?Veremos c¨®mo naci¨® el universo?

Si queremos ver el universo reci¨¦n nacido, no usaremos una c¨¢mara fotogr¨¢fica convencional, que captura la radiaci¨®n electromagn¨¦tica en longitudes de onda similares a las que puede detectar el ojo humano. Para el ver el universo reci¨¦n nacido debemos observarlo con unos ojos que nos permitan ver ondas de radio o en microondas. Cuando los astr¨®nomos usamos receptores de microondas, captamos una radiaci¨®n que se origin¨® cuando el universo ten¨ªa unos 380.000 a?os: el fondo c¨®smico de microondas.

Hoy d¨ªa, el modelo m¨¢s ampliamente aceptado por la comunidad cient¨ªfica que describe el origen y evoluci¨®n del universo es el del Big Bang. Seg¨²n este modelo, el universo naci¨® hace unos 13.700 millones de a?os. En ese pasado remoto no exist¨ªan galaxias ni estrellas, y la densidad y temperatura eran tan elevadas que toda la materia se encontraba en forma de plasma. Desde esa fase inicial, el universo se expandi¨® y enfri¨®, dando lugar con el tiempo a la formaci¨®n de las estructuras que observamos hoy: estrellas, galaxias, c¨²mulos de galaxias... pues bien, el fondo de microondas viene a ser una especie de huella t¨¦rmica de ese pasado caliente de nuestro universo. Durante la expansi¨®n, ese ba?o t¨¦rmico tambi¨¦n se ha enfriado, de manera que hoy lo observamos a una temperatura de -270 grados cent¨ªgrados, apenas 3 grados por encima del cero absoluto de temperatura. Esta radiaci¨®n tan fr¨ªa s¨®lo puede verse en microondas.

La cosmolog¨ªa moderna se?ala que en ese instante inicial el universo atraves¨® por un periodo de expansi¨®n acelerada que llamamos inflaci¨®n

El fondo de microondas se conoce desde hace relativamente muy poco tiempo. El f¨ªsico y astr¨®nomo ucranio George Gamow fue el primero en proponer su existencia a mediados de los a?os cuarenta del siglo pasado. Las primeras predicciones acerca de su temperatura aparecieron poco despu¨¦s, e incluso cient¨ªficos de Princeton empezaron a preparar instrumentos espec¨ªficos para su detecci¨®n all¨¢ por los sesenta. Sin embargo, el fondo c¨®smico de microondas fue descubierto de manera completamente fortuita por A. Penzias y R. Wilson en 1964, cuando hac¨ªan pruebas con una antena de telecomunicaciones en los laboratorios Bell (Nueva Jersey, EE UU). La propia existencia de dicha radiaci¨®n constituye uno de los pilares centrales de nuestra visi¨®n del universo, y as¨ª fue reconocido cuando en 1978 ambos recibieron el Premio Nobel de F¨ªsica por su descubrimiento. En palabras del propio Wilson, gracias a su descubrimiento la cosmolog¨ªa "pas¨® de estudiar objetos individuales a estudiar el universo como un todo".

La atracci¨®n gravitatoria

Tal como entendemos la evoluci¨®n del universo, todas las estructuras que observamos en nuestro entorno (galaxias, c¨²mulos de galaxias...) crecen por efecto de la atracci¨®n gravitatoria a partir de peque?as irregularidades en la distribuci¨®n de materia que exist¨ªa en el universo primitivo. Estas semillas originales tambi¨¦n dejaron su huella en el fondo c¨®smico de microondas, en forma de peque?as variaciones espaciales de temperatura. Por este motivo, el estudio de dichas irregularidades constituye una herramienta muy valiosa para acercarnos al pasado de nuestro universo, y poder entender as¨ª las propiedades globales del mismo.

Desde poco despu¨¦s de su descubrimiento, un gran n¨²mero de experimentos intentaron detectar las huellas de esas semillas originales en el fondo de microondas, aunque su detecci¨®n no llegar¨ªa hasta 1992 gracias a las medidas del sat¨¦lite COBE de la NASA. La raz¨®n principal por la cual los astr¨®nomos necesitamos tanto tiempo para detectar estas huellas fue la peque?a amplitud de las mismas, ya que constituyen desviaciones de tan s¨®lo una parte en 100.000.

Sin embargo, estas min¨²sculas variaciones son tremendamente importantes, pues codifican las propiedades globales de nuestro universo. Desde la d¨¦cada de los noventa, m¨²ltiples experimentos se han dedicado a extraer de forma sistem¨¢tica el mapa de irregularidades del fondo de microondas: muchos desde la Tierra, algunos usando globos estratosf¨¦ricos y tambi¨¦n con sat¨¦lites como COBE, y m¨¢s recientemente, con WMAP de la NASA y Planck de la Agencia Europea del Espacio.

Los constituyentes del universo

Gracias a todos estos experimentos, el fondo de microondas se ha convertido en una de las herramientas m¨¢s poderosas de la cosmolog¨ªa moderna. Del estudio del mapa de irregularidades primordiales somos capaces de extraer con gran precisi¨®n un desglose de los constituyentes fundamentales de nuestro universo. As¨ª, nos hemos encontrado con la sorpresa de que la materia ordinaria de la cual estamos hechos (materia bari¨®nica) apenas da cuenta del 5% del contenido total de energ¨ªa del universo. El 25% del total es debido a un tipo de materia no ordinaria que denominamos materia oscura. Y lo m¨¢s sorprendente es que la mayor parte, el 70% del contenido energ¨¦tico del universo, est¨¢ en una forma de energ¨ªa cuyas propiedades no conocemos, y que denominamos energ¨ªa oscura.

Aunque en los ¨²ltimos a?os se ha avanzado significativamente en las comprensi¨®n de las propiedades globales del universo, a¨²n quedan muchos interrogantes que el estudio del fondo de microondas puede ayudar a resolver en un futuro inmediato. Una de esas cuestiones esenciales es la compresi¨®n de los procesos f¨ªsicos que tienen lugar en los primeros instantes del universo, y en particular durante la primera fracci¨®n de segundo tras su nacimiento.

La cosmolog¨ªa moderna predice que durante ese instante inicial, el universo atraves¨® por un periodo de expansi¨®n acelerada, que denominamos inflaci¨®n. Desde un punto de vista te¨®rico, la inflaci¨®n proporciona un mecanismo para explicar el origen de las semillas primordiales que dieron lugar a las estructuras que vemos hoy en el universo. De hecho, algunas de las predicciones de dicho mecanismo ya han sido medidas y contrastadas por los experimentos actuales.

Las ondas gravitacionales

Sin embargo, existe otra gran predicci¨®n de la mayor¨ªa de los modelos de inflaci¨®n que a¨²n no ha sido comprobada, y es la existencia de ondas gravitacionales generadas durante los primeros instantes de vida del universo. Las ondas gravitacionales son una predicci¨®n de la teor¨ªa de la Relatividad General de Albert Einstein. De haber existido en los primeros instantes de vida del universo, ¨¦stas habr¨ªan dejado una huella muy espec¨ªfica en la polarizaci¨®n de los mapas del fondo c¨®smico de microondas. La medida de dicho rasgo abrir¨ªa un nuevo horizonte en la compresi¨®n del origen de nuestro universo, y supondr¨ªa un avance importante para la f¨ªsica de muy altas energ¨ªas.

Por ello, en los pr¨®ximos a?os varios experimentos de microondas van a intentar extraer dicha se?al. El primero de ellos ser¨¢ el sat¨¦lite Planck, de la ESA, que fue lanzado en mayo de este a?o 2009 y que ya est¨¢ realizando sus mediciones a 1,5 millones de kil¨®metros de la Tierra. Desde Espa?a han participado en su construcci¨®n las universidades de Cantabria y Granada y el Instituto de Astrof¨ªsica de Canarias (IAC). Por otro lado, durante el a?o pr¨®ximo tambi¨¦n iniciar¨¢ su andadura un nuevo experimento que se instalar¨¢ en el Observatorio del Teide (Tenerife), denominado QUIJOTE-CMB, para la medida de la polarizaci¨®n del fondo de microondas. Sin lugar a dudas, el estudio de los datos que proporcionen ambos experimentos (y muchos otros que se realizar¨¢n en los pr¨®ximos a?os) supondr¨¢ un avance significativo en cosmolog¨ªa, acercando la frontera de nuestro conocimiento un poco m¨¢s hacia el nacimiento del universo.

Jos¨¦ Alberto Rubi?o Mart¨ªn es un investigador Ram¨®n y Cajal del Instituto de Astrof¨ªsica de Canarias (Tenerife)