Imagen del principio del Universo (II)

[Estas leyendo la segunda parte de "Imagen del principio del Universo" - Aquí puedes encontrar la primera parte]

El universo revelado

De la misma manera que un músico puede distinguir un Stradivarius de un violín ordinario por la riqueza de sus sobretonos, los cosmólogos pueden diferenciar unos modelos de universo de otros utilizando las frecuencias y amplitudes de los armónicos observados en el espectro de potencias del CMB.

En primer lugar podemos deducir la curvatura del universo formando un triángulo con el tamaño del horizonte en el momento de emitirse la radiación y la distancia hasta la superficie de emisión. La frecuencia del armónico fundamental nos proporcionará el ángulo. El tamaño del horizonte puede conocerse por la velocidad de propagación de las ondas sonoras en el plasma primordial. La distancia hasta la superficie de emisión del CMB puede estimarse para cada modelo cosmológico, pero dentro de un amplio rango de valores razonables es de unos 45000 millones de años luz. Sólo nos faltaría comprobar la suma de los ángulos. Y estos suman 180º con mucha precisión.

Así, los datos del experimento PLANCK confirman algo que ya sabíamos y es que el universo es plano con gran precisión (dentro de un 1%). Puesto que la densidad del universo está relacionada con la curvatura, eso implica un universo con una densidad crítica del orden de 10-29 gramos por cm3, lo que corresponde a unas 10 partículas por m3. Como comparación, el mejor vacío creado en un laboratorio contiene unas 1000 partículas por cm3.

La amplitud del armónico fundamental nos proporciona la profundidad de los “valles”, es decir, la fuerza de la gravedad total, debida a toda la materia presente, incluyendo los protones (bariones) y la materia oscura. Si además recordamos que el segundo y tercer sobretonos está en oposición de fase —con la presión de radiación tratando de dispersar a los protones mientras que el valle gravitatorio está tratando de comprimirlos— la relación entre la amplitud de estos tres armónicos nos proporciona información sobre la proporción de materia bariónica y materia oscura. PLANCK —en combinación con otras observaciones— encuentra que la materia oscura representa un 26% de la densidad crítica del universo y la materia bariónica apenas un 5%.

Ajustando los la densidad de materia (Ωm) y de bariones (Ωb) podemos ajustar la amplitud observada de los picos del espectro de potencias. Fuente: Wayne Hu.

¿Y qué ocurre con el restante 70%? En principio podría ser un misterio si no tuviésemos observaciones independientes de lo que denominamos energía oscura (por ejemplo gracias a  las observaciones de supernovas de tipo Ia) además de otra huella característica en los datos de PLANCK.Como la energía oscura acelera la expansión del universo, los fotones que viajan a través de los valles gravitatorios del tamaño de grandes cúmulos de galaxias, reciben un empujón gravitatorio mayor a la entrada que a la salida, por lo que pierden energía. Ese efecto conocido como Sachs-Wolfe integrado suaviza las variaciones de la temperatura del CMB a grandes escalas.

Los datos de PLANCK muestran ese efecto indicando que es compatible con algo que ya sabíamos de la energía oscura por otras observaciones: que probablemente se trate de la famosa constante cosmológica introducida por Albert Einstein en 1917.

Por si la confianza de los cosmólogos en todo este escenario fuese poca, existe en el propio CMB un test de consistencia del origen de estas oscilaciones acústicas en el modelo estándar cosmológico. Se trata de la polarización de los fotones del CMB  a pequeñas escalas. Vimos anteriormente que las perturbaciones a pequeñas escalas (correspondientes a los picos acústicos por encima del cuarto) están atenuados por disipación. Los fotones tienen muy poco tiempo para interaccionar a esas pequeñas escalas y por tanto conservan cierto grado de polarización provocado por la interacción con los electrones (Thomson scattering). Ese tipo de polarización (modos E) fue observada por el experimento DASI en 2002 y confirmada en experimentos posteriores, con lo que espero que el lector entienda lo robusto que es el escenario teórico descrito hasta ahora.

La sinfonía del nuevo universo

Las observaciones del experimento PLANCK abren la puerta al estudio observacional de los escenarios inflacionarios y de por tanto de los primeros instantes del Big Bang. El proceso de inflación no sólo creó fluctuaciones de densidad, sino en el mismo tejido del espacio-tiempo con el resultado de un fondo de ondas gravitatorias. Estamos muy lejos de poder detectar ese fondo de ondas gravitatorias directamente, pero éste también dejó su huella característica en el CMB en forma de polarización. Las ondas gravitatorias estiran y estrechan las distancias en direcciones perpendiculares creando direcciones preferidas que producen dos tipos de polarizaciones: modos E y modos B. Los modos E pueden tener causas más mundanas, como hemos visto anteriormente, pero los modos B son un sello característico del fondo de ondas gravitatorias.

Las ondas gravitatorias nos darán información sobre la escala de energías a la que se produjo inflación y la amplitud del inflatón, el campo escalar que empujó la expansión del universo durante el periodo inflacionario. También proporcionarán la marca de la casa de este periodo de expansión exponencial: un espectro de de ondas gravitatorias con la misma potencia en todas las escalas.

Posible forma de la energía potencial del inflatón (conocido como nueva inflación). La bolita roja representa la evolución energética del universo. Durante la primera fase el potencial cambia muy poco y se produce poco a poco (slow-roll) la caída de un estado de energía inestable de falso vacío provocando la expansión exponencial del universo. El potencial entonces cambia muy rápido y finalmente el estado del vacío oscila creándose gran cantidad de energía en forma de partículas y radiación. Los modos B de polarización del CMB pueden proporcionar la altura de la curva, mientras que el espectro de potencias de la fluctuaciones de temperatura pueden ayudar a reconstruir la forma de la curva. Estos últimos datos de PLANCK son compatibles con estos potenciales simples y con la propiedad de slow-roll.

El análisis de los datos de polarización de PLANCK es muy complejo y tardará al menos un año en publicarse.

Un acelerador de partículas en el cielo

El modelo estándar cosmológico predice que por encima de unos 10000 grados, la densidad de energía del universo estaba dominada en un 40% por la contribución del neutrinos y en uno 60% por los fotones. ¡Sí, también existe un fondo cósmico de neutrinos!. Pero no podemos medirlo directamente, al menos de momento. Esa contribución depende del número de especies de neutrinos. PLANCK confirma que el número de especies es de 3. Eso en principio parece acabar con las ilusiones de los que confiaban en la existencia de un neutrino estéril como candidato a materia oscura.

La masa de los neutrinos también podría provocar cambios en el espectro de potencias del CMB, por lo que PLANCK también puede poner un límite superior a la suma de las masas de los tres neutrinos en 0.23 eV.

Más allá del modelo estándar cosmológico

Los resultados de Planck avalan el escenario de un universo plano en expansión acelerada con una constante cosmológica. Esas son las noticias aburridas. De hecho el equipo de PLANCK parecía algo decepcionado con no haber hecho descubrimientos que contradigan el modelo estándar, algo con lo que disfruta todo científico que se precie. Pero se trata de un modelo muy simple del universo que tiene que pulir detalles y al menos no faltan indicios de sorpresas.

La primera anomalía encontrada es los datos es que ¡Las fluctuaciones encontradas en la radiación es ligeramente diferente en lados opuestos del cielo!. Aún restando el patrón dipolar debido al movimiento de la Tierra respecto al CMB, PLANCK ha encontrado que podría existir un dipolo intrínseco, es decir, dos lados del cielo que se comportan de manera distinta, un hecho para el que —en caso de ser confirmado— no tendríamos explicación dentro del modelo estándar.

La segunda anomalía es si cabe más interesante. Se trata de una región más fría demasiado grande para que sea resultado del azar.

Ya había sido observada por los WMAP y podría tener varias explicaciones. La “más normalita” podría ser una región vacía de materia de unos 500 millones de años luz de diámetro, lo que sin duda también requeriría una explicación para ser compatible con el principio cosmológico, el postulado de que la distribución de materia es homogénea a escalas tan grandes como esa.

Una explicación mucho más espectacular —y mucho más especulativa— es la posibilidad de que se trate de una impresión dejada por el entrelazamiento cuántico con otras regiones separadas de nuestro universo observable creadas durante inflación. De hecho, en un escenario propuesto por Adrei Linde denominado Inflación Caótica —cuyo potencial de inflatón es perfectamente compatible con los datos de PLANCK— esa regiones denominadas a veces “otros universos” se crean de manera inevitable. Sería el mayor descubrimiento de la historia de la ciencia desde que Galileo apuntó su telescopio a Venus y Júpiter y demostró que Copérnico estaba en lo cierto.

Referencias

6 Comentarios

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Aitor

Buenísimos artículos. Imagino que no, pero solo por quitarme la última duda: ¿De los anillos de Penrose ni rastro no? Saludos.

Pedro J.

Para nada Aitor. De hecho hace un par de años ya hubo una crítica aplastante al análisis de datos del colaborador de Penrose, Vahe Gurzadyan que mostraban su error. En análisis de los datos de variaciones del fondo cósmico en todo un arte muy complejo y seguramente Gurzadyan no conocía suficientemente la disciplina para saber que se estaba metiendo en terrenos pantanosos.

En el blog de Sean Carroll los enlaces y comentarios pertinentes cuando apareció el artículo de Penrose y Gurzadyan.

GerardGerard

Me ha gustado mucho el artículo aunque haya comprendido una pequeña parte por falta de conocimientos de física. Me quedo con el tipo de conclusiones que se pueden sacar del CMB (cuando leí el primer artículo me preguntaba para qué podía servir), como p.ej. conocer el tipo de universo (ahora tengo ell gusanillo de saber en qué consiste cada tipo) y su composición.
Me parece alucinante.
Gerard.

Ontureño

Jo, estos dos artículos son canela fina. Admiten varios niveles de profundidad en su lectura, y creo que tendré que releerlos varias veces para pillar (casi) todos los detalles.

Un trabajo genial, enhorabuena.

renecoreneco

Este tipo de artículos científicos me de dejan con una sensación de vacío cuando no se toma en cuenta al observador como parte integrante y recursiva del sistema que llamamos universo, en la relatividad y en la mecánica cuántica el observador sí toma parte activa en los fenómenos físicos estudiados

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