Ciencia

Logran determinar cómo son las ondas gravitacionales del Big Bang

La fuente de esa señal sería un fenómeno cosmológico perdido en la noche de los tiempos, el «oscilón»

Esta es la señal que los físicos experimentales deben buscar en sus detectores para encontrar las ondas gravitacionales del Big Bang
Esta es la señal que los físicos experimentales deben buscar en sus detectores para encontrar las ondas gravitacionales del Big Bang - Departamento de Física de la Universidad de Basilea

Un equipo de físicos teóricos de la universidad suiza de Basilea ha conseguido, por primera vez, calcular las caracteríasticas que debe tener la señal que delate a las ondas gravitacionales primigenias, las emitidas apenas una fracción de segundo después del Big Bang. La fuente de esa señal sería un fenómeno cosmológico perdido en la noche de los tiempos, el "oscilón". El trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters. Gracias a este estudio, los cientííficos que manejan los detectores de ondas gravitacionales sabrán, por fin, cómo es exactamente la señal que deberán buscar para localizar estas antiquísimas ondas, y podrán así extraer de ellas información directa del instante en que se originó el Universo.

A pesar de que Albert Einstein predijo las ondas gravitacionales hace ya un siglo, su existencia no pudo probarse experimentalmente hasta finales de 2015, cuando los detectores LIGO, en Estados Unidos, lograron captar las ondas producidas durante la fusión de dos lejanos agujeros negros.

Las ondas gravitacionales son completamente diferentes de cualquier otra clase de onda. De hecho, a medida que viajan por el Universo, tienen el efecto de encoger y estirar el mismísimo espacio-tiempo. En otras palabras, distorsionan a su paso la geometría del espacio mismo, de una forma similar a la que lo hace una onda en el agua. A pesar de que cualquier masa acelerada está emitiendo ondas gravitacionales, sólo somos capaces de medir aquellas que proceden de masas extremadamente grandes, como es el caso de los agujeros negros o las supernovas.

Sin embargo, las ondas gravitacionales no solo proporcionan información sobre los eventos más violentos, sino que pueden ofrecernos valiosísimas pistas sobre cómo se formó el Universo mismo. Precisamente para eso, para lograr aprender más sobre las primerísimas etapas de existencia del Universo, el profesor Stefan Antusch y su equipo del Departamento de Física de la Universidad de Basilea han llevado a cabo una exhaustiva investigación sobre lo que se conoce como el "fondo estocástico" de las ondas gravitacionales.

Dicho fondo consiste en una suerte de mezcla de ondas gravitacionales procedentes de un gran número de fuentes distintas. Esas ondas se superponen unas a otras, produciendo un amplio espectro de frecuencias. Lo que hicieron los investigadores fue calcular los rangos de frecuencia y las intensidades de esas ondas, de modo que puedan ser corroboradas por futuros experimentos con detectores.

Poco después del Big Bang, el Universo entero era aún muy pequeño, muy denso y muy caliente. "Imagine algo del tamaño de un balón de fútbol", explica Antusch. Todo el Universo estaba comprimido en ese espacio tan pequeño, y su interior era extremadamente turbulento. Los cosmólogos creen que, en esa fase tan temprana, todo el Universo estaba dominado por un único tipo de partícula llamada "inflatón", y su campo asociado. El inflatón (cuya existencia aún no ha sido demostrada experimentalmente) habría sido responsable del periodo de inflación sufrido por el Universo naciente, unos pocos instantes durante los cuales multiplicó su tamaño de forma explosiva, pasando del balón de fútbol a ser apenas mil veces más pequeño que el actual.

Burbujas en el espacio

Los inflatones, según la teoría, sufrieron intensas fluctuaciones con unas características muy especiales. Y formaron grumos o burbujas que oscilaban en regiones muy localizadas del espacio. Dichas regiones se denominan "oscilones", y pueden imaginarse como ondas estacionarias. "Aunque los oscilones ya han dejado de existir -afirma Antusch- las ondas gravitacionales que emitieron son omnipresentes, y podemos usarlas para mirar más hacia el pasado que nunca". En efecto, cualquier estudio cosmológico actual se basa en datos extraídos de radiaciones electromagnéticas, y por eso solo es posible llegar hasta unos 300.000 años después del Big Bang, cuando el Universo se hizo transparente a la radiación. Pero gracias a las ondas gravitacionales del Big Bang tendremos, por primera vez, una forma directa de observar lo que pasó casi en el momento mismo de la creación.

Utilizando simulaciones numéricas, los físicos de Basilea fueron capaces de calcular la forma que debería tener la señal de los oscilones, emitida apenas unas fracciones de segundo después del Big Bang. Sobre los gráficos (en la imagen), la señal aparece como un pronunciado pico surgiendo del amplio espectro de las varias ondas gravitacionales. "Antes de nuestros cálculos -explica Antusch- no habíamos pensado que los oscilones pudieran producir una señal tan fuerte en una frecuencia específica. Ahora, el paso siguiente es que los físicos experimentales demuestren la existencia de esa señal usando sus detectores".

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