Nuevo modelo del cosmos: El universo que vuelve a nacer

Inicialmente se atribuyó a las ondas gravitacionales la causa para las ondulaciones en esta fotografía de la Vía Láctea, pero posteriormente las mediciones mostraron que el polvo cósmico pudo crear el mismo efecto. Crédito: ESA/Colaboración Planck.

El fracaso hasta ahora en la búsqueda de ondas gravitacionales ha hecho que varios cosmólogos se pregunten si la teoría “inflacionaria” del Big Bang es correcta. Lo explica Michael D. Lemonick.

El 17 de marzo de 2014, el “Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics” celebró una conferencia de prensa para anunciar un “importante descubrimiento”. No era exagerado: un equipo de astrofísicos había encontrado pruebas de ondas gravitacionales de cuando el Universo era casi inefablemente joven

Era la confirmación más potente de la teoría de la inflación, nacida 30 años antes, que explica por qué el cosmos es tal y como lo vemos. La distribución de galaxias, las proporciones relativas de materia ordinaria y materia oscura, la curvatura del espacio-tiempo, el hecho de que el cosmos tiene esencialmente la misma apariencia en todas direcciones – todo esto puede comprenderse si se asume que la totalidad del Universo visible se expandió durante un brevísimo intervalo desde un tamaño semejante al de un protón hasta el de un pomelo con una velocidad superior a la de la luz. Esto ocurrió cuando el Universo tenía una edad inferior a mil millones de billones de billones de segundo. En palabras del cosmólogo Joel Primack de la Universidad de California, Santa Cruz: “Jamás una teoría tan bella ha resultado errónea”.

Evidentemente, se había probado que la teoría era correcta. Utilizando un telescopio de microondas exquisitamente sensible llamado BICEP2 y ubicado en el Polo Sur, John Kovac de Harvard y un equipo de observadores detectó un giro en la orientación de las microondas generado unos 300.000 años tras el Big Bang. Conocido como polarización de modo-B, había sido predicho por la teoría de la inflación. La fantástica energía liberada por el Universo en inflación habría deformado el espacio-tiempo en sí mismo.

Otras teorías alternativas acerca de cómo se creó la estructura del Universo – como la desarrollada por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton – no predecían estas ondas. “Si esto es correcto, hemos terminado”, comentó Steinhardt. Él había sido uno de los pioneros de la teoría de la inflación pero abandonó en favor de su propia teoría.

El anuncio en la conferencia de prensa de Harvard resonó con titulares en la prensa de todo el mundo. “Las ondas gravitacionales revelan la prueba definitiva del Big Bang”, anunciaba el New York Times. “El descubrimiento de ondas gravitacionales primordiales proclaman una nueva era de la física”, titulaba The Guardian. Como en casi todas las noticias que se publicaron ese día, no faltaba la diligente advertencia de que “los resultados requerirán confirmación…”, aunque pasaba desapercibida en medio del triunfante tono de los artículos.

Al cabo de unos días los reporteros desearon haber sido más que meramente diligentes. El estudio científico de Kovac (anunciado online en arXiv – un foro de trabajos pendientes de publicación) no se publicó hasta la conferencia de prensa. Una vez otros astrofísicos le echaron un vistazo, empezaron a desconfiar. Las ondas gravitacionales primordiales no son la única cosa que pueden polarizar las microondas. Las turbulentas nubes de polvo de la Vía Láctea también pueden provocarlo – “schmutz”, lo llamó David Spergel de Princeton, que en yiddish significa “suciedad”.

A medida que más físicos independientes fueron escrutando detenidamente el estudio, fue creciendo el escepticismo sobre si el equipo de Harvard había visto ondas gravitacionales. Finalmente, en febrero de 2015, un análisis combinado de datos del equipo de Kovac de BICEP2; el Keck Array (ubicado al lado de BICEP2 en el Polo Sur); y Planck, el observatorio espacial de la Agencia Espacial Europea, aclaró todas las dudas. “Lo que vemos”, declaró Kovac, “no es compatible con ondas gravitacionales inflacionarias”.

Esto no significa en absoluto que la inflación haya muerto. Lo que detectaron esos tres sensibles instrumentos también es compatible con las ondas inflacionarias escondidas entre el polvo. Además, la inflación no es una sola teoría: es una serie de teorías y muchas de ellas predicen ondas gravitacionales con una magnitud 10 veces inferior a la que cualquier instrumento actual es capaz de detectar. “¿Que si estoy preocupado?”, se pregunta el teórico Andrei Linde de la Universidad de Stanford, uno de los fundadores de la teoría de la inflación, “¿por qué debería estarlo?”.

Pero para un pequeño grupo de astrofísicos teóricos, el fracaso en la detección de ondas gravitacionales alienta una teoría alternativa para el nacimiento del Universo. Conocida como el modelo cíclico, la propusieron por primera vez Steinhardt de Priceton y Neil Turok de Cambridge (ahora director del “Perimeter Institute for Theoretical Physics” en Canadá). Actualmente está liderada por varios teóricos principalmente de EE.UU. y Reino Unido. La teoría propone que el Universo visible ha sufrido fases alternativas de expansión y contracción – quizás eternamente.

Este modelo cosmológico explica todo lo que sabemos del Universo igual de bien que la inflación. Sin embargo, uno de los puntos de desencuentro es que las ondas gravitacionales primordiales no forman parte del modelo cíclico.

Aunque la mayoría de físicos no son en absoluto partidarios de abandonar la inflación, tampoco descartan que esta bella teoría acabe resultando errónea. “Paul tiene varias preocupaciones acerca de la teoría de la inflación, que creo que son comprensibles”, comenta Charles Bennett, un físico experimental en la Universidad de Johns Hopkins.

Joanna Dunkley, una cosmóloga de la Universidad de Cambridge, está de acuerdo con que el hecho de no haber detectado ondas gravitacionales “debería hacernos plantear más seriamente si la inflación es la única opción”.

“Creo que la mayoría de la comunidad está centrada en los modelos inflacionarios, y que en parte se trata de una moda”, agrega David Spergel, colega de Steinhardt en Princeton.

La moda explica quizás una pequeña parte de este interés, pero no completamente. Cuando emergió la teoría de la inflación en la década de los 80, la forma en que resolvía una serie de problemas que habían atormentado a los cosmólogos desde el descubrimiento del fondo de radiación de microondas en 1964 resultó asombrosa. En aquel momento, había dos teorías compitiendo para explicar el nacimiento del Universo. Una era la teoría del estado estacionario, que afirmaba que el Universo siempre se había estado expandiendo, y que se va creando nueva materia para llenar el vacío de la materia que se desintegra. 

La otra teoría era el Big Bang, bautizada irónicamente por el astrónomo inglés Sir Fred Hoyle para ridiculizarla – él era uno de los defensores del Estado Estacionario. La idea original es que el Universo nació a causa de la violenta expansión de una nube de gas extremadamente densa y caliente (una versión moderna sostiene que empezó a partir de una singularidad – un punto de proporciones sub-atómicas) que se ha estado expandiendo desde entonces. Si esto es cierto, entonces la brillante luz generada por esa explosión debería estar presente todavía, como un eco, a lo largo del Universo – aunque la expansión del universo habría estirado la luz hacia la región de las microondas del espectro electromagnético.

En 1964, los radioastrónomos Arno Penzias y Robert Wilson de los Laboratorios Bell Telephone en Nueva Jersey, se tropezaron con esa ancestral luz de microondas. Estaban experimentando con la gigante antena de radio del laboratorio Bell – originalmente construida para seguir satélites – intentando reconfigurarla para observar el Universo. Pero una molesta y misteriosa frecuencia de microondas arruinaba una y otra vez su esfuerzo provocando interferencias en la antena. Una vez los dos investigadores descartaron otras explicaciones (incluyendo excrementos de palomas) sugirieron que esa interferencia tenía su origen en el cosmos. Paralelamente, a sólo una hora en coche hacia el oeste, Robert Dicke y otros físicos de la Universidad de Princeton estaban organizando la búsqueda de microondas del Big Bang. Penzias y Wilson se enteraron del proyecto de Dicke y llamaron durante una de sus reuniones de equipo. Como recuerdan los que estaban presentes, Dicke escuchó pacientemente y tras colgar dijo: “chicos, se nos han adelantado”.

Neil Turok defiende la visión cíclica del Universo. Crédito: Peter Power.

Ambos grupos publicaron sus resultados simultáneamente en The Astrophysical Journal en 1965 (aunque sólo Penzias y Wilson consiguieron el Nobel). El descubrimiento decantó firmemente la balanza a favor de la teoría del Big Bang.

Los cosmólogos se lanzaron a estudiar el fondo de microondas en detalle – era la primera visión de nuestro Universo cuando sólo tenía 400.000 años. Resultó ser un lugar misterioso. Por una parte, les impresionó la asombrosa uniformidad de su temperatura – rondando los 2,725º por encima del cero absoluto, variando no más de una parte en 100.000 en cualquier dirección, independientemente de la región del cielo que se observara. Se pensaba que la turbulenta nube de gas súper caliente donde emergió el Universo mostraría áreas significativamente distintas en cuanto a temperatura y densidad y eso se reflejaría en la estructura del Universo temprano.

Otro problema era que mientras el Universo de 400.000 años era tan liso y uniforme como la piel de un bebé, el Universo maduro está surcado por objetos como las galaxias. ¿Pero cómo emergieron estas estructuras?

A los físicos les preocupaba asimismo la topología aparente del Universo primigenio. A gran escala, sus mediciones mostraban que parecía geométricamente “plano”. Y no estaba claro por qué los monopolos – partículas con carga magnética norte o sur pero no ambas – jamás se habían encontrado.

Los cosmólogos se devanaron los sesos durante más de una década. Luego, en 1980, un joven físico llamado Alan Guth se dio cuenta de que todos estos enigmas desaparecían si un Universo del tamaño de un protón hubiera experimentado una expansión ultra-rápida en sus primeros instantes.

Un comienzo con el tamaño de un protón que súbitamente se hincha explicaba la uniformidad del Universo. Habría crecido tan rápido que no hubiera dado tiempo para que las fluctuaciones deformaran el tejido del espacio-tiempo.

Por otro lado, el hecho de que al principio todo el Universo fuera sub-atómico lo hizo susceptible a efectos cuánticos como la “incertidumbre” – un estado en el que las variables físicas pueden fluctuar de forma impredecible. Estas fluctuaciones cuánticas al azar fueron la semilla de las variantes que originaron objetos como las galaxias.

Finalmente, la inflación explicaba por qué el cosmos visible tiene una apariencia tan plana. Quizás empezó con una significativa curvatura como la superficie de un globo. Imagina que eres una mosca balanceándose sobre una bola. De repente, se expande hasta el tamaño del Sol. Todavía te encuentras sobre una superficie curva, pero ahora parece que sea totalmente plana hasta donde puedes ver. Sin la rápida expansión, el globo no se habría dilatado suficientemente como para crear esta apariencia de superficie plana.

La versión de la inflación de Guth dejó algunas lagunas, pero fueron llenadas por Linde, convirtiendo la teoría en un robusto conjunto de predicciones que los cosmólogos han puesto a prueba desde entonces.

Había un problema, sin embargo.

“Descubrimos que al principio habíamos malentendido algo”, afirma Steinhardt, uno de los pioneros de la teoría de la inflación. “Pensamos que la inflación era esencialmente la historia de cómo se había extendido el Universo. Y luego pensamos que añadiendo un poco de mecánica cuántica para explicar por qué el Universo no es completamente uniforme – por qué tiene galaxias y cúmulos de galaxias – tendríamos una teoría consistente”.

No obstante, “un poco de mecánica cuántica” es algo que no existe, dice Steinhardt. “La física cuántica produce fluctuaciones constantemente en todas las formas de energía, incluyendo la energía que provoca la inflación, de modo que ésta termina un poco más tarde en unos lugares que en otros”.

Steinardt y otros pronto se dieron cuenta que la incertidumbre cuántica complicaba las cosas.

En nuestra región del Universo, por ejemplo, la inflación se detuvo hace miles de millones de años, pero en otras regiones aún sigue adelante. Dada la vertiginosa tasa de inflación, estas regiones serían ahora inimaginablemente grandes – como si pedazos de la bola original se hubieran hinchado formando gigantescas protuberancias, mucho más grandes que la original. “Esto ocurrirá una y otra vez”, explica Steinhardt. Linde, el principal impulsor de esta idea, le llama “inflación caótica”, o “inflación eterna”. Esto significa que nuestro propio Universo visible es sólo una región de un multiverso mucho más grande – una región dentro de otra región, hasta el infinito – y cada uno de estos mundos podría tener sus propias leyes físicas. “El multiverso explorará todas las propiedades y posibilidades físicas concebibles y producirá cualquier resultado concebible”, afirma Steinhardt.

Y aquí viene el problema. “¿Qué se puede predecir desde esta teoría?”, pregunta Steinhardt. “Nada. Literalmente nada, ya que todo lo físicamente posible ocurrirá”. Y lo peor es que, dado que existe un número infinito de regiones con infinita variedad de leyes y constantes físicas, la pregunta fundamental que los físicos han estado intentando responder desde Aristóteles – ¿por qué el Universo es como es? – carece de sentido. Es así porque el Universo contiene todas las posibilidades a la vez. Nuestra región es como es porque es la parte en la que habitamos. Esto se conoce como el principio antrópico, que esencialmente dice que no hay explicación para nada, fastidiando así el espíritu científico. Ello no significa que este principio sea erróneo, pero los físicos tienden a aborrecerlo.

Además, hay un segundo problema. “Resulta notable tener una teoría que describe la realidad de acuerdo con las observaciones de un modo tan elegante”, comenta Spergel. “Pero no explica cómo se llegó a esa fase”. En otras palabras, puede que la inflación haya sucedido, pero nadie sabe cómo empezó. Los teóricos de la inflación dicen que es un problema a solucionar más adelante, pero según Steinhardt “sigue siendo un gran problema, porque creemos que las condiciones bajo las cuales puede aparecer la inflación son muy, muy raras”. A menos que creamos en la existencia de un Creador, estamos en una posición bastante incómoda.

Existe un tercer problema: la energía oscura. En 1999 los cosmólogos observaron que esta misteriosa fuerza está expandiendo el universo de forma acelerada. La teoría de la inflación, concebida en los años 80, era felizmente inconsciente de la existencia de esta fuerza.

“Fue una sorpresa total”, recuerda Turok, del Perimeter Institute. “La inflación ya era un parche añadido al Big Bang, y luego tuvimos este nuevo parche, que no tenía nada que ver con la inflación”. Turok dice que hay que tener en cuenta que la inflación fue dominante en los primeros instantes del Universo, luego se desvaneció – y la energía oscura (muy débil comparada con la energía de la inflación) emergió al cabo de miles de millones de años dominando el Universo.

Los inflacionistas consideran que la energía oscura es algo completamente distinto de la inflación – una segunda fuerza expansiva que sólo fue significativa después de muchos miles de millones de años después de la desaparición de la inflación. Tener que explicar no una, sino dos fuerzas distintas es una incomodidad para Steinhardt y Turok. “Hay un horrible ajuste fino en el Universo”, afirma Turok.

Para estos dos científicos, la energía oscura había arrebatado a la inflación su deslumbrante belleza. Debía existir una teoría más simple y mejor. Tras varios años de trabajo intensivo, diseñaron el modelo cíclico.

Paul Steinhardt es otro insurgente que cuestiona la teoría de la inflación. Crédito: Beverly Schaefer.

En el modelo cíclico, la inflación no desaparece repentinamente tras la creación del Universo para volver más tarde. En vez de esto, es la energía oscura – la cual podemos observar, al contrario que la inflación que es teórica – la que causa la expansión inicial del Universo y continúa el proceso, expandiendo el Universo a lo largo del tiempo.

En última instancia también invierte su dirección, una posibilidad que otros teóricos habían considerado antes de la propuesta del Universo cíclico. La inversión se produce durante un largo tiempo – quizás durante 10⁵⁰⁰ años. Pero eventualmente el Universo colapsa en un minúsculo tamaño (el modelo no especifica la medida, pero es mucho más grande que la que propone el modelo inflacionario). Después la energía oscura invierte de nuevo su dirección, el Universo empieza a expandirse, y se inicia un nuevo ciclo. “En este modelo”, afirma Turok, “no hay inflación, y la energía oscura no es un extraño parche: es esencial”.

Con su propuesta de un Universo que se expande durante miles de millones de años, para luego contraerse y volverse a expandir, quizás durante infinitas veces, la teoría de Steinhardt y Turok aborda muchos de los misterios que la inflación parecía resolver.

Por ejemplo, debido a que el cosmos ha sufrido muchos, muchos ciclos, ha tenido tiempo de sobras para que las distintas zonas alcanzaran el equilibrio térmico, de modo que resuelve la cuestión de que lugares muy alejados del Universo visible parezcan esencialmente iguales. Y la “planitud” topológica del Universo visible emergería, no de una expansión ultra-rápida sino del efecto de la energía oscura durante la contracción. El cómo se produce exactamente la inversión es algo que Turok y Steinhardt no han solucionado todavía. “Se está realizando un gran esfuerzo en este campo ahora mismo”, explica Steinhardt, “hay distintos enfoques para estos rebotes, pero todos tienen en común que son procesos continuos, o sea que no puede ocurrir algo demasiado loco mientras te encuentras en uno de ellos” – por ejemplo, nada tan loco como una singularidad en la que la densidad se hace infinita y se rompe la física – 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 directa y plausible que el modelo inflacionario, también son conscientes de que no basta con apartar a sus colegas de la inflación. Ambas teorías encajan muy bien con las observaciones, y ni Steinhardt ni Turok están preparados para afirmar que el modelo cíclico es claramente mejor. Pero hay una observación que podría suponer el desempate. Las ondas gravitatorias son predichas por la inflación; el modelo cíclico dice que no deberían existir.

Si el telescopio BICEP2 hubiera encontrado realmente la señal que los científicos anunciaron la pasada primavera, hubiera significado el fin para las ideas de Steinhardt. El no haberlo hecho debería animar a otros físicos y astrofísicos a echarle otro vistazo al modelo cíclico.

Para Steinhardt, la cosmología está experimentando un reto comparable al que se enfrentaron los astrónomos a mediados del siglo XVI. La visión de Ptolomeo del Sistema Solar con la Tierra en su centro era el modelo imperante, pero fue cuestionada por la teoría copernicana que situaba al Sol en el centro. “Copérnico podía explicar varias cosas conceptualmente que Ptolomeo no podía contestar”, dice Steinhardt, “y viceversa”. Fue solo cuando Kepler se dio cuenta de que los planetas siguen un recorrido elíptico en vez de circular, que se impuso definitivamente el modelo copernicano. Según Steinhardt estamos ante un momento Kepler.

La mayoría de físicos no están del todo preparados para esto. “Todavía es posible el gran descubrimiento de ondas gravitacionales con datos del BICEP2 y Planck”, opina Joanna Dunkley de Cambridge. “No es que BICEP2 no tenga ninguna señal, es sólo que esta señal parece provenir del polvo en vez del Big Bang”. Mientras los astrónomos siguen refinando sus observaciones del polvo, cada vez les será más fácil sustraer la señal del polvo electrónicamente y ver si hay verdaderas microondas primordiales tras él – de un modo semejante a cuando observan tenues galaxias a través de la atmósfera de la Tierra.

E incluso si no emerge ninguna señal de la inflación detrás del polvo, las ondas podrían estar ahí igualmente, más allá de los límites de los actuales detectores. “Existe un espectro muy amplio de posibilidades acerca de la intensidad de las ondas gravitacionales”, afirma Guth.

Esto podría cambiar en los próximos años, mientras se siguen analizando los datos del satélite Planck y otros detectores terrestres continúan su vigilancia en busca de señales del Universo primigenio. Estos incluyen el detector SPIDER, que acaba de completar una vuelta alrededor de la Antártida; el Telescopio Cosmológico de Atacama, el experimento POLARBEAR y el “Cosmology Large Angular Scale Surveyor” en Chile; el Telescopio Polo Sur; el Keck Array del grupo de Harvard, y otros. Todos ellos buscan luz polarizada – algunos rastreando regiones del cielo más grandes con menor detalle, otros analizando pequeñas regiones más intensivamente. “Es mucha la gente pensando en nuevas formas de medir esta minúscula señal”, comenta Lyman Page, un colega de Steinhardt en Princeton, “y llevamos años pensando en ello”.

“Cada instrumento realizará valiosas observaciones independientemente”, explica Bill Jones, un físico de Princeton que trabaja en el experimento SPIDER. “Es una especie de fuerza multiplicadora en el sentido de que podemos aprovechar los distintos puntos fuertes de cada experimento para realmente captar la señal.

Como la mayoría de sus colegas, Jones reconoce que los modelos cíclicos son interesantes – incluso intrigantes. Pero añade: “creo que cuando la mayoría de cosmólogos se levantan por la mañana, todavía creen que algo como la inflación tuvo lugar”.

Steinhardt, Turok y otros defensores del modelo cíclico se sienten cómodos con esta realidad. Por ahora.

Fuente: Cosmos