sábado, 22 de marzo de 2014

Explicación de los modos B primordiales

Esta semana se han hecho públicas las observaciones del telescopio BICEP2, y con ellas la presentación de evidencias observaciones de la teoría de la Inflación Cósmica. Una auténtica noticia bomba para el mundo de la física, el descubrimiento científico de año, o quizás de la década. Así que naturalmente ocupó un recuadrito pequeñito en algunos periódicos, y unos 30 segundos de algunos informativos de televisión.

Durante estos días, he tenido que estar explicándoselo a tantos amigos (que no son físicos), que me ha parecido adecuado escribir sobre ello en mi blog. Y además con esto llegamos a las 125 entradas, yuhu!
Entender la relevancia del descubrimiento implica saber muchas cosas que la gente de la calle no sabe, así que me va a llevar un rato largo explicarlo.

Esto es lo más cercano a anuncio oficial que hay (el informe oficial está online pero es muy técnico), y otros enlaces interesantes son este y este. Están en inglés, si queréis algo en castellano, pues leed a continuación :)

Intentaré ser muy divulgativo e imaginar que no sabéis nada. Además, para hacerlo ameno lo contaré como una historia. Pero claro, lo voy a simplificar bastante. Entre mis lectores, sé que hay un físico que podrá corregirme si me deslizo en algún momento. En realidad, este tema no tiene nada que ver con mi campo de investigación.
También me gustaría añadir que la física a este nivel es algo que se debería enseñar en los colegios. No es esta una crítica a la posible ignorancia de mis lectores, sino al sistema educativo que tenemos.

1. La teoría del Big Bang


A estas alturas, la teoría del Big Bang es tan popular que una comedia de televisión lleva su nombre. Pero no siempre lo fue. De hecho, el nombre que tiene era en principio despectivo - bang significa explosión, pero es una palabra onomatopéyica. En castellano podríamos decir "el gran bumba" o algo así para tener la misma sensación de ridiculez.

El tema es que, gracias a los avances tecnológicos en óptica, los astrónomos de comienzos del siglo XX pudieron observar el universo con mucho más detalle que hasta entonces, viendo galaxias en toda su gloria. Y se dieron cuenta de que las galaxias más lejanas, además de verse más pequeñitas, se ven más rojas. La única explicación era que se estuvieran alejando, porque al igual que el sonido de una ambulancia se va haciendo más grave a medida que se aleja de ti, la luz de un objeto se va haciendo más roja a medida que se aleja (Efecto Doppler). Solamente que el efecto sobre la luz solo se ve para velocidades astronómicamente grandes.

Una galaxia cuásar en el límite de lo observable

No tiene sentido pensar que la Tierra sea el Centro del Universo y todo lo demás se esté alejando, con mayor velocidad cuanto más lejos esté. De manera que se teorizó que el Universo se expande, como la superficie de un globo que se hincha. La siguiente deducción es simple: si damos marcha atrás al tiempo, debía de haber un momento en el que todo estuviera juntito. Después la cosa explotó y desde entonces se está expandiendo.

En aquel momento, lo cool era pensar que el Universo era estático, por eso la teoría fue recibida de manera despectiva en algunos círculos, aunque no sé hasta qué punto. Lo importante es que los físicos intentaron formular un modelo para describir un universo pequeño y denso. Para ello, se basaron en lo que conocemos de la materia que tenemos aquí en la Tierra, y supusieron que lo que sea que formase el Universo se comportaba de la misma manera. Algo parecido a lo que hizo Newton al teorizar que la fuerza que hace que la manzana caiga del árbol es la misma que mantiene la Luna en el cielo.
Una de las predicciones principales era un tipo especial de radiación ("radiación del cuerpo negro"). Esta radiación tiene unas ciertas características, la más importante es que debería estar a la misma temperatura en todas partes.

2. El Fondo Cósmico de Microondas

La gran prueba de que la teoría del Big Bang estaba en lo correcto vino con la observación del Fondo Cósmico de Microondas (FCM). Esto es básicamente un mar de fotones (partículas de luz) en el que está inmerso el Universo. La gente suele pensar que el espacio está vacío, pero en realidad lo llena esta radiación. Lo más sorprendente de ella es que tiene la misma temperatura, no importa de qué dirección vengan los fotones que midamos. Y si apuntas tu telescopio a la inmensidad del espacio, los fotones que mides deben de haber recorrido años-luz de distancia.
La única explicación para que el FCM tenga la misma temperatura en extremos muy alejados del Universo es que estos extremos estaban juntos en el pasado, lo cual apoya la hipótesis de la explosión inicial. Además, la medición de la gráfica siguiente, que muestra la proporción de fotones que tienen una energía determinada, coindice a la perfección con la predicción teórica.


Esto es lo que se llama una prueba científica.

Este descubrimiento se recuerda como uno de los más importantes del siglo XX. Por primera vez la humanidad era capaz de observar algo que le permitía tener conocimientos sobre el origen del Universo. Lo que se ha descubierto esta semana será recordado como el siguiente gran paso en esta dirección.

Que por cierto, uno pensaría que el origen del Universo es algo tan importante que la gente se interesaría por ello y pasaría a formar parte de la cultura popular entre la gente común, pero en este mundo de mierda en el que vivimos... bueno, vale, lo dejo. Sigamos.

El modelo teórico del Big Bang es más complejo de lo que puedo llegar a transmitir aquí. Sobre él se han escrito libros, explicando cómo pudo ocurrir la formación de elementos químicos a partir de la materia primordial. Esta materia habría estado formada por las partículas elementales que conocemos a partir de los experimentos en aceleradores de partículas: quarks y gluones *.
Pero el FCM, como hemos dicho, está hecho de fotones; o sea, de radiación electromagnética; o sea, de luz. La materia produce luz en diversas circunstancias. Hoy en día, la luz se produce en las estrellas pero también en las lámparas que alumbran nuestras ciudades. Y la materia primordial que surgió del Big Bang también producía luz. Pero esta luz no podía escapar de la materia que la producía, debido a lo extremadamente densa que era. Los estudios actuales sobre el estado del plasma (el cuarto estado: solido-líquido-gas-plasma) nos muestran esto.

Según el modelo, el FCM se habría originado 400.000 años después de la explosión inicial, cuando la materia se hubo descondensado lo suficiente para dejar que la luz que estaba atrapada viajase libre. Esto es un poco difícil de imaginar, porque la materia de la que hablamos llenaba el Universo, no había nada fuera de ella. Pero el mensaje es que el FCM es como una fotografía de ese instante.

Y es una fotografía en principio aburrida: como hemos dicho, tiene la misma temperatura en todas partes. Pero no exactamente la misma: hay pequeñas fluctuaciones.

Mapa de las fluctuaciones del fondo cósmico.

Además, no solo la temperatura puede cambiar de un punto a otro. También puede cambiar la polarización. Esto es una cualidad física de la luz. Es difícil de explicar, pero básicamente los fotones que la forman no son algo que nos debamos imaginar como bolitas, sino más bien como flechitas. La energía (temperatura) sería proporcional a la longitud de la flechita, que además tiene dirección.

Si parece un concepto alienígena, pensad que tiene una aplicación muy cotidiana: las películas en 3D funcionan con luz polarizada. Se proyectan dos imágenes a la vez con orientaciones diferentes en la polarización de la luz que las componen. Después cada cristal de las gafas filtra una de ellas.

3. La teoría de la Inflación

Ahora bien, eso nos cuenta cosas sobre 400.000 años después del Big Bang. Eso parece mucho tiempo. ¿Qué pasó antes? Además, si yo junto materiales de construcción y los hago explotar, lo que me espero salga de ello es un caos enorme, no el Taj Mahal reconstruído.
No es una cuestión trivial esta última. Si el universo tiende al desorden, ¿por qué se formaron las galaxias?

Desde el descubrimiento del Big Bang, muchos físicos han intentado pensar en explicaciones. La mayoría de ellas se basan en que a distancias muy pequeñas, pueden pasar cosas raras. A este nivel, todo son probabilidades, no leyes. Así que una partícula puede aparecer de la nada, o desintegrarse espontáneamente. La radiación nuclear es una consecuencia de esto, al Uranio no hay que hacerle nada para que la emita. Por este motivo, en una región de espacio vacía (aún sin el FMC), lo que tienes no es el Vacío: tienes partículas apareciendo y desapareciendo por doquier. Esto se llaman fluctuaciones cuánticas.

El "vacío": partículas apareciendo y desapareciendo sin control.

Todo esto es un hecho comprobado experimentalmente. Pero el Universo es enorme, así que en principio no debería importar a los astrónomos. A no ser que estemos hablando de cuando todo estaba juntito después del Big Bang... pero muy juntito, porque estas cosas raras solo pasan a escalas diminutas, más pequeñas que un átomo. Así que si vamos a ir con esta explicación, vamos a estar asumiendo ya de entrada que hubo un tiempo en que todo el Universo era más pequeño que un átomo.
En este punto, una aclaración: quizá el lector se esté preguntando porqué me refiero al tamaño del Universo, si no se supone que es infinito, etc... Quizá sea infinito o quizá no, pero lo que importa aquí es la escala. O sea, vamos a suponer que estas cosas cuánticas pasaban y punto.

Entonces, bajo estas suposiciones, tenemos una explicación de cómo la materia puede entrar en la existencia y al mismo tiempo respetar las leyes físicas conocidas. Además, habrá regiones donde se crea materia y regiones donde no, así que el universo inicial es inhomogéneo. Después esto se expande y esas diminutas regiones donde espontáneamente había aparecido materia se convierten en cosas más grandes, como galaxias.

Pero las fluctuaciones estas no aguantan mucho en el tiempo. Al igual que solo suceden a distancias muy pequeñitas, también suceden en tiempos pequeñitos. O sea, que no duran casi nada. Desde luego no los millones de años que el Universo tardó en expandirse... a no ser que poco después del instante 0 se expandiera extremadamente rápido - de manera que estas distancias diminutas (más pequeñas que un átomo) se convirtieran en astronómicas (de varios años-luz) en un tiempo ridículamente pequeño (una millonésima de una millonésima de un segundo). Después, se relaja todo y pasa a expandirse a una velocidad similar a la actual. El periodo de expansión rápida es lo que se llama inflación.

Diagrama de la expansión del Universo.

Como modelo teórico, es muy interesante y a la vez complicado. Explica de manera bonita la formación de estructuras en el Universo. Pero esta expansión tan rápida es algo muy extremo. En cualquier caso, parecía que no íbamos a poder tener una confirmación observacional porque lo más antiguo que podemos ver es el FCM. Las inhomogeneidades de temperatura que vemos en la imagen anterior del FCM no son una prueba de la teoría, no más que las inhomogeneidades que vemos al mirar al cielo y ver galaxias.

4. El descubrimiento del BICEP2

Las inhomogeneidades en polarización sí podrían contener una prueba de la teoría inflacionaria, así que la Agencia Espacial Europea aprobó la construcción de un satélite con equipamiento para medir la polarización del FCM: el observatorio Planck.
 
El Planck, antes de ser lanzado al espacio

Ahora viene un apunte social curioso, que ayuda a explicar porqué este descubrimiento ha venido como una sorpresa inesperada. El equipo científico del Planck estuvo analizando los datos, y no encontraron nada. Anteriormente, el polarímetro BICEP, instalado en la Antártida y de menor potencial, tampoco había encontrado nada reseñable. Pero ya tenían las piezas, así que decidieron reciclar algunas de ellas y montar un polarímetro mejorado, el BICEP2. Y se concentraron en estudiar el FCM por si a los del Planck se les había pasado algo. Y así fue.
Todo apunta a que el equipo del Planck la fastidió, y pasaron por alto algo que les impidió encontrar la señal de los modos B de polarización. Algo que los del BICEP2 han encontrado a pesar de tener un equipamiento más modesto. La señal es tan clara que pocos la ponen en duda. El hecho de que los del Planck estén poniendo excusas de porqué no la detectaron, en vez de criticar los resultados del BICEP2, es una muestra más de que, en efecto, metieron la pata en algo.

Pero... ¿modos B? Sí, básicamente (*simplification alert*) la flechita que comentaba antes puede cambiar a medida que el fotón avanza. Puede cambiar de longitud, puede girar en la dirección paralela al desplazamiento... o puede girar en el plano transverso al de desplazamiento. Este último giro se conoce como el modo B.

En la siguiente imagen vemos las direcciones que indican cómo giran las flechitas, superpuesta sobre el mapa de inhomogeneidades de temperatura en una región del espacio. Fijáos en cómo hacen espirales en algunos sitios, y cómo se correlacionan entre sí las flechitas y los cambios de temperatura.


El modo B de polarización puede haber surgido por colisiones de la materia entre sí, pero entonces no se apreciarían estas correlaciones, y lo que es más importante: no sería tan fuerte. Porque los modos B que se han medido son tan energéticos que solo un evento tan violento como la expansión extremadamente rápida de la inflación puede haberlos producido.
Además, dentro del modelo teórico, lo que produce la imprenta de los modos B en el fondo de microondas son las ondas gravitatorias. Estas ondas son una de las predicciones de la teoría de la Relatividad de Einstein que aún estaban sin comprobar. Más aún, para que haya inhomogeneidades en ellos al igual que las hay en el campo de temperaturas, las fluctuaciones cuánticas también deben de influirles.

Así que ya para acabar: lo que se ha observado en la polarización es algo que, de una sentada, nos confirma muchas ideas teóricas que se habían ido introduciendo, pero que hasta ahora no tenían ninguna base de que fueran reales. Concretamente, nos:
  1. informa de que hubo una expansión inflacionaria.
  2. da la escala de energías a la que ocurrió la Inflación (que coincide con lo esperado teóricamente).
  3. confirma que existen las ondas gravitatorias.
  4. dice que hay fluctuaciones cuánticas en la gravedad.
Ahora, a ver si conseguimos convencer entre todos a los gobiernos, o a alguien con dinero, de que financien la construcción de un detector de ondas gravitatorias, lo cual podría darnos muchos más detalles sobre este asunto. La NASA tenía previsto construir uno, pero entonces vino Obama y decidió que sería más fructífero invertir ese dinero en construir un par de aviones de combate más, que a lo mejor no tienen suficientes...

Para acabar, una aclaración: En ciencia no se puede hablar de un descubrimiento hasta que otro grupo de personas con un instrumento diferente haya hecho la misma observación. Dado lo modesto que era el equipo con que contaba el BICEP2, esta confirmación no debería tardar mucho en venir. Dicen que antes de fin de año. Todos estamos celebrándolo ya porque parece bastante seguro, pero siempre hay que andarse con cautela y un poco de escepticismo.

*Este es el punto que tiene algo que ver con mi campo de investigación.