En marzo de 2014 hubo un gran revuelo porque el experimento BICEP2 dijo haber encontrado ondas gravitacionales procedentes del mismo origen del universo.
La cuestión no es nada trivial porque eso significaría que podríamos estudiar como era nuestro universo en su mismo origen y abría la puerta a una mejor comprensión del proceso de origen del universo y un espaldarazo final a la teoría cosmológica inflacionaria. También se abría la puerta a empezar a tener un elemento para entender los procesos cuántico-gravitatorios que regían en el origen de nuestro universo.
En muchos medios se escribió sobre el tema. Pero si preguntamos hoy por ese resultado todos dirán que fue un error de medida y que no podemos asegurar que se hayan detectado tales ondas gravitatorias primordiales, las originadas en el origen del universo.
Me parece que a estas alturas tenemos la suficiente perspectiva y la suficiente tranquilidad como para analizar la situación. Me parece también que es un gran ejemplo de como funciona la ciencia. Creo que esta historia es un magnífico caso para exponer en los institutos y enseñar qué entendemos por pensamiento crítico, escepticismo científico y el modo en el que la ciencia opera.
La cosmología inflacionaria muy resumida
Actualmente, el modelo cosmológico dominante es el llamado inflación cosmológica. Vamos a resumir en qué se basa:
- Inicialmente teníamos una situación de falso vacío. Es decir, los campos existentes, que pueden ser uno o varios denominados inflatón, tienen una energía no mínima pero en el que no había partículas presentes.
- Este campo inflatón en este estado de falso vacío está sujeto a fluctuaciones cuánticas ineludibles. Es decir, los valores del campo y su energía varían. Sin embargo, según la cuántica estas variaciones no son directamente observables, aparecen y desaparecen en breves instantes de tiempo. Esto es debido a la indeterminación cuántica que es parte intrínseca de la física tal y como la entendemos en la actualidad.
- Debido a que los sistemas tienden expontáneamente al estado de mínima energía este campo en su estado de falso vacío puede caer al vacío real. El vacío real es el estado de mínima energía.
- La cosa se pone interesante cuando metemos la gravedad de por medio. Un espaciotiempo que contenga campos en un estado de falso vacío está sujeto a una gran expansión, una expansión inflacionaria.
- Al pasar al estado de mínima energía, el vacío real, el espaciotiempo frena su expansión y el exceso de energía se invierte en crear campos y partículas que evolucionarán hasta dar lugar a las que conocemos actualmente.
- Lo interesante es que en el proceso de frenado, cuando cae hacia el estado de mínima energía, el campo fluctua, es decir, a veces tiene más energía, a veces menos. Esas fluctuaciones son importantes porque nos dicen que habrá regiones con un poco más de densidad de materia que otras.
- Llegados a este punto el espaciotiempo en el vacío real del inflatón se comporta como se comporta nuestro universo. Se expande de forma no exponencial y está lleno de partículas.
Algunas predicciones genéricas de la inflación
Las predicciones genéricas de la inflación sobre el universo se pueden resumir en:
- El universo ha de ser plano. Esto es porque da igual la forma inicial de la región en la que se diera el paso de falso vacío a vacío real, la expansión brutal del universo en estado de falso vacío hace que cualquier geometría tienda al plano. Para no complicarnos con cuestiones geométricas que son difíciles de discutir aprovechemos la relación que existe entre geometría y distribución de energía. Que el universo sea plano se traduce en que hoy tiene que tener una densidad de energía característica. Esta densidad crítica de energía equivale a la que tendríamos al poner solo 5 átomos de hidrógeno por metro cúbico.
- El universo ha de ser muy homogéneo pero ha de tener diminutas inhomogeneidades que son herencia de las fluctuaciones cuánticas del origen del universo que hemos comentado en la sección anterior. Habrá regiones con más densidad de energía que otras. Se estima que las diferencias no son superiores a 1/10000.
Resulta que tenemos una herramienta para contrastar estas predicciones genéricas. La radiación cósmica de fondo. Esta es una radiación en forma de fotones que se predice que tuvo que aparecer por primera vez unos 380.000 años después del origen del universo. El caso es que su existencia está fuera de toda duda y ahora podemos medirla y estudiarla.
Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.
Esa es la imagen de los datos tomados por el telescopio PLANCK sobre la radiación cósmica de fondo. Es una radiación que nos llega ahora en forma de microondas desde todas las direcciones del cielo. Esta radiación tiene una temperatura promedio en todos los puntos de 2.7 Kelvins, (-271º C, aproximadamente). Sin embargo, no es totalmente homogénea, hay variaciones, puntos más calientes y puntos más fríos. La diferencia no es superior a 1 parte en 10000.
Esas fluctuaciones están en concordancia con las predicciones de fluctuaciones dadas por los modelos inflacionarios.
De esta gráfica se extrae esta otra:
De esta gráfica podemos extraer información muy importante sobre el universo.
De esa gráfica podemos asegurar que nuestro universo es plano, es decir, tiene una densidad de energía particular, la denominada densidad de energía crítica. Podemos deducir que hay energía y materia oscuras.
Consistencias y evidencias
Volvamos a mirar las gráficas de la radiación cósmica de fondo:
Esta es la imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por la misión PLANCK.
Aquí tenemos dos cuestiones que discutir:
1.- Los puntos rojos son los datos observacionales, lo que medimos en el cielo.
2.- La línea azul es una línea teórica dada por modelos inflacionarios.
Como vemos, esta línea se ajusta muy bien a los datos observacionales lo que da lugar a que podamos afirmar que los modelos inflacionarios son consistentes con lo que sabemos y medimos de nuestro universo. Pero esto solo indica consistencia, no podemos descartar que no haya otros modelos que ajusten tan bien o mejor a los datos observacionales. Por eso no podemos afirmar que la inflación tuvo lugar, aunque todo apunta a que sí, solo podemos decir que es una descripción consistente del origen de nuestro universo.
Para poder decir que los modelos inflacionarios son la última palabra en nuestro entendimiento del origen del universo hemos de buscar alguna predicción que solo la hagan los modelos inflacionarios. Una predicción que nos permita dilucidar si los modelos inflacionarios son algo más que consistentes, si son la última respuesta a las preguntas que hemos conseguido responder hasta la fecha.
La última evidencia, la predicción definitiva
La inflación sí hace una predicción definitiva. En el origen del universo además de las fluctuaciones de densidad de energía tienen que surgir ondas gravitacionales. Esas ondas gravitacionales se denominan primordiales porque se originaron en los primeros instantes de existencia de nuestro universo.
Detectar ondas gravitacionales no es nada fácil porque son de muy baja intensidad. ¿Cómo vamos a ver ondas gravitacionales primordiales entonces? La respuesta viene otra vez de la radiación cósmica de fondo. En esa radiación han de quedar muestras impresas de dichas ondas gravitacionales en lo que conoce como polarización de la luz.
Las microondas del fondo son ondas electromagnéticas y como tales ondas pueden oscilar en distintas direcciones. Si por algún proceso todas las ondas que salgan de una región nos llegan oscilando en la misma dirección decimos que están polarizadas. Así que si asociamos flechas para indicar la dirección de oscilación de las ondas electromagnéticas tal y como las observamos podemos tener un mapa de polarización.
Hay dos tipos de patrones en la polarización, los modos E y los modos B:
Los modos E aparecen por interacción entre la materia que estaba cuando el universo tenía 380.000 años y la radiación emitida. Los modos B son los que pueden ser producidos por ondas gravitacionales producidas en el origen del universo.
Los modelos inflacionarios predicen fluctuaciones de densidad y un patrón de ondas gravitacionales. Ambas cosas se han de poder ver en la radiación cósmica de fondo.
Lo que se busca en los patrones de polarización es el ratio entre modos E y modos B. Es decir, cuánto hay más de uno que de otro. Esa es la predicción definitiva de los modelos cosmológicos que dan un determinado valor a ese cociente.
Lo que dijo encontrar BICEP2
BICEP2 es un observatorio diseñado para mirar el fondo cósmico de microondas y su polarización que está situado en el polo sur.
Lo que dijeron encontrar se resumen en esta imagen:
Habían medido los modos B de la polarización del fondo cósmico. Habían encontrado las huellas de las ondas gravitacionales del origen del universo.
El artículo de BICEP2 es:
Y según los resultados obtenidos el valor del cociente entre modos E y modos B, que se representa por r, de la polarización del fondo de microondas sería r=0.2. Lo importante es que sería distinto de cero y comprobaría la predicción de algunos modelos inflacionarios.
En el artículo podemos encontrar esta gráfica para el cálculo de dicho valor:
Esa es la función que nos dice qué valor del cociente entre modos E y modos B es más factible con los datos acumulados en el experimento. Resulta que el valor es r=0.2.
Así que de ser cierto el resultado, tendríamos que esta imagen,
pasaría a ser una de las más importantes de la historia de la ciencia.
El polvo que lo enturbia todo
Tan pronto como salió el resultado empezaron la críticas por parte de otros experimentos y gentes que trabajan en teorías alternativas a la inflación. La razón era simple, todo el mundo tiene que sospechar de un resultado tan importante como este, así trabaja la ciencia.
El problema es que BICEP2 no barre todo el cielo sino que estudia solo una pequeña región del mismo y lo que ve es esto:
Esto es lo que se ve de la radiación cósmica de fondo y la emisión en microondas de nuestra galaxia. Nosotros hemos aprendido a eliminar la contribución de la galaxia para llegar a la radiación cósmica de fondo pero hay que tener claro que la galaxia está ahí. ¿Por qué es esto relevante?
Principalmente porque la región que BICEP2 estudia está “contaminada” por polvo galáctico y eso es un problema. El problema es que no podemos asegurar que ese polvo, por el que la radiación cósmica pasa, no introduzca modos B que no tenemos controlados y que en realidad el hecho de que haya modos B y que r no sea cero sea debido al polvo galáctico.
La unión de experimentos
Evidentemente, no solo hay un experimento estudiando todo esto. Al fin y al cabo es una cuestión esencial para la cosmología. Así que otros experimentos combinaron sus resultados y sus medidas de la polarización del fondo de microondas con los resultados de BICEP2. El resultado más importante es el de la combinación de los resultados y técnicas de BICEP2, KECK y PLANCK. El análisis combinado se presentó este mismo año en el siguiente artículo:
La unión de estos experimentos pudo determinar el siguiente valor para r:
El resultado combinado, descontando el efecto del polvo galáctico en la región de medida de BICEP2, está dado por la línea negra. Así lo más probable es que r=0.05. Es decir, aún existirían modos B y la razón entre ellos y los modos E sería distinta de cero. El problema es que no se puede descartar que ese efecto no sea debido a la presencia del polvo y nada más, nada de ondas gravitacionales primordiales.
Conclusión:
No podemos afirmar que hayamos visto las huellas de las ondas gravitacionales primordiales y los datos de BICEP2 seguramente sean debidos a polvo galáctico.
Bien, esa es la conclusión a la que hay que llegar, así funciona este método. Para un análisis más extenso de todo esto os recomiendo la entrada que escribió Francis al respecto:
Lo grande de la ciencia
Si buscan por ahí, todo el mundo habrá escrito que hemos de olvidarnos del descubrimiento de las ondas gravitacionales primordiales y que por lo tanto no hemos confirmado una predicción crítica de los modelos inflacionarios.
Yo no voy a ir en contra de ello, pero sí me gustaría remarcar un detalle que no se le ha dado importancia en todo este asunto. Para ello me basaré directamente en el artículo de BICEP2-KECK-PLANCK.
En las conclusiones del artículo se puede leer:
Lo subrayado reza tal que así:
La curva de acotación de r tiene un pico en r=0.05 pero el valor cero solo está desfavorecido en un factor de 2.5. Esto es lo que se espera por puro azar el 8% de las veces como se confirma en simulaciones de un modelo que solo contiene polvo. Hemos de enfatizar que esta significación es muy baja para ser interpretada como la detección de modos B primordiales.
Lo interesante es esta parte:
Esto es lo que se espera por puro azar el 8% de las veces como se confirma en simulaciones de un modelo que solo contiene polvo.
Eso quiere decir que los datos obtenidos solo se pueden explicar por la presencia de polvo en un 8% de las veces que se simula la radiación cósmica de fondo en un universo sin ondas gravitacionales primordiales. Leído de otro modo se puede decir que podemos afirmar que lo que hemos visto es debido a las ondas gravitacionales primordiales con un 92% de confianza. Un 92%.
Y con un 92% de confianza en los datos la ciencia nos dice: NO PODEMOS CONFIAR EN QUE HAYAMOS ENCONTRADO LAS ONDAS GRAVITACIONALES PRIMORDIALES.
Eso es escepticismo y autocontrol en estado puro. Así funciona la ciencia. Por supuesto hay ya en marcha otros experimentos diseñados para despojar de toda duda razonable estos resultados.
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