Jim Peebles: inspirando a cosmólogos desde hace más de cincuenta años

El comité Nobel ha decidido premiar en 2019 al cosmólogo canadiense Jim Peebles por sus grandes contribuciones teóricas al conocimiento del cosmos.

Como cada año, el premio Nobel de  Física fue anunciado este mes de octubre. Los ganadores en 2019 fueron tres: Philip James Edwin Peebles, Michel Mayor y Didier Queloz. El segundo y tercer laureado, suizos ambos, han recibido el preciado Nobel por una razón muy concreta: la primera observación de un planeta que orbita alrededor de una estrella parecida al Sol. El planeta está lejos de nosotros, a una distancia que la luz tarda más de 50 años en recorrer (¡y la luz viaja muy rápido!), aunque en términos galácticos es un sistema “cercano”. En el caso de Philip James Edwin Peebles, canadiense que ha vivido y trabajado casi toda su vida en Princeton (Nueva Jersey, Estados Unidos) donde es Profesor Emérito en la cátedra Albert Einstein, el comité del Nobel ha ofrecido una razón que, en principio, parece menos precisa, aunque no por ello menos relevante.

El premio ha sido concedido “por sus descubrimientos teóricos en el campo de la cosmología física”. Esto se debe a que Peebles, a lo largo de su carrera, ha contribuido muy notablemente a su área de investigación con ideas muy distintas que motivaron, produjeron y afectaron a varios grandes descubrimientos posteriores, y han cambiado nuestra forma de ver y entender el universo. Sus ideas ayudaron a transformar el estudio de la historia del universo desde algo muy especulativo, algo que apenas se consideraba como una rama de la física, a una ciencia de precisión: Peebles ya era mundialmente reconocido como uno de los cosmólogos más importantes del mundo incluso antes de ganar el premio Nobel.

Peebles, nacido en 1935, empezó a trabajar en cosmología en una época en la que esta área de investigación se encontraba en un callejón sin salida: el interés de la comunidad residía en la astrofísica u otras áreas, que se centraban sobre todo en el detalle de lo que se puede observar en el universo. El cosmos entero, en sí mismo, parecía no ofrecer oportunidades para descubrir nada nuevo. Peebles no pareció pensar lo mismo y siguió con sus trabajos en esta área, en la que fue muy afortunado, especialmente por lo que sucedió en 1964, tras finalizar su doctorado. Ese año saltó al primer plano la radiación cósmica de fondo (en inglés, “cosmic microwave background” o CMB), una predicción del modelo cosmológico nunca observada antes. La radiación cósmica de fondo es un vestigio del universo temprano que se originó alrededor de 380.000 años después del Big Bang, a medida que la temperatura del universo iba disminuyendo y empezaban a formarse los primeros átomos de hidrógeno. Cuando el universo tuvo suficientes átomos de hidrógeno los fotones (la luz) pudieron por fin moverse libremente, dado que la “niebla” de núcleos y electrones libres había desaparecido: ¡ya no había más obstáculos para ellos! La mayoría de los fotones empezaron a moverse en línea recta y siguen haciéndolo hasta el día de hoy, aunque con menos energía que en aquel entonces: mientras el universo se expande, su temperatura promedio disminuye y lo mismo ocurre con la temperatura de esos fotones.

A día de hoy, la luz que se liberó hace más de 13 mil millones de años forma un fondo de microondas que permea todo el universo, actuando como un ruido de fondo que es imposible evitar en cualquier antena: eso es lo que se llama “radiación cósmica de fondo”. En 1964 sólo se conocía como concepto teórico, hasta que dos ingenieros de los laboratorios Bell (Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, que ganaron el premio Nobel en 1978 por esta detección) construyeron y probaron su antena para medir microondas, y descubrieron un ruido constante en todas direcciones. Ni Penzias ni Wilson sabían lo que estaban detectando, pero a tan sólo 40 millas de distancia se encontraban unos físicos en Princeton (Peebles, con su antiguo director de tesis y otros colegas) que muy rápidamente les comunicaron la importancia de lo que la antena estaba midiendo: ¡la confirmación más robusta y contundente del modelo del Big Bang!

Este descubrimiento fue seguramente uno de los más importantes para la cosmología moderna. Como muchas veces ha ocurrido en la historia, después de la primera medida de la radiación de fondo, físicos experimentales y teóricos empezaron a dedicar más tiempo al estudio de esa reliquia del universo temprano. El reto experimental se había convertido en medir con más precisión todas las propiedades del CMB, mientras que para los físicos teóricos el reto vital fue interpretar esas medidas en términos de propiedades básicas del universo, como su composición y geometría.

¡Pero Peebles iba por delante! Alrededor de 1970 se dio cuenta (uno de los primeros, por supuesto) de que el universo no podía ser completamente uniforme al comienzo de su evolución, que debía haber algún punto del espacio donde la densidad era ligeramente más alta y otros donde fuera más baja. Después de que los fotones de la radiación de fondo se liberaran, los átomos de hidrógeno y el resto de la materia empezó a sufrir el efecto de la gravedad, y a partir de los puntos ligeramente más densos la atracción gravitacional empezó a generar lo que, después de más de 13 mil millones de años, acabó convirtiéndose en las galaxias y cúmulos de galaxias que podemos observar en el universo actual, lo que conocemos como “estructura a gran escala”.

En los setenta, Peebles fue uno de los pioneros en el cálculo de la formación de estructuras, y en particular fue uno de los principales defensores de la visión jerárquica de ese proceso. Uno de los descubrimientos que más se recuerda del reciente laureado es el criterio de Ostriker-Peebles, que describe el proceso de formación de galaxias barradas, un tipo de galaxia que se origina a partir de las galaxias espirales cuando aparece una inestabilidad y las estrellas de los brazos de la galaxia son “expulsadas”. Pero aquí no acaba el legado científico de James Peebles, ya que también ha contribuido con relevantes estudios sobre materia oscura, energía oscura y nucleosíntesis primordial (la creación de los primeros núcleos atómicos, que ocurrió cuando el universo sólo tenía unos minutos de vida). Sin duda, Peebles ha sido uno de los arquitectos del modelo cosmológico estándar.

El comité del premio Nobel ha premiado a Philip James Edwin Peebles no por una contribución puntual, sino por una serie de descubrimientos e ideas que han revolucionado la ciencia que estudia el universo y que han sido fundamentales para conducirnos al nivel de conocimiento que hoy tenemos sobre la física del cosmos.

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Autor: Stefano Gariazzo

Físico de neutrinos, cosmologo, pero también músico y runner

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