Fotografiando el Big Bang (II)

¿Podemos realizar una foto del Big Bang? En este artículo respondemos a esta fascinante pregunta.

En una entrada anterior hablamos del Big Bang y de cómo el Modelo Cosmológica Estándar (MCE) describe la evolución del universo cuando la densidad de energía del mismo es menor que la densidad de Planck, lo que nos permite obviar los efectos de la gravedad cuántica. Ahora bien, ¿cuál es la descripción actual de esos momentos primitivos del universo en que éste tenía una densidad de energía sub-Planckiana, pero igualmente mucho más alta que la alcanzada en los aceleradores de partículas?

Resulta que, para que el MCE sea consistente en el presente, en los momentos primigenios del universo (insistimos, siempre a escala sub-Planckiana), el Universo tuvo que experimentar un proceso de Inflación (ésta es al menos la hipótesis dominante en la comunidad científica). Esto consiste básicamente en un período de duración finita de expansión acelerada, tal que la distancia relativa entre dos puntos en el universo (ya existente) crece exponencialmente 1 en una fracción infinitesimal de segundo. ¡Estupendo! Pero ¿qué tiene que ver esto de la Inflación cósmica con el título de este artículo? Pues resulta que…

1) el propio proceso inflacionario borra toda información de la condición de dónde venía el universo justo antes de comenzar la inflación

y 2) dado que una vez el universo empieza a inflacionar ya no sabemos de dónde venía anteriormente, en este paradigma ya no hay extrapolación posible al pasado que prediga una singularidad.

Vale, pero entonces, si no hay Big Bang que valga (al menos de acuerdo al paradigma inflacionario del universo, que es el marco teórico dominante de los primeros instantes del universo), ¿¿entonces de qué hablamos cuando le queremos sacar una foto al Big bang??

El Universo ha pasado por distintas fases en su evolución. ¿Cómo podemos aprender sobre ellas?
Fuente: E. Siegel, con imágenes de ESA, PLANCK y la DoE/NASA/NSF interagency task force on CMB research

Aunque no sabemos en qué fase estaba el universo antes de la inflación (¿Acababa de aparecer justo antes? ¿cuánto antes? ¿o había existido quizá siempre hasta el momento en que empezó a ocurrir el proceso de inflación?), lo que sí podemos es sacarle una foto al proceso inflacionario. ¿Y de qué tipo de foto hablamos? Pues resulta que la expansión inflacionaria hace un predicción muy notable y que resulta una consecuencia prácticamente única de dicho marco teórico: a saber, que radiación de naturaleza gravitatoria 2 es emitida durante la inflación, y no se ve modificada por la evolución posterior del universo durante los 13.700 millones de años siguientes. Es decir, inflación predice que hay un fondo de radiación gravitatoria fósil, que está en todas partes del espacio (¡esperando a que lo detectemos!). ¿Y han oído ustedes hablar de la detección reciente de ondas gravitacionales? 3 Desde 2015, de forma sistemática, la red de experimentos LIGO y VIRGO detecta (usando una técnica denominada de interferometría láser) radiación gravitatoria en forma de pulsos de corta duración, procedentes de cuerpos celestes astrofísicos 4. En otras palabras, la astronomía de ondas gravitacionales ya es una realidad, y con ella, potencialmente al menos, la posibilidad de poder detectar (eventualmente) el fondo cosmológico inflacionario de ondas gravitacionales. De momento las señales de ondas gravitacionales detectadas por LIGO/VIRGO proceden de fenómenos que sucedieron en el universo tardío, es decir mucho después de los momentos primigenios de la inflación que nos atañen aquí. Sin embargo, el tipo de radiación gravitatoria es de la misma naturaleza que la predicha por inflación, y ya sabemos qué podemos medirla directamente, porque así lo acreditan las detecciones hechas por LIGO/VIRGO. La pregunta es entonces, ¿qué tipo de detector necesitaríamos para medir el fondo inflacionario de ondas gravitacionales? Desgraciadamente sabemos que LIGO/VIRGO, o incluso cualquiera de los futuros detectores planeados para la primera mitad del Siglo XXI (LIGO-India, KAGRA, LISA, ET, etc, que superarán a LIGO/VIRGO en sus capacidades) no tendrán la suficiente precisión. La cosa pinta mal.

Desde los años 90, sabemos sin embargo, que la presencia de ondas gravitaciones primordiales procedentes de la inflación cósmica, es capaz de dejar también una huella muy característica en la polarización del fondo cósmico de microondas (en inglés CMB, Cosmic Microwave Background). El CMB fue descubierto en 1964, como ya os contamos aquí, pero a día de hoy no hemos sido todavía capaces de observar este patrón de polarización, llamado modo B de la polarización. El modo B está siendo buscado, sin embargo, sistemáticamente por los experimentos que miden cada vez con mayor precisión la propiedades del CMB. Se estima que dentro de la década recientemente estrenada, la precisión de estos experimentos será tal que, o bien detectamos el modo B de la polarización del CMB predicha por por la presencia del fondo de ondas gravitacionales inflacionarias, o bien ya nunca podremos detectarlas por esta técnica, ya que futuros experimentos no podrán mejorar la precisión debido a razones intrínsecas de las propiedades del propio CMB. En el primero de los casos, si se descubre el modo B en la polarización del CMB, se podrá deducir de él la propiedades del fondo de ondas gravitacionales de inflación. En el segundo caso, si no se descubre el modo B, habrá que esperar a que la tecnología de la detección directa de ondas gravitacionales (basada en la interferometría láser) mejore hasta el umbral requerido. Quién sabe, a lo mejor usted, estimada lectora/estimado lector, acaba siendo la persona que proponga la siguiente técnica para detectar ondas gravitacionales primigenias.

El autor trabajando duramente en el CERN.

Si eventualmente conseguimos detectar el fondo cosmológico de ondas gravitacionales procedentes de la inflación, esto será lo más cerca que estaremos jamás de hacer una foto al Big Bang: cuando la señal en sí no proceda del Big Bang realmente (sino del periodo inflacionario), ni sea una foto al uso como las que hacemos con nuestras cámaras fotográficas, representará en cualquier caso la radiación fósil más antigua que nos pueda informar de cómo era el universo en sus momentos más primigenios hasta los que nos podamos remontar en su historia cósmica. Será lo más cerca que estemos jamás de obtener una fotografía del universo en sus albores.

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Notas al pie:
  1. Se calcula que al menos un factor ~1028, es decir, ¡un 1 seguido de 28 ceros![]
  2. Ésta es una radiación que no es de naturaleza electromagnética, es decir no es cómo la luz ordinaria, emitida por cargas eléctricas, a la que estamos acostumbrados. Es una radiación de origen gravitatorio, emitida por cualquier cuerpo o partícula que gravite.[]
  3. Por supuesto que lo han hecho, ya que en este blog se lo contamos aquí y aquí.[]
  4. Básicamente sistemas binarios de agujeros negros y otros cuerpos compactos.[]

Autor: Daniel G. Figueroa

Es físico teórico especializado en la interfaz entre cosmología y física de partículas. Su trabajo está centrado en la física del Universo 'primitivo', es decir en los primeros momentos (típicamente fracciones de segundo) de la evolución del Universo. En la actualidad (2020) trabaja en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de Valencia como investigador Ramón y Cajal, a través del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

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