De la inflación a las ondas gravitacionales

La cosmología es la rama de la astronomía que se encarga de estudiar las leyes generales, el origen y la evolución del universo.

Presentamos aquí un recorrido breve por la historia de la cosmología moderna desde el origen del universo hasta la detección de las ondas gravitacionales hace un par de semanas contado por el astrofísico colombiano Jorge Iván Zuluaga.

Historia reciente de la cosmología:

Se considera  a Monseñor Georges Lemaitre como el padre de la cosmología moderna. Lemaitre fue un sacerdote de origen belga, astrónomo y profesor de física en la  Universidad Católica de Lovaina. Se le debe una primera formulación de la teoría cosmológica del Big Bang.

Georges Lemaitre presentó un artículo en 1927 titulado "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extragalactiques" algo así como Un universo homogéneo de masa constante y de expansión constante en dirección radial como es mostrado por las nebulosas extragalácticas. Este artículo mostraba una solución para las ecuaciones relativistas de Albert Einstein que ofrecía como resultado un universo en expansión.  Esta idea se le ocurrió cuando conoció a Edwin Hubble, quien había descubierto el alejamiento de las galaxias, al detectar el corrimiento hacia el rojo de la luz cuando las observaba, efecto conocido como Doppler.  La gran idea de la expansión del universo consistía en que las cosas (galaxias), aún sin moverse, se separan.  Es decir, el espacio que separa las cosas puede crecer.  ¡El espacio mismo se crea a partir de la nada!

Hoy en día se sabe que en 400.000 billones de kilómetros de espacio 1 kilómetro nuevo se crea cada segundo. Todos los días el espacio es más grande.

Georges Lemaitre pensó que si todo lo que vemos ahora se está separando es porque en algún momento en el pasado estuvo junto, en el mismo lugar, en una bola muy densa y caliente que llamó "huevo primigenio".

Esta idea fue motivo de burla a nivel científico, personajes como Fred Hoyle, quien descubrió que en las estrellas se forman nuevos elementos químicos, en son de burla, acuñó el término Big Bang en 1949 en un programa de radio de la BBC.  

Sabemos que la luz tiene una velocidad enorme (300.000 km/s) pero finita, por lo que no podemos ver todo el universo.  Hay un universo invisible, pensar que todo vino de un solo punto no sirve porque es como considerar que solo era parte del universo que existía.  Sabemos que en nuestro universo observable hay alrededor de 100.000 millones de galaxias.  Si hay otras porciones de universo, en esas porciones los seres que lo habitan pueden suponer que su universo observable se creó a partir de un punto.  En realidad el origen ocurrió en todas partes.  Es decir que hubo infinitos puntos donde ocurrió el origen.  Esto da la idea de que el universo podría ser infinito. Lo que podemos ver de universo está reducido a un pequeño punto.

En la década de los años 60´, los científicos Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, detectan la radiación cósmica de fondo (R.C.F) aportando pruebas de que el Big Bang si tuvo lugar. Descubren que el universo está lleno de microondas, los fotones que nos llegan ahora de la radiación cósmica de fondo viajaron 13.800 millones de años.

Jorge Zuluaga nos presenta un experimento mental donde podemos hacer una analogía entre luz y sonido para explicar cómo se llevó a cabo el proceso de inflación del universo.  Nos dice que imaginemos que el universo es como un gran supermercado muy concurrido, donde cada persona en el supermercado representa una galaxia en nuestro universo.  Vamos a ubicar a una persona en el centro del supermercado que está escuchando todo lo que ocurre en el universo (supermercado).

Dado que el sonido no se propaga de manera instantánea, debido a que tiene una velocidad finita, el rango de lo que nuestro personaje puede escuchar a medida que pasa el tiempo se hace cada vez más grande.  Si cambiamos de personaje nos damos cuenta que para él su universo audible es diferente.  La gran pregunta que se hace Zuluaga es la siguiente:  ¿Podrían dos personas que están en extremos opuestos del supermercado estar hablando de exactamente el mismo tema?  Llega a la conclusión de que esto es bastante improbable.  Luego hace la misma pregunta, pero en lugar de sonido usa luz:  ¿Podrían dos nubes de gas en lados opuestos del universo observable emitir luz idéntica?  En este caso encontramos que la probabilidad es casi nula y sin embargo esto es lo que muestran las observaciones de R.C.F.

Luego nos propone la siguiente pregunta ¿Qué pasaría si el supermercado se expande?  Si esto ocurre entonces nuestro sujeto en el centro del supermercado no podría percibir más allá de ciertas personas y esto no cambiaría, pero si el supermercado se hace cada vez más grande empleando para ello menos tiempo, es decir, se expande con mayor velocidad que la del sonido, después de un rato lo único que nuestro sujeto escucharía vendría de una parte microscópica del supermercado original.

Pasando esto a términos de luz sería "si al principio el universo se expandiera más rápido que la velocidad de la luz después de un rato lo único que veríamos sería una parte microscópica del universo original".  Esto fue lo que pasó al principio del universo y recibe el nombre de inflación.

Esta teoría del modelo inflacionario es propuesta en 1981 por Alan Guth abajo en la foto.

Todo lo que vemos en el universo proviene de una región microscópica del espacio.  Por este motivo la R.C. F es la misma. Pero ¿cómo sabemos que esto es verdad?

Por un lado, Jorge Zuluaga nos dice que "si todo el universo observable nació en un manchón minúsculo de espacio, deberíamos ver reflejado en él las leyes del mundo microscópico" es decir, las leyes de la mecánica cuántica, y para mostrar su punto nos propone otro ejemplo en el que él ha tomado una fotografía negra en un ambiente de completa oscuridad.  Al ampliar la foto y cambiar el contraste, con un programa de edición de imágenes, se ven unos gránulos en la foto.  Los gránulos de la inflación tienen el mismo origen de los granos de la foto:  la física cuántica.

El universo comienza con algo liso y termina con granos, y nos muestra que la granulación del universo somos nosotros mismos.

Por otro lado el BICEP - 2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) por sus siglas en inglés, midió la polarización de la radiación cósmica de fondo.  Estamos familiarizados con el concepto de polarización cuando vamos a cine 3D o cuando usamos gafas oscuras.  En estos casos los lentes de las gafas sólo permiten el paso de la luz en un sentido.  La imagen que tomó el BICEP - 2 y que corrobora la presencia de ondas gravitacionales es la siguiente.

En la imagen de arriba las líneas oscuras muestran la polarización de una pequeña región del universo ubicada en el Polo Sur en la estación Amundsen, en donde se ubicaron unas antenas que parecen un telescopio y que perciben ondas de radio o infrarrojo.  Esta base está ubicada a 2800 metros sobre el nivel del mar y se trata de uno de los lugares más secos del planeta ya que el agua se encuentra congelada.  En esta región la longitud de onda de la luz (larga) pasa sin problemas.

La materia al moverse produce polarización en la luz que emite.  La detección de las ondas gravitacionales se hizo evidente cuando chocaron 2 agujeros negros que lograron que el espacio-tiempo se expandiera y contrajera en direcciones diferentes.  En una situación así se produce una onda gravitacional.

Es así como hoy en día sabemos que el vacío en mecánica cuántica no existe, que en un principio hubo un tipo de materia exótica (llamada inflatón) se repelía en lugar de atraerse, que mientras más repulsión había más espacio teníamos y mientras más espacio mayor era la repulsión entre la materia y que esta repulsión viajaba más rápido que la luz.  Finalmente este tipo de materia se descompuso en la materia ordinaria que todos conocemos.  Hubo un momento en el que había tanta energía y tanto calor (muchos inflatones) que el universo se llenó de energía y calor, es decir, el huevo primigenio de Lemaitre o el Big Bang.  Lo que nos lleva a concluir que el Big Bang no es el origen del universo sino el final del proceso de inflación.  El universo comienza con una inflación que puede volver a ocurrir en algún lado del universo.

La inflación admite la idea de que nuestro universo no es el único sino que existen muchos más, los multiversos.  También nos muestra que en realidad somos más pequeños aún de lo que considerábamos antes.  Ahora vivimos en un universo muy pequeño.