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El experimento BICEP2 y la inflación

Estos días la noticia astronómica más destacada es la detección de pruebas, por parte del equipo de BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), de que realmente la inflación cosmológica tuvo lugar. En ocasiones los términos y las explicaciones pueden ser confusas así que intentaremos aclarar un poco qué ha conseguido este experimento. Ahí vamos...

BICEP2

En primer lugar tenemos que repasar algunos conceptos de cosmología... Observacionalmente tenemos pruebas de que nuestro Universo está expandiéndose. Este hecho lo podemos comprobar sin más que mirar a otras galaxias distantes, todas parecen alejarse de la Vía Láctea... además cuanto más lejos se encuentre la galaxia que estudiemos más rápido parece alejarse.

Pensemos en la analogía del pan de pasas... si metemos una masa de pan con pasas en el horno, según esta se va hinchando resulta que todas las pasas se alejan entre si. Da igual la pasa en la que te encuentres, que mires hacia la pasa que mires... todas parecen alejarse de ti. Además, las pasas más distantes parecen alejarse más rápido ya que hay más masa de pan hinchándose entre medias. Pues nuestro Universo es así... como un inmenso pan de pasas hinchándose.

Hoy estimamos una edad para nuestro Universo de 13.700 millones de años. Hace 1.000 millones de años todas las galaxias debían estar más próximas entre sí, y hace 5.000 millones de años aun mucho más, y hace 13.700 millones de años... entonces todo el contenido del Universo tenía que encontrarse en un estado de singularidad, ¡podemos decir que todo nuestro Universo Observable debía estar comprimido en un punto! Y así surgió la teoría del Big Bang. La historia de nuestro Universo comienza con la expansión y el enfriamiento a partir de ese estado de singularidad hasta su estado presente.

El modelo cosmológico actual describe cómo hasta una edad de 380.000 años nuestro Universo era aun muy caliente. Tanto que los electrones y los núcleos aun no podían formar átomos. En consecuencia el Universo era opaco a la radiación, esta no podía viajar libremente ya que era bloqueada por esa sopa primigenia. Más o menos a esos 380.000 años de edad se enfrió a una temperatura de 3000 K, a la que los electrones y lo núcleos formaron átomos. Entonces el Universo dejó de ser opaco y podíamos decir que se hizo la luz, radiación emitida desde todos los puntos del mismo y viajando en todas las direcciones.

¿Podemos hoy en día observar esa radiación fósil? pues sí... podemos observar la que partió desde aquellos puntos del Universo que en aquel momento se encontraban en la posición justa como para que la radiación emitida desde ellos nos alcance ahora, 13.700 millones de años después. claro, durante ese enorme tiempo de viaje la radiación ha tenido que vencer la expansión del Universo y por lo tanto nos llega muy muy enrojecida. La observamos procedente de todos los puntos de la bóveda celeste bajo la forma de microondas. ¡Ese es el famoso fondo de microondas!. Marca el límite de nuestro Universo Observable (una esfera de unos 45.000 millones de años luz de radio). Lo observamos además tal y como precide el modelo cosmológico, ajustándose al espectro de un Cuerpo Negro a 2'725 K. El hallazgo del fondo de microondas y que se ajuste tan bien a lo predicho por el modelo cosmológico es una buena prueba (entre otras) de que el modelo cosmológico no anda descaminado.

Fondo de Microondas Planck

Un mapa de la bóveda celeste en el que se aprecia el fondo de microondas. Las distintas tonalidades indican ligerísimas diferencias en el fondo de microondas según observamos hacia diferentes regiones (misión Planck)


Pero en este modelo había una serie de cosas que no encajaban bien... por ejemploe el problema de la planitud; Todo parece indicar que nuestro Universo tiene geometría euclídea (el parámetro Ω es muy próximo a 1). Ahora bien, resulta que si nuestro Universo tiene esa geometría en la actualidad, cuando era muy muy joven debía tener un valor para Ω extremadamente próximo a 1. El problema es... ¿por qué de entre todos los valores posibles para Ω nuestro Universo tenía precisamente ese valor de Ω=1?

Otro es el problema del horizonte. Este consiste en lo extremadamente homogéneo que es el fondo de microondas; de una región de la bóveda celeste nos llega un fondo de microondas casi idéntico al que nos llega de la región opuesta. ¿Por qué es tan similar esa radiación procedente de distintas zonas de la bóveda celeste si las regiones del Universo desde las que fue emitida esa radiación nunca estuvieron en contacto ni pudieron alcanzar un equilibrio?

Pues bien, para resolver estas cuestiones en 1981 se propuso el modelo inflacionario. El marco inflacionario supone que antes de que el Universo tuviera una edad de 10-35 segundos (0'0000000000000000000000000000000001 segundos) este sufrió una expansión de un factor de 1034 (10000000000000000000000000000000000). La inflación resuelve los problemas anteriores ya que su efecto es precisamente el de hacer que en el Universo el parámetro Ω se haga extremadamente próximo a la unidad (con lo que resolvemos el problema de la planitud) y que tras la inflación nos pareciera que direfentes regiones del Universo nunca pudieron estar en conexión entre si.

¿Hay alguna manera de demostrar la existencia de este período inflacionario? pues aquí es donde aparece el experimento BICEP2. Veamos, como resultado del proceso inflacionario tuvieron que emitirse ondas gravitacionales características que aun resonarían por el Universo cuando este tenía 380.000 años de edad, y esas ondas gravitacionales influirían sobre cómo tuvo lugar la emisión de esa primera luz en el Universo, haciendo que esta radiación se polarizara de un modo característico y solo atribuible a las ondas gravitacionales consecuencia de la inflación.

Pues lo que ha encontrado el experimento BICEP2 es precisamente esa polarización solo atribuible a las ondas gravitacionales emitidas durante la inflación, de manera que los resultados del experimento suponen una prueba del paradigma de la inflación.

 

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