El blog de Antares

Las claves de la gran explosión que dio lugar a la expansión del universo hace unos 13.800 millones parecen irse desvelando gracias a la enorme precisión de las observaciones cosmológicas recientes. Sabemos que dicha explosión no tuvo lugar en un solo punto del espacio, sino que sucedió de modo simultáneo en una región relativamente extensa. Y sin embargo, observando el fondo de radiación de microondas, que fue emitido poco después de la gran explosión, vemos que su temperatura es prácticamente idéntica en cualquier rincón de la misma. ¿Cómo pudo prepararse una explosión tan homogénea en una región tan extensa? La respuesta más plausible es que el Big Bang caliente estuvo precedido de una época de expansión acelerada, denominada inflación cósmica.

En 1981, Alan Guth propuso que la gravedad repulsiva debida a un tipo de materia denominada inflatón habría producido dicha aceleración. De este modo, una región de tamaño subatómico podría crecer en varias decenas de órdenes de magnitud en una escala de tiempo muy breve, hasta convertirse en algo tan grande, o incluso mucho mayor que el universo observable. Al final del periodo inflacionario, la energía del inflatón se transformaría en materia ordinaria, dando lugar a lo que normalmente denominamos el Big Bang caliente.

Aunque la naturaleza precisa del inflatón es desconocida, se trataría de un campo cuántico con propiedades análogas a las del que describe la partícula de Higgs recientemente descubierta en el CERN. Guth propuso su modelo en el contexto de las llamadas teorías de Gran Unificación, donde la escala de energía del inflatón seria del orden de 10^16 GeV, y la escala de tiempo correspondiente serían 10^(-41) s. Sin embargo, el mecanismo inflacionario podría funcionar también a escalas de energía mucho más bajas. Fue Andrei Linde quien demostró que el mecanismo de inflación era de hecho muy genérico y relativamente fácil de implementar en marcos teóricos muy diversos (incluyendo, en particular, el marco de la teoría de cuerdas).

Incluso en sus versiones más sencillas, investigadas desde hace más de 30 años, el modelo inflacionario da lugar a cinco predicciones genéricas que pueden ser contrastadas observacionalmente. La primera es que el universo tiene que ser espacialmente plano. Tres predicciones adicionales tienen que ver con las fluctuaciones cuánticas del inflatón, que se traducen en perturbaciones en la densidad de materia en el momento de la gran explosión. La primera de ellas es que la densidad de materia puede variar de un punto a otro, pero sin alterar la proporción de los diferentes ingredientes en la sopa cósmica. La segunda predicción es que dichas perturbaciones tienen aproximadamente la misma amplitud a todas las escalas de longitud, con una ligera ventaja a escalas grandes. La tercera es que la estadística que rige la amplitud de las perturbaciones es, en muy buena aproximación, la conocida campana de Gauss.

Las cuatro predicciones anteriores han sido confirmadas de manera espectacular mediante observaciones precisas del fondo de radiación de microondas, y explican de manera muy satisfactoria el origen de la estructura a gran escala en nuestro universo.

Aun así, para una parte importante de la comunidad científica, el modelo solo puede quedar validado de manera fehaciente tras comprobarse la quinta de las predicciones, que no es otra que un fondo de ondas gravitatorias producido por la fluctuación cuántica del espacio-tiempo durante la inflación.

La amplitud de dichas ondas gravitatorias dependería únicamente de la escala de energía del inflatón. A mayor energía, mayor amplitud. La reciente observación del modo B de polarización en BICEP2 parece indicar que efectivamente la escala de energía a la que sucedió la inflación es del orden de la escala de Gran Unificación, tal como Guth había inicialmente propuesto. Si la inflación hubiese tenido lugar a una escala de energía mucho menor, tal vez nunca podríamos tener la fortuna de detectar tales temblores del espacio tiempo. Serían demasiado tenues para ser vistos con los instrumentos de que disponemos, o podrían estar fácilmente enmascarados. Sin embargo, parece que ahí están. Dijo Einstein que Dios puede ser sutil, pero no malicioso. Por supuesto.

ELMUNDO.es

La palabra “multiverso” tiene varios significados en Física Teórica. Mucha gente confunde estos términos, por ello, debo empezar aclarando que en esta entrada el término multiverso significa “multiverso inflacionario” en el contexto de la inflación cósmica eterna. El falso vacío en el “universo preinflacionario” se expande de forma exponencial produciendo infinidad de “universos burbuja” causalmente desconectados entre sí; muchos físicos prefieren llamarlos dominios inflacionarios. El universo observable desde la Tierra es una de estas “burbujas” o dominios. Las leyes físicas no son las mismas en estos dominios, siendo diferentes los valores de sus parámetros (constante cosmológica, tipos de campos, constantes de interacción y masas de las partículas).

¿Esta idea del multiverso es la que tienes en mente? Quizás sí, o quizás no, pero es la idea del multiverso inflacionario. El uso de un balón de fútbol con polígonos coloreados es muy sugerente (aunque olvida el concepto de inflación caótica). La he extraído del artículo de Andrei Linde, “Inflationary Cosmology after Planck 2013,” arXiv:1402.0526 [hep-th], 03 Feb 2014. Recomiendo su lectura a los interesados en este asunto. Por cierto, César Tomé (@EDocet) propuso el término “heteroverso” en “Peces de pecera, hijos del vacío,” Experientia Docet, 07 Feb 2012, para referirse al multiverso inflacionario.

Y recuerda, representar el multiverso inflacionario como un gas lleno de burbujas (algo muy común en divulgación científica con poco rigor) ofrece una imagen intuitiva muy incorrecta. Mucha gente cree que dicha imagen es la que tienen la mayoría de los físicos cuando hablan del multiverso. Pero no es verdad. Permíteme unos párrafos aclaratorios.



Hoy en día ningún físico pone en duda que haya existido la inflación cósmica, pues no tenemos ninguna otra solución razonable que explique por qué el universo observable es plano, homogéneo e isótropo. Además, las predicciones del efecto de la inflación sobre las anisotropías del fondo cósmico de microondas (p.ej. su gaussianidad) han sido corroboradas por múltiples experimentos (COBE, WMAP, Planck, ACT, SPT, etc.). La inflación es necesaria para explicar por qué el universo observable desde la Tierra es tan uniforme, pero además predice que esta uniformidad debe extenderse a todo el universo más allá de lo observable.

Imagina un balón de fútbol formado por polígonos (pentágonos y hexágonos) multicolores. Durante la inflación, el tamaño de cada polígono crece de forma exponencial. El proceso es tan rápido que no hay relación causal entre los polígonos. Quien vive en un hexágono azul creerá que todo el universo es azul. Y lo mismo pensarán lo que están en un polígono de otro color. Los demás polígonos están más lejos de lo que una señal luminosa ha podido viajar desde el comienzo del universo. El color diferente en cada polígono significa que los parámetros de las leyes físicas serán diferentes entre sí. El balón de fútbol es un versión simple del multiverso inflacionario.

Andrei Linde y otros cosmólogos demostraron hace unos 30 años que el balón de fútbol acaba teniendo muchos colores incluso si empieza siendo de un solo color antes de la inflación. Las fluctuaciones cuánticas provocan transiciones de fase en diferentes puntos del falso vacío, provocando la aparición de regiones (causalmente desconectadas) de diferente color. Estos dominios inflacionarios son los “universos burbuja” del multiverso inflacionario.


La idea del balón de fútbol olvida un detalle importante, que la estructura del universo es fractal (la llamada inflación caótica). Una estructura fractal en la distribución de polígonos del balón de fútbol es difícil de dibujar (pues ya no recordaría a un balón de fútbol). Esta figura de arriba trata de dibujar la idea del multiverso fractal (siendo cada color un “universo burbuja” distinto).

En esta representación en forma de “erizo coloreado” del multiverso, las púas de color crecen exponencialmente y en la punta de cada una se alcanza una densidad similar a la de Planck, que se interpreta como un big bang en dicho “universo burbuja”. Cada púa tiene su propio big bang y sus propias leyes de la física (materia y campos). Cada dominio inflacionario se comporta como un universo que puede tener una vida finita (“dominio inflacionario cerrado” con un big bang seguido de un big crunch) o infinita (“dominio inflacionario abierto” con un big bang seguido de una expansión eterna). Por ello, mucha gente dice que multiverso inflacionario está formado por “universos burbuja” como el nuestro, pero quizás es más correcto hablar de regiones causalmente separadas con su propio big bang.

La inflación cósmica, además, es eterna. El multiverso inflacionario es como un “universo” fractal multicolor que crece eternamente. La inflación es un proceso realimentado, que produce “universos burbuja” y falso vacío que continúa de forma eterna produciendo nuevos “universos burbujas” y falso vacío, ad infinitum. Como conté en mi conferencia “Lo que sabemos que no sabemos sobre el big bang” [anuncio en este blog], la teoría del big bang describe lo que le pasa al universo cuando acaba el efecto de la inflación cósmica sobre el universo observable. Antes de la inflación, con rigor, no podemos hablar de la teoría del big bang. El efecto de la inflación en cada universo no es eterno. La expansión exponencial de cada “universo burbuja” se detiene y la expansión sigue la ley de Hubble (con una constante de Hubble diferente en cada uno).


Alan Guth decía en 1982 que “no hay ninguna comida gratis, pero el universo es la comida gratis por excelencia.” Todas las partículas de materia se producen en cada dominio inflacionario cuando se detiene la inflación exponencial . Según Andrei Linde en 1984, “además, el universo inflacionario produce una comida en la que están todos los platos posibles”.

Una predicción genérica de los modelos sencillos de la inflación cósmica es que la inflación es eterna A muchos físicos les desagrada pensar que eternamente se están produciendo “universos burbuja” a partir del falso vacío primordial y que en la práctica se producen un número infinito de estos “dominios inflacionarios”. No hay ningún tipo de interacción posible entre estos universos burbuja, luego su existencia es imposible de demostrar de forma directa. Por supuesto, hay modelos teóricos “complicados” que apuntan a señales en nuestro universo de la existencia de los “otros” pero dichos modelos están descartados a partir de los datos de Planck.


El debate en este asunto ha llevado al desarrollo durante los últimos 30 años de muchos modelos inflacionarios alternativos. Estos modelos son más complicados y presentan diferentes mecanismos que evitan la inflación eterna y/o la caótica. Su origen fueron los trabajos pioneros de Starobinsky, Chibisov y otros (que trabajaron en inflación antes que Guth inventara el término). Sin embargo, la mayoría de los físicos prefiere los modelos más sencillos basados en la existencia de un campo escalar (como el campo de Higgs), llamado inflatón. Estos modelos fueron introducidos por Guth (que inventó el término inflación cósmica), Linde y otros. Todos los datos cosmológicos actuales (obtenidos por Planck y otros experimentos) apuntan a que estos modelos sencillos son los correctos, descartando la necesidad de modelos más elaborados. La navaja de Ockham ha introducido el inflatón en el modelo cosmológico de consenso.

Un multiverso eterno, sin principio ni fin, con muchos “universos burbuja” (dominios inflacionarios) que tienen un principio y un fin, y otros que sólo tienen principio, parece un regalo para los filósofos y un gran problema para los físicos. Guth y Linde defienden sus ideas contra viento y marea, pues saben que son firmes candidatos a un futuro premio Nobel para la inflación. Sin embargo, durante los últimos 30 años, cientos de físicos han tratado de demostrar que sus ideas son incorrectas, o mejor dicho, que deben ser matizadas. Como pasó con el bosón de Higgs, durante décadas muchos físicos estudiaron cómo evitar la existencia de esta partícula. Al final fue encontrada y miles de artículos en revistas de física acabaron en la basura.

Hoy podría anunciarse una de las grandes noticias científicas del año 2014. La observación del primer modo B primordial en la polarización del fondo cósmico de microondas. Hoy podría ser el día que Guth y Linde reciben el empujón que le llevará a recibir el premio Nobel de Física. Ya os contaré más tarde lo que ocurra.

La Ciencia de la Mula Francis

El estudio de la primera luz del Universo se está demostrando más apasionante y sorprendente de lo que nunca pudieron imaginar Alpher y Herman, los físicos que en 1948 predijeron que aún hoy podríamos llegar a ver esa radiación "de fondo" viajando por el Universo, más de 13 mil millones de años después. Ahora, el análisis en detalle de esa luz, observada con telescopios especiales situados en el Polo Sur, en el espacio y allí donde han podido colocarse, muestra cómo las teorías cosmológicas son ciencia y no creencia (hechos y modelos comprobados, frente a la mera especulación). En esta entrada del blog, que ya avisamos larga, ampliamos los datos que ya se comentan en El Mundo: "Los astrónomos descubren ecos de la expansión del Universo después del Big Bang".

El lunes 17 de marzo de 2014 puede pasar a la historia del estudio del Universo como el día en que se comprobó que vivimos en un Cosmos que sufrió en sus primeros momentos de vida una enorme inflación, que provocó que ahora todo lo que observamos sea extraordinariamente ordenado y tranquilo, por así decirlo. Los responsables de un experimento que ha observado esa primera luz del Universo con un telescopio de microondas situado en la Antártida, denominado BICEP2 ("Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2", imágen de la polarización de la radiación cósmica extragaláctica de fondo", heredero del primer BICEP y que el año que viene verá un BICEP3, un experimento liderado por el Centro de Astrofísica de la Universidad de Harvard, Mass., EEUU, pero con una amplia participación estadounidense). Las observaciones realizadas entre 2010 y 2012 han sido analizadas para poder estudiar las pequeñas variaciones en la polarización de la luz de ese fondo cósmico, desde la Base Amudsen-Scott, situada justo en el polo sur geográfico en medio de la Antártida, y uno de los lugares más fríos, idóneo para poder observar desde el suelo este tipo de luz, radioondas que tienen una temperatura equivalente menor que 3 K, tres grados por encima del cero absoluto.

¿Pero qué es esto de la "primera luz" o "radiación cósmica de fondo"? En el modelo cosmológico estandar, el conocido popularmente como BIG BANG, el Universo fue al principio muy denso y muy caliente, de manera que ni la materia ni la energía se comportaban en la forma en que lo hacen habitualmente... En concreto, la temperatura y densidad promedio del Universo antes del año 380.000 después del comienzo, sería capaz de mantener en equilibrio las partículas y la radiación. Una forma sencilla de verla: el Universo era opaco, porque cualquier fotón emitido era inmediatamente absorbido por otra partícula cercana. Pero cuando la temperatura descendió a un nivel que permitía a los protones y los electrones formar átomos de Hidrógeno (el momento de "recombinación"), es decir, en torno a los 3.000 K, los fotones pudieron escaparse libremente.

Y esa luz, como predijeron Ralph Alpher y Robert Herman en 1948, habría seguido viajando desde entonces por todo el Universo, enfriándose conforme el Universo se expandía y enfriaba (ahora el Universo es 1.100 veces menos denso que ese día, que se calcula sucedió hacia el año 379.000 después del Big Bang). Pero fue en el año 1965 cuando se produjo un hecho histórico en la cosmología observacional: Arno Penzias y Robert Wilson observaron esa radiación cósmica de fondo, a una temperatura similar a la que se predecía según los modelos teóricos.

Desde entonces, casi toda la historia de la Cosmología como ciencia ha tenido una enorme preocupación por analizar esa radiación de fondo: por un lado, al ser la primera luz del día en que nacieron los átomos de la materia convencional, es el fondo sobre el que vemos todas las demás luces del Universo. Si podemos quitar todo lo que se va superponiendo, lo que quede será la imagen de cómo era el Universo en el año 379.000. Por ejemplo, comprobar si la materia estaba ya agrupándose y de qué manera, o entender cuál era la composición del Universo antes de que las primeras estrellas llegaran a nacer y comenzar a procesar la materia.

No solo eso, conforme los modelos teóricos pudieron permitir a la física acercarse más a las enormes energías que sucedieron en los primeros momentos del Universo se vio que dependiendo de qué sucesos habrían tenido lugar entonces, la textura observada de la radiación de fondo sería diferente.

A lo largo de este medio siglo, las observaciones de la radiación de fondo han ido, por lo tanto, permitiendo acotar modelos teóricos, avanzar en el diseño de nuevas teorías cosmológicas e ir acercando la parte teórica y la observacional de una ciencia que, durante muchos siglos, había sido poco más que una especulación teológica o filosófica. En los últimos tiempos, con la ayuda de los satélites (COBE, WMAP y ahora el europeo PLANCK) los detalles sobre esta radiación han sido mejor conocidos. Una recomendable historia de todo este proceso la cuenta Rafael Bachiller en sus notas sobre astronomía en El Mundo: El eco del 'Big Bang'.

Pero aún quedan muchas incógnitas. Por ejemplo, dentro de los modelos más razonables de lo que pasó cuando el Universo era muy muy denso y muy muy caliente es que sufrió un breve periodo en el que su escala se disparó: una inflación que lo hizo aumentar de tal manera que realmente todo lo que podremos llegar a conocer del Universo lo teníamos entonces justo al lado. La teoría de la inflación permitía entender por qué el Universo es tan "suave", tan uniforme y plano, dicho en términos metafóricos, que miremos donde miremos vemos siempre cosas bastante parecidas.

La inflación se halla razonablemente comprobada, y es un modelo cosmológico mucho más complejo que las primeras ideas avanzadas en 1981 por Alan Guth sobre la idea de Willem de Sitter, que desarrolló modelos altamente simétricos del Universo. Pero si bien permitía entender por qué el Universo que observamos es tan homogéneo e isótropo, necesitaba de nuevas conexiones que relacionaran lo que se observaba en la primera luz con los estudios sobre la distribución de las galaxias y otras observaciones del Universo realizadas por los astrofísicos. Por otro lado, la misma idea de una transición de fase, de un campo escalar (llamado inflatón) que provocó que cuando la edad era entre 10E-35 y 10E-34 segundos todo se expandiera de forma ultrarrápida, necesita de una comprobación exhaustiva.

A pesar de la homogeneidad subyacente de la radiación de fondo, la textura (que equivale a pequeñas variaciones de temperatura de unas pocas millonésimas de grado) ha ido revelando importantes datos sobre la evolución del Universo. El año pasado comentábamos en este blog los resultados presentados por el equipo del telescopio Planck.

Y el próximo mes de junio se esperan presentar nuevos detalles de las más precisas observaciones del Planck. Pero la carrera por desvelar las entretelas de la radiación de fondo es precisamente eso, una carrera, y los resultados no esperan. Por eso la presentación de hoy del BICEPS2, que a su vez se ha visto adelantada porque hace una semana, desde otro experimento que también investiga la polarización de la radiación de fondo, el POLARBEAR de la Universidad de Berkeley (California, EEUU), ya se habían avanzado unos resultados similares. Otros experimentos con telescopios terrestres, globos y satélitces confirmarán a lo largo de este año lo que ya muchos anuncian como un previsible Premio Nobel de Física a la teoría de la inflación cósmica.

Lo observado es la existencia de una forma específica de polarización (llamada modo-B, aunque también aparecen modos-E) que corresponde con sucesos que tuvieron lugar durante la brevísima fase de la inflación. En concreto, se produjeron ondas gravitacionales, algo que se suele describir como un temblor del espacio-tiempo, o se acude a una especie de vaivén en un flan, pero que es realmente algo menos intuitivo. La física subyacente nos supera a casi todo el mundo, pero lo interesante es que, precisamente, la observación confirma el modelo teórico con un altro grado de acuerdo. Es decir: podemos decir que BICEP2 ha observado el efecto de ondas gravitacionales "primordiales", producidas durante la inflación cósmica.

Los mapas que han presentado, como el de esta imagen, se comparan con los modelos teóricos que preveían una observación similar. Sin embargo, con la mayor resolución de Planck tendremos una mejor confirmación de estas texturas en la radiación de fondo, que confirman los modelos cosmológicos que se han ido estableciendo en el último medio siglo.

Esta misma tarde, comentando las noticias con algunos de los más informados divulgadores de la cosmología de nuestro país, muchos reconocían el caracter histórico de este anuncio científico. Por ejemplo, César Tomé, autor del blog "Experientia Docet" (entre otras colaboraciones) comentaba:

"Los humanos aprendimos dolorosamente que la Tierra no era el centro del Universo, ni tampoco lo era el Sistema Solar; nuestra galaxia es sólo una más. Este descubrimiento, de confirmarse, implicaría que el universo que vemos con sus cientos de miles de millones de galaxias, sería sólo un trozo infinitesimal de un universo mucho mayor cuya extensión, estructura y evolución es incognoscible; no sólo eso, más allá de este universo podría haber infinitud de otros universos surgiendo continuamente. Es la cura de humildad definitiva."

Incluso aunque solo haya uno (algo que más de un físico sospecha, aunque esté de moda pensar que vivimos en uno de múltiples universos), lo cierto es que se confirma lo que la observación iba mostrando: que siendo tan grande solo tendremos contacto con una pequeñísima parte de él, dejando para la especulación todo lo que exista más allá. Daniel Torregrosa (de "Ese punto azul pálido") me recordaba esta tarde una cita del físico y también divulgador Lawrence Krauss: "Nada expande la mente como la expansión del Universo". Y ciertamente ahí estamos. Sobre todo porque esta información viene de la radiación de fondo, y estamos hablando de sutiles variaciones en su espectro de potencias (es decir, en la resolución espacial), en concreto de su polarización, y que estas huellas en la textura de la misma son la prueba de que las teorías de la física y la cosmología son compatibles y nos proporcionan un buen modelo de cómo el Universo nació, se expandió, tuvo un momento de ultraexpansión (la inflación) y sigue aún expandiéndose, a lo que hemos de añadir la abundancia de la materia oscura, necesaria para entender la forma en que se distribuyen las galaxias que observamos, y la energía oscura, que produce una aceleración de esa expansión.

Un profundo análisis de todo esto pueden encontrarlo también en La Ciencia de la Mula Francis, el blog del físico Francis R. Villatoro que, como sucede a menudo, ha sido uno de los primeros en saber dónde estaba lo sustancial de la noticia. Y agradezco también públicamente los comentarios de físicos como Mario Herrero Valea, que se congratulaba de que estos descubrimientos van eliminando los "posiblemente" o "quizá" de una cosmología cada vez más científica. Estos próximos días, seguro, podremos conocer mejor las dimensiones de este descubrimiento que, nada más llegar a través de Internet, ha generado, como cabía esperar, grandes expectativas y debates

ELMUNDIO.es

¿Cuáles son los límites actuales sobre la existencia de modos B? Los resultados al respecto del satélite Planck no serán conocidos hasta dentro un año, como mínimo. Ahora mismo los mejores límites experimentales se muestran en la figura de arriba (fechada hace un año). El experimento BICEP (sito en la Antártida) nos ofrece los mejores límites para los modos multipolares entre 30 y 200, y QUaD entre 200 y 2000. Por el momento, estos experimentos no pueden descartar la existencia de modos B debidos a la inflación cósmica. BICEP-2, actualmente en curso, rebajará los límites de BICEP en al menos un factor de 100, y Keck array, en construcción 

• Los astrónomos descubren ecos de la expansión de Universo después del Big Bang

• El fondo (cósmico) de la cuestión

La Ciencia de la Mula Francis