En busca de los ecos del Big Bang

El SPT bajo las estrellas y una aurora austral. Foto: Keith Vanderlinde.

Un telescopio antártico podría llegar a detectar ondas gravitatorias primordiales.
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El SPT bajo las estrellas y una aurora austral. Foto: Keith Vanderlinde.

Podemos ver el pasado. Cuanto más lejos miramos más atrás en el tiempo nos remontamos. Sabemos cómo eran algunas galaxias hace miles de millones de años, para ello tenemos que escoger las que estén a miles de millones de años luz y observarlas. Su luz ha estado viajando desde entonces y ahora, muy debilitada, nos alcanza. Verlas no siempre es sencillo y necesitamos telescopios muy potentes para ello. Pero algún día no muy lejano, si finalmente logramos financiación para telescopios aún más grandes, podremos ver cómo se formaban las primeras galaxias, y lo veremos en directo.

Sorprendentemente, desde hace años podemos ver un objeto aún más lejano en el tiempo: el fondo cósmico de radiación. Los mapas que levantó el WMAP de él son el mapa del propio Universo cuando éste sólo contaba con un poco menos de 400.000 años de edad. Parte de la “nieve” que vemos en un televisor fuera de sintonía procede de ese fondo de cósmico de microondas.

Ese fondo cósmico de radiación es el borde del Universo visible, en cuyo centro nos encontramos, más allá no podemos ver nada. El borde definitivo, el causal, el equivalente al horizonte de sucesos de un agujero negro, el momento t=0 del Big Bang, está a unos 400.000 años luz más allá, pero siempre será invisible e inalcanzable. El Universo era un plasma entre el momento t=0, correspondiente a la supuesta singularidad inicial y esos casi 400.000 años. Era un gas ionizado, y no dejaba que la radiación electromagnética lo cruzara libremente.

Fue justo después, al producirse la recombinación, al bajar la temperatura a solamente 3000 grados Kelvin, al permitirse la formación de los primeros átomos neutros, cuando el Universo se hizo transparente por primera vez y la luz lo pudo atravesar. Es precisamente eso lo que vemos en el fondo cósmico de radiación, esa luz que atravesó el Universo por primera vez y cuya longitud de onda ha sido alargada hasta la gama de microondas debido a la expansión cosmológica. Nos habla de la textura del Universo en esa época, la textura necesaria para formar galaxias, estrellas, planetas y humanos.

Pese a todo, sabemos algo de lo que ocurrió antes. Gracias a la proporción de elementos generados durante la nucleosíntesis primordial, sabemos las condiciones reinantes escasísimos minutos después del Big Bang y lo que ocurrió un poco más atrás lo podemos reproducir en aceleradores de partículas como el LHC. Pero no lo podemos ver directamente.

Si fuéramos capaces de detectar bien los neutrinos podríamos ver los neutrinos primordiales y reconstruir una imagen del Universo justo cuando éste se hizo transparente a esas partículas, antes de la recombinación. Por desgracia, aún no es posible y quizás no lo sea nunca.

También podríamos detectar las ondas gravitatorias. Éstas son oscilaciones del propio espacio-tiempo que la Relatividad General predice que se deben de generar en los más poderosos procesos gravitatorios. No se nos puede ocurrir algo más poderoso que el propio Big Bang, pero las ondas gravitatorias son muy débiles y desde entonces la propia expansión cosmológica las debe de haber debilitado aún más. Tenemos esperanzas de que un día la tecnología progrese lo suficiente como para que nuestros detectores de ondas gravitatorias perciban una señal, pero parece que todavía no es posible. ¿O sí?

¿Qué tal si nos conformamos con detectarlas indirectamente? Para estudiar este punto nos tenemos que remontar a una época aún más atrás en el tiempo, a la época de la gran inflación.

El universo es muy isótropo, sobre todo el fondo cósmico de radiación. Sitios opuestos del cielo nunca tuvieron la posibilidad causal de termalizar (estar a la misma temperatura), sin embargo, lo que se observa es que parece que lo hicieron. Además el Universo parece plano. Para resolver estos dos problemas Alan Guth introdujo en 1979 el concepto inflación. Según su teoría un campo escalar del vacío (de naturaleza y origen desconocidos) habría expandido el Universo tremendamente en una pequeñísima fracción de segundo. Esto ocurriría a los 10-35 segundos después del Big Bang, cuando la temperatura era de 1027 K.

Durante esta inflación un volumen cualquiera de Universo se habría multiplicado por un factor 1050. Como resultado nuestro Universo visible procedería de una pequeña región a casi la misma temperatura y la geometría del Universo sería muy plana. A cambio de solucionar estos dos problemas hay que pagar el precio de la existencia de una infinidad de Universos paralelos a los que nunca podremos tener acceso y que se encuentran más allá del horizonte causal.

Hay pruebas indirectas de este fenómeno de la inflación en el propio fondo de microondas. Las fluctuaciones que vemos en él serían las fluctuaciones del vacío amplificadas por la propia inflación.

Ahora viajemos a la Antártida, allí un pequeño grupo de afortunados, pero capaces de soportar un frío terrible, exploran el Cosmos con el South Pole Telescope (SPT) bajo el cielo más límpido de la Tierra. Con el STP ya investigan la naturaleza de la energía oscura. Quizás algún día nos digan algo al respecto.

Científicos de diversas instituciones trabajan ahora en un nuevo instrumento para ese observatorio: un polarímetro. Este instrumento operaría en ondas submilimétricas, una gama de longitudes de onda situadas entre las microondas y el infrarrojo.

Si la hipótesis de la inflación es correcta, ésta tuvo que haber amplificado las ondas gravitatorias hasta hacer visible su efecto sobre el fondo cósmico de radiación. Si es así, y en esa gama de frecuencias, debe de haber un patrón detrás del que observamos que sea un reflejo de las ondas gravitatorias y de la inflación.
Si finalmente logran detectarlo habrán cruzado más allá de la frontera de la recombinación, viendo el “reflejo” en los cielos de lo que ocurrió antes. Entonces casi se podrán “oír” reverberar los ecos de la propia génesis del espacio-tiempo, cuando el tambor cósmico del Big Bang dio origen a la toda la creación.

http://news.uchicago.edu/news.php?asset_id=1550
http://www-news.uchicago.edu/releases/09/video/simulation.html