Ya lo dijo Max Planck. No podemos conocer el tiempo en el que todo comenzó –el tiempo cero, si lo hubo-, cuando las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza –gravedad, electromagnetismo y las fuerzas subatómicas fuerte y débil- estaban unificadas en una sola, según la Teoría del Todo. Describir el Universo antes del tiempo que estableció el físico alemán -10-43 segundos- es imposible con la Física actual. Pero en una fracción de segundo después, el Universo se expandió y se enfrió y la gravedad se separó de las otras tres interacciones. Fue un momento crucial: se produjo un cambio brusco en las condiciones iniciales y, con él, una explosión que liberó enormes cantidades de energía y aceleró la expansión del Universo. En este proceso, que el cosmólogo estadounidense Alan Guth bautizó en 1981 con el nombre de “Inflación” –la primera etapa tras el “Big Bang”, que supuestamente dio origen al Universo-, se habría creado toda la materia y energía cósmicas. Reconstruir esos instantes iniciales es una de las obsesiones científicas de Sabino Matarrese, físico teórico de la Universidad de Padua (Italia). Este científico abrió hoy, en el centro de congresos del Puerto de la Cruz (Tenerife), la XIX Escuela de Invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), con un curso sobre “El Universo Inflacionario”.
Todas las culturas de todos los tiempos han intentado explicar el Universo a gran escala, es decir, como un todo, al igual que su origen y evolución. Estas interpretaciones fueron muy respetables en su tiempo, pese a lo ridículas que algunas puedan parecernos hoy en día, bajo una perspectiva moderna. Ahora, los modelos cosmológicos son representaciones posibles del Universo que se expresan por lo general mediante ecuaciones matemáticas. La teoría del Big Bang es uno de ellos, el más aceptado por la comunidad científica. De hecho, los astrónomos se refieren a él con la expresión Modelo Estándar del origen del Universo, aunque para atar algunos cabos sueltos se ha incorporado un nuevo concepto: la Inflación o el crecimiento extraordinario que registró el Universo una fracción de segundo después de la gran explosión inicial.
Pero ¿qué hacía el Universo antes de expandirse? “Si esta pregunta –responde Matarrese- se refiere a la aceleración de la expansión durante la Inflación (en el universo temprano), la respuesta correcta es que no hubo ninguna época anterior a la Inflación”. En Cosmología, la reconstrucción de los hechos sólo puede hacerse hasta el “tiempo de Planck” (10-43 segundos), la unidad más pequeña de tiempo que tiene sentido físico.
“De acuerdo con la actual visión de la historia del Universo, basada en el paradigma de la Inflación, no hubo –advierte Matarrese- nada parecido a un verdadero principio del tiempo. El Universo (global) siempre ha estado ahí, igual que en el modelo del Universo Estacionario, un modelo pasado de moda”. Pero añade: “Por otro lado, las observaciones nos dicen que nos ha tocado vivir en una región local de un gran universo global que, tras haber sido sometido a la Inflación (es decir, tras pasar por un crecimiento exponencial en todas las escalas), se ha recalentado, por lo que toda la materia y la radiación que conocemos ha sido ‘regenerada’. En tal espacio local del Universo, para muchos propósitos prácticos, podemos seguir diciendo que hubo un principio del tiempo, un Big Bang.”
EL UNIVERSO INFLACIONARIO
La teoría del Big Bang sostiene que el Universo dio comienzo hace unos 13.000 millones de años, cuando un único punto llamado “singularidad”, de materia infinitamente densa e infinitamente caliente, hizo explosión, emitiendo una inmensa cantidad de energía. En aquel momento cercano al origen, todo era homogéneo y no se podían distinguir las partículas entre sí. Las cuatro fuerzas de la naturaleza también eran equivalentes y la materia y la radiación estaban en equilibrio. A temperaturas tan elevadas, el número de procesos de desintegración entre cada partícula y su antipartícula era idéntico al número de procesos de creación de éstas a partir de fotones.
El Universo sufrió un enfriamiento progresivo y la materia, a medida que el tamaño del Universo iba creciendo, fue pasando por transiciones de fase, cambios bruscos en las propiedades al sobrepasar cierto valor crítico, como sucede en un cambio de estado físico. Tras el rápido crecimiento exponencial de la Inflación, tan sólo trillonésimas de trillonésimas de segundo después del origen, producido por la “energía del vacío” (energía de fondo existente en el espacio incluso en ausencia de todo tipo de materia), la expansión del Universo volvió a adquirir su ritmo normal.
La teoría de la Inflación se propuso para dar respuesta a algunas cuestiones pendientes de la cosmología del Big Bang, como justificar la uniformidad a gran escala del universo observado y hacerla compatible con la “distancia del horizonte” (el límite hasta donde puede haber llegado una señal luminosa desde el principio del Universo). Si el modelo inflacionario es correcto, el universo que vemos se limita a una porción muy pequeña de cuanto es en su integridad.
Si bien no todos los científicos apuestan por la realidad de la Inflación, teoría que consideran arriesgada y a falta de pruebas aún más firmes, Matarrese, en cambio, lo tiene claro: “La teoría del Universo Inflacionario es extremadamente sólida y en eso todos sus competidores fallan por completo a la hora de predecir lo que observamos (es el caso de la teoría basada en las Cuerdas Cósmicas), o se presentan, de hecho, muy similares a la Inflación. El mejor argumento a favor de la Inflación son las perturbaciones que observamos como anisotropías en la temperatura del Fondo Cósmico de Microondas.” Precisamente para hablar de la relación entre estas observaciones y el Universo Inflacionario, este investigador participa en la Escuela de Invierno del IAC (Canary Islands Winter School of Astrophysics), que este año lleva por título “El Fondo Cósmico de Microondas: de las fluctuaciones cuánticas al universo actual”.
La radiación que recibimos del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, de sus siglas en inglés) no procede de estrellas ni de galaxias, sino del fondo oscuro que vemos, de ahí su nombre, y es la luz emitida unos 300.000 años después del Big Bang. Se trata, por tanto, de una radiación fósil procedente de la época más primitiva del Universo, con una temperatura de sólo unos tres grados sobre el cero absoluto y que ahora nos llega muy debilitada, principalmente en forma de pequeñas ondas de radio (microondas). Aunque aparentemente homogénea, esta radiación no es igual en todas las direcciones, como demostraron el satélite COBE y el Experimento de Tenerife en el Observatorio del Teide hace más de una década. Por el contrario, presenta pequeñas variaciones en su temperatura según las distintas direcciones de observación (anisotropías o inhomogeneidades, en el lenguaje de la ciencia). De ahí que el estudio de esta radiación nos puede ayudar a comprender cómo el universo primitivo se transformó en el que ahora vemos y a concluir que la actual distribución de galaxias, en forma de cúmulos y supercúmulos, vacíos y demás estructuras, es el resultado de variaciones infinitesimales en la radiación de materia en una época muy temprana del Universo.
LA PARTÍCULA‘INFLATÓN’
“Sea lo que sea lo que ocurriese (si es que ocurrió algo) antes de la Inflación –explica Matarrese-, ha sido completamente eliminado por la dominación de la energía del vacío durante la Inflación. Esto se denomina Teorema del 'no pelo' cósmico [efecto que implica la pérdida de toda la información de un cuerpo en colapso desde la región exterior a ese cuerpo]: si hay algo actuando como energía de vacío, todos los demás ingredientes cósmicos serán finalmente eliminados”. Sin embargo, como señala Matarrese, “la Inflación generará las semillas de la formación de la estructura cósmica y de las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas, así como ondas gravitatorias desde las oscilaciones cuánticas del estado de vacío”. Y añade: “Hacia su final(que ocurre más o menos alrededor de 10-33 segundos después de lo que solemos llamar ‘Big Bang’), el campo escalar [forma especial que pudo adoptar la materia en el universo primitivo, la cual no vemos, como sucede con el campo electromagnético de la Tierra, y que pudo contener una gran energía] causado por la Inflación (llamado ‘inflatón’) da lugar al ‘recalentamiento’ del Universo durante el cual fueron creadas la materia y la radiación. De este modo, al final de la Inflación, tenemos un Universo local que parece muy homogéneo e isotrópico, con geometría casi plana y dotado de diminutas irregularidades, que coinciden con las semillas para la posterior formación de la estructura cósmica, etc.”
Según este modelo inflacionario, el universo primitivo era muy simple, dominado por el inflatón como única partícula, la que da lugar a la Inflación, y donde las únicas variaciones significativas resultan de débiles fluctuaciones cuánticas con ella. En un universo en expansión normal, la densidad de la materia se reduce, lo que no sucede con el campo escalar y su energía. Esto significa que el espacio se dilata con más rapidez y durante más tiempo, fenómeno observado en la Inflación. El campo escalar también pierde energía con el tiempo, desintegrándose y produciendo partículas normales. Es entonces cuando aparece un universo caliente como contempla la teoría clásica del Big Bang.
“Los experimentos del Fondo Cósmico de Microondas pueden -según Matarrese- informarnos de la escala de energía de la Inflación, que muy probablemente sea la escala GUT [la escala de distancia en la que las tres interacciones se igualan según la Teoría de la Gran Unificación (GUT, de las siglas en inglés)]. Podemos comprobar esta escala con la polarización del Fondo Cósmico de Microondas [pequeña orientación en la radiación como resultado de su interacción con los electrones], buscando ondas gravitatorias primordiales”. Estas ondas supuestamente fueron generadas durante la Inflación, tal y como predice la teoría de la Relatividad General de Einstein. “En muchos aspectos –subraya Matarrese-, éste es el mayor reto de los futuros experimentos del CMB y nos dará una prueba única de la escala GUT.”
LA MISIÓN PLANCK
Si pretende acercarse a la “época de Planck”, el período de tiempo más temprano en la historia del Universo, no podía llamarse de otra manera. La misión Planck, que la Agencia Europea del Espacio lanzará el 31 de julio de 2008 y en la que el IAC participa con un instrumento, está diseñada para estudiar el origen y la evolución de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas. Será la tercera misión espacial en este campo tras los satélites COBE y WMAP, aunque tecnológicamente más avanzada.
Como miembro del equipo de Planck, Matarrese considera que esta misión brindará una oportunidad única para obtener numerosas respuestas que son fundamentales para la Cosmología. “En primer lugar –apunta-, nos proporcionará una determinación de alta precisión de la mayoría de los parámetros cosmológicos así como de algunas propiedades de las partículas elementales. Y en segundo lugar, Planck nos ofrecerá información muy importante sobre las llamadas ‘anisotropías secundarias’ [las variaciones en la temperatura de la radiación del CMB que son generadas por la interacción de la radiación con la materia en el tiempo que va desde la recombinación, cuando se forman los primeros átomos estables de hidrógeno y helio, hasta ahora], las cuales nos dan una comprensión cuantitativa de la estructura a gran escala del Universo.”
“Personalmente –comenta Matarrese-, yo añadiría a esta lista mi interés específico en el posible conocimiento de la llamada 'no-Gaussianidad' de las perturbaciones primordiales, es decir, las desviaciones de las estadísticas posibles más simples de las semillas primordiales. La posible presencia de no-Gaussianidad primordial tendría una importancia enorme para nuestro conocimiento de la naturaleza de la Inflación y del proceso que genera las perturbaciones.”
A lo largo de las dos semanas de la Escuela de Invierno, los medios de comunicación tendrán a su disposición toda la información relacionada con la misma (Entrevistas, Fotos y Vídeos), en la página web de Sala de prensa/Press Room de esta Escuela: http://www.iac.es/winschool2007/pages/press-room.php
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Natalia R. Zelman (IAC): nzelman [at] iac.es (nzelman[at]iac[dot]es)
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