Mensaje directo del Big Bang

Sergio de Régules

Foto: Eli Duke/CC

Muchas veces se anuncian "descubrimientos del siglo" por exagerar. El que aquí presentamos podría serlo de verdad.

El 14 de marzo de 2014 el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA por sus siglas en inglés) emitió este mensaje dirigido a científicos y periodistas: "El CfA ofrecerá una conferencia de prensa a las 12:00 del mediodía del lunes 17 de marzo para anunciar un descubrimiento muy importante", seguido del teléfono al que había que llamar si uno quería asistir. Esto lanzó una oleada de especulaciones en Internet. Viniendo de donde venía, la noticia podía ser sobre cualquier tema de astrofísica, pero muchos comentaristas expertos apostaron a que sería algo sobre el origen del Universo, sobre cosmología. Concretamente, lo más probable era que la Colaboración BICEP2, equipo de investigación encabezado por el CfA, hubiera encontrado los anhelados "modos B de polarización", impresos en la luz más antigua del Universo, la llamada radiación cósmica de fondo.

¿Por qué estaban tan seguros? La búsqueda de modos B de polarización en la radiación de fondo empezó hace unos 13 años. Diez equipos internacionales han estado compitiendo ferozmente para detectarlos. Los cosmólogos sabían que, si aparecen, zanjarán debates importantes de su disciplina: ¿hubo un periodo de inflación cósmica en los primeros instantes del Big Bang?, ¿existen las ondas gravitacionales que predijo Einstein en 1915? La batalla de los modos B se libra al mismo tiempo en el frente experimental y el frente teórico, y su resultado seguramente traerá premios Nobel para unos y esperanzas frustradas para otros.

Esto es lo que pensaron los comentaristas que se iba a anunciar el 17 de marzo. Y tuvieron razón.

Antena con la que Wilson y Penzias observaron la radiación cósmica de fondo. Foto: NASA.

El ciclorama universal

En 1964 los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson estaban ajustando una antena de comunicaciones de los Laboratorios Bell Telephone en Holmdel, Nueva Jersey. La antena era un cuerno de varios metros de largo diseñado para intercambiar señales de microondas con unos satélites artificiales. Penzias y Wilson batallaban para calibrar el equipo electrónico; por más que trataban no podían eliminar un ruido persistente. Orientaron la antena en todas direcciones, expulsaron a unas palomas que habían hecho nido en el cuerno, limpiaron la antena, enfriaron el aparato a –269 ºC… y nada. Tras rechazar muchas hipótesis concluyeron que no era ruido, sino una señal tenue que llegaba de más allá de nuestra galaxia (y no de Nueva York, como pensaron inicialmente).

A 60 kilómetros de ahí, en Princeton, los físicos Robert Dicke, James Peebles, David Wilkinson y Peter Roll habían erigido una antena especial para detectar justamente esa radiación. Sus motivos tenían raíces profundas. En 1929 el astrónomo Edwin Hubble se llevó la sorpresa de su vida cuando encontró que todas las galaxias de un estudio que había realizado se estaban alejando de nosotros. Al poco tiempo este resultado se interpretó así: las distancias entre las galaxias están aumentando, lo que quiere decir que el Universo se expande. Y si se expande, en el pasado fue más pequeño.

En los años 40 los astrofísicos se convencieron de que hubo un tiempo en que todo en el Universo estuvo concentrado en un punto inicial extremadamente denso y caliente que empezó a expandirse. En sus primeros milenios, el Universo era una ardiente sopa de partículas de luz, protones, neutrones y electrones en movimiento tan agitado, que impedía que los protones capturaran electrones para formar átomos. Las partículas de luz no podían ir muy lejos sin toparse con electrones frenéticos que las desviaban. Estaban atrapadas, como niños tratando de abrirse paso entre una tupida multitud de adultos que bailan el swing. Hubo que esperar a que el Universo creciera durante cientos de miles de años para que las cosas dejaran de estar tan apretadas. Por fin un día la agitación disminuyó lo suficiente para que los protones atraparan a los electrones para formar los primeros átomos de hidrógeno y dejar en paz a la luz. La bruma se aclaró, el Universo se hizo transparente y la luz quedó libre para propagarse.

Robert Dicke y otros calcularon que la radiación que emergió de esa época debería poder detectarse hoy como un tenue baño de energía que llega de todas direcciones, una especie de ciclorama o telón de fondo del espectáculo del Universo, pero hasta 1965 nadie había podido observarla. Dicke y sus colaboradores planearon su experimento para zanjar el asunto. Cuando Penzias y Wilson anunciaron su resultado, el equipo de Princeton supo que había perdido una importante carrera.

En la sección de cartas del número de julio de 1965 de la revista Astrophysical Journal aparecen dos comunicaciones breves, pero históricas. La primera es de Dicke y sus colaboradores. Los investigadores de Princeton explican la teoría de la radiación de fondo, así como sus esfuerzos para observarla. "Aunque todavía no hemos obtenido resultados con nuestro instrumento", escriben con amargura, "recientemente nos enteramos de que Penzias y Wilson, de los Laboratorios Bell Telephone, han observado una radiación de fondo de 7.3 centímetros de longitud de onda […] Al parecer, esto sólo puede deberse a una radiación de origen desconocido que está llegando a la antena". Esa señal no podía ser más que la radiación cósmica de fondo.

En la segunda carta histórica, Penzias y Wilson explican lo que hicieron con su antena para eliminar el ruido y cómo detectaron esa radiación proveniente de las profundidades del espacio. La carta de los físicos de la Bell Telephone está llena de términos de ingeniería electrónica — nada de cosmología—, pero en el primer párrafo dicen: "Una posible explicación del ruido residual que observamos es la que dan Dicke, Peebles, Roll y Wilkinson en otra carta de este número".

Trece años después, en 1978, Penzias y Wilson recibían el premio Nobel de física por descubrir (¡accidentalmente!) la radiación cósmica de fondo. Como premio de consolación, a Dicke y sus colaboradores se les reconoce el haber puesto el descubrimiento sobre bases teóricas firmes. Tras este hallazgo, la teoría del Big Bang convenció a la mayoría de los cosmólogos.

Edad del Universo. Imagen: BICEP2 - NASA.

Inflación

Para 1978, año del Nobel de Penzias y Wilson, ya se sabía que la teoría de la expansión del Universo a partir de un punto inicial denso y caliente tenía sus defectos. El 6 de diciembre de 1979 un joven físico llamado Alan Guth se quedó trabajando hasta bien entrada la noche. Guth quería resolver una de las dificultades de la teoría del Big Bang: ésta exigía que el espacio estuviera lleno de unas partículas llamadas monopolos magnéticos, pero nadie había podido detectarlas. Alan Guth tuvo una idea: el problema de los monopolos se resolvería si en los primeros instantes el Universo se hubiera enfriado muy violenta y rápidamente. Para eso tendría que haber pasado casi instantáneamente de dimensiones subatómicas a dimensiones cósmicas: un salto de escala inimaginable, que además tenía que ocurrir en menos de una millonésima de trillonésima de trillonésima de segundo. Aún sin desarrollar los detalles, Alan Guth se dio cuenta de que esta increíble y breve fase de expansión enloquecida, que él llamó inflación, resolvía otros dos problemas de la teoría del Big Bang.

Uno de éstos empieza con una contradicción. Dondequiera que pongamos la vista, el Universo se ve igual —la misma densidad de galaxias, la misma temperatura de la radiación de fondo—, una homogeneidad que se explicaría si todas las regiones del espacio mantuvieran algún tipo de contacto. Sin embargo, hoy el Universo es tan grande, que las regiones más apartadas no pueden haber estado en contacto jamás: las distancias son demasiado grandes para que la luz haya tenido tiempo de ir de un lado a otro del Universo desde el Big Bang (y eso que han transcurrido 13 800 millones de años). La idea de Guth resuelve el problema. Antes de la inflación el Universo era suficientemente pequeño para que hubiera homogeneidad de condiciones. Luego la inflación estiró violentamente el globo universal. La gran homogeneidad que vemos hoy es de antes de la inflación, el gran tamaño se debe a ésta. Guth cuenta que aquella noche escribió "descubrimiento espectacular" en la primera hoja de sus cálculos.

En el artículo que publicó en enero de 1981 en la revista Physical Review D Alan Guth explica la idea y sus virtudes. Luego, como buen científico, enumera sus dificultades (por ejemplo, que una vez que empieza la inflación, no se entiende por qué se detiene). En el último párrafo Guth escribe: "Publico este artículo con la esperanza de señalar la existencia de estas dificultades e invito a otros a buscar formas de evitar los aspectos indeseables de la visión inflacionaria." La invitación fue aceptada por el físico ruso Andrei Linde y otros. Poco después, el modelo inflacionario se incorporó a la teoría del Big Bang.

Con el tiempo se desarrollaron variaciones de la inflación cósmica, así como teorías alternativas que también resuelven los problemas del modelo del Big Bang original. La más conocida de las alternativas es hija del físico Paul Steinhardt, que participó en el desarrollo del modelo inflacionario pero luego cambió de opinión. La alternativa de Steinhardt y Neil Turok, del Perimeter Institute de Canadá, se llama "Universo ekpirótico", y no sólo desecha la inflación: ¡ni siquiera requiere Big Bang! El Universo ekpirótico se crea y se destruye cíclicamente, sin explosiones repentinas salidas de la nada. Las causas son complicadas, pero, en principio, habría una manera de decidir experimentalmente entre inflación y ekpirosis. Describí la radiación de fondo como un ciclorama del espectáculo universal, pero también es un telón que vela lo que sucedió antes, cuando el Universo era opaco. El Big Bang y la inflación —o el origen ekpirótico de este ciclo universal— están ocultos detrás de ese telón y no podemos verlos directamente. Pero la radiación de fondo trae grabado un mensaje en sus propiedades físicas. Sólo hay que saber leerlo.

Semillas de las galaxias

La señal que detectaron Penzias y Wilson con su tosca antena era un vaho cósmico muy tenue y sobre todo muy parejo, un ciclorama de color uniforme, como exigía la teoría del Big Bang en 1965. Con el tiempo esta homogeneidad se convirtió en un problema, porque si al principio el Universo era perfectamente uniforme, hoy debería seguir siendo uniforme: una inmensa nube de hidrógeno sin grumos (ni seres humanos para contemplarla). En cambio observamos que ese hidrógeno se ha comprimido para formar estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, dejando grandes burbujas de espacio vacío. ¿De dónde salió tanta estructura? La hipótesis inflacionaria de Alan Guth y Andrei Linde también explica esta paradoja, con un poco de ayuda de la mecánica cuántica, la física de lo muy pequeño… como el Universo antes de la inflación.

La mecánica cuántica exige que, en las escalas más pequeñas, las propiedades de la materia y la energía tengan fluctuaciones, es decir, que no tengan el mismo valor en todas partes. Si la densidad fluctúa, aparecen grumos. El Universo primigenio

no puede ser perfectamente terso porque la tersura es incompatible con la mecánica cuántica. Cuando la inflación estiró violentamente la tela universal, amplificó las fluctuaciones cuánticas de la densidad hasta que adquirieron dimensiones cósmicas. Estas fluctuaciones amplificadas se convirtieron en grandes burbujas donde había un poco más de energía que en el entorno y que, por lo tanto, estaban un poco más calientes. Cientos de miles de años después, cuando la luz se liberó de la materia, estas levísimas variaciones de temperatura quedaron impresas en la radiación cósmica de fondo, que por lo tanto no debería ser tan tersa como se pensaba.

En 1989 la NASA puso en órbita el satélite COBE (Cosmic Background Explorer, "Explorador del Fondo Cósmico"), proyecto impulsado por el físico George Smoot y coordinado por su colega John Mather, en el que participaron más de 1 000 investigadores, ingenieros y estudiantes.

El COBE llevaba un detector capaz de distinguir diferencias de temperatura de una parte en 100 000 para tratar de observar las pequeñísimas variaciones predichas. En 1992 el equipo de Smoot y Mather integró con los datos del COBE el primer mapa de las "anisotropías" (los grumos) de la radiación cósmica de fondo, que explican de dónde salieron las galaxias, los cúmulos de galaxias y los cavernosos vacíos intergalácticos. "Si uno es religioso, esto es como ver a Dios", comentó Smoot cuando se presentó el histórico mapa.

Smoot publicó el artículo correspondiente en el Astrophysical Journal en septiembre de 1992, junto con 27 coautores, entre ellos David Wilkinson, del equipo de Robert Dicke en 1965. Los resultados correspondían a las predicciones del modelo inflacionario del Big Bang con tanta precisión, que los autores tuvieron que agrandar las barras de error de sus datos para que fueran visibles en sus gráficas. Smoot y Mather obtuvieron el premio Nobel de física en 2006 por sus afanes para detectar las anisotropías de la radiación de fondo que explican por qué tiene estructura el Universo.

El COBE tiene dos sucesores en la tarea de escudriñar el telón del Universo para verle las manchas. El primero es el satélite WMAP, siglas en inglés de "Sonda Wilkinson de anisotropías de microondas", así llamada en honor de David Wilkinson, quien murió en 2002, al poco tiempo de ponerse en órbita el satélite. El segundo es el satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea y la NASA. (George Smoot, de visita en México, aprovechó una conferencia que dio el 6 de julio de 2010 en la Sala Nezahualcóyotl de la UNAM para presentar el primer mapa del Planck, publicado el día anterior.) Estos satélites han dado mapas más detallados de los grumos de la radiación cósmica y han confirmado todas las predicciones del modelo inflacionario del Big Bang… menos una.

Estos mapas de la radiación de fondo de microondas son una “foto” de la luz más antigua del Universo, impresa en el cielo 380 000 años después del Big Bang. Las pequeñas variaciones de temperatura corresponden a las regiones de densidades ligeramente diferentes, de donde mucho más tarde salieron los cúmulos de galaxias. Imágenes: NASA - ESA.

Remolinos

Si al principio del Big Bang hubo inflación, el Universo primigenio debe haberse sacudido como una gelatina por efecto de las ondas gravitacionales. En la teoría general de la relatividad de Einstein la gravedad se explica como una deformación del espacio; por ejemplo, la masa del Sol hace una depresión en el espacio que lo rodea y los planetas se ven obligados a girar a su alrededor como canicas en la pared de un embudo. En teoría, ciertos fenómenos violentos deberían generar ondulaciones gravitacionales que se propagan por el espacio (ver ¿Cómo ves? Núm. 68), pero, pese a grandes esfuerzos experimentales desde hace muchos años, nadie las ha podido detectar. La inflación es el acontecimiento más violento posible en el Universo. Así como las fluctuaciones cuánticas de la densidad dejaron su marca en forma de variaciones de temperatura de la radiación de fondo, las ondas gravitacionales (si acaso existen) de la inflación (si es que la hubo) deberían haber dejado un sello más sutil y difícil de detectar. Este sello no viene codificado en el color ni la intensidad de la luz más antigua del Universo —propiedades que entendemos porque las percibimos con los ojos— sino en su polarización, la dirección en la que vibran las ondas de luz, propiedad que nuestros ojos no detectan.

En 1997 Marc Kamionkowski, de la Universidad Columbia, y sus colaboradores calcularon que las ondas gravitacionales de la inflación deberían haber dejado en la radiación cósmica un patrón de polarización en forma de remolinos, llamado polarización en modo B. Con los aparatos adecuados, debería ser visible. Otros alegaban que la señal sería tan pequeña que jamás se podría observar. Con esta esperanza y este temor empezó en 2001 la búsqueda de modos B de polarización en la radiación de fondo.

Detector ultrasensible del BICEP2. Foto: Anthony Turner/JPL - BICEP2.

Señal indirecta de las ondas gravitacionales de la inflación cósmica detectada por el BICEP2. Foto: BICEP2.

¿Fin de la búsqueda?

Son las 10:40 de la mañana y el Auditorio Phillips del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian ya está lleno. Lo cual no es mucho decir, porque el auditorio recuerda al Universo en sus primeros instantes por lo estrecho. Es hora de la conferencia técnica para científicos, antes de la conferencia de prensa anunciada para el mediodía. Charles Alcock, director del CfA, da unos golpecitos en el micrófono. "Está aquí un gran número de colegas muy respetados", dice, "y me gustaría poderlos mencionar a todos por su nombre pero no tenemos tiempo". El público se ríe. "Con todo, sí quisiera mencionar a tres en particular: están Alan Guth y Andrei Linde, coinventores de la cosmología inflacionaria, y tenemos a Bob Wilson, codescubridor de la radiación cósmica de fondo hace 50 años". Tras lo cual Alcock presenta a John Kovac, investigador principal de la Colaboración BICEP2.

Kovac tiene 43 años pero parece de 35. "Gracias por venir con tan poco tiempo de anticipación", dice. "Normalmente no hacemos las cosas así". Pero este día es especial. "Ya puedo decirles oficialmente que no hemos venido a presentar 'resultados iniciales del experimento de polarización BICEP2', sino la detección de modos B de polarización usando el telescopio BICEP2".

Debería haber aplausos, pero los científicos son gente recatada, y además, el que un equipo presente un resultado no significa que éste sea una certeza. Falta que lo confirmen los otros grupos que andan en la misma búsqueda, entre ellos el proyecto South Pole Telescope (SPT), dirigido por John Carlstrom, amigo y antiguo director de tesis de Kovac.

El SPT está situado junto a las instalaciones del BICEP2 en la Antártida. John Kovac y su equipo vivían lado a lado con el equipo de Carlstrom: comían juntos, se divertían juntos; Kovac se moría de ganas de contarle todo a su amigo y mentor, pero ahora, además de amigos, eran adversarios científicos en la carrera cosmológica más importante desde el descubrimiento de la radiación de fondo. De la discreción dependía que Kovac y sus amigos fueran los Penzias y Wilson de esta historia. Si uno se iba de la lengua, podía quedar en segundo lugar, como Dicke y sus colaboradores. Unos días antes del 17 de marzo John Kovac quiso informar a Alan Guth. Prefirió tomar discretamente un taxi para ir a verlo y no llamarle por teléfono ni enviarle un correo electrónico por miedo a las fugas de información.

Como explica Kovac, este resultado se ha estado cocinando desde 2006, cuando su equipo de investigadores de Estados Unidos, Canadá y el Reino Unido puso en funcionamiento el telescopio BICEP1 en el polo sur. Éste era un telescopio de 1.2 metros de largo y 30 centímetros de abertura equipado con 98 detectores de polarización y un sistema criogénico que lo mantiene a un cuarto de grado sobre el cero absoluto. El telescopio apunta a una región del espacio llamada "hoyo del sur",

donde hay menos luz y polvo de nuestra galaxia que interfieran con las observaciones de cosas más lejanas. El hoyo del sur es una ventana clara a lo más profundo —y más antiguo— del Universo, y en el polo sur esta ventana está muy alta en el cielo, lo que permite escanearla sin mover mucho el telescopio. El BICEP1 operó de 2006 a 2008. Luego el equipo construyó el BICEP2, que tiene 512 detectores, y lo instaló en el mismo tubo óptico. El BICEP2 recogió datos de 2010 a 2012.

John Kovac se toma tiempo para mencionar individualmente a los estudiantes de posgrado que han dedicado al proyecto años de su vida, además de sus tesis doctorales. Participar en la Colaboración BICEP2 exige pasar temporadas en el polo sur, con temperaturas de –60 ºC y noches de seis meses. Kovac explica los antecedentes del proyecto y luego le cede la palabra a su colaborador Clement Pryke, de la Universidad de Minnesota, quien detalla el laborioso análisis y simulaciones comparativas que hicieron los investigadores durante meses para eliminar todas las fuentes de error que se les ocurrieron y para destilar de todo esto la tenue señal de los modos B.

Más tarde, para la conferencia de prensa, Kovac y Pryke se reúnen con Jamie Bock y Chao Lin Kuo, los otros dos líderes del proyecto, y con Marc Kamionkowski, quien predijo teóricamente los modos B a partir de las ondas gravitacionales de la inflación. Todos están más relajados y bromistas. Kamionkowski advierte que aún es pronto para comprar boletos a Estocolmo (alusión a los premios Nobel que se perfilan). Pryke comenta lo asombrado que está de haber encontrado lo que buscaban y confiesa que a la hora de solicitar dinero uno siempre se muestra muy seguro de su experimento, pero que en el fondo de su corazón nunca sabe. Luego dice, cauteloso: "A partir de todos los estudios que hemos hecho estamos convencidos de que esta señal es real, que viene del cielo y de hecho viene de la radiación de fondo. La interpretación más razonable es que se trata de ondas gravitacionales de la inflación que ocurrió una diminuta fracción de segundo después del Big Bang".

Si el resultado se confirma, Kovac y sus colaboradores, así como Alan Guth, Andrei Linde y posiblemente Kamionkowski, podrían ganarse ese boleto a Estocolmo en los años venideros.

A un kilómetro del polo sur, en el Laboratorio Dark Sector, se encuentra el telescopio BICEP2, con el cual se captaron microondas con polarización-B. Foto: Eli Duke/CC.