Fòssils còsmics

Model cosmològic d'èxit

La cosmologia tracta de respondre a preguntes com l'origen del cosmos, la seva evolució i la seva futura destinació. Per a això són imprescindibles les eines matemàtiques i les observacions experimentals més precises. D'una banda, es basa en la millor teoria de la història per a explicar la gravetat: La de la relativitat general d'Einstein. D'altra banda, en observacions i mesuraments astronòmics cada vegada més precises impulsades pels avanços tecnològics. La combinació de teories i evidències experimentals ha donat lloc a un model capaç de proporcionar una descripció molt precisa de l'univers: el model estàndard de cosmologia [1]. Aquest model, amb un ampli consens en la comunitat cosmològica, ens serveix, entre altres coses, per a disposar de prediccions fiables de les principals característiques de les galàxies o conjunts de galàxies que podem trobar en l'univers.

No obstant això, encara estem molt lluny de conformar un model que arribi a resoldre tots els misteris de l'univers, sobretot perquè encara no s'ha desenvolupat la física que subjeu a certs fets i components fonamentals en la història de l'univers. Per exemple, com va ocórrer el Big bang? Què són l'energia fosca i la matèria fosca? Quina és la física necessària per a explicar la seva existència? Són diverses les preguntes i diverses les línies de recerca obertes a la cosmologia contemporània.

Un jove univers ple de misteri

La majoria dels interrogants i els principals se situen en l'univers jove. Encara tenim una visió molt qualitativa de l'univers primerenc. Per exemple, s'assumeix àmpliament que en els primers moments de l'univers es va produir una expansió espacial exponencial i ràpida, anomenada inflació. La major part de les observacions i mesuraments confirmen la inflació, però no tenim pistes sobre el procés físic que la va provocar. No és tasca fàcil respondre a aquesta mena de preguntes, sobretot perquè són fenòmens ocorreguts fa milions d'anys i les partícules i les interaccions d'aquella època són desconegudes. No obstant això, s'han realitzat molts intents per a comprendre la física en aquests moments. Aquest és un dels objectius principals de l'enorme accelerador Large Hadron Collider (LHC), situat a Ginebra. En ella, en la col·lisió entre els protons accelerats s'ha aconseguit reproduir les energies que es van produir en alguns moments de l'univers jove. Entre altres coses, s'ha demostrat que existeixen noves partícules elementals com la partícula d'Higgs, imprescindible per a comprendre l'univers actual.

No obstant això, en aquests experiments en la Terra, a pesar que hem après molt de sobre la física d'alta energia, estan molt limitats. Clarament, encara es troben molt lluny de les escales energètiques que va haver-hi en els primers moments de l'univers. A més, tenint en compte els recursos i capacitats disponibles, no es preveu que es desenvolupi tecnologia que permeti dissenyar un experiment que repeteixi aquestes condicions. Quina altra via podem utilitzar llavors? La resposta és que, en lloc de repetir fenòmens, intentem trobar pistes de fets reals. En el nostre estudi hem buscat aquestes petjades en els senyals astronòmics que ens han arribat des del jove univers fins nosaltres. Hem analitzat una de les més importants: les anisotropies del fons còsmic de les microones (CMB, per les seves sigles en anglès). Antigament, el CMB és una radiació alliberada quan l'univers era molt jove, que ens ha arribat amb molt pocs canvis fins nosaltres. És gairebé totalment isòtrop, és a dir, similar en totes les direccions, però manté el nucli en petites desviacions respecte a aquesta isotropia: anisotropies. Les anisotropies de la temperatura i de la polarització d'aquesta radiació ofereixen una foto gairebé inèdita de la joventut de l'univers, una font immillorable d'informació.

Figura . Foto d'una xarxa de corda obtinguda en simulacions realitzades en el supercomputador CSCS a Suïssa. Apareix un fragment de caixa que imita les condicions de l'univers. ED. : David Daverio.

Els fòssils còsmics, testimonis de les condicions de l'univers jove

Igual que tenim infinitat de preguntes entorn de l'univers jove, els models que tracten d'explicar-les a través de la física de les partícules són d'altres: uns tenen com a objectiu aclarir els detalls de la inflació; uns altres, explicar la matèria i la formació de l'antimatía... Són models amb diferents vies i desenvolupaments, però amb característiques sovint comunes. Per exemple, en moltes d'elles es produeixen transicions de fase similars a la de convertir el gel en aigua líquida per augment de la temperatura. Conèixer les fases que ha travessat l'univers i com han estat les transicions entre les diferents fases, aclariria el caràcter d'aquesta física que busquem.

Es creu que al final de la majoria de les transicions de fase van sorgir objectes curiosos anomenats “defectes còsmics”. Els defectes són zones d'enorme concentració energètica i des del seu origen han viatjat per l'univers [2]. No són errors o llacunes de la teoria, sinó fòssils còsmics que mantenen les propietats de la fase antiga. Atès que mantenen les característiques de la fase d'alta temperatura en la nova fase, poden aportar molta informació aclaridora sobre la fase antiga: energia del canvi de fase, detalls del procés, etc.

Encara que mai s'ha pogut detectar, una antiga línia de recerca és basar la cerca dels defectes en la resposta als misteris de l'univers jove. D'una banda, la possible detecció seria una gran fita, ja que aclariria la naturalesa de la transició de fases. D'altra banda, afirmar que mai ha existit defensa ens dóna molta informació sobre l'univers jove, ja que hauríem de descartar tots els models que anuncien que existeixen. Sense cap dubte, comprendre la física dels defectes i els fenòmens que els poden desencadenar pot ajudar molt a construir el model més adequat relacionat amb el desenvolupament de l'univers.

En el nostre estudi hem analitzat els anomenats defectes de la corda còsmica. Com el seu nom indica, aquests defectes tenen forma de corda (veure figura 2). Es mouen constantment, es troben i creen cordes de nova forma. Formen xarxes de corda de dinàmica molt complicada, sistemes excessivament complexos d'anàlisi manual. Doncs bé, per a obtenir resultats el més fiables possible, la seva evolució se simula mitjançant tècniques numèriques.

Figura . Representació gràfica del component B de la polarització del CMB. Entorn idoni per a buscar l'existència de components de l'univers jove. ED. : Col·laboració BICEP2/Keck.

Amb el supercomputador suís CSCS hem analitzat les evolucions de diverses xarxes de corda utilitzant caixes que reprodueixen les característiques de les diferents èpoques d'expansió de l'univers [3]. De la mà de les tècniques més avançades de simulació i paralització, hem estat capaces d'augmentar en 64 ocasions la grandària dels simulacres ja coneguts. En cada caixa s'ha analitzat una xarxa de cordes que s'han convertit en petites reproduccions del potencial univers que alberga les cordes. La repetició del procés en diverses ocasions ha permès obtenir les distribucions estadístiques més ajustades de les propietats de les xarxes de corda.

Els resultats dels simulacres han servit per a fer passos significatius en la comprensió de l'evolució cosmològica de les xarxes de corda. Entre altres mesures, s'ha mesurat que les cordes es mouen a velocitats mitjanes molt altes, aproximadament el 60% de la velocitat de la llum. També comprenem millor les interaccions entre cordes, ja que s'han estudiat amb precisió els xocs, els naixements de noves cordes i les maneres de desintegrar-los [4].

En qualsevol cas, l'objectiu principal de la tesi ha estat obtenir amb la major precisió possible les anisotropies que poden generar les cordes en el CMB. Per a això s'han estudiat detalladament les pertorbacions que provoquen els moviments de les cordes, que són les que generen la petjada astronòmica que volem calcular. Per exemple, estudis previs en aquesta matèria desconeixien el comportament de les xarxes i pertorbacions en les transicions entre les diferents expansions de l'univers. Amb les noves simulacions hem superat aquesta situació ja que a més de comprendre-la hem estat capaces de modelizar. Els resultats ens han donat la raó i han demostrat la importància d'aquest procés per al càlcul de pertorbacions i anisotropies del CMB. Es calcula que l'amplitud del senyal generat per les xarxes de corda, tant a temperatura com a polarització, és un 30% superior a la que s'esperava en la nova modelització.

Amb l'ajuda de les simulacions més grans de tots els temps, hem fet nous passos en el coneixement de les cordes còsmiques, coneixent millor la seva dinàmica i l'efecte que poden causar en el CMB. Creiem que s'ha facilitat el camí per a demostrar experimentalment en el futur l'existència d'aquests curiosos objectes.

Seran anys decisius perquè els que vinguin aconsegueixin evidències de l'existència de defenses i coneguin més a fons l'univers jove. Els mesuradors de nova generació col·locaran el focus en aquests fenòmens. Els avanços tècnics permetran detectar el component B de la polarització del CMB encara sense mesurar [5]. Serà el jutge perfecte de la inflació i dels models defectuosos, ja que la inflació i els defectes originen una polarització de tipus B amb una forma especial i característica.

Figura . Interferòmetre espacial LISA aprovat per l'Agència Espacial Europea (AQUESTA). El seu objectiu serà mesurar amb la major precisió possible les ones gravitatòries de diferents freqüències. S'espera que l'any 2030 es posi en òrbita i comenci a recollir dades. ED. : AEI/Milde Màrqueting/Exozet.

D'altra banda, també estaran en marxa els experiments destinats a detectar ones gravitatòries (com LISA [6]). Les ones gravitatòries es produeixen en processos gravitatoris molt violents, com no podia ser d'una altra manera en els processos de l'univers jove. Per la seva alta energia, els defectes són també candidats forts per a ser font d'ones gravitatòries. No obstant això, el pas del temps ha afeblit notablement les ones generades fa temps i un dels majors reptes de la cosmologia experimental actual és la detecció de les ones de l'univers jove. Igual que la polarització B, la detecció d'ones gravitatòries en l'univers d'hora tindrà un lloc destacat en la viabilitat dels nostres models.

Sens dubte, estem en una època inigualable per a donar resposta als misteris de l'univers jove, que estan duent a terme grans esforços experimentals. Les prediccions i els treballs teòrics també exigeixen avanços de la mateixa grandària, i seguirem en això.

Bibliografia

Treball presentat als premis CAF-Elhuyar.