Cosmología y Física Fundamental Parte 02

Desde los albores de la ciencia moderna, los avances en la física fundamental han aclarado los más profundos misterios de la astronomía. Como parte de esta relación simbiótica, las observaciones astronómicas han estimulado nuevos avances en la física fundamental. Kepler, Galileo y Newton idearon nuevas teorías del movimiento, fuerza y gravitación universal para explicar la deriva de los planetas en el cielo. La mecánica cuántica permitió la comprensión de los espectros estelares y reveló que las estrellas estaban compuestas principalmente de hidrógeno y helio, en lugar de oxígeno, silicio y hierro, elementos dominantes en la Tierra y los meteoritos. Los avances en física nuclear fueron esenciales para explicar la desconocida fuente de energía de las estrellas. En la actualidad, los astrónomos enfrentan nuevos misterios: la materia oscura, la aceleración cósmica y el origen de la estructura (Fig. 1). Una vez más, los avances en la física fundamental son necesarios y la astronomía ofrece un laboratorio de gran alcance para realizar las pruebas que se requieran.

Fig. 01. La composición del Universo ha evolucionado por más de 13.7 mil millones de años, desde el Big Bang. El Universo actual es dominado por la energía oscura, mientras que después del Big Bang fue dominado por materia oscura.

Crédito: NASA/WMAP Science Team



En las últimas tres décadas, los astrónomos y los físicos han hecho notables progresos hacia una teoría científica detallada del cosmos, un ‘modelo estándar’ de la cosmología que explica las observaciones que sondean un amplio rango de tiempo y distancia. Pero esta teoría todavía es incompleta, y se basa en tres ideas físicas que son las mejor entendidas parcialmente: Inflación, materia oscura fría y la energía del vacío.

La hipótesis de la inflación, propuesta por vez primera en la década de 1980, afirma que el Universo creció por un factor enorme durante sus primeros momentos. Esta expansión acelerada no solo elimina las fluctuaciones pre-existentes, sino que también genera un espectro escalar casi invariante de las fluctuaciones Gaussianas que dejan huella en la CMB y crecen para formar galaxias y cúmulos de galaxias. La materia oscura fría, compuesta por partículas que interactúan débilmente con bajas velocidades térmicas desde el inicio del Universo, explica la dinámica de las galaxias y los cúmulos, y permite garantizar una coherencia entre la CMB y las observaciones del LSS. La energía del vacío ejerce una gravedad repulsiva, la conducción de la aceleración actual de la expansión cósmica (La cual es, en muchos órdenes de magnitud más lenta de la aceleración hipotética que se plantea ocurrió durante la inflación).

A pesar de los éxitos observados, el modelo estándar es insatisfactorio de varias maneras. En la actualidad aún no conocemos o determinamos lo que causa o finaliza la inflación, tampoco podemos estar seguros sobre si la inflación es el mecanismo que crea un gran Universo, lleno de radiación y alimentado con fluctuaciones. Hay varias ideas plausibles de lo que podría ser la materia oscura, pero aún no sabemos cuál es la correcta.

Por mucho, el elemento más sorprendente del modelo es la energía del vacío. Mientras que la física cuántica no permite espacio ‘vacío’ para ser llenado con energía, el valor previsto de forma ingenua para esta energía es 10120 veces mayor que el permitido por las observaciones. Es posible que la energía del vacío real sea cero y omnipresente, un campo fundamental desconocido hasta hoy, similar al que causo la inflación a inicios del Universo, está impulsando la aceleración de nuestros días. Por otra parte, la aceleración observada podría ser una señal de que la relatividad general se desglosa en la escala del Universo observable.

Las partículas más estudiadas de la hipótesis de la materia oscura son en muchos aspectos análogas a los neutrinos, en la que interactúan con la materia bariónica sólo a través de la gravedad y la interacción débil (Si los neutrinos son mucho menos masivos). Durante las últimas cuatro décadas (En especial la última), los avances en la física de neutrinos han sido impulsados principalmente por las observaciones astronómicas. En particular, las observaciones de los neutrinos solares y los atmosféricos producidos por los rayos cósmicos, han demostrado que las tres especies de neutrinos en el modelo estándar de física de partículas no tienen masa cero, y que oscilan de una forma a otra a medida que se propagan a través de la materia o el espacio vacío. Las observaciones cosmológicas establecen el límite superior más fuerte en la masa del neutrino; muestran que los neutrinos del modelo estándar pueden no ser la principal forma de materia oscura, pero sigue siendo posible que una cuarta especie, los neutrinos estériles, podrían constituir la materia oscura.

Estos desarrollos, y el éxito y limitaciones del actual modelo cosmológico, sugieren las siguientes cuatro cuestiones para guiar las investigaciones en cosmología y física fundamental en la década que comienza:

• ¿Cómo comenzó el Universo?
• ¿Por qué se está acelerando el Universo?
• ¿Qué es la materia oscura?
• ¿Cuáles son las propiedades de los neutrinos?

En los siguientes post (Entrada o publicación) se tratarán de esclarecer estas cuestiones y describir las capacidades necesarias para responderlas.

También puede identificarse la astronomía de ondas gravitatorias como un área emergente de la ciencia con un potencial de descubrimiento inusual.

Los científicos esperan la próxima década para ver la primera detección directa de ondas gravitatorias, las ondas de propagación de espacio-tiempo predicas por Einstein hace casi un siglo. Las fuentes esperadas más fuertes de ondas gravitatorias son eventos violentos tales como el surgimiento de agujeros negros y estrellas de neutrones; la medición de las ondas gravitatorias proporcionará percepciones únicas sobre la física de estos eventos y permitiría un análisis del alcance del a relatividad general en un régimen completamente nuevo. Más atractivas aún son las perspectivas de las fuentes que todavía no se han imaginado o de las cuales solo se ha especulado, tal vez nuevos tipos de implosiones estelares o colisiones, o el fondo de las ondas gravitatorias producidas en el Universo primitivo. Si la historia de la radioastronomía y la astronomía de rayos X sirven de guía, entonces, el comienzo de la astronomía de las ondas gravitatorias cambiará fundamentalmente nuestra visión del cosmos y los objetos que contiene.

Tres temas conectan el enfoque observacional a esas cuestiones:

• El primero es la asignación de las condiciones iniciales cosmológicas sobre la más amplia gama dinámica posible con las mediciones de la temperatura del CMB y las fluctuaciones de la polarización y las observaciones ópticas y de radio que utilizan las galaxias y el gas intergaláctico para mapear la distribución de la materia a menores desplazamientos al rojo. El alcanzar un enorme aumento precisión estadística y el rango dinámico permitirá que nuevas pruebas de los modelos de inflación, medidas de precisión de la geometría del espacio, determinación de las masas de los neutrinos a través de sus efectos cosmológicos y las pruebas de las teorías sobre el origen de la aceleración cósmica. Caer en la cuenta que estas grandes mejoras en el poder estadístico requiere un control sumamente cuidadoso de las incertidumbres sistemáticas, que a menudo presentan el mayor desafío para estos métodos.

•  El segundo tema es la apertura de nuevas ventanas que permitan a los científicos ver fenómenos astrofísicos de una forma radicalmente nueva. Las ondas gravitatorias son el ejemplo más dramático de esta nueva ventana, pero no son el único. La búsqueda de materia oscura dependerá de los grandes avances en la sensibilidad y cobertura del cielo de los rayos gamma de alta energía y los experimentos de los rayos cósmicos. Las nuevas instalaciones deben alcanzar las primeras detecciones de neutrinos de ultra-alta energía. Las búsquedas de radiación de alto desplazamiento al rojo (21 cm), ofrecerán los primeros mapas en tres dimensiones de la estructura en la época de re-ionización cósmica, y los avances en estas técnicas deben eventualmente permitir el mapeo de las condiciones cósmicas iniciales en volúmenes sin precedentes.

• Finalmente, el tercer tema es el Universo como un laboratorio de física fundamental. Los estudios de las fluctuaciones primordiales sondearán la física del Universo primario en energías que no pueden ser alcanzadas en aceleradores terrestres. La explicación de la aceleración cósmica puede reformar radicalmente nuestra comprensión de la gravedad, el vacío cuántico o ambos. Los experimentos de materia oscura proporcionan ventanas en las extensiones del modelo estándar que complementan las herramientas tradicionales de la física de partículas. Las medidas astrofísicas proporcionan limitaciones muy poderosas y variadas en las propiedades de los neutrinos. Las ondas gravitatorias pondrán a pruébala relatividad general en el régimen de campo fuerte, una prueba que puede ser realizada en ambientes extremos, cercanos a los agujeros negros.