Cosmología y Física Fundamental. Parte 01

Las observaciones astronómicas han sido una herramienta vital para el estudio de la física fundamental, y los avances en la física fundamental son ahora esenciales para direccionar los problemas clave en la astronomía y la cosmología.

Los últimos quince años han sido un periodo de progreso tremendo en cosmología y física de partículas:

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•  Se tiene un modelo cosmológico simple que se adapta a una gran cantidad de datos astronómicos. Hace quince años, los cosmólogos consideraban un amplio rango de modelos posibles; la mejor estimación para la constante de Hubble difería casi en un factor de dos, y la estimación de la masa del Universo difería por mucho, en un factor de cinco. Hoy, el modelo Lambda Cold Dark Matter es notablemente exitoso en explicar las observaciones actuales, y los parámetros cosmológicos claves en este modelo han sido medidos por múltiples técnicas para mejorarlo en un 10%. 

• La medición de la radiación cósmica de fondo (CMB, Cosmic Microwave Background) complementada con observaciones de estructuras de larga escala (LSS, Large-Scale Structures) sugiere que el Universo primitivo sufrió un periodo de expansión acelerada que es probable que sea atribuible a un periodo de ‘inflación’ cosmológica. El modelo inflacionario predice que el Universo es casi plano, y que las fluctuaciones iniciales fueron Gaussianas, con una escala casi no variante y adiabática. De forma notable, estas predicciones se han verificado.

• La evidencia astronómica para la existencia de la materia oscura se ha mejorado por más de 60 años. En la última década, las mediciones de los picos acústicos en la CMB han confirmado las predicciones de la nucleosíntesis del Big Bang (BBN, Big Bang Nucleosynthesis) de que la materia oscura debe ser no bariónica. Las medición de lentes gravitacionales han asignado directamente su distribución a gran escala, y la combinación de lentes y mediciones de rayos X ha cuestionado severamente muchas de las alternativas de gravedad modificada a la materia oscura.

• Los datos de las supernovas, en conjunto con otras observaciones astronómicas, implican que la expansión del Universo se está acelerando. Este sorprendente resultado sugiere una ruptura de la relatividad general en la escala del Universo observable, o la existencia de una nueva forma de ‘energía oscura’ que llena el espacio, que posee una gravedad repulsiva, y domina la densidad energética del cosmos.

• El descubrimiento de que los neutrinos oscilan entre sus electrones, muones y los sabores tau cuando se desplazan, y de ahí que tengan masa, proporciona evidencia para una nueva física más allá del modelo estándar de la física de partículas. Los efectos de la oscilación fueron observados en el primer experimento para medir neutrinos solares, y la interpretación fue confirmada por la medida de neutrinos atmosféricos producidos por los rayos cósmicos y por los nuevos experimentos de neutrinos solares con sensibilidad de sabor (En física de partículas, el sabor es el número cuántico de partículas elementales; estos sabores son: Leptones, Quarks, Antipartículas y Hadrones).

• En los últimos años, se ha observado un punto límite en el espectro de energía de los rayos cósmicos de ultra alta energía (UHECR, Ultra High Energy Cosmic Rays) coherente con lo predicho de que surjan de las interacciones con el CMB. Los UHECR se han convertido en una poderosa herramienta para sondear los núcleos galácticos activos (AGN, Active Galactic Nuclei), cúmulos galácticos o fuentes de radio responsables de la aceleración de estas partículas.

Viendo hacia la década que sigue, los científicos anticipan nuevos avances que se basan en estos resultados. Se han identificado cuatro cuestiones centrales que están listas para ofrecernos respuestas y un área general en la que existe un potencial inusual de descubrimiento:

• ¿Cómo inició el Universo?
• ¿Por qué se está acelerando el Universo?
• ¿Qué es la materia oscura?
• ¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?
• Área de descubrimiento: Astronomía de las ondas gravitatorias.

¿Cómo inició el Universo?

¿Experimentó el Universo un proceso de inflación, un rápido periodo de expansión acelerado en sus inicios? De ser así ¿Qué condujo esta aceleración inicial, cuando ocurrió exactamente y como finalizará? Cuando se presentó a principios de la década de 1980, el paradigma inflacionario realizó un número predicciones observacionales genéricas: vivimos en un Universo plano con una simiente en una escala casi invariable, adiabática, con fluctuaciones escalaras Gaussianas. En la década pasada, las observaciones cosmológicas confirmaron esas predicciones. En la década por venir, podría ser posible detectar las ondas gravitatorias producidas por la inflación, y de ese modo inferir la escala energética inflacionaria, a través de mediciones de la polarización de la radiación de fondo. Podría ser posible analizar la física de la inflación y distinguir entre los modelos por la medición precisa de las predicciones de los modelos más sencillos.

¿Por qué se está acelerando el Universo?

¿Esta aceleración es la firma del rompimiento de la relatividad general a grandes escalas o se debe a la energía oscura? La evidencia actual de la aceleración del Universo descansa primariamente en las mediciones de la relación entre la distancia y el desplazamiento hacia el rojo, basado en las observaciones de supernovas, el CMB y el LSS. La mejora en las mediciones de distancia puede comprobar si la relación distancia-desplazamiento hacia el rojo, sigue la forma esperada para la energía de vacío o si la energía oscura evoluciona con el desplazamiento hacia el rojo. Las mediciones del crecimiento del rango del LSS proporcionan una prueba independiente de los efectos de la energía oscura. La combinación de estas mediciones pone a prueba la validez de la relatividad general a gran escala. La evidencia de la aceleración cósmica proporciona motivación adicional para mejorar los análisis de la relatividad general en el laboratorio, escalas cósmicas e interplanetarias, y la búsqueda de variaciones en los parámetros fundamentales.

¿Qué es la materia oscura?

Las observaciones astronómicas implican que la materia oscura es no bariónica. La teoría de partículas sugiere varios candidatos viables de materia oscura, incluyendo partículas masivas de interacción débil (WIMP, Weakly Interacting Massive Particles) y axiones. En la siguiente década, la combinación de experimentos de aceleración en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider), la búsqueda directa e indirecta de materia oscura, y las pruebas astrofísicas están preparados para poner a prueba estos y otros candidatos y poder identificar las partículas que constituyen la materia oscura. Las detecciones exitosas podrían marcar el amanecer de la astronomía de la materia oscura: el uso de las mediciones de partículas de materia oscura o sus productos de aniquilación, para probar la dinámica de la galaxia y la física de la formación de estructuras.

• WIMP – Son partículas hipotéticas que sirven como una solución posible para el problema de la materia oscura. Esas partículas interactúan a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, y posiblemente a través de otras interacciones no tan fuertes como la fuerza débil. Dado que no interactúan con el electromagnetismo, no pueden observarse directamente y como tampoco interactúan con la fuerza nuclear fuerte, no tienen una reacción fuerte con los núcleos atómicos.

¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?

¿Cuál es la masa de un neutrino? ¿Cuáles son los ángulos de mezcla y acoplamiento de la materia ordinaria? La astronomía de neutrinos solares determinó la temperatura central del Sol a un 1% y proporcionó la primera evidencia de las oscilaciones de los neutrinos. Los eventos de neutrinos de la supernova 1987A, confirmó las ideas básicas científicas acerca del colapso de los núcleos estelares y colocó nuevos avances en las propiedades de los neutrinos. Debido a los rápidos avances en las tecnologías de detección de neutrinos, en la próxima década, los astrónomos serán capaces de utilizar los neutrinos para investigar de forma precisa los interiores del Sol y de las supernovas, así como los aceleradores de ultra alta energía cósmica. Las mediciones cosmológicas del crecimiento estructurado ofrecen investigaciones más sensibles de la escala de la masa de los neutrinos, con el potencial para alcanzar el 0.05 eV, el límite más bajo establecido para los experimentos de oscilación. La siguiente generación de detectores de neutrinos podría detectar el fondo cósmico de neutrinos producidos en la historia de la formación y colapso estelar. Los detectores de neutrinos de ultra alta energía registrarán los neutrinos producidos por las interacciones de los UHECR con fotones de la CMB, las mismas interacciones que degradan la energía de las partículas cargadas y causan los cortes de alta energía. Estos experimentos ofrecen un sondeo único en la física y más allá en la escala TeV. La mejora en las mediciones de los abundantes elementos ligeros podría aliviar la tensión existente entre las predicciones de la BBN y las observaciones, o podrían amplificar esta tensión y señalar el camino hacia un modelo revisado de la física de neutrinos o los inicios del Universo.

Área de descubrimiento: Astronomía de las ondas gravitatorias

Con los futuros y potenciales experimentos acerca de abrir una nueva ventana sobre el Universo, la astronomía de ondas gravitatorias es un área potencial de descubrimiento inusual cuyos resultados pueden ser realmente revolucionarios. Las ondas gravitatorias, a punto de ser detectadas, pueden ser utilizadas para estudiar objetos astrofísicos de importancia central para la astronomía actual y desarrollar análisis de precisión de la relatividad general. Las fuentes conocidas más fuertes de ondas gravitatorias involucran condiciones extremas (Agujeros negros y estrellas de neutrones, y especialmente los estrechos sistemas binarios que los contienen, supernovas de núcleos colapsados, la evolución de las cuerdas cósmicas y las fluctuaciones del Universo primitivo) y los estudios de estos fenómenos pueden dar avances en el entendimiento de la materia en alta energía y densidad. La relatividad general predice que las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz y producen un patrón de fuerza que es transversal y cuadripolar. Las observaciones del surgimiento de agujeros negros en proporción con ruido de alta señal, harán posibles análisis extremadamente precisos de muchas predicciones de la relatividad general en el régimen del campo fuerte, tal como la existencia de los agujeros negros y si el espacio-tiempo deformado a su alrededor obedece a los teoremas desarrollados por Hawking, Penrose y otros. Y dado que el surgimiento de agujeros negros binarios funciona como ‘sirena estándar’, existe una relación conocida entre su forma de onda y su luminosidad intrínseca. Si sus contrapartes ópticas se pueden detectar, permitirán un nuevo enfoque de la medición de distancias absolutas de objetos de alto desplazamiento al rojo.

En la actualidad, se tiene en funcionamiento una red mundial de observatorios terrestres de láser de interferometría de ondas gravitatorias, cubriendo el rango de 10-1000 Hz de frecuencia. Esta red podrá detectar el surgimiento de agujeros negros provenientes de estrellas de neutrones y agujeros negros de masa estelar. Operando en frecuencias más bajas (9-10 Hz) se pueden detectar pulsares. El rango de baja frecuencia (entre 1 y 5 Hz) se cree que es rico en fuentes de ondas gravitatorias de gran interés para la astronomía, la cosmología y la física fundamental. A esta porción del espectro de ondas gravitatorias solo puede accederse desde el espacio. Detecciones con base en el espacio pueden lograr medidas mucho más precisas del surgimiento de agujeros negros y de este modo, tener análisis más robustos de la relatividad general.

Actividades teóricas y computacionales

La teoría y la observación están estrechamente entrelazados en las investigaciones de cosmología y física fundamental, por lo que a menudo es difícil definir una frontera entre ellos. Muchas de las ideas que son centrales para las investigaciones empíricas de la próxima década se originaron hace décadas como especulaciones teóricas. Muchas de las herramientas que ahora se están utilizando para estas investigaciones surgieron de los estudios teóricos iniciados mucho antes de que los métodos fueran técnicamente viables. La teoría juega un papel importante en el diseño de experimentos, la optimización de los métodos de extracción de la señal y el entendimiento y mitigación de errores sistemáticos. Los avances teóricos a menudo amplifican el regreso científico de un conjunto de datos o un experimento mucho más allá de su diseño inicial. Más especulativo, la teoría de la exploración puede producir el avance que lleva a una explicación natural de los fenómenos observados o una predicción de nuevos fenómenos extraordinarios. En todos esos ámbitos, la computación de alto rendimiento juega un papel fundamental y creciente. El desarrollo robusto de una amplia gama de actividades teóricas y computacionales es esencial a fin de obtener la devolución de las grandes inversiones en instalaciones de observación previstas para la próxima década.