las erupciones de rayos gamma y los n¨²cleos activos de galaxias, y la materia oscura. Pero a la vez, dar¨¢n datos para desentra?ar inc¨®gnitas pendientes de las interacciones de part¨ªculas elementales e incluso para comprobar si son ciertas presunciones de la relatividad especial.

En cuanto a la materia oscura, Turner explica c¨®mo ser¨ªa posible comprobar si existen nuevas part¨ªculas propuestas por las teor¨ªas, como los axiones (un bill¨®n de veces m¨¢s ligeros que el electr¨®n), los neutralinos (unas cien veces m¨¢s masivos que el prot¨®n) o los wimps (part¨ªculas masivas de interacci¨®n d¨¦bil).

"Las tecnolog¨ªas actuales [para detectar axiones y wimps] est¨¢n alcanzando niveles de sensibilidad de inter¨¦s cosmol¨®gico", se?ala Bernard Sadoulet (Universidad de California en Berkeley). Varios instrumentos de observaci¨®n astrof¨ªsica en desarrollo, junto con el futuro acelerador de part¨ªculas europeo LHC, abrir¨¢n un campo de investigaci¨®n muy rico, dice, porque "descifrar la naturaleza de la materia oscura del universo es importante no s¨®lo para la astrof¨ªsica y la cosmolog¨ªa, sino tambi¨¦n para la f¨ªsica de part¨ªculas y la gravitaci¨®n".

En cuanto a la energ¨ªa oscura, es casi una reci¨¦n llegada a la receta del universo y, si a finales de la d¨¦cada pasada muchos cient¨ªficos ten¨ªan dudas de que fuera verdad la aceleraci¨®n de la expansi¨®n del universo generada por dicha energ¨ªa oscura, los datos que se han ido acumulando han convencido a la mayor¨ªa. Aunque nadie sabe explicar qu¨¦ es esa presi¨®n negativa que hace que las galaxias se alejen cada vez m¨¢s deprisa, los cosm¨®logos empiezan a contar con ella en su modelo del Big Bang puesto al d¨ªa. Nuevos telescopios y experimentos pueden ayudar a entender este sorprendente mecanismo del universo.

Tambi¨¦n son intrigantes los rayos c¨®smicos (part¨ªculas de alta energ¨ªa que chocan constantemente con la atm¨®sfera terrestre) y los rayos gamma de muy alta energ¨ªa. Un detector (Glast) que la NASA lanzar¨¢ este a?o al espacio, y el Observatorio Pierre Auger, que abarcar¨¢ un ¨¢rea de 3.000 kil¨®metros cuadrados en Argentina, destacan entre los futuros instrumentos. "En las fuentes de rayos c¨®smicos probablemente est¨¦n implicados los fen¨®menos m¨¢s energ¨¦ticos jam¨¢s presenciados en el universo", explica Angela V. Olinto (Universidad de Chicago), y su origen puede empezar a revelarse en unos pocos a?os.

Igualmente, la astronom¨ªa de rayos gamma encara un amplio rango de cuestiones fundamentales de la astrof¨ªsica de part¨ªculas actuales, "incluyendo procesos de aceleraci¨®n y radiaci¨®n en condiciones extremas", afirma Felix Aharonian (Instituto de Estudios Avanzados de Dubl¨ªn). Chorros formados junto a los agujeros negros, las potentes erupciones de rayos gamma, los or¨ªgenes gal¨¢cticos y extragal¨¢cticos de rayos c¨®smicos, la luz del fondo c¨®smico que guarda informaci¨®n sobre el origen de las galaxias o la materia oscura son temas de estudio para la nueva generaci¨®n de instrumentos, incluido el Magic de la isla de La Palma.

En el marco de la cosmolog¨ªa te¨®rica, Turner repasa c¨®mo el esquema del universo inflacionario -que habr¨ªa sufrido un colosal crecimiento muy r¨¢pido inmediatamente despu¨¦s de la explosi¨®n inicial- se va consolidando con la informaci¨®n indirecta obtenida hasta ahora, y avanza que una nueva generaci¨®n de detectores, telescopios y experimentos puede encontrar finalmente su firma. Menci¨®n especial merece en su art¨ªculo la teor¨ªa de supercuerdas, que pretende solucionar los problemas y l¨ªmites que afronta la teor¨ªa convencional, pero que a¨²n debe, se?ala Turner, "demostrar que es una teor¨ªa del todo y no una teor¨ªa de nada, como dicen algunos". Como sus predicciones est¨¢n fuera del alcance de los laboratorios terrestres, dice, muchos te¨®ricos de supercuerdas ponen sus esperanzas en el cosmos como laboratorio.