Artículo publicado por Michael D. Lemonick el 14 de septiembre de 2015 en Cosmos
La incapacidad, hasta el momento, de encontrar ondas gravitatorias ha hecho que algunos cosmólogos se pregunten su la teoría inflacionaria del Big Bang es correcta. Michael D. Lemonick lo explica.
En 17 de marzo de 2014, el Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica (CfA) dio una rueda de prensa para anunciar un “gran descubrimiento”. No era una exageración. Un equipo de astrofísicos había detectado pruebas de ondas gravitatorias procedentes de una época en la que el universo era casi indescriptiblemente joven.
Fue la confirmación más poderosa hasta el momento de la teoría de la inflación, de 30 años de antigüedad, que explica por qué el cosmos tiene el aspecto que tiene. La distribución de las galaxias, las proporciones relativas de materia común y materia oscura, la curvatura del espacio-tiempo, el hecho de que el cosmos, básicamente, tenga el mismo aspecto sin importante dónde se mire – todo esto puede comprenderse si se asume que todo el universo visible se expandió, durante el periodo de tiempo más breve, del tamaño de un protón a algo del tamaño de un pomelo a una velocidad más rápida que la de la luz, cuando apenas tenía una mil millonésima de billonésima de billonésima de segundo de antigüedad. En palabras del cosmólogo de la Universidad de California en Santa Cruz, Joel Primack: “Ninguna teoría de belleza similar ha estado equivocada”.
CMB por Planck Crédito: ESA
Evidentemente, se había demostrado su veracidad. Usando un telescopio de microondas exquisitamente sensible, conocido como BICEP2, situado en el Polo Sur, John Kovac de Harvard y un equipo de observadores habían detectado un giro en la orientación de las microondas generadas unos 300 000 años después del Big Bang. Conocido como polarización de modo-B, era una predicción de la teoría de la inflación. La fantástica energía liberada por un universo en expansión habría formado ondulaciones en el propio espacio-tiempo.
Las teorías alternativas sobre cómo el universo logró su estructura actual, tales como la desarrollada por Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton, no predicen estas ondulaciones. “Si esto es correcto, estamos acabados”, comentó Steinhardt. Él había sido uno de los pioneros de la teoría de la inflación, pero hace tiempo que la abandonó en favor de su propia teoría rival.
El anuncio en la conferencia de prensa de Harvard tuvo eco en los titulares de todo el mundo. “Ondulaciones espaciales revelan la prueba definitiva del Big Bang”, proclamaba el New York Times. “El descubrimiento de las ondas gravitatorias primordiales anuncian una ‘era completamente nueva’ en la física”, declaraba The Guardian. Como virtualmente todas las noticias que aparecieron tal día había una cuidadosa advertencia en la línea “Los resultados necesitarán confirmación…” que apenas socavó el febril tono.
Pocos días después del anuncio, los periodistas desearon haber dejado algo más que esa cuidadosa advertencia. El informe científico de Kovac (publicado en línea en arXiv, un foro para trabajar sobre lo que se publicará en breve) no se hizo público hasta la conferencia de prensa. Una vez que el resto de astrofísicos le echaron un vistazo, empezaron a sospechar. Las ondas gravitatorias primordiales no son lo único que podría polarizar las microondas. Las nubes de polvo que giran en la Vía Láctea podrían hacerlo también, “schmutz”, como lo llamó David Spergel, de Princeton, usando una palabra yiddish que significa “suciedad”.
Conforme físicos independientes escrutaban el informe con mayor detalle, cada vez sospechaban más sobre si el equipo de Harvard había visto, o no, ondas gravitatorias después de todo. Por fin, en febrero de 2015, un análisis combinado de datos del equipo BICEP2 de Kovac; el Conjunto Keck (situado cerca de BICEP2 en el Polo Sur); y Planck, el observatorio espacial orbital de la Agencia Espacial Europea, no dejó dudas a los investigadores. “Lo que vemos”, admitió Kovac “no es compatible con una onda gravitatoria inflacionaria”.
Esto de ningún modo significa que la inflación esté muerta. Lo que observaron estos tres instrumentos tan sensibles es también compatible con ondas gravitatorias inflacionarias ocultas dentro del polvo. La inflación, además, no es una única teórica: es un conjunto de teorías, y muchas predicen ondas gravitatorias 10 órdenes de magnitud menores de lo que ningún instrumento es capaz de detectar. “¿Estoy preocupado?”, se pregunta el teórico de la Universidad de Stanford Andrei Linde, uno de los fundadores de la teoría de la inflación. “¿Por qué debería estarlo?”.
Pero para un número de astrofísicos teóricos, la incapacidad para detectar ondas gravitatorias aumenta las posibilidades de una teoría alternativa para el nacimiento del universo. Conocido como el modelo cíclico, se propuso inicialmente en 2003 por parte de Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton, y Neil Turok, entonces en la Universidad de Cambridge (ahora director del Instituto Perimeter para Física Teórica de Canadá). Actualmente es defendida por un puñado de teóricos, mayormente en Estados Unidos y el Reino Unido. Propone que el universo observable pasa por fases alternativas de expansión y contracción, tal vez para siempre.
Este modelo cosmológico explica todo lo que conocemos sobre el universo tan bien como la inflación, dicen. Un gran punto de divergencia, sin embargo, es que las ondas gravitatorias primordiales no son parte del modelo cíclico.
Aunque la mayoría de físicos no están siquiera cerca de abandonar la inflación, no descartan que esta bella teoría pueda estar equivocada. “Paul tiene una gran cantidad de reparos sobre la teoría de la inflación, que creo que son válidos”, señala Charles Bennett, físico experimental en la Universidad Johns Hopkins.
Joanna Dunkley, cosmóloga en la Universidad de Cambridge, está de acuerdo en que la incapacidad para detectar ondas gravitatorias “debería hacernos pensar más seriamente sobre si la inflación es la única opción”.
“Creo que la mayor parte de la comunidad científica se centra en los modelos inflacionarios, y creo que, en parte, es una moda”, añade David Spergel, colega de Steinhardt en Princeton.
La moda explica parte de este foco, quizá, pero difícilmente todo. Cuando surgió la teoría de la inflación en la década de 1980, era asombrosa la forma en que explicó una serie de problemas que habían acuciado a los cosmólogos desde el descubrimiento en 1964 de la radiación de fondo de microondas cósmico (CMB). En esa época, había dos teorías sobre cómo se inició el universo. Una era el Estado Estacionario, que proponía que el universo siempre había estado en expansión, y que la nueva materia se creaba para rellenar los huecos conforme la materia existente se separaba.
La otra era el Big Bang, término irónicamente acuñado por el astrónomo inglés Sir Fred Hoyle en un intento de ridiculizarla – era el principal defensor del Estado Estacionario. La idea original aquí era que el universo nació a partir de una violenta expansión de una nube de gas extremadamente densa y caliente (una versión moderna sostiene que se inició a partir de una singularidad – un puntito de proporciones subatómicas) que, desde entonces, se ha estado expandiendo. Si esto fuese cierto, entonces la brillante luz generada por el estallido debería aún inundar todo el universo, salvo que la expansión del universo hubiese estirado la luz a la región del espectro electromagnético de las microondas.
En 1964, los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson de los Laboratorios Bell Telephone en Nueva Jersey, se toparon con esta antigua luz estirada. Estaban experimentando con la antena gigante de los Laboratorios Bell, originalmente construida para seguimiento de satélites, para ver si podía utilizarse para escrutar el universo. Sus esfuerzos se veían frustrados de un modo muy irritante por un misterioso silbido en la antena en la frecuencia de las microondas. Cuando la meticulosa pareja hubo descartado todas las explicaciones alternativas (incluyendo la caca de paloma) sugirieron que este silbido era el origen del cosmos. Alrededor de la misma época, apenas a una hora en coche hacia el oeste, Robert Dicke y otros físicos en la Universidad de Princeton estaban preparándose para buscar estas viejas microondas procedentes del Big Bang. Penzias y Wilson escucharon hablar del proyecto de Dicke y llamaron durante una de las reuniones de su grupo. Como aquellos que estaban presentes recordarán, Dicke escuchó pacientemente, colgó, y dijo: “chicos, nos han dado una primicia”.
Ambos grupos publicaron simultáneamente en la revista The Astrophysical Journal en 1965 (sin embargo, sólo Penzias y Wilson lograron el Premio Nobel). El descubrimiento desequilibró la balanza a favor del Big Bang.
Los cosmólogos abordaron la oportunidad de estudiar el CMB en detalle, era el primer destello de la juventud de nuestro universo, de apenas 400 000 años. Resultó ser un lugar misterioso por un aspecto, estaba impregnado de una temperatura asombrosamente uniforme, alrededor de 2,725° sobre el cero absoluto, con una variación inferior a una parte en 100 000 en cada dirección, sin importar a qué parte del cielo mirases. La turbulenta nube de gas supercaliente a partir de la cual estalló el universo habría tenido zonas en las que variase significativamente la temperatura y densidad, y parte de ese lío debería haberse mostrado en la estructura del joven universo en expansión.
Otro problema fue que mientras que el robusto universo de 400 000 años de antigüedad era tan suave como el culito de un bebé, el maduro universo está arrugado con características como galaxias. Pero, ¿cómo surgieron estas arrugas de la edad?
Los físicos también estaban preocupados por la aparente topología del universo. En las grandes escalas, sus medidas demostraban que parecía ser geométricamente “plano”. Y no estaba claro por qué nunca se habían encontrado monopolos, partículas con una carga magnética norte o sur, pero no ambas.
Los cosmólogos estuvieron devanándose los sesos durante más de una década. Entonces, en 1980, un joven físico llamado Alan Guth comprendió que estos obstáculos se desvanecerían si un universo del tamaño de un protón experimentase una expansión ultrarrápida en sus primeros momentos.
Un inicio con el tamaño de un protón que súbitamente se hincha explicaría esta homogeneidad del universo. Se habría inflado a tal velocidad que no habría tenido tiempo de que las fluctuaciones arrugasen el tejido en expansión del espacio-tiempo.
Por otra parte, el hecho de que todo el universo tuviese en una época un tamaño subatómico lo hacía estar sujeto a efectos cuánticos tales como la “incertidumbre”, un estado en el cual las variables físicas pueden fluctuar de forma impredecible. Estas fluctuaciones cuánticas aleatorias sembraron las arrugas que dieron lugar a características como las galaxias.
Por último, la inflación explicaba por qué el cosmos visible parece ser tan plano. Tal vez empezó con una curvatura significativa, como la superficie de un globo. Imagina que eres una mosca en equilibrio sobre el globo. De pronto, se expande hasta llegar al tamaño del Sol. Aún estás sobre una superficie curvada, pero ahora te parece completamente plana hasta donde tus ojos pueden ver. Sin la rápida expansión, el globo nunca se habría expandido lo suficiente como para crear la planitud que ahora observamos.
La versión original de Guth de la inflación deja algunos huecos que fueron rellenados por Linde, convirtiendo la teoría en un robusto conjunto de predicciones que los cosmólogos han estado poniendo a prueba desde entonces.
Sin embargo, había un problema.
“Pronto descubrimos que habíamos entendido algo completamente mal desde el inicio”, dice Steinhardt, que fue uno de los pioneros de la teoría de la inflación. “Pensamos que la inflación era, básicamente, una historia sobre un universo que se estira. Y entonces pensamos que si añadíamos un poco de mecánica cuántica para explicar por qué el universo no es perfectamente uniforme – por qué hay galaxias y cúmulos de galaxias – “parecíamos tener una historia consistente”.
Sin embargo, no existe un poco de mecánica cuántica, señala Steinhardt. “La física cuántica está provocando fluctuaciones constantemente en todas las formas de energía, incluyendo la energía que dirige la inflación, por lo que termina en ciertos lugares un poco más tarde que en otros”, explica.
Él y otros pronto se dieron cuenta de que la incertidumbre cuántica complicaba la cosa.
En nuestra región del universo, por ejemplo, la inflación se detuvo hace miles de millones de años, pero en otras zonas aún continúa. Dada la desbocada tasa de expansión de la inflación, estas regiones ahora serían inconcebiblemente grandes: piensa en trozos del globo original que se han hinchado para formar gigantescas protuberancias, mucho mayores que el original. “Esto ocurriría una y otra vez”, apunta Steinhardt. Linde, que es en gran medida responsable de esta idea, la llama “inflación caótica”, o “inflación eterna”. Esto significa que nuestro universo visible es sólo uno entre un número mucho mayor de multiversos, una zona, dentro de una zona, dentro de una zona, y así hasta el infinito, y cada una de estas zonas tendría sus propias leyes de la física. “El multiverso explorará cada propiedad y posibilidad física imaginable, y producirá cada resultado concebible”, comenta Steinhardt.
Y ése es el problema. “¿Qué puede predecirse a partir de tal teoría?”, se pregunta Steinhardt. “Nada. Literalmente nada, dado que todo es físicamente posible que suceda”. Pero es aún peor que eso: dado que existe un número infinito de zonas con una infinita variedad de leyes y constantes de la física, la pregunta fundamental que los físicos han estado tratando de responder desde la época de Aristóteles – ¿por qué el universo es como es? – pierde su sentido. Es como es debido a que el universo aparece a la vez en todas las formas posibles. Nuestra visión es la que es debido a la parte del universo en la que nos ha tocado vivir. Esto es lo que se conoce como principio antrópico, y dado que dice que, en esencia, no hay explicación para nada, elimina todo posible análisis científico. Eso no hace que sea incorrecta, pero los físicos tienden a aborrecerlo.
Existe un segundo problema, además. “Es algo notable que tengamos una teoría que describa lo que está pasando y encaje tan maravillosamente con las observaciones”, dice Spergel. “Pero no explica cómo llegó a tal fase”. En otras palabras, la inflación podría haber sucedido, pero nadie sabe por qué empezó. Los teóricos de la inflación dicen que éste es un problema a resolver posteriormente, señala Steinhardt. “Pero es un gran problema a resolver posteriormente”, comenta, “dado que hemos estado intentando resolverlo y creemos que las condiciones bajo las que podría dar inicio la inflación son muy, muy raras”. A menos que creas en un Creador, no es una buena posición en la que encontrarse.
Y aún queda un tercer problema: la energía oscura. En 1999 los cosmólogos confirmaron que esta misteriosa fuerza están hinchando el universo a un ritmo cada más rápido. La teoría de la inflación, concebida en la década de 1980, era felizmente ignorante de la energía oscura.
“Fue una completa sorpresa”, señala Turok, del Instituto Perimeter. “La inflación ya era una especie de añadido artificial al Big Bang, y ahora tenías este nuevo parche, que no tenía nada que ver con la inflación”. Turok dice que también tienes que tener en cuenta el hecho de que la inflación dominó los primeros momentos de nuestra parte del universo, y luego desapareció – y que esa energía oscura (diminuta comparada con la energía de la inflación) emergería miles de millones de años más tarde para dominar el universo.
Los inflacionistas consideran la energía oscura como algo completamente distinto a la inflación, una segunda fuerza expansiva que sólo se hace significativa muchos miles de millones de años después de que la inflación agotase su combustible. El hecho de que se necesite dar explicación no a una, sino a dos fuerzas diferentes hace que Steinhardt y Turok se sientan incómodos con el modelo de la inflación. “Está horriblemente mal ajustado”, señala Turok.
Para este par de físicos, la energía oscura había robado finalmente la belleza a la teoría inflacionaria. Tenía que haber una teoría más simple, mejor. Después de varios años de intenso trabajo, llegaron al modelo cíclico.
En el modelo cíclico, la energía oscura no se apaga súbitamente tras la creación del universo y luego vuelve a aparecer. En lugar de esto, es la energía oscura, la cual podemos observar al contrario que la inflación que es teórica, la que dirige el proceso inicial de expansión del universo y continúa el proceso, reforzándose conforme envejece el universo.
Finalmente, también invierte su sentido, una posibilidad que otros teóricos habían considerado incluso antes de que se propusiera el escenario del universo cíclico. La inversión lleva mucho tiempo, quizás 10500 años. Pero finalmente el universo colapsa en un tamaño minúsculo (el modelo no especifica con precisión el tamaño, pero mucho más grande de lo que requiere la inflación). Entonces la energía oscura vuelve a cambiar de sentido, el universo empieza a expandirse, y se da lugar a un nuevo ciclo. “En este modelo”, comenta Turok, “no existe la inflación, y la energía oscura no es un extraño parche añadido: es algo esencial”.
Al proponer un universo que se expande durante muchos miles de millones de años, luego se contrae, y vuelve a expandirse, tal vez infinitas veces, la teoría de Steinhardt y Turok aborda muchos de los mismo misterios que la inflación parecía resolver.
Por ejemplo, dado que el cosmos ha pasado por muchos ciclos, ha tenido tiempo más que suficiente para que distintas regiones hayan llegado a un equilibrio térmico, por lo que no hay problema con el hecho de que lugares opuestos del universo visible tengan un aspecto esencialmente idéntico. Y la “planitud” topológica del universo visible podría surgir no de una expansión ultrarrápida, sino del efecto de la energía oscura durante la contracción. Cómo tiene lugar la inversión es algo que Turok y Steinhardt no han calculado aún. “Hay un gran trabajo en este campo ahora mismo”, dice Steinhardt, “diferentes enfoques para estos rebotes, pero todos tienen la característica de que son procesos continuos, lo que significa que no puede haber ninguna locura mientras pasas por ellos”, por ejemplo, nada tan alocado como la singularidad donde la densidad se hace infinita y la física colapsa, un estado que parece inevitable si el universo se expande sólo una vez.
Aunque ambos físicos están convencidos de que la teoría cíclica es más sencilla y plausible que el modelo inflacionario, saben que sus argumentos no son lo bastante sólidos como para hacer que sus colegas abandonen la inflación. Ambas teorías encajan bien con las observaciones existentes, y ni Steinhardt ni Turok están preparados para decir que el modelo cíclico sea claramente mejor en este punto. Pero hay una observación que podría decidir entre ellas. Las ondas gravitatorias predichas por la inflación; el modelo cíclico dice que no deberían existir.
Si el telescopio BICEP2 realmente hubiese encontrado la señal que los científicos afirmaron detectar la pasada primavera, habría sido el final del camino para las ideas de Steinhardt. El hecho de que no fuese así, señala, debería inspirar a otros físicos y astrofísicos a echar otro vistazo a los modelos cíclicos.
Para Steinhardt, la cosmología está experimentando un desafío similar al que se enfrentaban la astronomía planetaria a mediados del siglo XVI. El Sistema Solar geocentrista de Ptolomeo era la visión reinante, pero desafiada por la teoría heliocentrista de Copérnico. “Copérnico podía explicar algunas cosas conceptualmente que Ptolomeo no podía”, explica Steinhardt, “y viceversa”. No fue hasta que Kepler se dio cuenta de que los planetas seguían órbitas elípticas en lugar de caminos circulares cuando el modelo de Copérnico tomó la delantera. Según Steinhardt es en un momento Kepler.
La mayor parte de físicos no están listos para eso. “Aún es posible que en los datos de BICEP2 y Planck aparezca una señal de onda gravitatoria asombrosamente grande”, señala Joanna Dunkley de la Universidad de Cambridge. “No se trata de que BICEP2 no haya logrado ninguna señal en absoluto, es simplemente que la señal es mucho más probable que provenga del polvo que del Big Bang”. Conforme los observadores sigan refinando sus observaciones del polvo, será más fácil sustraer la señal del polvo electrónicamente y ver si hay alguna microonda polarizada realmente primordial oculta tras él, de la misma forma que hacen ahora cuando observan galaxias extremadamente tenues a través de la atmósfera terrestre.
E incluso si no aparece ninguna señal de inflación a partir del polvo, las ondas podrían estar más allá de los límites de los detectores actuales. “Existe un espectro muy amplio de posibilidades para la intensidad de esas ondas gravitatorias”, comenta Guth.
Esto podría cambiar en los próximos años, no obstante, dado que el satélite Planck continúa tomando datos que serán analizados, y otros detectores terrestres de CMB siguen su búsqueda de señales procedentes del antiguo universo. Esto incluye al detector SPIDER, unido a un globo, que acaba de completar una vuelta alrededor de la Antártida; al Telescopio Cosmológico de Atacama, el experimento POLARBEAR y el Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) de Chile; el Telescopio del Polo Sur; el Conjunto Keck del grupo de Harvard , y muchos más. Todos ellos están buscando la luz polarizada, algunos barriendo grandes zonas del cielo en menor detalle, y otros zonas más pequeñas de forma más intensa. “Mucha gente están pensando nuevas formas de medir esta minúscula señal”, dice Lyman Page, colega en Princeton de Steinhardt, “y hemos estado pensando durante años”.
Cada instrumento realizará valiosas observaciones por sí mismo, dice Bill Jones, físico en Princeton que trabaja en el experimento SPIDER. “Es como una especie de fuerza multiplicadora en el sentido de que podemos aprovechar las diferentes fortalezas de cada uno para captar la señal”, explica.
Como la mayoría de sus colegas, Jones reconoce que los modelos cíclicos son interesantes, incluso fascinantes. Pero añade: “Creo que cuando el cosmólogo medio se levanta por la mañana, él o ella aún piensa que tuvo lugar algo similar a la inflación”.
Steinhardt, Turok y el resto de cruzados del modelo cíclico están cómodos con eso. Por ahora.
