Fósiles cósmicos

Modelo cosmológico de éxito

La cosmología trata de responder a preguntas como el origen del cosmos, su evolución y su futuro destino. Para ello son imprescindibles las herramientas matemáticas y las observaciones experimentales más precisas. Por un lado, se basa en la mejor teoría de la historia para explicar la gravedad: La de la relatividad general de Einstein. Por otro lado, en observaciones y mediciones astronómicas cada vez más precisas impulsadas por los avances tecnológicos. La combinación de teorías y evidencias experimentales ha dado lugar a un modelo capaz de proporcionar una descripción muy precisa del universo: el modelo estándar de cosmología [1]. Este modelo, con un amplio consenso en la comunidad cosmológica, nos sirve, entre otras cosas, para disponer de predicciones fiables de las principales características de las galaxias o conjuntos de galaxias que podemos encontrar en el universo.

Sin embargo, todavía estamos muy lejos de conformar un modelo que llegue a resolver todos los misterios del universo, sobre todo porque todavía no se ha desarrollado la física que subyace a ciertos hechos y componentes fundamentales en la historia del universo. Por ejemplo, ¿cómo ocurrió el Big Bang? ¿Qué son la energía oscura y la materia oscura? ¿Cuál es la física necesaria para explicar su existencia? Son varias las preguntas y varias las líneas de investigación abiertas a la cosmología contemporánea.

Un joven universo lleno de misterio

La mayoría de los interrogantes y los principales se sitúan en el universo joven. Todavía tenemos una visión muy cualitativa del universo temprano. Por ejemplo, se asume ampliamente que en los primeros momentos del universo se produjo una expansión espacial exponencial y rápida, llamada inflación. La mayor parte de las observaciones y mediciones confirman la inflación, pero no tenemos pistas sobre el proceso físico que la provocó. No es tarea fácil responder a este tipo de preguntas, sobre todo porque son fenómenos ocurridos hace millones de años y las partículas y las interacciones de aquella época son desconocidas. Sin embargo, se han realizado muchos intentos para comprender la física en esos momentos. Este es uno de los objetivos principales del enorme acelerador Large Hadron Collider (LHC), situado en Ginebra. En ella, en la colisión entre los protones acelerados se ha conseguido reproducir las energías que se produjeron en algunos momentos del universo joven. Entre otras cosas, se ha demostrado que existen nuevas partículas elementales como la partícula de Higgs, imprescindible para comprender el universo actual.

Sin embargo, en estos experimentos en la Tierra, a pesar de que hemos aprendido mucho sobre la física de alta energía, están muy limitados. Claramente, todavía se encuentran muy lejos de las escalas energéticas que hubo en los primeros momentos del universo. Además, teniendo en cuenta los recursos y capacidades disponibles, no se prevé que se desarrolle tecnología que permita diseñar un experimento que repita estas condiciones. ¿Qué otra vía podemos utilizar entonces? La respuesta es que, en lugar de repetir fenómenos, intentemos encontrar pistas de hechos reales. En nuestro estudio hemos buscado estas huellas en las señales astronómicas que nos han llegado desde el joven universo hasta nosotros. Hemos analizado una de las más importantes: las anisotropías del fondo cósmico de las microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Antiguamente, el CMB es una radiación liberada cuando el universo era muy joven, que nos ha llegado con muy pocos cambios hasta nosotros. Es casi totalmente isótropo, es decir, similar en todas las direcciones, pero mantiene el núcleo en pequeñas desviaciones respecto a esta isotropía: anisotropías. Las anisotropías de la temperatura y de la polarización de esta radiación ofrecen una foto casi inédita de la juventud del universo, una fuente inmejorable de información.

Figura . Foto de una red de cuerda obtenida en simulaciones realizadas en el supercomputador CSCS en Suiza. Aparece un fragmento de caja que imita las condiciones del universo. ED. : David Daverio.

Los fósiles cósmicos, testigos de las condiciones del universo joven

Al igual que tenemos infinidad de preguntas en torno al universo joven, los modelos que tratan de explicarlas a través de la física de las partículas son otros tantos: unos tienen como objetivo aclarar los pormenores de la inflación; otros, explicar la materia y la formación de la antimatía... Son modelos con diferentes vías y desarrollos, pero con características a menudo comunes. Por ejemplo, en muchas de ellas se producen transiciones de fase similares a la de convertir el hielo en agua líquida por aumento de la temperatura. Conocer las fases que ha atravesado el universo y cómo han sido las transiciones entre las diferentes fases, clarificaría el carácter de esta física que buscamos.

Se cree que al final de la mayoría de las transiciones de fase surgieron objetos curiosos llamados “defectos cósmicos”. Los defectos son zonas de enorme concentración energética y desde su origen han viajado por el universo [2]. No son errores o lagunas de la teoría, sino fósiles cósmicos que mantienen las propiedades de la fase antigua. Dado que mantienen las características de la fase de alta temperatura en la nueva fase, pueden aportar mucha información aclaratoria sobre la fase antigua: energía del cambio de fase, detalles del proceso, etc.

Aunque nunca se ha podido detectar, una antigua línea de investigación es basar la búsqueda de los defectos en la respuesta a los misterios del universo joven. Por un lado, la posible detección sería un gran hito, ya que clarificaría la naturaleza de la transición de fases. Por otro lado, afirmar que nunca ha existido defensa nos da mucha información sobre el universo joven, ya que deberíamos descartar todos los modelos que anuncian que existen. Sin lugar a dudas, comprender la física de los defectos y los fenómenos que los pueden desencadenar puede ayudar mucho a construir el modelo más adecuado relacionado con el desarrollo del universo.

En nuestro estudio hemos analizado los llamados defectos de la cuerda cósmica. Como su nombre indica, estos defectos tienen forma de cuerda (ver figura 2). Se mueven constantemente, se encuentran y crean cuerdas de nueva forma. Forman redes de cuerda de dinámica muy complicada, sistemas excesivamente complejos de análisis manual. Pues bien, para obtener resultados lo más fiables posible, su evolución se simula mediante técnicas numéricas.

Figura . Representación gráfica del componente B de la polarización del CMB. Entorno idóneo para buscar la existencia de componentes del universo joven. ED. : Colaboración BICEP2/Keck.

Con el supercomputador suizo CSCS hemos analizado las evoluciones de varias redes de cuerda utilizando cajas que reproducen las características de las distintas épocas de expansión del universo [3]. De la mano de las técnicas más avanzadas de simulación y paralización, hemos sido capaces de aumentar en 64 ocasiones el tamaño de los simulacros ya conocidos. En cada caja se ha analizado una red de cuerdas que se han convertido en pequeñas reproducciones del potencial universo que alberga las cuerdas. La repetición del proceso en varias ocasiones ha permitido obtener las distribuciones estadísticas más ajustadas de las propiedades de las redes de cuerda.

Los resultados de los simulacros han servido para dar pasos significativos en la comprensión de la evolución cosmológica de las redes de cuerda. Entre otras medidas, se ha medido que las cuerdas se mueven a velocidades medias muy altas, aproximadamente el 60% de la velocidad de la luz. También comprendemos mejor las interacciones entre cuerdas, ya que se han estudiado con precisión los choques, los nacimientos de nuevas cuerdas y las formas de desintegrarlos [4].

En cualquier caso, el objetivo principal de la tesis ha sido obtener con la mayor precisión posible las anisotropías que pueden generar las cuerdas en el CMB. Para ello se han estudiado en detalle las perturbaciones que provocan los movimientos de las cuerdas, que son las que generan la huella astronómica que queremos calcular. Por ejemplo, estudios previos en esta materia desconocían el comportamiento de las redes y perturbaciones en las transiciones entre las distintas expansiones del universo. Con las nuevas simulaciones hemos superado esta situación ya que además de comprenderla hemos sido capaces de modelizar. Los resultados nos han dado la razón y han demostrado la importancia de este proceso para el cálculo de perturbaciones y anisotropías del CMB. Se calcula que la amplitud de la señal generada por las redes de cuerda, tanto a temperatura como a polarización, es un 30% superior a la que se esperaba en la nueva modelización.

Con la ayuda de las simulaciones más grandes de todos los tiempos, hemos dado nuevos pasos en el conocimiento de las cuerdas cósmicas, conociendo mejor su dinámica y el efecto que pueden causar en el CMB. Creemos que se ha facilitado el camino para demostrar experimentalmente en el futuro la existencia de estos curiosos objetos.

Serán años decisivos para que los que vengan consigan evidencias de la existencia de defensas y conozcan más a fondo el universo joven. Los medidores de nueva generación colocarán el foco en estos fenómenos. Los avances técnicos permitirán detectar el componente B de la polarización del CMB aún sin medir [5]. Será el juez perfecto de la inflación y de los modelos defectuosos, ya que la inflación y los defectos originan una polarización de tipo B con una forma especial y característica.

Figura . Interferómetro espacial LISA aprobado por la Agencia Espacial Europea (ESA). Su objetivo será medir con la mayor precisión posible las ondas gravitatorias de diferentes frecuencias. Se espera que el año 2030 se ponga en órbita y comience a recoger datos. ED. : AEI/Milde Marketing/Exozet.

Por otro lado, también estarán en marcha los experimentos destinados a detectar ondas gravitatorias (como LISA [6]). Las ondas gravitatorias se producen en procesos gravitatorios muy violentos, como no podía ser de otra manera en los procesos del universo joven. Por su alta energía, los defectos son también candidatos fuertes para ser fuente de ondas gravitatorias. Sin embargo, el paso del tiempo ha debilitado notablemente las ondas generadas hace tiempo y uno de los mayores retos de la cosmología experimental actual es la detección de las ondas del universo joven. Al igual que la polarización B, la detección de ondas gravitatorias en el universo temprano tendrá un lugar destacado en la viabilidad de nuestros modelos.

Sin duda, estamos en una época inigualable para dar respuesta a los misterios del universo joven, que están llevando a cabo grandes esfuerzos experimentales. Las predicciones y los trabajos teóricos también exigen avances del mismo tamaño, y seguiremos en ello.

Bibliografía

Trabajo presentado a los premios CAF-Elhuyar.