Una nueva ventana al universo

El 17 de marzo de 2014 pasar¨¢ a ser una de las fechas clave en cosmolog¨ªa por la detecci¨®n de las ondas gravitacionales generadas instantes despu¨¦s del origen del universo y que supone la confirmaci¨®n definitiva de la teor¨ªa de la inflaci¨®n cosmol¨®gica. Simplemente saber que tenemos una huella de algo que ocurri¨® en el universo en una trillon¨¦sima de trillon¨¦sima de segundo despu¨¦s de su origen ya es sobrecogedor, pero lo importante es que estas ondas nos permiten corroborar aspectos esenciales sobre nuestras ideas de c¨®mo se origin¨® el universo.

El fondo de radiaci¨®n de microondas, detectado hace 50 a?os, ha resultado ser una fuente extraordinaria de informaci¨®n, no solo sobre el momento en que este fondo se gener¨®, cuando se formaron los primeros ¨¢tomos y la radiaci¨®n se desacopl¨® de la materia, sino tambi¨¦n sobre el universo primordial de ¨ªnfimas fracciones de segundo despu¨¦s de su origen. Las medidas que acaban de anunciar los cient¨ªficos del telescopio BICEP2 en el polo Sur nos abren una nueva ventana a la comprensi¨®n de los primeros instantes de nuestro universo.

La teor¨ªa inflacionaria surgi¨® por la necesidad de resolver los problemas de planitud y homogeneidad de la teor¨ªa del Big Bang y predice un periodo de expansi¨®n acelerada del universo, fracciones infinitesimales de segundo despu¨¦s de su origen cu¨¢ntico, y es responsable de todo lo que vemos a gran escala, de toda la materia y la radiaci¨®n, as¨ª como de su distribuci¨®n en el espacio. Dicho proceso inflacionario genera fluctuaciones cu¨¢nticas que son estiradas por la expansi¨®n del universo y determinan las perturbaciones del espacio-tiempo que observamos en el fondo de radiaci¨®n. Estas perturbaciones son de dos tipos: ondas de densidad y ondas gravitacionales. Las primeras fueron observadas inicialmente por el sat¨¦lite COBE, en 1992, y m¨¢s tarde por los WMAP y Planck, y sus propiedades estaban perfectamente de acuerdo con las predicciones de inflaci¨®n. Las segundas no hab¨ªan sido observadas hasta ahora y constitu¨ªan una de las predicciones m¨¢s buscadas de la teor¨ªa.

Pronto tendremos la confirmaci¨®n gracias al sat¨¦lite europeo ¡®Planck¡¯

Mientras que las fluctuaciones de densidad dan lugar a variaciones en la temperatura del fondo de radiaci¨®n entre puntos distantes del cielo y acaban dando origen a las galaxias, las ondas gravitacionales predichas por inflaci¨®n generan un patr¨®n caracter¨ªstico en la orientaci¨®n de la polarizaci¨®n del fondo de radiaci¨®n. La polarizaci¨®n lineal de la luz se observa f¨¢cilmente con unas gafas polarizadas en un d¨ªa radiante frente al mar, ya que reduce la cantidad de luz que nos llega a los ojos. El fondo de radiaci¨®n est¨¢ d¨¦bilmente polarizado, por lo que la se?al que se buscaba era muy peque?a, lo que explica por qu¨¦ se ha tardado tanto en descubrirla. Y adem¨¢s, tiene dos componentes, uno polar (de tipo E) y otro rotacional (de tipo B), que es el que nos ha permitido detectar las ondas gravitacionales.

Seg¨²n la teor¨ªa de inflaci¨®n el fondo c¨®smico de microondas debe seguir un patr¨®n caracter¨ªstico. En particular, la raz¨®n entre las fluctuaciones en la polarizaci¨®n de tipo B (la asociada a las ondas gravitacionales) y las de densidad (asociadas a la temperatura) nos dan informaci¨®n de las escalas de energ¨ªas a las cuales ocurri¨® el proceso inflacionario en el universo primitivo. Seg¨²n el BICEP2, el valor recientemente medido nos sugiere que la inflaci¨®n ocurri¨® a escalas billones de veces m¨¢s energ¨¦ticas que las colisiones en el acelerador LHC del CERN, donde se descubri¨® la part¨ªcula de Higgs. Ser¨ªa la primera evidencia de una nueva escala de energ¨ªa entre la escala del modelo est¨¢ndar de part¨ªculas y la llamada escala de Planck de la gravedad cu¨¢ntica.

La detecci¨®n del modo B de polarizaci¨®n supone la confirmaci¨®n definitiva de la teor¨ªa de inflaci¨®n, propuesta por Alan Guth, Andrei Linde y Alexei Starobinsky hace algo m¨¢s de 30 a?os. El fondo de ondas gravitacionales predicho y finalmente detectado por BICEP2, afianza la teor¨ªa inflacionaria como escenario del origen cu¨¢ntico del universo, y abre las puertas al conocimiento de la din¨¢mica responsable de esa expansi¨®n acelerada que es la inflaci¨®n. Dicha teor¨ªa predice tambi¨¦n una conversi¨®n violenta de energ¨ªa en materia y radiaci¨®n al final de la inflaci¨®n, dando lugar a lo que com¨²nmente se denomina el Big Bang, o la gran explosi¨®n. Desde entonces, el universo se fue enfriando hasta llegar a su estado actual, 13.800 millones de a?os despu¨¦s.

La teor¨ªa predice la conversi¨®n violenta de energ¨ªa en materia y radiaci¨®n

Este descubrimiento ser¨¢ seguido pronto por detecciones de otros experimentos, confirmando y afianzando el resultado con mejores determinaciones de las propiedades a gran escala de las ondas gravitacionales. Pronto tendremos confirmaci¨®n gracias a las observaciones del sat¨¦lite europeo Planck, que posee un gran n¨²mero de detectores a bordo, lo que permitir¨¢ sustraer fuentes astrof¨ªsicas espurias que podr¨ªan contaminar la se?al cosmol¨®gica.

En un futuro pr¨®ximo se espera que sat¨¦lites de tercera generaci¨®n, como COrE y PRISM, se lancen al espacio para explorar en detalle estas elusivas ondas gravitacionales que dejaron su huella en el fondo de radiaci¨®n, lo que permitir¨¢ la exploraci¨®n de una nueva escala de energ¨ªa, muy por encima de la que es actualmente accesible con los grandes aceleradores. Estos resultados nos acercar¨¢n a una comprensi¨®n m¨¢s profunda de las interacciones fundamentales pr¨®ximas a la escala de Planck, donde estar¨¢n regidas por la gravedad cu¨¢ntica, cuyos fen¨®menos est¨¢n muy alejados de nuestra experiencia diaria.

Con este descubrimiento la cosmolog¨ªa entra en una nueva era, en la que observaciones y teor¨ªa tendr¨¢n que ir de la mano y podr¨¢n avanzar a grandes pasos. Vivimos un momento fascinante.

Juan Garc¨ªa-Bellido es catedr¨¢tico de F¨ªsica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid.