Un par de apuntes sobre la confirmación del modelo inflacionario del Big Bang

Por Daniel Marín, el 19 marzo, 2014. Categoría(s): Astronomía • Cosmología • Física • Sondasespaciales ✎ 51

El pasado lunes el equipo del experimento BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) anunció la detección de modos B en la radiación cósmica de fondo. Se trata de la noticia cosmológica más importante de los últimos años desde que se descubrió la energía oscura porque confirma la hipótesis de la creación del Universo mediante un modelo de inflación.

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Experimento BICEP2 en la Antártida (BICEP2).

Simplificar conceptos cosmológicos y de física teórica no resulta nada sencillo, pero vamos a intentarlo aún a sabiendas de que más de un físico teórico se va a echar las manos a la cabeza, porque el asunto lo vale. Empecemos: lo que ha descubierto BICEP2 son evidencias de la acción de ondas gravitatorias durante los primeros instantes de vida del Universo tras el Big Bang. Genial, ¿no? Bueno, no tan rápido. Esto en sí mismo no es nada revolucionario. A estas alturas nadie duda de la existencia del Big Bang o de las ondas gravitatorias (que ya fueron descubiertas de forma indirecta hace décadas observando estrellas de neutrones dobles). Lo verdaderamente importante es que estas ondas gravitatorias se tuvieron que formar durante la inflación, un mecanismo teórico introducido por Alan Guth y Andréi Linde en los años 80 para explicar varias características de nuestro Universo observable. Según este modelo, la inflación tuvo lugar unos 10^-35 segundos tras el Big Bang y durante la misma el Universo se expandió brutalmente durante una fracción de segundo a una velocidad mayor que la de la luz -no hay nada extraño en esto-, para a continuación seguir expandiéndose de forma mucho más sosegada.

El Big Bang es la única teoría que explica a la vez la expansión del Universo, la existencia del fondo cósmico de microondas y la proporción de elementos primordiales. En los años 80 esta teoría ya había sido aceptada por la comunidad científica, pero presentaba ciertos problemas y ahí es donde entró en juego la inflación. Esta modificación de la teoría del Big Bang permite explicar por qué el Universo es isótropo y homogéneo a grandes escalas. Si la inflación no hubiera tenido lugar, las regiones de Universo más alejadas entre sí podrían ser muy diferentes y, además, el fondo cósmico de microondas -la principal prueba de la existencia del Big Bang- no sería tan homogéneo. De rebote, la inflación sirvió también para entender por qué el Universo es casi ‘plano’, es decir, por qué carece de una curvatura apreciable (no se expande demasiado rápido ni se contrae). Pero hay más. La existencia de la inflación implica que nuestro Universo observable es una pequeñísima parte de un Universo preinflacionario mucho más grande. En este punto muchos medios han aprovechado la noticia para liarse la manta a la cabeza y han empezado a hablar de multiversos, lo que en mi opinión sólo sirve para confundir a la gente. Así que mejor dejemos los multiversos a un lado por el momento.

La inflación resolvía por tanto los principales problemas del Big Bang. Ahora bien, como toda hipótesis científica, debía ser demostrada. ¿Cómo? El modelo inflacionario predice la creación de intensas ondas gravitatorias durante el proceso de expansión acelerada. Si tenemos en cuenta que las ondas gravitatorias se caracterizan por estirar y comprimir la materia que atraviesan -bueno, vale, en realidad es el espaciotiempo lo que se estira-, éstas deberían haber dejado su huella en la distribución primordial de materia. En principio detectar estas huellas 13800 millones de años después parece una tarea imposible, pero por suerte tenemos el fondo cósmico de microondas. Esta radiación que nos rodea por todas partes se creó cuando el Universo tenía 380000 años al formarse los primeros átomos. Al enfriarse el Universo los electrones comenzaron a girar alrededor de los núcleos atómicos y la radiación quedó desacoplada. O sea, el Universo se hizo transparente. El fondo cósmico de microondas lleva impresas las preciadas huellas de la distribución de materia original, incluyendo las supuestas pruebas de la inflación.

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Diferencias de temperatura (anisotropías) en el fondo cósmico de microondas vistas por el satélite Planck (ESA).

¿Y cómo son estas huellas? Pues se llaman ‘modos B’ y para detectarlas hace falta observar la polarización de la radiación del fondo cósmico. Hasta el momento los observatorios terrestres y espaciales (COBE, Wilkinson y Planck) nos han revelado las anisotropías -minúsculas diferencias de temperatura- de la radiación cósmica, gracias a las cuales podemos calcular la cantidad de materia ‘normal’, materia oscura y energía oscura que existe en el Universo. En principio no podemos ver la contribución de las ondas gravitatorias -llamada componente tensorial- simplemente midiendo las diferencias de temperatura en el fondo cósmico, que son una componente escalar originada por una variación de densidad primordial en la materia. Afortunadamente para nosotros las ondas gravitatorias deben haber polarizado ligeramente la radiación de fondo, algo que sí podemos medir. Eso sí, la polarización se divide en dos tipos, los llamados ‘modos E’ -que son modos escalares y fueron detectados por primera vez en 2002 por el experimento DASI- y los famosos ‘modos B’, que sólo se pueden generar por ondas gravitatorias y son por tanto modos tensoriales (en realidad las ondas gravitatorias también generan modos E, pero mejor no entremos en detalles). Para complicar las cosas aún más, la gravedad de los cúmulos de galaxias también distorsiona y polariza la luz del fondo cósmico creando modos B ‘de mentira’ (más correctamente, modos B creados por efecto de lente gravitatoria). De hecho, estos modos B ‘falsos’ ya fueron detectados recientemente por los experimentos South Pole Telescope y PolarBEAR.

Por lo tanto, la clave no es la detección de cualquier modo B, sino que debemos ser capaces de diferenciar los modos B primordiales causados por la inflación. Pero detectar estos modos B no es nada sencillo. El satélite europeo Planck nos ha proporcionado el mapa más detallado del fondo cósmico de microondas y, sin embargo, hasta la fecha la búsqueda de los dichosos modos B en los datos de Planck ha sido infructuosa. Algo lógico por otra parte si tenemos en cuenta que los modos B son unas cien veces más débiles que los modos E. Y aquí es donde entra nuestro protagonista, el experimento BICEP2. Situado en la Antártida para evitar las interferencias astronómicas de los objetos del plano galáctico, BICEP2 -al igual que otros instrumentos situados en Tierra-, compensa la falta de cobertura global de las misiones espaciales como Planck con una sensibilidad enorme derivada de una antena de tamaño gigantesco (comparada con la de un satélite, se entiende). Todo el mundo esperaba que Planck detectase los modos B antes que otros instrumentos terrestres, pero BICEP2 le ha ganado la partida. En cualquier caso, es importante señalar que los resultados de BICEP2 deberán ser acotados y confirmados por los datos de Planck, que son la referencia en este asunto. A finales de este año se publicarán los resultados de Planck para la polarización del fondo cósmico y entonces veremos cómo de significativo es el descubrimiento de BICEP2.

Así que ya ven, el descubrimiento de modos B en el fondo cósmico de microondas significa que podemos dar por buena la teoría de la inflación. Una gran noticia, sin duda, pero esto no es todo. Además de asegurar el premio Nobel para Guth y, probablemente, Linde, este anuncio nos permite ir más allá. ¿Cómo? Pues estudiando la proporción entre las componentes escalar y tensorial de la polarización. De acuerdo con la mayor parte de modelos inflacionarios -sí, hay varios- la componente tensorial debería ser bastante baja. De hecho, los datos de Planck apuntan a una proporción inferior a 0,11 y no descartan que sea nula, aunque la mayoría de modelos teóricos rondan valores del orden de 0,01. Un valor tan bajo favorece modelos simples como por ejemplo el de la ‘inflación de Higgs’, un modelo en el que la inflación es una consecuencia directa de la evolución del campo de Higgs.

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Determinación del parámetro r según BICEP2 (BICEP2).

No obstante, los resultados de BICEP2 señalan una proporción que alcanza un valor de 0,2. Es un resultado consistente con los datos de Planck, pero sin duda es mucho más elevado de lo esperado y ha dejado descolocado a más de un físico teórico. El análisis de esta proporción -denominada simplemente ‘r’- abre una nueva puerta en la cosmología llena de fascinantes posibilidades al darnos acceso directo a los primeros momentos de vida del Universo tras el Big Bang. En concreto, ahora podemos estimar directamente un parámetro clave que hace tan sólo unas décadas parecía fuera del alcance de la ciencia: nada más y nada menos que la densidad de energía del Universo primigenio. Tiempos cosmológicamente interesantes se avecinan.

Una selección de artículos sobre el descubrimiento de BICEP2:



51 Comentarios

    1. Cierto. Aunque yo iria un poco más lejos, ¿no seria posible habilitar una especie de diccionario para explicar terminos cientificos en paleto-simplón?

      Paleto-simplón no es un insulto sino una manera de exponer un concepto para gente que tenga unos conocimientos básicos (por ejemplo bachiller en ramas sociales, letras..) y no es un estudiante de postgrado de la materia.

      Por ejemplo si nos intentamos enterar de que es la «entropia» mirando la Wikipedia te quedas a cuadros, salvo que seas estudiante de física. En cambio si miramos como la trató Asimov en su libro «100 preguntas básicas sobre la Ciencia» nos podemos hacer una idea y no quedarnos con cara de tonto ante la presencia del término. Esto es lo que denomino explicaciones «paleto simplón».

      Y claro cuando surgen los términos de Tensorial o Tensor imaginas, obviamente, que no se refieren al tensor del cable de la antena pero es que me quede en los vectores y si me quiero enterar de que narices es eso del tensor o el cálculo tensorial veo que la wikipedia es para estudiantes de master en matemáticas y añoro al entrañable Asimov.

      1. Llámalo paleto simplón o llámalo X lo importante es entender en la medida de lo posible para los neófitos cómo yo este tipo de cosas.
        Según este modelo, la inflación tuvo lugar unos 10^-35 segundos tras el Big Bang y durante la misma el Universo se expandió brutalmente durante una fracción de segundo a una velocidad mayor que la de la luz -no hay nada extraño en esto-
        fijate que yo tenía la esperanza de que se explicará eso que «no tiene nada de extraño» desde que salió la noticia lo que más me impactó fué este detalle y en ninguna parte lo explican.
        Se agradece la recomendación del libro.

    2. Nooo. ¿No se puede evitar meter palabras en inglés cuando no es necesario?

      «La explicación más clara que he leído en 2 días, perfecto para los que no tenemos una buena base teórica en Ciencias.»

      😉

  1. Aunque la cosa está reñida, para mí la mejor explicación sigue siendo esta:
    Hallan modos-B en el fondo cósmico
    http://neofronteras.com/?p=4380
    Ventajas del multiverso blog.
    Y en esa entrada sí entran en el tema de los multiversos. Sí es ciencia o especulación o está a medio camino, no lo se, pero es muy estimulante, porque explicaría el por qué de las constantes físicas del (nuestro) universo, como una posibilidad más de entre muchas otras (quizás de entre infinitas) Seguiría quedando la cuestión leibniziana de por qué hay algo (sea universo o multiverso) en lugar de nada.

    1. Yo no veo para nada el asunto de los multiversos como especulación o, como le han llamado algunos, una tontería pseudo-cientifica.

      Es nada mas una hipótesis que aun debe ser comprobada.

      La diferencia entre pseudo-ciencia e hipótesis, es que la pseudo-ciencia la dan como cierta sin todavía ser comprobada o incluso teniendo evidencias en contra.

  2. Buenas, creo que el corrector ortográfico ha hecho una de las suyas, «multiversos» por multiuniversos (o algo así).

    Y aprovecho el comentario, para demandar la vuelta al blog de los enlaces y de las etiquetas (tags) en la columna de la derecha (como en el blog antiguo). Resulta muy difícil buscar entradas antiguas.

  3. Buenas tardes Daniel.
    Creo que nunca te vamos a agradecer bastante los aficionados a la astronomìa y la astronáutica tus artículos.
    Las personas que como yo no tenemos unos conocimientos profundos sobre estos temas, haces que parezca fácil de entender.
    Te sigo hace años y es uno de los momentos mas llenos del día poder leer tus artículos.
    Muy agradecido

    Julian

  4. Muy ilustrativo el artículo, pero hay una cosa que no acabo de ver claro.
    Las ondas gravitatorias durante la Inflación «polarizaron» la materia y esta a su vez polarizó la radiación electromagética cuando se desacopló.

    Pero entre una cosa y la otra pasaron 380000 años. ¿Cómo es posible que la materia «recordara» esa polarización incial? ¿No se perdió mediante colisiones o algún otro mecanismo en todo ese tiempo?

    Muchas gracias y «norabuenas por tu pograma».

  5. La ciencia no puede explicar la existencia o no de una deidad, porque nunca lo va a lograr; es terreno vedado de la fé. Por lo tanto, yo creo que no debería caer en esos artificios.

    Enhorabuena por el blog, Daniel. Es muy interesante y didático para los no duchos en esta materia.

    1. Hombre, yo creo que este descubrimiento, apunta claramente a la existencia de Dios.

      Si existen infinitos multiversos, todas las realidades existen; y, por tanto, en una de ellas existirá el ser supremo.

      Claro que esto sólo son especulaciones.

      1. Que sean multiversos infinitos no significa que cualquier realidad sea posible.

        Podría tener infinitos universos que tengan solo 100 posibles configuraciones, pueden ser infinitos, pero acotados en sus características.

        1. Quizá….

          …pero el tema del infinito es muy peliagudo. Pues siempre hay infinitas posibilidades de que algún universo sea distinto de esas 100 posibles configuraciones.

          Y en el caso de que sólo hubiera 100 posibles configuraciones renacería el problema del principio antrópico.

          1. Tanto tu teoría como la de Tourist me parecen defendibles, pero supongo que la investigación en el tema de los multiversos está en pañales, y sólo la investigación continua nos dirá cual es la realidad -o realidades-, si la de Cirilo o la de Tourist. De momento sólo podemos hacer especulaciones, pero sería un universo muy aburrido si no pudiésemos especular, como decía Asimov

      2. Que apunta claramente a la existencia de Dios? Uno de las características del Dios cristiano es que, según la biblia, creó el Universo. Si ese ‘ser supremo’ que tu menciones evoluciona a partir de materia en uno de los dominios inflacionarios (lo que tu llamas ‘infinitos multiversos’) entonces no es Dios ni un ‘ser supremo’, es otra cosa (vida?) y estará sujeto a las leyes de la física imperantes en ese dominio inflacionario.
        De hecho, lo que sugiere este descubrimiento es que precisamente los dioses locales creados por las religiones en la Tierra casi con toda probabilidad no existen (si es que todavía quedaba alguna duda). Te invito a leer este articulo: http://edocet.naukas.com/2014/03/18/el-multiverso-inflacionario-y-el-superdios/

        1. En realidad solo quería hacer un comentario gracioso…

          Pero veo que los fanáticos de ciertas ideas sois algo… subceptibles.

          Perdona si te he molestado.

  6. Lo que creo que realmente confirmará y dará precisión a la observación no es Planck, sino BICEP3 que ya está en funcionamiento y tiene 5 veces más detectores que el BICEP2. En un par de años estaría dando los resultados y definiendo exactamente los valores de «r».
    La verdad y Planck también podría haber dado un dato aproximado (y ser el primero en «descubrir» los modos B originarios) pero les ganaron de mano por apenas 3 meses. Más de un científico europeo se debe estar lamentando por ello (mientras los yankees están descorchando Champagne, como se ve en youtube). Fascinante

  7. A mi la nota de «no hay nada de raro en eso» cuando dices que el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz me ha vuelto loco. Está ahí como de pasada, pero ha descolocado lo poco que creía saber yo del tema jaja.
    ¿Conocéis alguna referencia que pueda seguir para entender eso un poco mejor?

    1. Creo que se debe a que los puntos permanecen quietos, pero como el espacio-tiempo crece – es similar a que inflaras un globo con dos puntos en su superficie- parece como si se separaran más rápido que la luz.

      De todas formas, no me hagas mucho caso, pues puedo estar equivocado.

  8. Parece que la cosmología va a decir mucho sobre los modelos de las partículas elementales más allá del modelo estándar en un futuro próximo. Y no me refiero a las teorías del todo sino a las GUT. Es increíble como está evolucionando todo esto y con que velocidad.

  9. Muy interesante y gracias por el artículo; para los que somos profanos aclara muchas cosas. De todos modos, ¿no se suponía que la nueva publicación de resultados de la Planck sería este verano y no a finales de año?. Pueden ser los que corroboren o no los de BICEP2 como dices, y desde luego muchos -no solo físicos- estamos deseando verlos -ya gozamos de los primeros publicados la primavera pasada-.

    Como comentas vienen tiempos realmente interesantes y apasionantes en la cosmología. Con o sin multiverso.

  10. Un artículo que disfruté mucho leyéndolo. Gracias Daniel.
    Y gracias también por no ahondar en los multiversos. Nunca he creído en eso. No me imagino un Universo donde Daniel es LattisNet y LattisNet es Daniel. Absurdo!

    1. Hay muchas cosas en ciencia, en especial en mecánica cuántica, que parecen absurdas, pero son reales.

      Como dicen por ahí, el Cosmos no tiene porque adecuarse a tus preferencias personales.

  11. Qué dices Daniel, ningún físico teórico se va a echar las manos a la cabeza con tu explicación. Yo soy físico fundamental y he entendido aspectos sobre los modos B y las ondas gravitacionales que ningún físico teórico me ha conseguido explicar antes. Como si me lo hubiera contado el mismísmo Manuel Toharia jajaja.

    Hombre, la teoría de los universos adyacentes mola, aunque no podamos ir mucho más allá de los límites de nuestra propia burbuja-universo. O eso mismo decíamos de hazañas ya realizadas que hace un siglo eran pura ciencia ficción.

    Pero sobre todo mola mucho el hecho de que sigamos teniendo un momento cero en que se inició este experimento del universo inflacionario. Todos los «multiversos» tendrían un mismo origen, o más bien un mismo contenedor y seguramente una edad parecida. Seguimos teniendo un BigBang y podemos seguir preguntándonos qué había antes, de dónde venimos, quién, cómo, por qué…

    Apasionante.

    1. Si hay una inflación que genera universos constantemente entonces NO HAY UN MOMENTO CERO; no hay un «Big Bang original», sino simplemente un momento de creación de nuestro universo a partir del falso vacío donde se produce inflación -que sería una repetición de otros falsos vacíos que constantemente producirían otros universos.
      Lo fascinante es que habría entonces una trama superior (somos la chispa de ignición de una llama, de la que ni siquiera podemos ver ni la chispa original de nuestro propio universo… pero de la que vamos a empezar a hipotizar como sería el «cuadro general», el fuego de donde vienen las chispas «bigbanguianas» que generan universos)

  12. Pues no se por que se alegra todo el mundo. Si por mi fuera, denunciaba a esos de la Antártida. Puse el microondas en modo b ( 120V) , meto el bizcochón 10 minutos 600 vatios… y que inflarse ni nada ¡ El «parato» dio un estampido que casi me mata !
    :-//

  13. Me acabo de acordar de una cita en tono de humor de Stephen Hawking, -preguntar que había antes del Big Bang, es como preguntar que hay al norte del polo norte -… Saludos a todos

    1. Eso me recuerda a lo que decían los aristotélicos: que no tenía sentido preguntarse que había después de la esfera de las estrellas fijas. Y se quedaban tan panchos. Lo argumentaban con enrevesadas proposiciones lógicas, y ahora se argumenta con enrevesadas ecuaciones matemáticas.

  14. Muy buen post y muy didáctica la explicación. Muchas gracias y felicidades por tan buen trabajo. Y como todos los grandes trabajos, despierta nuevas preguntas en los ignorantes como yo. Por ejemplo,

    El telescopio BICEP-2 es un radiotelescopio o es un telescopio «óptico» de infrarrojos? Por ahí he oído (sí, oído, no leído) que era de infrarrojos. Es verdad que la radiación de fondo es de microondas pero su longitud de onda es muy próxima al infrarrojo lejano no?

    ¿Por qué el Big Bang no puede explicar que el universo sea isótropo y homogéneo? ¿Qué hay de «heterogéneo» en el Big Bang para que el resultado no pueda ser homogéneo por todos lados, o isótropo, que viene a ser lo mismo no?

    ¿Por qué la inflación explica que el universo sea casi plano?

    Seguramente esté equivocado, pero la imagen que tengo de la inflación y el Big Bang es un globo que se hincha rápidamente (la inflación) y luego explota (el Big Bang). Con esta metáfora (seguramente equivocada, como digo) no veo cómo la inflación arregla el problema.

    En cualquier caso, insisto, muy buen post y muchas gracias!
    Saludos

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