El gran reto de la cosmología: qué le sucedió al universo en sus primeros instantes para expandirse tan rápido

Por: Juan Carlos López

La observación directa de las primeras ondas gravitacionales que el ser humano ha sido capaz de identificar hace ya algo más de siete años es sin duda lo mejor que le ha pasado a la cosmología reciente. Estas perturbaciones gravitatorias generadas por los objetos masivos que están sometidos a una cierta aceleración se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de unas ondas, que, en determinadas condiciones, los científicos son capaces de detectar.

Durante los últimos siete años las ondas gravitatorias, como también se las conoce, nos han demostrado que son una herramienta muy valiosa que puede ayudarnos a conocer mejor la historia del universo. Y lo son debido a que transportan información acerca del evento cósmico que las originó. La sensibilidad de los interferómetros que utilizamos actualmente para identificarlas requiere que estas perturbaciones hayan sido originadas por eventos de una gran magnitud, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros.

De hecho, a finales de junio de 2021 los grupos de investigación que se encargan del análisis de los datos recogidos por los interferómetros LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, aseguraron tener razones muy sólidas para sospechar que sus experimentos habían identificado las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos sistemas binarios constituidos por un agujero negro y una estrella de neutrones. Este es el tipo de cataclismos cósmicos que actualmente podemos identificar a través de las perturbaciones que introducen en el tejido del espacio-tiempo.

Afortunadamente, las ondas gravitacionales no son la única herramienta con la que cuentan los cosmólogos para ir desentrañando muy poco a poco el pasado del universo; la observación y el análisis del fondo cósmico de microondas también resulta de muchísima ayuda. La radiación de fondo de microondas, como también se la conoce, es un tipo de radiación electromagnética que permea todo el universo y que comenzó su viaje por el cosmos hace nada menos que 13 770 millones de años aproximadamente. Esta es la edad que, de hecho, tiene el universo según las estimaciones más precisas que han realizado hasta ahora los astrofísicos.

Utilizando estas y otras herramientas los científicos están consiguiendo ampliar poco a poco nuestro conocimiento de los estadios por los que ha pasado el universo, pero hay una fase especialmente inasequible. En realidad, ese periodo es un lapso ínfimo de tiempo; un momento aparentemente insignificante que abarca únicamente una fracción mínima de un segundo, pero que es de vital importancia porque fue el instante en el que se produjo un acontecimiento que aún no entendemos: el chispazo que desencadenó la expansión acelerada del universo sobre la que los cosmólogos han erigido la hipótesis de la inflación cósmica.

LAS ONDAS GRAVITACIONALES PRIMORDIALES PUEDEN TENER LA RESPUESTA QUE BUSCAMOS

La inflación cósmica propone una explicación de la expansión exponencial del cosmos primigenio. Durante un instante mínimo que tuvo lugar después del Big Bang el universo se expandió con una velocidad altísima, y a partir de ese momento su crecimiento siguió adelante, aunque con una tasa de expansión sensiblemente más moderada. Las observaciones y los modelos más avanzados que manejan los cosmólogos actualmente sugieren este comportamiento, pero el gran problema es que no conocen el mecanismo que puede explicar fehacientemente ese brevísimo periodo de inflación cósmica.

Sin embargo, no está todo perdido. Los científicos que están desarrollando su investigación en esta área creen que la respuesta que están buscando puede residir en las ondas gravitacionales primordiales, que, precisamente, fueron originadas durante la fase final de este periodo de inflación del cosmos. Estas perturbaciones gravitatorias deberían haber dejado una huella en el fondo cósmico de microondas, pero dar con ella es extraordinariamente difícil porque, a grandes rasgos, se trata de una huella tan liviana que es aparentemente imperceptible. Y, además, es extraordinariamente fácil confundirla con la señal originada por el polvo galáctico, que también emite radiación y tiene una estructura similar a la que en teoría deberían tener las ondas gravitacionales primordiales.

Aun así, los cosmólogos no se rinden fácilmente. Durante los últimos años varios grupos de investigación han puesto a punto radiotelescopios situados en enclaves geográficos en los que las condiciones atmosféricas permiten observar el cosmos con menos perturbaciones, y, por tanto, de una forma más precisa, como el polo sur. Uno de los proyectos científicos de colaboración más relevantes es BICEP/Keck, y, afortunadamente, durante los últimos años nos está entregando resultados muy prometedores. De hecho, los investigadores involucrados en el experimento BICEP3 acaban de publicar sus primeros resultados, y confirman que estamos un paso más cerca de la detección de las ondas gravitacionales primordiales.

Uno de los grandes desafíos a los que se enfrentan los científicos que participan en este experimento consiste en incrementar la relación señal/ruido de sus medidas con un propósito: evitar que la señal originada por el polvo galáctico enmascare la información que realmente les interesa y que podría llevarles a identificar las ondas gravitacionales primordiales que podrían apuntalar, quizá de una manera definitiva, el modelo de la inflación cósmica. La buena noticia es que la colaboración BICEP/Keck está refinando poco a poco sus experimentos, de manera que las medidas que está recogiendo son cada vez más precisas. Y la no tan buena es que aún queda mucho trabajo por hacer.

Si tenéis curiosidad y no os intimida la física relativamente avanzada os sugiero echar un vistazo al estupendo artículo en el que Francisco R. Villatoro desmenuza los resultados que ha obtenido el experimento BICEP3. Esta es una carrera de fondo en la que cada pequeño paso es importante, especialmente si tenemos presente la dificultad que entraña la exploración minuciosa del fondo cósmico de microondas en busca de los tan ansiados indicios de la presencia de las ondas gravitacionales primordiales. Pero no cabe duda de que el esfuerzo merece la pena aunque nos veamos obligados a aceptar que quizá el resultado que buscamos aún tardará en llegar.