Por ANNA BOLUDA
“El Fondo Cósmico de Microondas cambió nuestro conocimiento sobre el Universo”
“El modelo cosmológico aceptado tiene tan sólo un 1% de error”
“La próxima década va a ser la edad dorada de las estructuras a gran escala”
“La cosmología es la clave para determinar la masa de los neutrinos”
Licia Verde es astrónoma en el Instituto de Ciencias del Cosmos – Universitat de Barcelona (ICC-UB). Está especializada en cosmología, y sus temas de investigación abarcan la cosmología teórica, el fondo cósmico de microondas, las estructuras a gran escala, los cúmulos de galaxias, aplicaciones estadísticas y análisis de datos. Ha sido la invitada para inaugurar la Semana Europea de Astronomía y Ciencias del Espacio – EWASS 2015 en Tenerife con un charla sobre el 50 aniversario de la publicación del descubrimiento del Fondo Cósmico de Microondas.
Este año se celebra el 50 aniversario de la publicación del descubrimiento de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas. ¿Cómo describirías la relevancia de dicho descubrimiento en el desarrollo de la cosmología moderna?
Ha tenido implicaciones profundas en nuestro conocimiento, tanto de la cosmología como del Universo, por diversos motivos. Antes del descubrimiento de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas, dos teorías competían por explicar el origen del Universo. Una de ellas era la teoría del Big Bang, que es la hoy todos conocemos y admiramos –incluso a través de series de televisión- y la otra era la teoría del espacio estable, en la que no hay un principio o singularidad. Las predicciones de las dos teorías eran totalmente distintas, y un fondo cósmico de microondas sólo se preveía en la teoría del Big Bang. Así que observar el fondo cósmico de microondas significó la confirmación de este modelo.
Además, pronto se vio que esta radiación también proporcionaba muchos datos valiosos sobre la naturaleza del Universo, no sólo su origen, sino también su composición y evolución. En realidad el Universo es bastante grumoso; como promedio es homogéneo e isotrópico, pero es muy grumoso. Para explicar este fenómeno, además de la gravedad debe haber alguna perturbación inicial, porque un medio totalmente homogéneo e isotrópico no generaría, por sí mismo, las galaxias, los planetas y las estrellas que vemos hoy.
Por tanto, durante años se buscaron anisotropía en esta radiación del fondo cósmico de microondas. Al principio parecía totalmente uniforme, hasta que se descubrieron estas anisotropías. No fue tan sólo un descubrimiento cualitativa que implicaba que “habíamos visto las semillas de las galaxias”, también fue un poderoso descubrimiento en términos cuantitativos, porque la amplitud de esas perturbaciones primigenias tiene que coincidir con la “grumosidad” del Universo que vemos hoy. Y eso dio pie a la idea de la materia oscura: si sólo hubiera materia “ordinaria”, dado el Universo tal y como lo vemos ahora, tendríamos que haber encontrado fluctuaciones del fondo cósmico de microondas muy fácilmente. Pero no fue así. Por eso se invocó un componente de materia oscura. Este es otro de los pilares en los que se basa nuestro conocimiento actual del Universo.
Una vez se detectaron estas perturbaciones empezó la carrera por medir sus propiedades, con la certeza de que constituyen la huella digital del Universo. Si nos situamos en el momento actual, vemos que se ha realizado un gran esfuerzo observacional para analizar las perturbaciones. Ahora disponemos de completos estudios de alta resolución, como los aportador por el satélite Planck, por ejemplo, y hemos sido capaces de converger en lo que llamamos el modelo cósmico aceptado, que viene a ser como el modelo aceptado en la física de partículas: subyace el mismo tipo de desarrollo intelectual. El modelo ha sido aceptado, se han realizado pruebas de precisión y ahora estamos preparados para realizar pruebas de muy alta precisión del modelo para ver si hay algo más allá. Con la precisión actual, los parámetros del modelo tan sólo tienen un 1% de error.
¿Dónde estamos hoy en cosmología?
Hay quienes ven el vaso medio lleno, y quienes lo ven medio vacío. Tenemos el modelo cósmico aceptado, con unos cuantos parámetros que describen el Universo con gran precisión y un margen de error de tan sólo el 1%. Así que algunos creen que no tiene sentido intentar determinar estos parámetros con alguna nueva teoría más. Otros ven el vaso medio lleno y se quedan con que es un modelo. Me gusta recordar lo que decía George E. P. Box: ‘Algunos modelos son erróneos, pero algunos son útiles”. El modelo es una aproximación de la realidad, ya sabemos que es incompleto. Es incompleto porque no entendemos qué es esa energía ni entendemos el mecanismo que desencadenó la perturbación primigenia; y también es incompleto de alguna manera porque en el modelo cósmico aceptado los neutrinos no tienen masa. Así que sabemos que en algún momento tendremos que abandonar este modelo. Pero los optimistas la cuestión es que si podemos intentar exprimir el modelo, quizá podamos aprender algo nuevo sobre la física que va más allá del mismo. Que es muy parecido a lo que ocurrió en la física de partículas.
¿Dónde estamos hoy? Acabamos de terminar lo que yo llamo la edad dorada de las observaciones del fondo cósmico de microondas: ya hemos observado con extrema precisión la temperatura de la perturbación primigenia, y hemos empezado a extraer el poder de la polarización del fondo cósmico de microondas. Pero hasta que podamos mejorar de manera radical en este aspecto, preveo un vacío de unos cuantos años, al menos una década.
Creo que la próxima era va a ser la edad dorada de las estructuras a gran escala, es decir, mapear la distribución de galaxias, cúmulos y materia oscura. Muchas de las herramientas y del rigor que la comunidad científica ha desarrollado para realizar cosmología de precisión en fondo cósmico de microondas se están filtrando hacia el campo de las estructuras a gran escala, y también se está realizando un enorme esfuerzo observacional en esa dirección. Por supuesto, esto no excluye que haya otros experimentos sobre datos secundarios del fondo cósmico de microondas, pero ese es otro tipo de física. Creo que la próxima década va a ser la edad dorada de las estructuras a gran escala, antes de que estemos listos para conseguir otra vez información sobre la polarización y poder averiguar qué energía hay tras el Big Bang, esa aceleración expansiva inicial, que creemos que causó la perturbación, la semilla de las galaxias.
¿Por qué se va a tardar una década en conseguir nueva información relevante sobre la polarización? ¿Qué instrumentación se requeriría?
Hay varios experimentos tomando posiciones para intentarlo, y ese es uno de los enfoques posible: intentar un experimento desde Tierra que cubra sólo una parte del cielo y esperar tener suerte, e intentar además controlar además la información de primer plano para que no afecte a la investigación. De hecho, tenemos uno de estos experimentos en las islas Canarias: Quijote, que es probable que aporte resultados muy pronto.
Los observatorios terrestres son una posible estrategia. La otra sería replicar lo que hizo Planck para la temperatura e isotropía, contar con otro satélite para la polarización. Ese sería el experimento final para observar todo el cielo y llegar a medidas con un error tan mínimo que no hiciera falta volver a repetirlo. Pero dicho experimento todavía no existe. De momento es tan sólo una propuesta. Por eso digo que la edad dorada para la polarización probablemente tarde aún unos años. Aunque podemos tener sorpresas: quizá alguno de los experimentos desde Tierra podrían proporcionar resultados revolucionarios en los próximos meses, ¡la ciencia es así!
¿Por qué es tan importante conseguir una estimación de la masa de los neutrinos para poder comprender mejor el Universo? ¿Y cuándo se espera llegar a esa estimación?
Los experimentos de física de partículas han demostrado varias propiedades de los neutrinos, pero no han sido muy sensibles respecto a la escala de masa absoluta de los neutrinos. Sabemos que hay al menos tres tipos de neutrinos, que oscilan, que cambian de uno a otro, y sabemos que el cuarto neutrino necesita tener una masa distinta de cero. Pero estos experimentos de oscilación sólo pueden medir diferencias de masa, no la escala absoluta. Pr ello la clave es la cosmología. Por eso estudiar neutrinos a través de la observación del cosmos se está convirtiendo en un tema tan candente.
En principio, si podemos mantener bajo control la sistemática, la próxima generación de estudios de estructuras a gran escala contarán con suficiente señal del cielo para detectar la masa de un neutrino, incluso en el límite más bajo de los previstos por la oscilación. Esto nos diría dos cosas: primero, como estaremos basándonos en los parámetros de un modelo, que el modelo realmente es consistente, que no erróneo, que es útil de verdad; y aunque fuera erróneo, lo sería de manera que no influiría en nuestra concepción del Universo. La otra cosa es que nos daría un número que no se puede obtener de ninguna otra manera. Y esto tendría implicaciones sobre nuestro conocimiento de la física de partícula, porque en el modelo aceptado de la física de partículas, los neutrinos tienen masa. Será una de esas interesantes interacciones entre lo infinitamente pequeño y lo infinitamente grande, donde cada uno de ellos ayuda a entender el otro.
¿Cuándo tendremos resultados? Durante la próxima generación de estudios de estructuras de gran escala, antes de una década seguro. Hay mucha gente trabajando en ello y creo que es un campo de investigación apasionante. Así que relativamente pronto, podemos tener alguna sorpresa.
Entrevista en vídeo aquí.
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