Recientes observaciones señalan la existencia de estructuras rotacionales en la mejor fotografía del universo temprano que poseemos: el fondo cósmico de microondas. Este hallazgo podría implicar la existencia de ondulaciones del espaciotiempo en los primeros instantes del universo, ofreciendo una excitante posibilidad de mejorar nuestra comprensión de los fenómenos que tuvieron lugar justo después del mismo Big Bang. Presentamos la deconstrucción de este descubrimiento enmarcado en el campo de la cosmología.
Deconstruyendo...
¿Ondas gravitatorias primordiales?
Raúl Carballo Rubio
(IAA-CSIC)
Tags: relatividad general, ondas gravitatorias primordiales, inflación, modos B

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La teoría de la relatividad general

Puede afirmarse que la cosmología es una disciplina antigua. El ser humano ha intentado comprender el orden del universo y el lugar que ocupa en él desde tiempos inmemoriales. Sin embargo, lo que conocemos hoy en día como cosmología no podría entenderse sino en relación con la teoría de la relatividad general. La teoría de la relatividad general desbancó en el siglo XX a la teoría de la gravitación de Newton como la descripción más precisa conocida de los fenómenos gravitatorios. Además, revolucionó nuestra visión de conceptos fundamentales como son el espacio y el tiempo, otorgando una nueva dimensión al uso de la geometría en teorías físicas.

La expansión del universo y su comienzo

La conjunción de la teoría de la relatividad general y el principio cosmológico (que supone que el universo es homogéneo e isótropo a escalas cosmológicas) permite construir un modelo matemático del universo a gran escala que presenta una característica sorprendente. En general, el universo de este modelo se expande espacialmente, es decir, el volumen que ocupa aumenta con el tiempo. Este resultado fue obtenido de forma independiente por Alexander Friedmann en 1922 y Georges Lemaître en 1927. Este último halló a su vez lo que hoy se conoce como ley de Hubble. Esta nominación se debe a Edwin Hubble quien, en 1929, propuso la primera verificación experimental de esta relación. Dicha ley dictamina que el cociente entre la velocidad de las galaxias cercanas y su distancia debe ser igual a una constante, que también recibe el nombre de Hubble. La evidencia experimental acumulada desde entonces en favor de esta ley se ve hoy día como una fuerte garantía de la veracidad de la expansión del universo. Si la idea de la expansión del universo es sorprendente en sí misma aún lo es más, si cabe, la consecuencia que tiene su inverso temporal. Al rebobinar la historia del universo se obtiene la conclusión de que esta expansión ha debido originarse en un punto singular. Este punto singular recibe el nombre de Big Bang (gran explosión, en inglés).

Una fotografía del universo temprano

De haber existido, el Big Bang tuvo que ser un evento altamente energético. La expansión posterior habría causado una disminución gradual de las altas temperaturas iniciales. En la visión estándar, el universo primigenio está formado por un plasma de electrones, fotones y bariones. Este enfriamiento progresivo está repleto de hitos relacionados con la combinación de esos ingredientes para dar lugar a la variedad de elementos químicos que pueblan el universo actual (nucleosíntesis) y transiciones de fase. Una de las predicciones robustas de este proceso de enfriamiento, señalada en 1948 por George Gamow, Ralph Alpher y Robert Hermann, es la presencia de un mar de fotones que debería poblar el universo en el presente. La razón de la existencia de este mar de fotones puede trazarse al desacoplamiento entre materia (electrones y bariones) y radiación electromagnética (fotones), que tuvo lugar cuando la temperatura del plasma era de unos tres mil grados Kelvin, y que permite a los fotones liberarse del plasma y viajar libremente por el universo. La detección de estos fotones en la actualidad sería, por tanto, lo más parecido a una fotografía del universo temprano que podríamos obtener. La existencia de este mar de fotones fue corroborada en 1965 por Arno Penzias y Robert W. Wilson. Ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 1978 por este descubrimiento. Este fondo cósmico de microondas, como se conoce en la actualidad (CMB, de sus siglas en inglés), presenta un espectro de cuerpo negro con temperatura de unos 2,7 grados Kelvin y es extremadamente isótropo.

 

Inhomogeneidades: la inflación

Aunque el universo sea homogéneo e isótropo a distancias cosmológicas, también es cierto que, en escalas menores, posee una rica estructura ampliamente estudiada por la astrofísica: supercúmulos, cúmulos de galaxias y un largo etcétera. Uno de los desafíos de la cosmología reside en explicar la generación de estas estructuras en el proceso de expansión del universo desde el Big Bang hasta el presente. La idea más extendida hoy en día es que estas estructuras se generaron mediante la amplificación de pequeñas inhomogeneidades presentes en el universo primigenio en un proceso de inflación. La inflación es una expansión acelerada del universo que tuvo lugar, hipotéticamente, en los primeros instantes tras el Big Bang. Este proceso de expansión acelerada produce un patrón característico de inhomogeneidades que debería ser patente en el CMB. En efecto, la existencia de estas minúsculas inhomogeneidades (del orden de cien microkelvin) fue puesta de manifiesto por la misión COBE, lanzada en 1989, y corroborada en misiones posteriores. El descubrimiento de la anisotropía del CMB fue reconocido mediante el Premio Nobel de Física en 2006, otorgado a dos de los investigadores principales de la misión COBE: George Smoot y John Mather.

Polarización de fotones

Una de las propiedades de las inhomogeneidades del CMB particularmente interesante está relacionada con la polarización de los fotones. La radiación electromagnética es un fenómeno ondulatorio de carácter transversal. Esto quiere decir que el movimiento típicamente oscilatorio tiene lugar en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Los patrones de polarización de la onda describen posibles tipos de oscilaciones en este plano perpendicular. Los fotones que componen el CMB presentan un tipo de polarización, denominada lineal.

 

A la caza de modos B

La medida de la polarización de los fotones del CMB que nos llegan de distintas direcciones permitiría construir lo que se denomina un mapa de polarización. La construcción de este mapa completo de polarización es un objetivo de varios experimentos actuales, tal y como la colaboración BICEP o la misión Planck. La distribución de polarización presenta dos tipos de estructuras bien diferenciadas, denominadas modos E y B, por similitud con los campos eléctrico y magnético. Los modos E fueron detectados por primera vez en 2002 usando el telescopio DASI. Medir los característicos patrones rotacionales de los modos B es una tarea más compleja, ya que su intensidad es mucho menor (unas cien veces más pequeña). Además, en el espectro de modos B deberían existir dos grupos bien diferenciados, que se distinguen por su tamaño angular. La primera detección de modos B, a cargo del telescopio SPT, tuvo lugar en 2013. La existencia de estas estructuras, de tamaño angular inferior a un grado, fue corroborada posteriormente por la colaboración POLARBEAR. Por desgracia para los cosmólogos teóricos, por su tamaño angular estos modos B caen dentro del grupo menos interesante de los dos posibles. No ha sido hasta el año presente cuando la colaboración BICEP ha anunciado la detección de modos B que, por su tamaño angular (entre uno y cinco grados), deben pertenecer al segundo grupo de estos. La comunidad científica actual aguarda la corroboración del descubrimiento por parte de la misión Planck a lo largo de este mismo año.

¿Qué puede causar la existencia de modos B?

Cada uno de los dos grupos de modos B están asociados, teóricamente, a distintos mecanismos físicos. El primer grupo, constituido por las estructuras de menor tamaño angular, estaría causado por fenómenos de lente gravitatoria. Es decir, los modos B de este grupo constituyen distorsiones de modos E presentes en la señal original del CMB por las estructuras masivas que se formaron entre el origen de la señal y el punto de observación en la actualidad, la Tierra (véase la imagen adjunta). Por el contrario, las causas del segundo grupo pueden trazarse hasta el mismo momento del desacoplamiento entre materia y radiación. Esta es la razón de que los elementos de este grupo se conozcan habitualmente como modos B primordiales. Esto significa que el agente creador de dichos modos actuaba en los primeros instantes del universo. Los modelos teóricos actuales de esa edad tan temprana del universo apuntan que los modos B primordiales solo podrían ser creados por ondas gravitatorias que estuviesen presentes en el plasma primigenio. Por tanto, en base al conocimiento limitado actual del universo temprano, podríamos considerar la detección de modos B primordiales como una señal indirecta de la existencia de ondas gravitatorias en los primeros instantes del universo.

Ondas gravitatorias

Una de las predicciones no confirmadas de la teoría de la relatividad general es la existencia de ondas gravitatorias. Estas ondulaciones constituirían la versión gravitatoria de las ondas electromagnéticas, mucho más familiares para los seres humanos. Esto no es accidental: la intensidad relativa teórica de las ondas gravitatorias respecto a las electromagnéticas resulta ser irrisoria. Esta es la razón fundamental de que haya sido imposible detectarlas por ahora pese a varias décadas de esfuerzos experimentales y económicos. Sin embargo, existen detecciones indirectas sólidas que generan una gran confianza en su detección en los próximos años. Estas detecciones hacen uso de sistemas astrofísicos conocidos como púlsares binarios. Un púlsar binario está constituido por una estrella de neutrones que emite radiación periódica (púlsar) y una compañera estelar, enana blanca o estrella de neutrones la mayoría de las veces. El primer descubrimiento de tal sistema binario en 1974 les valió a Russell A. Hulse y Joseph H. Taylor el Premio Nobel de Física de 1993. Según la teoría de la relatividad general, un sistema binario de este tipo debería perder una fracción apreciable de su energía mediante la emisión de ondas gravitatorias. El correspondiente cálculo de la pérdida de energía en términos de los parámetros de la órbita resulta en un perfecto acuerdo con los datos experimentales. En caso de confirmarse, la detección de modos B primordiales podría considerarse como una prueba indirecta de la existencia de ondas gravitatorias adicional.


Sobre el autor:

Raúl Carballo Rubio
(IAA-CSIC)

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