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En busca de los “testigos” del Big Bang

En busca de los “testigos” del Big Bang

En busca de los “testigos” del Big Bang

El Premio Nobel de Física 2019 al cosmólogo James Peebles supone un cierto espaldarazo a la hipótesis del Big Bang, a la que otros especialistas ponen dudas y objeciones.

El Premio Nobel de Física 2019 ha sido para tres investigadores del universo. Uno de ellos es el cosmólogo James Peebles, que calculó cómo pudieron originarse las galaxias a partir de la “gran explosión” primigenia. El galardón supone en cierto modo un espaldarazo a la hipótesis del Big Bang, a la que otros especialistas ponen dudas y objeciones. ¿Hay una alternativa mejor a esta teoría?

Junto con Peebles, han recibido el Nobel de Física los astrofísicos suizos Michel Mayor (1942) y Didier Queloz (1966). La Real Academia de las Ciencias de Suecia premia a los dos últimos por el descubrimiento de los exoplanetas, y al primero, por el desarrollo teórico que evidencia la distribución de galaxias del universo observable. La Academia justificaba el premio a los tres por “sus contribuciones para entender la evolución del universo y el lugar que la Tierra ocupa en el cosmos”.

James Peebles (1935), estadounidense originario de Canadá, es investigador en la Universidad de Princeton y emérito en la Cátedra de Ciencia Albert Einstein de esa universidad. Estudió durante veinte años cómo las pequeñas fluctuaciones registradas por los científicos Arno Penzias y Robert Wilson en forma de radiación de fondo de microondas, con la expansión del universo, dieron origen a la heterogeneidad de la distribución de materia actual de las galaxias. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física en 1978 por el descubrimiento experimental de esa radiación de fondo; ahora Peebles lo obtiene por el desarrollo teórico que lo argumenta.

El nuevo Nobel de Física James Peebles sugirió la existencia de la materia y la energía oscuras

Además, Peebles sugirió la existencia de la materia oscura, incapaz de interaccionar con el resto de la materia, salvo por sus efectos gravitatorios, y de la energía oscura, causante de la repulsión que hace que el universo se expanda a un ritmo cada vez mayor. Con esto daba respuesta a la controvertida cuestión de la constante cosmológica de las ecuaciones de campo de la relatividad general; Einstein la postuló, pero más tarde llegó a repudiarla y la consideró su mayor error. Por tanto, la contribución de Peebles sugiere una confirmación teórica, desde varias perspectivas, de la evolución del universo a partir de un Big Bang.

Sin embargo, no todos los científicos aceptan la teoría del Big Bang en todas sus dimensiones.

Viaje al pasado físico

El trabajo de los cosmólogos resulta un tanto peculiar, en comparación con el de otros científicos. Por ejemplo, buena parte de la investigación técnica actual persigue encontrar moléculas específicas que consigan ciertos efectos en algún proceso biológico. Así, la búsqueda de un principio activo farmacológico que pueda interrumpir la reproducción de un microbio, se puede convertir en el objetivo principal de un laboratorio entero. Se trata de encontrar una causa que produzca un efecto concreto.

En cambio, la investigación sobre el origen del cosmos recorre el camino inverso: a partir del universo conocido de hoy, intenta deducir qué debió ocurrir para traernos al punto donde estamos; es decir, a partir de efectos conocidos investigamos las causas que los produjeron.

Si invertimos la flecha del tiempo será posible acercarnos con mayor o menor acierto a nuestros orígenes y podremos formular teorías, que declararemos verdaderas con cierto grado de certeza, si son capaces de explicar lo acontecido a lo largo del tiempo. Se trata, pues, de una investigación retroactiva, propia de una ciencia forense, sobre todo porque muchos de los fenómenos que suponemos que ocurrieron miles de millones de años atrás, ya no se producen en el universo actual, al menos cerca de nosotros. Cabe preguntarse: ¿qué produjo que el universo hoy sea como es y no de otro modo? No estuvimos allí para verlo, pero estamos en condiciones de investigarlo.

Teorías rivales

Entre otras, dos han sido las hipótesis más discutidas sobre el origen del universo. La primera de ellas es la teoría del estado estacionario: sostiene que el universo está en continua expansión, pero su densidad se mantiene constante, lo que exigiría la existencia de materia en continua creación. Esto explicaría por qué si observamos el fondo del universo en cualquier dirección, siempre vemos aproximadamente lo mismo. El cosmólogo británico James Jeans (1877-1946) fue el primero que en los años 30 conjeturó esta teoría, aunque luego fue revisada en 1948 por Fred Hoyle (1905-2001), Thomas Gold (1920-2004) y Hermann Bondi (1919-2005), entre otros.

La otra gran teoría, con una pujanza significativamente superior, es la teoría del Big Bang o de la Gran Explosión, que afirma que el universo estaba en un estado de muy alta densidad y temperatura, y comenzó a expandirse a partir de ese estado hasta cobrar las dimensiones y características actuales. Las primeras ideas en esta dirección fueron propuestas por el sacerdote católico belga Georges Lemaître (1894-1966), quien, a partir de la observación de un universo en continua expansión, algo científicamente indudable, supuso que tuvo que provenir de un estado anterior remontándose hacia atrás hasta un universo puntual: algo que la ciencia denomina una singularidad y cuya física desconocemos.

La experimentación observacional se decanta abrumadoramente por la teoría del Big Bang frente a la del estado estacionario. Curiosamente, la denominación Big Bang no se la dio Lemaître sino, casi despectivamente, Fred Hoyle, uno de sus detractores y máximo defensor de la teoría rival del estado estacionario.

Inflación cósmica

Pero ¿qué es exactamente lo que pudo explotar y cuándo? El cuándo ha sido científicamente más asequible. Actualmente se estima que el Big Bang ocurrió hace 13.800 millones de años. Sin embargo, la teoría dice, en contra de su propio nombre, que no hubo una explosión, algo que implicaría una detonación violenta de la materia en un espacio y a lo largo de un tiempo que en ese principio aún no existirían. Se trató más bien de una expansión de esa singularidad inicial masiva y caliente, origen de la materia y de la energía, del mismo espacio y del tiempo. No debió de ser, por tanto, una explosión, sino una superinflación, que fue atravesando las distintas etapas que los físicos describen como hipótesis probables y que podrían explicar la historia que conocemos del cosmos.

Esa expansión continua fue confirmada experimentalmente por el estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) cuando descubrió otras galaxias, más allá de la Vía Láctea –que era la única que entonces se conocía–, que se alejaban de nosotros, y por el ucraniano nacionalizado estadounidense George Gamow (1904-1968), que planteó ese origen inicial como una explosión. Gamow, junto con otros, predijo que, si esto fue así, tendríamos que observar una radiación de fondo, como si fuera un ruido electromagnético, en la frecuencia de microondas no visible al ojo humano, correspondiente a una temperatura de algo menos de 3 kelvin: sería algo así como el rastro dejado por el Big Bang. Pocos años después, Arno Penzias (1933) y Robert Woodrow Wilson (1936), descubrieron esta radiación de microondas distribuida casi uniformemente en todas las direcciones de observación, lo que acreditó significativamente la hipótesis de la Gran Explosión.

Señales de los orígenes

Si no estuvimos allí, ¿cómo podemos observar el pasado del cosmos? Contestar esta pregunta no parece ofrecer un gran problema, al menos para la mayor parte de la edad del universo. Hay dificultades para conocer los primeros momentos, pero no para la historia posterior. Si aceptamos que el universo está en continua expansión, una evidencia científica, veremos los lugares más lejanos del universo con un gran retraso temporal, puesto que lo que captamos es la luz u otro tipo de radiación que ha cubierto la enorme distancia a una velocidad muy alta, pero no infinita. Por tanto, mirar el fondo del cosmos es como ver lo que pasaba allí hace muchos, muchos milenios.

Además, cuando se habla de que el universo se expande, no se quiere decir que unos astros se alejen unos de otros debido a su movimiento cinético o inercial naturales, como si fueran unas bolas de billar después de una carambola, sino que –sin descartar este mismo efecto– la distancia entre dos cualesquiera puntos del espacio se dilata debido a esta expansión.

Con los detectores de ondas gravitatorias se espera estudiar los principios del universo, antes de que emitiera radiación

Un gran problema para la investigación cosmológica es que el estudio de un universo tan masivo y a la vez tan extraordinariamente pequeño, exige aplicar dos teorías físicas que en el momento actual no se llevan bien: la gravedad y la mecánica cuántica. La gravedad afecta a las masas y puede actuar a grandes distancias, produciendo deformaciones del espacio y del tiempo, mientras que la cuántica actúa a distancias ínfimas, típicamente atómicas y subatómicas, y sin el determinismo científico con el que nos sentimos tan cómodos en la física clásica. Aún nos falta una teoría de unificación que imbrique las cuatro grandes fuerzas de la naturaleza: gravedad, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, aunque hay algunas propuestas integradoras como la teoría de cuerdas.

Cuando el universo no era transparente

La evolución del universo tras aquel inicio inflacionario atravesó distintas etapas, cada una con sus características propias. A los pocos segundos del inicio se empezaron a formar los primeros núcleos atómicos, pero la densidad de materia era tan grande que la radiación no podía escapar de la materia, cualidad necesaria para que el espacio se mostrara transparente.

Los radiotelescopios reciben imágenes en forma de radiación electromagnética, pero esa radiación no les llega sino a partir de aquellos momentos en que el universo se hizo transparente, lo que ocurrió unos cuatrocientos mil años después del Big Bang. Esto quiere decir que hay unos cientos de miles de años que nuestra tecnología electromagnética no está capacitada para explorar. Parece, entonces, que nunca podremos confirmar experimentalmente las predicciones realizadas para aquel universo joven. Sin embargo, las ondas gravitatorias vinieron en nuestra ayuda.

Las ondas gravitatorias

Dicen las estadísticas que las personas con déficit auditivo tienen más probabilidad de ser atropelladas por vehículos en la vía pública. La razón se torna evidente: cuando cruzamos la calle recibimos información de la vista y del oído; son informaciones que se complementan. Cuando falta una de ellas, el riesgo se eleva.

Algo parecido ocurre con las ondas gravitatorias. Cuando exploramos el espacio profundo (recuérdese que es equivalente a explorar el estado del universo cuando era joven, hace mucho tiempo), no tenemos información procedente de la radiación electromagnética, puesto que el universo aún no se había vuelto transparente, por lo que los radiotelescopios son poco útiles. Sin embargo, las ondas gravitatorias, producidas por la agitación violenta de grandes masas, sí se dieron desde el origen y pueden proporcionar información sobre esos años oscuros. El problema es que captar ondas gravitatorias es muy difícil. Requiere tecnología muy avanzada y, por si fuera poco, esperar a que nos lleguen las huellas en forma de ondas procedentes de algún cataclismo cósmico producido muy lejos, hace mucho tiempo.

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) es un doble interferómetro de ondas gravitacionales estadounidense situado en Hanford Site (Washington) y Livingston (Luisiana). El interferómetro es un dispositivo que mide distancias con una elevadísima precisión, utilizando un láser. La teoría de la relatividad general de Einstein, ampliamente probada, sostiene que el espacio se deforma (es elástico) en torno a las masas. Un fenómeno violento y muy masivo producirá ondas gravitacionales que modificarán la distancia entre los brazos del interferómetro. Son brazos de 4.000 metros de largo en los que se ha hecho el mayor vacío posible con la tecnología actual, en concreto, ocho veces el vacío del propio espacio, es decir, una billonésima de la atmósfera terrestre.

Midiendo las deformaciones de la distancia entre los brazos, podemos detectar la onda gravitatoria que atraviesa en ese momento el interferómetro. Y ello nos proporciona ciertos datos de lo que ocurrió en el cataclismo causante de las ondas: explosión de una estrella, choque de dos estrellas de neutrones, fusión de dos agujeros negros, etc. Y si el evento cósmico ocurrió en los primeros milenios del universo, dará alguna información sobre aquella fase del universo no transparente.

La presencia de ondas gravitatorias ha sido confirmada en estos últimos años, primero por LIGO y después por otros interferómetros con los que trabaja conjuntamente: VIRGO (Pisa, Italia), TAMA (cerca de Tokio, Japón) o GEO (Hannover, Alemania). La primera observación confirmada se produjo el 14 de septiembre de 2015, y se hizo pública al año siguiente (ver Aceprensa, 1-04-2016). Ya se han detectado varios de estos cataclismos cósmicos, lo que abre una nueva esperanza de conocer mejor ese invisible origen del universo. Desde Galileo, pionero en el uso del telescopio, ya teníamos los ojos abiertos a la radiación luminosa; ahora hemos abierto los oídos a la gravitación.

Alfredo Abad. ACEPRENSA, 21-10-2019

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