EL PROYECTO WMAP DE LA NASA CONFIRMA EL BIG BANG

Una sonda espacial equipada con antenas que pueden "ver" ondas de radio anda sentada por 6 años observando el firmamento desde un punto a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Esta misión de la NASA se llama Sonda Wilkinson de Anisotropias del fondo de Microondas o WMAP (en inglés) y fue lanzada al espacio el 30 de junio del 2001 con el fin de estudiar el fondo de radiación cosmológico que viene viajando hacia nosotros desde el comienzo del tiempo trayendo información valiosisima para descifrar el acertijo del comienzo del universo. Recientemente (marzo, 2008) los científicos del proyecto anunciaron resultados del analisis de datos acumulados durante 5 años, los cuales se pueden resumir así:

Por primera vez se observa y se detecta la época de formación de las primeras estrellas Por primera vez se mide la polarización de la radiación cósmica de fondo (RCF) y se detecta coherencia a pequeñas escalas angulares tal como se espera de la teoría del Big Bang y a grandes escalas angulares de acuerdo con las predicciones de los modelos inflacionarios. WMAP logró observar el universo temprano con un nivel de detalle y precisión jamás logrado anteriormente y con el cual queda firmemente establecido el modelo cosmológico estándar basado en la gran explosión o "Big Bang".

Los Hallazgos de WMAP

La sonda WMAP de microondas fue lanzada al espacio el 30 de junio del 2001 hacia un punto a una distancia de 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Lejos de las interferencias locales que se encuentran en nuestro ambiente inmediato y fuera de la atmósfera donde las microondas viajan libremente sin ser absorbidas el WMAP observa la RCF con una nitidez que le permite percibir diferencias de temperatura de una millonésima de grado absoluto (grado Kelvin). Gracias a sus antenas supersensibles el WMAP revela con lujo de detalles las características del universo recién nacido.

Después de un año de observaciones WMAP ha logrado obtener las mediciones más precisas hasta el momento de la edad del universo, la curvatura del espacio, la cantidad de átomos en el universo, la cantidad de masa oscura, la época de formación de la primeras estrellas y la presencia de una forma de energía invisible que domina el universo pero cuya naturaleza aún no se conoce. Estos resultados son consistentes con el Big Bang y dan sustento a los modelos inflacionarios que explican lo que ocurrió durante las primeras fracciones de segundo del universo.

Los resultados se basan en la observación de la RCF a 5 frecuencias distintas en el rango 23 a 94 GHz (microondas) con radiómetros diferenciales. Estos instrumentos son antenas de radio que miden diferencias de intensidad en la señal proveniente de direcciones distintas de la esfera celeste. Para los radio-astrónomos la intensidad de esta señal es una medida de la temperatura de la fuente observada.

El valor de esta temperatura es de 2,725 ± 0.002 grados Kelvin (-270.43 Grados Celsius). Esto no quiere decir que el universo era así de frió en esa época temprana. En realidad el universo era 1089 veces más caliente. Lo que ocurre es que la temperatura de la radiación baja con la expansión del espacio, que justamente se ha expandido en un factor de 1089 desde el momento en el que la RCF se desprende de la materia.

Las anisotropías de la RCF fueron detectadas por primera vez en 1992 por la sonda COBE ("Cosmic Background Explorer") de la NASA. Con las observaciones del COBE los astrofísicos pudieron comprobar los cálculos que conectan estas anisotropías con las fluctuaciones de densidad en el universo temprano. La diferencia cualitativa más importante entre COBE y WMAP consiste en la resolución angular de sus antenas, lo cual determina los procesos físicos que pueden ser estudiados. COBE fue diseñado para observar a escalas angulares de 7 grados o mayores, mientras que WMAP puede distinguir detalles a partir de 2 décimas de grado. Este dato es importante ya que la escala angular de 1 grado divide dos grandes dominios de procesos físicos del universo temprano. La escala angular de 1 grado corresponde al horizonte causal cuando el universo tenía 380.000 años.

Diferencias en la temperatura de la radiación cósmica de fondo (RCF) observadas por los instrumentos del WMAP. Manchas de color rojo representan regiones de temperatura más caliente que el promedio. Manchas de color azul representan regiones de temperatura más fria que el promedio.

WMAP confirma y profundiza los hallazgos del COBE. En los mapas de la RCF (ver mapa) las anisotropías en la temperatura aparecen como regiones frías y calientes. Estas regiones o "manchas" en el mapa no tienen forma regular. Sus formas y distribución en la esfera celeste son aleatorias, como si fueran producidas por una fuente de ruido. Por su resolución angular las manchas observadas por COBE son grandes y revelan el efecto sufrido por los fotones de la RCF al interactuar con el campo gravitacional al momento del desacople con la materia. Los físicos se refieren a este mecanismo con el nombre de "efecto Sachs-Wolfe". Por otro lado, las manchas observadas por WMAP son producidas por oscilaciones acústicas en el plasma primordial. La superficie de última dispersión de los fotones de la RCF puede ser comparada con la superficie del cuero de un tambor la cual soporta modos vibracionales característicos. Los modelos cosmológicos predicen las características de estas manchas, permitiendo así confrontar los modelos con las observaciones. La detección de esta señal fue realizada por primera vez en el año 2000 por el grupo del experimento Boomerang.

Nuestro Universo Revelado

Según WMAP vivimos en un universo de geometría plana (curvatura cero) compuesto por átomos (4.4%), materia oscura (22%) y energía invisible (73%). Estos resultados son compatibles con observaciones de estructuras de cúmulos y super-cúmulos de galaxias, y con la expansión acelerada del universo que se infiere de observaciones de supernovas lejanas tipo Ia. Quizá el hallazgo más extraño de este proyecto es el de demostrar que el universo está dominado por esa componente de energía invisible. No sabemos cual es la naturaleza de esa energía. Los argumentos teóricos favorecen la propuesta de Einstein (generada en otro contexto por supuesto!) de la constante cosmológica "lambda" (L), según la cual el espacio puede contener una presión negativa contraria a la gravedad. Algo así como una gravedad pero negativa! En los modelos inflacionarios la constante cosmológica surge de forma natural como manifestación de la energía del vacío cuántico.

La edad del universo determinada por WMAP es de 13.700 millones de años con un error de solo el 1%. Este resultado es consistente con las mediciones de la edad del universo obtenidas de forma independiente y con métodos distintos por el Telescopio Espacial Hubble haciendo mediciones de distancia y corrimiento hacia el rojo de estrellas cefeidas variables en galaxias lejanas.

Según WMAP el universo apenas tenía 200 millones de años cuando comienza la época de formación de las primeras estrellas, lo cual resuelve uno de los acertijos que quedaban pendientes en la teoría del Big Bang. La detección de la época de formación de estrellas es posible gracias a la capacidad de WMAP de hacer mediciones de la polarización de la RCF. No se esperaba que las estrellas aparecieran tan temprano en la evolución del universo, lo cual excluye los modelos de formación que incorporan materia oscura "caliente" (cuyas partículas se mueven a velocidades relativistas) como los neutrinos. Por lo tanto la materia oscura del universo es del tipo "frio" o CDM del inglés "cold dark matter". La prominencia del modelo LCDM resultante de WMAP tampoco era el resultado esperado. Por muchos años los astrofísicos estaban convencidos que el universo era abierto y dominado por materia oscura pero no por el término L de energía invisible.

Los modelos inflacionarios ganan peso con las observaciones de WMAP al demostrar que las propiedades estadísticas de las anisotropías de la RCF coinciden con las predicciones de estos modelos. Específicamente, las anisotropías resultan ser aleatorias con igual amplitud para todas las escalas angulares. Igualmente, la determinación de la planitud del universo y la detección por WMAP de coherencia de la polarización a grandes escalas es una de las predicciones de los modelos inflacionarios. Por el contrario, otros esquemas teóricos de origen de estructura tales como la "quintaescencia" o el mecanismo de defectos topológicos quedan fuera de competencia con los datos de WMAP.

Interpretación de los Resultados de WMAP

Los resultados científicos de WMAP dan comienzo a la nueva ciencia de cosmología de precisión en la cual se deja a un lado la prueba de modelos cosmológicos para pasar a hacer mediciones precisas del Big Bang. La teoría inflacionaria está fuertemente ligada al Big Bang debido a que esta resuelve dos problemas fundamentales del Big Bang: el problema de la planitud y el problema del horizonte. La inflación además es un mecanismo que extiende la teoría del Big Bang a los primeros momentos del Universo y las predicciones de algunos modelos inflacionarios están de acuerdo con las observaciones. Sin embargo el éxito de la teoría del Big Bang no sufriría si más adelante se llega a descartar el mecanismo inflacionario. El éxito del Big Bang se basa en su consistencia interna y en la comprobación de las predicciones que hace la teoría Estas predicciones abarcan un vasto rango de energías y épocas del universo.

El Big Bang no es una teoría acabada. La naturaleza de la materia oscura y de la energía invisible son dos grandes huecos que no se pueden ignorar. Algo similar sucede con el modelo estándar de partículas e interacciones: a pesar de explicar de forma consistente gran cantidad de fenómenos del mundo subnuclear aun quedan preguntas fundamentales por resolver, tales como el origen de la masa y la razón por la cual hay tres familias de partículas . Por supuesto, la coherencia de la teoría del Big Bang también depende de las suposiciones que se han aceptado al punto de partida, es decir la validez de la teoría de la relatividad general y del modelo estándar de partículas e interacciones. No podemos decir que la teoría queda confirmada definitivamente (de hecho este tipo de afirmación no se puede hacer de ninguna teoría).

Los argumentos que esgrimen algunos críticos del Big Bang se basan en aducir a razonamientos puramente ad hoc la introducción de elementos artificiales tales como materia oscura y energía invisible. Este tipo de argumentos tienen validez en general bajo la guía de la navaja de Occam usada para evitar los excesos de construcciones teóricas barrocas. No olvidemos sin embargo que en el pasado las hipótesis que introducen "materia oscura" o "partículas no visibles" han resultado en grandes contribuciones al avance de la física y la astronomía. Recordemos en este contexto la propuesta de Wolfgang Pauli en 1930 de la existencia de los neutrinos, y la predicción en 1846 por Jean J. Leverrier de un planeta no observado (Neptuno). Irónicamente, las alternativas al Big Bang propuestas por críticos del modelo se ven hoy obligadas a contorsiones cada vez menos elegantes para acomodar el creciente número de observaciones. Si aplicamos el criterio de Occam los modelos alternativos al Big Bang quedarían descalificados. El astrofísico E. L. Wright de la Universidad de California en Los Angeles hace una exposición detallada (http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm) de los errores en las alternativas más serias al Big Bang. El Big Bang está soportado por su contrastabilidad empírica, que es el único medio a nuestra disposición para averiguar los valores veritativos factuales de una teoría.

Con los resultados del trabajo experimental en cosmología de los últimos 40 años queda claro que hay consenso entre los astrofísicos y cosmólogos en que el Big Bang es una plataforma sólida para explicar el origen y evolución del Universo. El paradigma del Big Bang consistente en un universo en expansión con un pasado caliente y denso donde ocurrió la nucleosintesis de los elementos primordiales y donde se generó la RCF, queda firmemente establecido. Los avances teóricos que vendrán en el futuro van a tener que lidiar con el problema de la materia oscura y la constante cosmológica. Algunos teóricos exploran esquemas alternativos, tales como la teoría de gravedad modificada (MOND) y teorías en las cuales algunas constantes universales (tales como la velocidad de la luz y la constante de estructura fina) son variables del tiempo. La evidencia experimental indica que los intentos de la teoría por penetrar los terrenos oscuros de la cosmología van a tener que darse dentro del paradigma del Big Bang.