Fósiles cósmicos

Modelo cosmológico de éxito

A cosmología trata de responder a preguntas como a orixe do cosmos, a súa evolución e o seu futuro destino. Paira iso son imprescindibles as ferramentas matemáticas e as observacións experimentais máis precisas. Por unha banda, baséase na mellor teoría da historia paira explicar a gravidade: A da relatividad xeral de Einstein. Doutra banda, en observacións e medicións astronómicas cada vez máis precisas impulsadas polos avances tecnolóxicos. A combinación de teorías e evidencias experimentais deu lugar a un modelo capaz de proporcionar una descrición moi precisa do universo: o modelo estándar de cosmología [1]. Este modelo, cun amplo consenso na comunidade cosmológica, sérvenos, entre outras cousas, paira dispor de predicións fiables das principais características das galaxias ou conxuntos de galaxias que podemos atopar no universo.

Con todo, aínda estamos moi lonxe de conformar un modelo que chegue a resolver todos os misterios do universo, sobre todo porque aínda non se desenvolveu a física que subxace a certos feitos e compoñentes fundamentais na historia do universo. Por exemplo, como ocorreu o Big Bang? Que son a enerxía escura e a materia escura? Cal é a física necesaria paira explicar a súa existencia? Son varias as preguntas e varias as liñas de investigación abertas á cosmología contemporánea.

Un novo universo cheo de misterio

A maioría dos interrogantes e os principais sitúanse no universo novo. Aínda temos una visión moi cualitativa do universo temperán. Por exemplo, asúmese amplamente que nos primeiros momentos do universo produciuse una expansión espacial exponencial e rápida, chamada inflación. A maior parte das observacións e medicións confirman a inflación, pero non temos pistas sobre o proceso físico que a provocou. Non é tarefa fácil responder a este tipo de preguntas, sobre todo porque son fenómenos ocorridos fai millóns de anos e as partículas e as interaccións daquela época son descoñecidas. Con todo, realizáronse moitos intentos paira comprender a física neses momentos. Este é un dos obxectivos principais do enorme acelerador Large Hadron Collider (LHC), situado en Xenebra. Nela, na colisión entre os protones acelerados conseguiuse reproducir as enerxías que se produciron nalgúns momentos do universo novo. Entre outras cousas, demostrouse que existen novas partículas elementais como a partícula de Higgs, imprescindible paira comprender o universo actual.

Con todo, nestes experimentos na Terra, a pesar de que aprendemos moito sobre a física de alta enerxía, están moi limitados. Claramente, aínda se atopan moi lonxe das escalas enerxéticas que houbo nos primeiros momentos do universo. Ademais, tendo en conta os recursos e capacidades dispoñibles, non se prevé que se desenvolva tecnoloxía que permita deseñar un experimento que repita estas condicións. Que outra vía podemos utilizar entón? A resposta é que, en lugar de repetir fenómenos, tentemos atopar pistas de feitos reais. No noso estudo buscamos estas pegadas nos sinais astronómicos que nos chegaron desde o novo universo até nós. Analizamos una das máis importantes: as anisotropías do fondo cósmico dos microondas (CMB, polas súas siglas en inglés). Antigamente, o CMB é una radiación liberada cando o universo era moi novo, que nos chegou con moi poucos cambios até nós. É case totalmente isótropo, é dicir, similar en todas as direccións, pero mantén o núcleo en pequenas desviacións respecto desta isotropía: anisotropías. As anisotropías da temperatura e da polarización desta radiación ofrecen una foto case inédita da mocidade do universo, una fonte inmellorable de información.

Figura . Foto dunha rede de corda obtida en simulacións realizadas no supercomputador CSCS en Suíza. Aparece un fragmento de caixa que imita as condicións do universo. ED. : David Daverio.

Os fósiles cósmicos, testemuñas das condicións do universo novo

Do mesmo xeito que temos infinidade de preguntas en torno ao universo novo, os modelos que tratan de explicalas a través da física das partículas son outros tantos: uns teñen como obxectivo aclarar os pormenores da inflación; outros, explicar a materia e a formación da antimatía... Son modelos con diferentes vías e desenvolvementos, pero con características a miúdo comúns. Por exemplo, en moitas delas prodúcense transicións de fase similares á de converter o xeo en auga líquida por aumento da temperatura. Coñecer as fases que atravesou o universo e como foron as transicións entre as diferentes fases, clarificaría o carácter desta física que buscamos.

Crese que ao final da maioría das transicións de fase xurdiron obxectos curiosos chamados “defectos cósmicos”. Os defectos son zonas de enorme concentración enerxética e desde a súa orixe viaxaron polo universo [2]. Non son erros ou lagoas da teoría, senón fósiles cósmicos que manteñen as propiedades da fase antiga. Dado que manteñen as características da fase de alta temperatura na nova fase, poden achegar moita información aclaratoria sobre a fase antiga: enerxía do cambio de fase, detalles do proceso, etc.

Aínda que nunca se puido detectar, una antiga liña de investigación é basear a procura dos defectos na resposta aos misterios do universo novo. Por unha banda, a posible detección sería un gran fito, xa que clarificaría a natureza da transición de fases. Doutra banda, afirmar que nunca existiu defensa dános moita información sobre o universo novo, xa que deberiamos descartar todos os modelos que anuncian que existen. Sen dúbida, comprender a física dos defectos e os fenómenos que os poden desencadear pode axudar moito a construír o modelo máis adecuado relacionado co desenvolvemento do universo.

No noso estudo analizamos os chamados defectos da corda cósmica. Como o seu nome indica, estes defectos teñen forma de corda (ver figura 2). Móvense constantemente, atópanse e crean cordas de nova forma. Forman redes de corda de dinámica moi complicada, sistemas excesivamente complexos de análise manual. Pois ben, paira obter resultados o máis fiables posible, a súa evolución simúlase mediante técnicas numéricas.

Figura . Representación gráfica do compoñente B da polarización do CMB. Contorna idónea paira buscar a existencia de compoñentes do universo novo. ED. : Colaboración BICEP2/Keck.

Co supercomputador suízo CSCS analizamos as evolucións de varias redes de corda utilizando caixas que reproducen as características das distintas épocas de expansión do universo [3]. Da man das técnicas máis avanzadas de simulación e paralización, fomos capaces de aumentar en 64 ocasións o tamaño dos simulacros xa coñecidos. En cada caixa analizouse una rede de cordas que se converteron en pequenas reproducións do potencial universo que alberga as cordas. A repetición do proceso en varias ocasións permitiu obter as distribucións estatísticas máis axustadas das propiedades das redes de corda.

Os resultados dos simulacros serviron paira dar pasos significativos na comprensión da evolución cosmológica das redes de corda. Entre outras medidas, mediuse que as cordas se moven a velocidades medias moi altas, aproximadamente o 60% da velocidade da luz. Tamén comprendemos mellor as interaccións entre cordas, xa que se estudaron con precisión os choques, os nacementos de novas cordas e as formas de desintegrarlos [4].

En calquera caso, o obxectivo principal da tese foi obter coa maior precisión posible as anisotropías que poden xerar as cordas no CMB. Paira iso estudáronse en detalle as perturbacións que provocan os movementos das cordas, que son as que xeran a pegada astronómica que queremos calcular. Por exemplo, estudos previos nesta materia descoñecían o comportamento das redes e perturbacións nas transicións entre as distintas expansións do universo. Coas novas simulacións superamos esta situación xa que ademais de comprendela fomos capaces de modelizar. Os resultados déronnos a razón e demostraron a importancia deste proceso paira o cálculo de perturbacións e anisotropías do CMB. Calcúlase que a amplitude do sinal xerado polas redes de corda, tanto a temperatura como a polarización, é un 30% superior á que se esperaba na nova modelización.

Coa axuda das simulacións máis grandes de todos os tempos, demos novos pasos no coñecemento das cordas cósmicas, coñecendo mellor a súa dinámica e o efecto que poden causar no CMB. Creemos que se facilitou o camiño paira demostrar experimentalmente no futuro a existencia destes curiosos obxectos.

Serán anos decisivos para que os que veñan consigan evidencias da existencia de defensas e coñezan máis a fondo o universo novo. Os medidores de nova xeración colocarán o foco nestes fenómenos. Os avances técnicos permitirán detectar o compoñente B da polarización do CMB aínda sen medir [5]. Será o xuíz perfecto da inflación e dos modelos defectuosos, xa que a inflación e os defectos orixinan una polarización de tipo B cunha forma especial e característica.

Figura . Interferómetro espacial LISA aprobado pola Axencia Espacial Europea (ESA). O seu obxectivo será medir coa maior precisión posible as ondas gravitatorias de diferentes frecuencias. Espérase que o ano 2030 póñase en órbita e comece a recoller datos. ED. : AEI/Milde Mercadotecnia/Exozet.

Doutra banda, tamén estarán en marcha os experimentos destinados a detectar ondas gravitatorias (como LISA [6]). As ondas gravitatorias prodúcense en procesos gravitatorios moi violentos, como non podía ser doutra maneira nos procesos do universo novo. Pola súa alta enerxía, os defectos son tamén candidatos fortes paira ser fonte de ondas gravitatorias. Con todo, o paso do tempo debilitou notablemente as ondas xeradas hai tempo e un dos maiores retos da cosmología experimental actual é a detección das ondas do universo novo. Do mesmo xeito que a polarización B, a detección de ondas gravitatorias no universo cedo terá un lugar destacado na viabilidade dos nosos modelos.

Sen dúbida, estamos nunha época inigualable paira dar resposta aos misterios do universo novo, que están a levar a cabo grandes esforzos experimentais. As predicións e os traballos teóricos tamén esixen avances do mesmo tamaño, e seguiremos niso.

Bibliografía

Traballo presentado aos premios CAF-Elhuyar.