24 Mar 2014 - 2:07 a. m.

Hágase la luz

El telescopio Bicep2 comprobó la semana pasada, luego de cuatro años de observaciones desde la Antártida, que el Universo es producto del azar y del espacio. Este texto explica qué ocurrió y qué puede llegar a descubrirse en un futuro.

Juan Diego Soler

El Universo pudo haberse creado de la nada y por primera vez en la historia de la física tenemos las herramientas para probarlo. Todo lo que nos rodea es el producto de la energía que se encuentra en el espacio, incluso en ausencia de todo tipo de materia o radiación. Una acumulación de energía fue suficiente para amplificar fluctuaciones en el más profundo vacío hasta convertirlas en las semillas de todo lo que constituye nuestro Universo. Las galaxias, las estrellas, los planetas, el Sol, la Luna, la Tierra, este periódico y nosotros mismos somos el producto del azar del espacio y el tiempo. Esto fue lo que comprobó el telescopio Bicep2 tras los últimos cuatro años de observaciones desde el Polo Sur y esa es la mayor consecuencia de la noticia que iluminó las portadas de todos los medios del mundo la semana pasada.

El día en que comencé a trabajar en la Universidad de Toronto, el profesor Barth Netterfield, quien sería mi jefe y director de tesis doctoral, me dijo: “vamos a medir una sola cosa, pero es una sola cosa que explica dónde nació toda la estructura que vemos en el Universo. Esto que vamos a medir explica por qué la geometría del Universo es casi plana. Explica por qué el Universo es homogéneo y se ve casi igual en cualquier dirección en el cielo. Todos los avances de la cosmología del siglo XX hacen que con esta medición podamos describir el Universo con más certeza que nunca antes. Nuestra comprensión de la naturaleza dará un salto gigantesco comparable a cuando Hubble descubrió que el Universo se encuentra en continua expansión. Habremos medido un instante, una billonésima de billonésima de billonésima de segundo después de la creación del Universo. Habremos comprobado la Relatividad General de Einstein y habremos visto algo que nadie ha visto jamás”.

Mi cabeza daba vueltas mientras yo imaginaba el Big Bang y las fluctuaciones del vacío convirtiéndose en enjambres de galaxias. Tal vez por eso no le puse mucha atención cuando agregó: “es posible que esto que vamos a medir no exista o que sea tan pequeño que nunca lo podamos observar”. Luego soltó una carcajada y me dijo: “la competencia por medir este número es tan alta que no nos va a faltar motivación. Hay un satélite, dos telescopios en el Polo Sur y un par de telescopios en globo que también quieren medir ese número, si no medimos algo, por lo menos nos vamos a divertir”.

Fue así como me uní a un grupo de astrónomos, ingenieros, físicos teóricos y técnicos de ocho nacionalidades, en cinco universidades de todo el mundo, y con la colaboración de la NASA empezamos una aventura que nos iba a llevar a Texas, Inglaterra, Nueva Zelanda, y eventualmente, a la Antártida, con un telescopio llamado Spider, el gemelo de Bicep2, que volaría en globo a 35 kilómetros de la superficie de la Tierra. Durante más de seis años estuvimos en una carrera por medir algo tan importante que, aunque nadie tenía certeza de su existencia, puso a trabajar a contrarreloj a los computadores más poderosos de Norteamérica y a los telescopios más sensibles del planeta.

Esta carrera tuvo su premio de montaña el pasado lunes 17 de marzo, cuando desde el Centro para Astrofísica (CfA) de la Universidad de Harvard los científicos del experimento Bicep2 anunciaron el descubrimiento de la evidencia de un período de expansión violenta que produjo el Universo tal y como lo conocemos. Esta es la historia de lo que midieron estos científicos y de la razones por las cuales la carrera apenas empieza.

La radiación de fondo de microondas

Esta historia comienza hace exactamente 50 años con un par de ingenieros espantando las palomas del interior de una enorme antena en forma de cuerno a menos de una hora de Nueva York. Arno Penzias y Robert Wilson trabajaban para los Laboratorios Bell estimando la transmisión de microondas a través de la atmósfera de la Tierra, algo importantísimo luego de que se pusieran en órbita los primeros satélites para la transmisión de televisión en directo desde el otro lado del planeta. Cuando Wilson y Penzias encendían esta poderosa antena, registraban una señal de fondo casi constante sin importar el lugar del cielo al que apuntaran. Sospechando que la antena misma estaba produciendo esta señal, se dispusieron a desalojar las palomas y a limpiar la antena. Lo intentaron de nuevo y la señal seguía allí: habían descubierto por accidente la radiación de fondo de microondas.

Se llama radiación de fondo porque no proviene de ningún objeto específico, sino del Universo mismo detrás de los planetas, estrellas y galaxias. Es de microondas porque el color de esta luz proveniente del Universo es el mismo que el de las microondas. Si usted quiere repetir el experimento de Penzias y Wilson solamente hace falta que sintonice su televisor en un canal sin señal: el 10% del ruido que usted esta viendo proviene del Universo. Aunque Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel de Física en 1978 por este descubrimiento, en este momento de la historia no sabían con lo que se habían topado.

A menos de 100 kilómetros de los Laboratorios Bell, en la Universidad de Princeton, un varios astrofísicos preparaban el experimento para medir la radiación de fondo cuando recibieron la noticia del descubrimiento de Penzias y Wilson. A diferencia de esos últimos, Jim Peebles y Robert Dicke y su equipo sabían exactamente de lo que se trataba. Una señal de radiación de microondas constante en el firmamento es la huella del nacimiento del Universo en una singularidad que George Gamow llamó Big Bang.

Lo que Bicep2 midió desde el polo Sur es esta radiación. Durante 590 días enteros, Bicep2 observó en detalle la radiación de microondas proveniente de una porción del cielo de más o menos diez veces el tamaño de la luna en el firmamento. La señal era la misma durante los 590 días, solamente que repetían la medición una y otra vez para aumentar su precisión como si tomaran la misma foto una y otra vez para no perderse ningún detalle. Una de las propiedades medidas por Bicep2 es el plano de oscilación de la luz que llega al telescopio: la polarización. Un patrón particular en la polarización de la radiación de microondas es la cicatriz producida por una expansión violenta y casi instantánea después del Big Bang. Al observar este patrón, Bicep2 obtuvo la evidencia de este tormentoso proceso en la historia del Universo: la inflación cósmica.

Los científicos de BICEP2 y de Spider somos los herederos de esa tradición de 50 años midiendo la misma señal cada vez con mayor precisión. Los jefes de nuestros jefes son los aprendices de los experimentos que intentaron medir el espectro de la radiación de fondo en los años 80, culminando con las observaciones del satélite COBE, que le dieron el Premio Nobel de Fisica a George Smoot y John Mather. Nuestros jefes fueron los investigadores de los experimentos que midieron la geometría del Universo en los años 90 y concluyeron, a partir de las observaciones del satélite WMAP, que nuestro Universo es casi plano. Las observaciones de Bicep2 son el resultado de muchos años de esfuerzo y de trabajo muy similar al de los maestros artesanos en la Edad Media, cuando el alumno aprendía trabajando al pie del maestro.

Bicep2 —que anunció el descubrimiento el lunes pasado— y Spider —el experimento en que yo trabajo— son experimentos gemelos y sin la atmósfera de por medio, una semana de vuelo de Spider corresponde a un año de mediciones de Bicep2. En septiembre de 2013, cuando Spider estaba listo para ser desempacado y volar desde la costa de la Antártida, el Senado de los Estados Unidos congeló el presupuesto del país bloqueando todas las operaciones del gobierno. Se cerraron oficinas públicas, museos, parques nacionales y centros de investigación, incluyendo las operaciones científicas en la Antártida. El vuelo de Spider fue cancelado antes de que cualquiera de los científicos llegara al continente helado.

Qué significa la inflación cósmica

Una expansión violenta después del Big Bang produce un Universo que se ve igual en cualquier dirección del espacio. Esto es exactamente lo que reportan los astrónomos. Detrás de la nubes, de la Luna, del sistema solar y de nuestra galaxia, el espacio es homogéneo y las galaxias se organizan en una estructura a gran escala que parece una esponja. La radiación de fondo de microondas también es casi igual en todas direcciones con una precisión de 0,01%, incluso en regiones que nunca pudieron haber estado conectadas en la historia del Universo. Es como si todos los colombianos decidieran hacerse un tinto y poner casi exactamente la misma cantidad de café en todas las tazas porque lo leyeron en la primera página de la edición impresa de El Espectador.

Imagínese que este es el caso. El Espectador anuncia el experimento más grande en la historia de Colombia y todos los colombianos vamos a hacer un tinto con exactamente la misma cantidad de café que se anuncie en la primera página del periódico. La gente cerca de los centros de distribución recibe el periódico más rápido y recibe la noticia de este experimento imaginario a tiempo para poner exactamente la misma cantidad de café. Sin embargo, la gente en zonas apartadas no recibe la noticia a tiempo y por lo tanto si se mide la cantidad de café en el tinto de los colombianos, ésta depende de dónde se encuentren ubicados. Para que todos los colombianos tengan la misma cantidad de café en sus tazas, hace falta que la información llegue a todas partes al mismo tiempo o que en algún instante todos estén lo suficientemente cerca para recibir la información. Este interrogante tiene un nombre en cosmología: el problema del horizonte.

El mensajero de las noticias en el Universo es la luz y nada se mueve más rápido que la luz, ni siquiera la distribución de El Espectador. Si el Universo es muy parecido en regiones tan apartadas que la luz no puede conectarlas en la edad del Universo, el Big Bang por sí solo no es una explicación suficiente. Sin embargo, si las regiones estuvieron conectadas en el pasado y luego se separaron muy rápido es posible que aún se vean muy parecidas. Siguiendo con el ejemplo de la taza de café, es como si los colombianos se hubieran enterado de la cantidad de café en una reunión y luego se hubieran ido rápidamente a sus casas a preparar el tinto con exactamente la misma cantidad de café. Una reunión de semejantes proporciones habría dejado una huella considerable, esa es la huella que se encontró, la huella de cuando el espacio-tiempo se extendió luego de haber estado conectado causalmente.

La inflación cósmica se hizo popular a comienzos de los 80, desde extremos distintos de la física y de la geopolítica: Alexei Starobinski, en la Unión Soviética, sin muchas oportunidades de comunicar sus descubrimientos, encontró que una expansión violenta podría solucionar el problema del horizonte y describir la geometría del Universo. Alan Guth, en los Estados Unidos, con un bebé recién nacido y un contrato de trabajo por tan solo un año, había encontrado que la inflación podría explicar uno de los problemas más elusivos de la física: la ausencia de monopolos magnéticos. Si alguien dio saltos de alegría con el descubrimiento de Bicep2, deben haber sido estos dos caballeros.

La implicaciones de la inflación son muy profundas si se mezclan con las predicciones de la mecánica cuántica. Según la mecánica cuántica, el vacío puede tener energía incluso en ausencia de radiación y de materia, a este fenómeno se le llama energía de punto cero y puede ser medido incluso macroscópicamente a través del efecto Casimir. ¿Cómo es posible obtener algo de la nada? Bueno, en promedio no es posible, en promedio la nada es nada. Pero de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, en un breve instante se puede producir una fluctuación de energía. Mientras más corto el instante, mayor puede ser la fluctuación de energía sin violar la leyes de la física. Si el espacio decide expandirse violentamente mientras la fluctuación existe, su energía se distribuye en el espacio expandido. Para que una fluctuación cuántica se haya expandido hasta alcanzar el tamaño de nuestro Universo, hace falta que esa expansión haya sido desde una escala menor al radio del protón, hasta el tamaño de una pelota de playa en menos de una trillonésima trillonésima de trillonésima de segundo. Un evento de tales proporciones deja una huella tal y como la que midió Bicep2. Esa huella es el patrón producido por las ondas gravitacionales predichas por Albert Einstein en la teoría de la relatividad espacial. Esta es la primera vez que se observan.

En este contexto la historia del Universo como lo conocemos es más o menos así: la mecánica cuántica se encuentra con la gravedad y la energía del vacío se expande por el espacio, produce protones, neutrones, átomos, moléculas, estrellas, galaxias, el Sol, el sistema solar, el planeta Tierra, células, dinosaurios, homínidos, la invención de la escritura, la independencia de Colombia, y 14 miles de millones de años después de una insignificante fluctuación, usted esté leyendo este texto escrito por un grupo de átomos identificado como Juan Diego Soler.

Si usted esta pensando lo mismo que yo, también debe imaginar que si algo tienen en común la inflación cósmica con la inflación económica es que la unidad de cambio se desvaloriza. En nuestro caso el desvalorizado es nuestro Universo. Si cualquier fluctuación en el vacío puede crecer y convertirse en un Universo, nuestro Universo no tiene mucho de especial, es solamente producto del azar. Lo más especial de este universo es ser nuestro Universo, el único que conocemos. Probablemente haya más universos, quizás alguno en el que mi experimento fue el primero en detectar la inflación cósmica, pero si existen otros universos no lo podemos saber... por ahora.

Debe ser la perspectiva que uno obtiene cuando se entera de que es el producto del ruido del vacío amplificado en el espacio tiempo. En realidad, llegar después de Bicep2 en la carrera por medir la inflación cósmica, lejos de entristecerme más bien me llena de alegría. No estábamos cazando mariposas en el aire. En palabras de Clem Pryke, uno de los científicos de Bicep2, “buscábamos una aguja en un pajar y se nos apareció una viga de hierro”. Spider volará a finales de este año sobre la Antártida y posiblemente logremos refinar la medición de Bicep2 para extender su alcance. El telescopio espacial Planck que midió la radiación de fondo en todo el cielo, anunciará sus resultados en septiembre. Ya se habla de las implicaciones de la inflación en los descubrimientos del LHC en CERN. Se habla de conectar la inflación cósmica —la que descubrió Bicep— con la expansión del Universo —la de Hubble, la del bachillerato—. La historia de la inflación cósmica apenas comienza.

 

Comparte: