Las ondas gravitatorias primordiales podrían proporcionar una prueba de las teorías cosmológicas

22 de mayo de 2010

La inflación cósmica podría haber dejado una huella reveladora sobre el Universo que se podría detectar en los próximos años. En la imagen de la izquierda tenemos a Lisa. Este Interferómetro Láser es una misión prevista para detectar directamente las ondas gravitacionales a través de las leves perturbaciones que generen en el espacio que separará a las tres sondas que la conforman. Cada sonda estará separada de sus hermanas unos 5 millones de kilómetros.
Las ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo podrían algún día proporcionar evidencias observacionales de los primeros instantes del Universo, revelando los procesos de alta energía que incluso hoy en día siguen siendo opacos para los colisionadores de partículas más grandes.
Las ondas gravitatorias son una predicción de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein: los objetos perturban en espacio tiempo generando ondas como las olas que causaría un barco navegando sobre un lago. Pero estas ondas son muy escurridizas, por eso, sólo se espera que los cuerpos celestes más pesados las produzcan de forma detectable.
Hasta la fecha sólo existen evidencias indirectas de su existencia, aunque han sido ya varios los intentos que han fallado en su misión de detectarlas, a pesar de la alta sensibilidad de los detectores que se construyeron, y que analizaron eventos de la magnitud de la fusión de dos estrellas de neutrones.
Un artículo publicado en la revista Science presenta ahora las perspectivas que se tienen para la detección de estas ondas primordiales. Las ondas producidas en los inicios del Universo pueden ser aún detectables por las huellas que dejaron miles de millones de años atrás,o por las ondas que persisten hoy en día.
Estas ondas primordiales podrían ofrecer el mejor medio para probar los modelos cosmológicos actuales, como es la inflación, que sostiene que el Universo recién nacido expandió su tamaño unas 10^26 veces en tan sólo una pequeña fracción de segundo. "Es difícil imaginar un mecanismo que nos va a dar una ventana directa a un tiempo más cercano al instante de la creación", dice el coautor del estudio, Lawrence Krauss, físico teórico de la Universidad Estatal de Arizona.
El primer lugar para buscar las ondas gravitatorias es el Fondo Cósmico de Microondas, que es la radiación remanente generada sólo 380.000 años después del Big Bang. El satélite de la Agencia Espacial Europea Planck, lanzado en 2009, es ahora el encargado de medir las fluctuaciones de temperatura a través del FCM. Estas fluctuaciones de temperatura trazan regiones de mayor y menor densidad en el Universo primitivo, proporcionando pistas importantes sobre cómo funciona el Universo y sus componentes estructurales formados.
Los mapas del FCM elaborados por WMAP, el predecesor de Planck, proporcionaron un impulso a la teoría de la inflación, en términos generales, afirmando las predicciones del modelo inflacionario para lo que los inicios del Universo. Mediciones más precisas podrían proporcionar una confirmación posterior. 
"Los mismos eventos que creemos que formaron los puntos calientes en el fondo cósmico de microondas podrían haber producido ondas gravitacionales, por lo que podemos estimar su magnitud", dice Krauss. "Es posible que con la próxima generación de satélites seamos capaces de observar sus efectos."
Las ondas gravitatorias que pasan a través del espacio han dejado su huella en los fotones del FCM en unos patrones de polarización muy sutiles. Mediciones de WMAP establecen límites superiores para la prevalencia de las ondas, y con la mayor sensibilidad de Planck, tal vez podamos detectar la polarización de las ondas gravitatorias primordiales, dice Krauss.
Richard Easter, cosmólogo de la Universidad de Yale, apunta a que las mediciones de las fluctuaciones de la temperatura del FCM ya están dando pistas de los primeros instantes del Universo."De hecho, algunos escenarios inflacionarios ya se han descartado porque predicen más ondas gravitaciones de las que la misión WMAP ha podido estimar". Planck y otros proyectos buscan poner todavía una cota inferior a la producción de estas ondas. "Así que, si la naturaleza ha sido generosa con nosotros, podríamos tener la primera evidencia directa de la inflación mediante las ondas gravitacionales en los próximos años", dice Easther. Si las pruebas se escapan de Planck y sus contemporáneos, entonces necesitaremos una misión que mida más exaustivamente la polarización.
Una huella de las ondas gravitatorias en el FCM sería una evidencia indirecta aunque culminante para las teorías cosmológicas. ¿Para cuándo detectar directamente estas ondas?
En la actualidad, los instrumentos más sensibles a la producción local de las ondas gravitacionales son interferómetros, como el doble de Interferómetro Láser del Observatorio de Ondas gravitatorias (LIGO). Busca detectar las interferencia que generarían las ondas gravitatorias en la luz láser que envían sus instrumentos. En las próximas décadas, interferómetros espaciales podrían utilizar los mismos principios a escala mucho más grande, rebotando la luz láser a través del Sistema Solar, para detectar directamente las ondas gravitacionales débiles primordiales.
"Ese tipo de experimentos se podrían llevara cabo dentro de unos años." dice Krauss. "Nos gustaría ser capaces de mirar en el espectro, y nos gustaría ser capaces de obtener una prueba concluyente de lo que está pasando."
Easther dice que la característica definitoria de un fondo de ondas gravitacionales producidas por la inflación, puede ser que en todas las longitudes de onda , de quizás unos pocos metros hasta el tamaño actual del Universo visible, la amplitud de las ondas serían más o menos la misma. "Para poner esto en perspectiva", dice, "si pudiéramos construir un piano que produjera ondas gravitacionales en lugar de sonido, el teclado necesitaría alrededor de un millar de teclas para producir una gama bastante grande de frecuencias, y la inflación lograría golpear cada nota casi exactamente con la misma fuerza."
Si bien podríamos estudiar los escenarios inflacionarios gracias a las ondas gravitatorias, también debemos tener en cuenta que algunos de estos escenarios predicen que las ondas gravitatorias producidas son extremadamente débiles, con lo que dificultaría su detección. Por ello, no detectar ninguna de estas ondas, no significa que la inflación no haya ocurrido.
Andrew Jaffe, cosmólogo del Imperial College de Londres,comenta "Estamos llegando muy rápidamente al punto donde las versiones más simples de la inflación pueden ser descartadas, pero es muy fácil construir modelos que evadan los límites experimentales obtenidos. En ese caso, tendremos que averiguar muchas más maneras más inteligentes de realizar estas investigaciones, o bien de imponer las predicciones de la inflación a un mayor número de modelos teóricos de la física de partículas ".

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