“El universo puede estar permeado por un campo desconocido”

“Tal vez el espacio vacío no esté completamente vacío después de todo, sino impregnado de un campo desconocido, similar alcampo de Higgs“, dice el profesor Hartmut Abele de la Universidad de Tecnología de Viena, director de Atominstitut. A estas teorías se les llama teorías de la “quintaesencia” de Aristóteles, un quinto elemento hipotético agregado a los cuatro elementos clásicos de la filosofía griega antigua

Todas las partículas de las cuales conocemos su existencia hasta el momento representan tan solo alrededor del cinco por ciento de la masa y la energía del universo. El resto —lo que llamamos “materia oscura” y “energía oscura“— sigue siendo un misterio. Una colaboración europea encabezada por investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena ha llevado a cabo mediciones extremadamente sensibles de los efectos gravitatorios a distancias muy pequeñas en el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Estos experimentos proporcionan límites para posibles nuevas partículas o fuerzas fundamentales, que son cien mil veces más restrictiva que las estimaciones anteriores.

La materia oscura es invisible, pero actúa sobre la materia por su atracción gravitatoria, que influye en la rotación de las galaxias. La energía oscura, por su parte, se considera responsable de la expansión acelerada del universo. Esto puede ser descrito mediante la introducción de una nueva magnitud física: la constante cosmológica de Albert Einstein .

Si existen nuevos tipos de partículas o nuevas fuerzas adicionales en la naturaleza, debería ser posible observarlas aquí en la Tierra. Tobias Jenke y Abele, de la Universidad de Tecnología de Viena, desarrollaron un instrumento muy sensible que utilizaron en conjunto con sus colegas para estudiar las fuerzas gravitacionales.

Los neutrones son perfectamente adecuados para este tipo de investigación. No llevan carga eléctrica y son difícilmente polarizables. Sólo resultan influidos por la gravedad y, posiblemente, por las fuerzas adicionales, todavía desconocidas. Los cálculos teóricos que analizan el comportamiento de los neutrones fueron hechos por Larisa  Chizhova, el profesor Stefan Rotter y el Profesor Joachim Burgdorfer (TU Viena). U. Schmidt, de la Universidad de Heidelberg y T. Lauer de la TU de Múnich contribuyeron con una herramienta analítica.

La técnica que desarrollaron toma neutrones muy lentos desde la más potente fuente continua de neutrones ultrafríos en el mundo, ubicada en el ILL en Grenoble, y los guiaron entre dos placas paralelas. Según la teoría cuántica, los neutrones sólo pueden ocupar estados cuánticos discretos con energías que dependen de la fuerza que ejerce la gravedad sobre la partícula. Haciendo oscilar mecánicamente las dos placas, se puede cambiar el estado cuántico del neutrón. De esta manera, se puede medir la diferencia entre los niveles de energía.

“Este trabajo es un paso importante para el modelado de las interacciones gravitacionales a distancias muy cortas. Los neutrones ultrafríos producidos en el ILL, junto con los dispositivos de medición de Viena, son las mejores herramientas en el mundo para el estudio de las pequeñas desviaciones pronosticadas respecto de la gravedad newtoniana pura”, dice Peter Geltenbort (ILL Grenoble).

Diferentes parámetros determinan el nivel de precisión que se requiere para encontrar estas pequeñas desviaciones; por ejemplo, la fuerza de acoplamiento entre los hipotéticos nuevos campos y la materia que conocemos. Ya se han excluido ciertos rangos de parámetros para la fuerza de acoplamiento de las partículas o fuerzas quintaesencia, tras realizar otras mediciones de alta precisión. Pero todos los experimentos anteriores aún dejan un gran espacio de parámetros en el que podrían estar ocultos nuevos fenómenos físicos no-newtonianos.

El nuevo método con neutrones puede comprobar las teorías en este rango de parámetros: “Todavía no hemos detectado ninguna desviación de la bien establecida ley de Newton de la gravedad“, dice Hartmut Abele, el líder del grupo de la investigación. “Por lo tanto, podemos excluir un amplio rango de parámetros.” Las mediciones determinan un nuevo límite para la fuerza de acoplamiento, que es inferior a los límites establecidos por otros métodos en un factor de cien mil.

Aunque la existencia de ciertas partículas de quintaesencia hipotéticas resulta desmentida por estas mediciones, la búsqueda continuará, ya que aún es posible que la nueva física se pueda encontrar por debajo de este mejor nivel de precisión. La espectroscopía de resonancia gravitatoria tendrá que ser mejorada aún más; y aumentar la precisión en unos pocos órdenes de magnitud les parece factible al equipo de Abele.

Sin embargo, si aun así esto no diese ninguna evidencia de desviaciones con respecto a las fuerzas conocidas, Albert Einstein ganaría otra victoria: su constante cosmológica aparecería entonces más y más plausible.

Los físicos acarician el sueño de una teoría unificada

Los astrofísicos llevaban décadas esperando este momento y los datos han llegado desde el radiotelescopio BICEP2 en el Polo Sur. Un equipo del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, en EE UU, anuncia hoy tres grandes descubrimientos relacionados: la primera prueba directa de que existen las ondas gravitacionales predichas por Einstein, la ansiada evidencia de la inflación cósmica y la apertura de una vía para unificar las fuerzas fundamentales de la naturaleza y la gravedad cuántica.

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El telescopio BICEP2 ha detectado desde el Polo Sur señales de los primeros instantes del universo. / Steffen Richter/Harvard University

Hace casi 14 mil millones de años, nuestro universo irrumpió con una ‘chispa’ extraordinaria que inició el Big Bang. En la primera y fugaz fracción de un segundo, el universo se expandió de forma exponencial, extendiéndose mucho más allá de lo que alcanzan a ver los mejores telescopios. Hasta la fecha todo esto era la teoría.

Pero ahora, investigadores de la colaboración BICEP2, con datos de un telescopio del mismo nombre situado en el Polo Sur, anuncia la primera evidencia directa de esta inflación cósmica. Sus datos también representan las primeras imágenes de las ondas gravitacionales u ondulaciones en el espacio-tiempo. Estas ondas se han descrito como los “primeros temblores del Big Bang”.

Si se confirman los descubrimientos, se abre un nuevo capítulo en la astronomía, la cosmología y la física

Además, los datos también confirman una profunda conexión entre la mecánica cuántica y la relatividad general. Si se confirman todos estos descubrimientos, se abrirá un nuevo capítulo en la astronomía, la cosmología y la física.

“La detección de esta señal es una de las metas más importantes de la cosmología actual”, destaca John Kovac, investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, desde donde se ha hecho el anuncio, y líder de la colaboración BICEP2.

Los resultados revolucionarios proceden de las observaciones efectuadas por el telescopio BICEP2 del fondo cósmico de microondas, el débil resplandor que dejó el Big Bang. Pequeñas fluctuaciones en este resplandor proporcionan pistas sobre las condiciones del universo temprano. Por ejemplo, las pequeñas diferencias en la temperatura a través del mapa del cielo muestran qué partes del universo eran más densas y, finalmente, se podían condensar en galaxias y cúmulos galácticos.

ado que el fondo cósmico de microondas es una forma de luz, exhibe todas las propiedades de esta, incluida la polarización. Igual que en la Tierra la luz solar es dispersada por la atmósfera y se polariza, en el espacio el fondo cósmico de microondas fue dispersado por los átomos y los electrones, y se polarizó también.

“Nuestro equipo cazó un tipo especial de polarización llamada ‘modo B’, lo que representa un patrón ondulado o ‘rizo’ en las orientaciones de polarización de la luz antigua”, explica el también responsable del grupo, Jamie Bock, de la institución Caltech-JPL.

El trabajo ofrece nuevas pistas sobre las preguntas más básicas: ¿Por qué existimos? ¿Cómo empezó el universo?

Las ondas gravitacionales comprimen el espacio a medida que viajan y esta compresión produce un patrón distinto en el fondo cósmico de microondas. Estas ondas tienen una ‘lateralidad’, al igual que las ondas de luz, y pueden presentar polarizaciones diestras y zurdas.

“El patrón de modo B es una firma única de las ondas gravitacionales debido a su lateralidad. Esta es la primera imagen directa de ondas gravitacionales en el cielo primordial”, dice otro colíder, Chao -Lin Kuo, de Stanford-SLAC.

El equipo examinó las escalas espaciales en el cielo abarcando aproximadamente de uno a cinco grados (dos a diez veces el ancho de la Luna llena) . Para hacer esto, viajaron al Polo Sur para aprovechar su aire frío y seco y estable.

“El Polo Sur es el más cercano desde donde se puede llegar al espacio y aun así estar en el suelo”, comenta Kovac. “Es uno de los lugares más secos y más claros en la Tierra, por lo que es ideal para la observación de las microondas débiles del Big Bang”.

Señales modo B detectadas por el telescopio BICEP2. / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Los científicos se sorprendieron al detectar una señal de polarización modo B considerablemente más fuerte que la que muchos cosmólogos esperaban. El equipo analizó sus datos durante más de tres años para descartar cualquier error. También descartaron que la presencia de polvo en nuestra galaxia pudiera haber producido el patrón observado, algo “altamente improbable”.

“Ha sido como buscar una aguja en un pajar, pero en su lugar nos hemos encontrado con una barra de hierro”, bromea el investigador de la Universidad de Minnesota Clem Pryke, otro de los coordinadores del trabajo.

El teórico Avi Loeb de Harvard valora el descubrimiento: “Este trabajo ofrece nuevas pistas sobre algunas de nuestras preguntas más básicas: ¿Por qué existimos? ¿Cómo empezó el universo? Estos resultados no solo son una ‘pistola humeante’ para la inflación, sino que también nos dicen que la inflación tuvo lugar y lo poderoso que fue  el proceso”.

Desde el anuncio de esta noticia, físicos de todo el mundo están deseando que los resultados, que aún no han sido publicados en una revista científica, se confirmen en observaciones independientes.

Detectan por primera vez las ondas gravitatorias generadas tras el Big Bang

Foto: RTVE

Nature

Según la información difundida por esta publicación, el equipo dirigido por John Kovac ha logrado percibir por primera vez mediante el telescopio BICEP2 instalado en el Polo Sur, en un pequeño retazo de cielo, esas ondas gravitacionales, consideradas el Santo Grial de la cosmología al probar diversas teorías.

El hallazgo de estas pequeñas ondulaciones de energía, que serían imperceptibles para el ojo humano, demostraría la teoría del periodo inflacionario forjada en 1980 por el físico teórico Alan Guth, del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

El llamado “periodo inflacionario” sería un breve lapso de tiempo durante el cual el Universo multiplicó miles de veces su tamaño, de más pequeño que un átomo hasta las dimensiones de una canica y un balón de fútbol.

Esta teoría dependía de hallar las ondas gravitatorias generadas al tener lugar ese periodo de expansión después del Big Bang, hace 13 800 millones de años.

Según la teoría, el periodo inflacionario o expansión se produjo en el primer instante de vida del Universo, cuando tenía 10 elevado a la -37 segundos de edad y una temperatura de 10 elevado a 16 gigaelectronvoltios.

Las ondas gravitatorias, predichas por Albert Einstein con la teoría de la relatividad para explicar la gravedad, pero de cuya existencia no se tenían pruebas, han sido descubiertas por el Telescopio BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), instalado en el Polo Sur.

Este telescopio estudia la radiación cósmica de fondo (CMB), los ecos que aún nos llegan del Big Bang y que los astrónomos creen que oculta una “segunda marca”, que habría revelado la existencia de esas ondas gravitatorias.


Según Nature, el BICEP2 ha capturado una instantánea de estas minúsculas ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo producidas por el Big Bang en la CMB, durante su propagación por el Universo hace 380 mil años.

El hecho de que el periodo inflacionario, un fenómeno cuántico, produjera ondas gravitatorias “demuestra que la gravedad tiene una naturaleza cuántica al igual que otras fuerzas fundamentales conocidas de la naturaleza”, se señala en la publicación.

Aunque hasta ahora había pruebas circunstanciales del periodo inflacionario, se consideraba el hallazgo de las ondas como la evidencia definitiva.

“Esta es una prueba cosmológica nueva e independiente de que la imagen inflacionaria se ajusta en su conjunto”, declara en Nature Guth, responsable de la teoría de la inflación del Universo, que explicaría por qué el Universo observable parece uniforme de principio a fin.

En declaraciones a Nature, Kovac señala por su parte que lo que percibió en la CMB el telescopio fue “una imagen directa de ondas gravitorias, que se presentará en breve al escrutinio de la comunidad científica, son para la teoría de la inflación del Universo y para “la condición cuántica de la gravedad”.