Grietas en el universo: la búsqueda de cuerdas cósmicas

Los filamentos del tamaño de la galaxia de la energía bruta se pueden enhebrar a través del espacio-tiempo, de acuerdo con algunas teorías. ¿Alguna vez encontraremos rastros de ellos?

Crédito de la imagen: TATYUN / GETTY IMAGES

Por Cathal O'Connel, para Cosmos Abril 25 de 2018



Nuestro universo explotó en el ser (en la existencia), se expandió a una velocidad fantástica y se enfrió. Quizás demasiado rápido. Algunos físicos creen que el enfriamiento rápido podría haber roto la estructura del universo.

Estas fracturas finas todavía pueden enhebrarse a través del espacio-tiempo. Llamados cuerdas cósmicas, los modelos matemáticos los ven como hilos invisibles de energía pura, más delgados que un átomo pero de años luz. La gran cantidad de energía que contienen también los hace extremadamente pesados; unos pocos centímetros de cuerda cósmica podrían pesar tanto como el Monte Everest.

Los defensores de las cuerdas cósmicas, como Thibault Damour, un físico teórico en el Instituto de Estudios Científicos Avanzados cerca de París, están persuadidos por las matemáticas que siguen prediciendo su existencia. "Las cadenas de hechos aparecen todo el tiempo y me hace confiar en que existen", dice.

Sin embargo, como cápsulas del tiempo del universo primitivo, las cuerdas cósmicas deberían retener energías fantásticas, más de mil millones de veces mayores que las liberadas al romper partículas en el Gran Colisionador de Hadrones, dice Ken Olum, físico teórico de la Universidad de Tufts en Boston, que tiene cadenas cósmicas contempladas durante 20 años. "No se puede construir un acelerador para probar la física a esa escala".

Tampoco ninguno de nuestros instrumentos astronómicos puede detectar estos filamentos intergalácticos finitos. Para algunos físicos, no vale la pena seguir una teoría que no se puede probar. Coloca cadenas cósmicas en la misma categoría que la "teoría de cuerdas", su homónimo controvertido en el otro extremo de la escala de tamaño. La teoría de cuerdas invoca cadenas vibrantes más pequeñas que cualquier partícula subatómica como los bloques de construcción del universo. Para Matthew Bailes, astrofísico de la Swinburne University of Technology en Melbourne, las cuerdas cósmicas son una "curiosidad matemática" o algo peor, "una fantasía exótica".

Todo lo que puede estar a punto de cambiar. La era naciente de la astronomía de ondas gravitacionales, con tan solo dos años, finalmente puede entregar una herramienta para probar la existencia de cadenas cósmicas. No podemos verlos, pero los detectores de ondas gravitacionales podrían ser capaces de escuchar los latidos y chasquidos que se crean al pasar por el espacio.

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Podrías preguntarte cómo se puede romper el vacío del espacio. Ayuda a imaginar el universo a través de los ojos de un teórico de campo cuántico. Neo en The Matrix estaba cerca. Él vio su mundo como una tela diáfana de verdosos y ceros. Los teóricos de campo cuánticos ven el universo como un tejido de campos omnipresentes.

Los campos llenan el espacio como un fluido, y lo que llamamos "partículas" son ondas dentro del fluido. Un fotón es una onda en el campo electromagnético (que experimentamos como luz), una onda de electrón en el "campo de electrones", un bosón de Higgs una onda en el campo de Higgs, y así sucesivamente. "No hay nada más que campos", así lo expresó una vez el físico retirado de Princeton Freeman Dyson.

El teórico de campo británico Tom Kibble, que murió en junio de 2016, tuvo la idea de las cuerdas cósmicas en 1976. Estaba reflexionando sobre la primera fracción de segundo después del Big Bang cuando el universo experimentó una rápida expansión, y luego se enfrió rápidamente. Esto, sugirió, provocó un cambio de fase en los campos cuánticos, como la congelación del agua en el hielo.

En un bloque de hielo, algunas regiones pueden congelarse con sus cristales en diferentes orientaciones, al igual que las losetas que se colocan simultáneamente en diferentes extremos de una habitación. Donde se encuentran, no encajan sin problemas, lo que resulta en una grieta. Del mismo modo, Kibble conjeturó que los cambios de fase cuántica en el universo primitivo habrían causado que los campos se alinearan en diferentes orientaciones, provocando grietas de nuevo - cuerdas cósmicas.


Muchas teorías sobre el nacimiento del universo sugieren que está atravesada por cadenas cósmicas: grietas en el espacio-tiempo creadas durante el enfriamiento rápido después del Big Bang. Este modelo muestra las cuerdas en naranja y muchos bucles más pequeños en verde. Crédito de la imagen: ADAPTADO DE CARLOS MARTINS & PAUL SHELLARD

Algunas de las predicciones pasadas de Kibble han valido la pena. Él predijo independientemente la existencia de una partícula fundamental que imparte masa a todos los demás, ahora conocido como el bosón de Higgs. El descubrimiento de esa partícula en 2012 ganó el premio Nobel.

Las cuerdas cósmicas, sin embargo, fueron particularmente problemáticas para ponerlas a prueba. Solo aparecerían en los bordes de vastas regiones tan grandes como el universo observable. Es por eso que, en el esquema original de Kibble de 1976, escribió que "buscar cuerdas cósmicas directamente no tendría sentido".

Allí la historia de las cuerdas cósmicas podría haber terminado, pero para un cálculo notable realizado por el físico ucraniano Alexander Vilenkin unos cinco años después.

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A principios de la década de 1980, la mayoría de los cosmólogos aceptaron la teoría del Big Bang: la idea de que el universo había evolucionado a partir de la expansión de un estado uniformemente cálido y denso. Pero la idea tenía un gran problema: la distribución abultada de galaxias. La teoría simple de la formación de galaxias sostiene que se formaron a partir de nubes de hidrógeno que se condensaron bajo la atracción de la gravedad. Eso, sin embargo, debería producir galaxias espaciadas uniformemente. Además, las primeras galaxias se formaron demasiado rápido para ser explicadas por este proceso. Entonces, ¿cómo conseguimos un universo lleno de bultos?

Vilenkin estaba pensando en este problema cuando recogió un lado en el artículo de Kibble de 1976: cuando una cuerda cósmica que se retorcía en el vacío se cruzara a sí misma, cortaría un "bucle" autónomo. Estos bucles serían hula-hoops del tamaño de un año luz en el espacio, y enormemente pesados. Vilenkin corrió los números y se dio cuenta de que la cantidad de bucles cósmicos que habrían existido en el universo primitivo era curiosamente cercana al número de galaxias. Tal vez, razonó, un ciclo cósmico podría sembrar una galaxia joven, muy similar a un grano de arena sembrado en perla.

La idea causó gran emoción entre los físicos. Stephen Hawking escribió artículos sobre cómo los bucles podrían colapsar para formar agujeros negros. Otros se interesaron en cómo se doblan y tuercen en el espacio. Algunos incluso calcularon cómo se podrían detectar las cadenas cósmicas: si los bucles fueran abundantes en el universo primitivo, habrían dejado un patrón en la radiación restante del Big Bang, el llamado fondo cósmico de microondas.

En noviembre de 1989 se lanzó el satélite Cosmic Background Explorer (COBE), un experimento de US $ 140 millones para mapear el fondo cósmico de microondas. Pero cuando los datos se dieron a conocer en 1992, el cosmos no mostró indicios de cadenas cósmicas. En cambio, favoreció la idea de que las galaxias se habían sembrado alrededor de pequeñas fluctuaciones cuánticas que se habían impreso cuando el universo era menor que el tamaño de un átomo.

"Eso hizo que las personas pierdan el entusiasmo por las cuerdas cósmicas", admite Xavier Siemens, un físico teórico de la Universidad de Milwaukee, "pero no fueron descartadas".

Mientras tanto, las cuerdas de Kibble estaban surgiendo en otros campos de la física. En 1996, dos artículos en la misma edición de Nature describieron experimentos en los que el helio líquido, un modelo para el universo primitivo, se había enfriado rápidamente. Defectos parecidos a cadenas aparecieron. Se encontraron otros defectos de cadena durante los cambios de fase en cristales líquidos y superconductores, materiales exóticos cuyas propiedades también se ajustan a las ecuaciones de Kibble. "De hecho, uno podría decir que los defectos y los procesos de ordenamiento del tipo descubierto Kibble se han encontrado y estudiado casi en todas partes excepto en el universo", escribe el físico Neil Turok, del Instituto Perimeter de Canadá, en su libro de 2013 Symmetry and Fundamental Physics.

La idea de la cadena cósmica también surgió en la física de lo muy pequeño. En 2003, una revisión sistemática publicada en Physical Review D llegó a la conclusión de que casi todas las teorías de la supersimetría, la idea de que todas las partículas fundamentales tienen aún socios invisibles, predicen cadenas cósmicas de una u otra forma. Mientras tanto, Olum y otros han ejecutado simulaciones por computadora que muestran que, si esta predicción es cierta, debería haber al menos mil millones de bucles de cuerdas cósmicos salpicados a través del universo observable.

Lo que faltaba era la observación de la vida real. Pero, ¿cómo se detecta algo más delgado que un átomo, tan largo como una galaxia, e invisible para arrancar?


Los detectores de ondas gravitacionales son nuestra mejor esperanza para escuchar las grietas y los zumbidos de las cuerdas cósmicas. Todos están sintonizados a diferentes frecuencias. LIGO y VIRGO pueden escuchar whipcracks agudos, arreglos de sincronización de púlsar podrían escuchar rumores subgraves, y LISA puede llenar los huecos. Crédito de la Imagen: LIGO

Ingrese ondas gravitacionales. En septiembre de 2015, el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó ondas gravitacionales que reverberaban desde agujeros negros en colisión. Eso agregó una nueva dimensión a la capacidad de los astrónomos para escanear el universo. "Después del descubrimiento de LIGO", dice Damour, "de inmediato pensé: '¡Ajá! Ahora sería bueno si se detectaran cuerdas cósmicas '".

Las cuerdas cósmicas no pueden verse, pero pueden ser escuchadas. Las ondas gravitacionales son ondulaciones en el espacio-tiempo generadas por objetos masivos que se mueven extremadamente rápido, como un par de agujeros negros inspiradores o estrellas de neutrones. O una cuerda cósmica retorcida.

"Lo que sucede es como un látigo", explica Damour, quien ideó la idea con Vilenkin en 2000. El estallido de un látigo es en realidad un estampido sónico causado cuando parte de su cola se mueve más rápido que la velocidad del sonido. Del mismo modo, a medida que un lazo de cuerda cósmico se mueve y rebota, algunas partes se batirían hasta la velocidad de la luz y emitirían un estallido de ondas gravitacionales. Los dos físicos calcularon que un estallido podría ser detectable por LIGO.

De 2005 a 2010, LIGO escuchó pero no escuchó ningún latigazo. Desde septiembre de 2015, LIGO avanzado, una versión mejorada que es cuatro veces más sensible, ha continuado la vigilia.

Una dificultad para detectar la grieta es que solo se emitiría en una dirección particular, como el haz de una linterna. LIGO debería estar justo en el camino de la viga.

"En la física, cuando no encuentras algo, no es una falla", dice olum. "Es un éxito de un tipo diferente, porque nos dice algo nuevo sobre el universo".

Es por eso que nuestra mejor esperanza de detectar cadenas cósmicas probablemente no sea por sus whipcracks, sino por sus rotaciones. A medida que un ciclo de cuerdas cósmicas gira como un hula-hoop, emitiría ondas gravitatorias, una onda por cada vuelta del aro. Dado que los aros podrían tener una circunferencia de años luz, podría llevar décadas terminar un solo giro.

En otras palabras, este hula cósmico generaría ondas gravitatorias a una frecuencia extremadamente baja, demasiado baja para que LIGO la detecte. Necesita un tipo de detector de ondas gravitacionales completamente diferente; afortunadamente tenemos uno esperando en las alas.

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Una matriz de temporización de pulsar es un detector de ondas gravitacionales del tamaño de la galaxia. Los púlsares son estrellas de neutrones que giran (núcleos colapsados de estrellas explotadas) que emiten intensos rayos de luz que parecen parpadear intermitentemente con una precisión que rivaliza con los relojes atómicos. El Observatorio Norteamericano de Nanohertz para Ondas Gravitacionales (NANOGrav) ha estado cronometrando obsesivamente unas pocas docenas de púlsares durante una década.

Cualquier desviación de la norma podría indicar que una onda gravitacional pasajera ha estirado o comprimido el espacio-tiempo entre nosotros y el pulsar, causando un ligero retraso o avance en el tiempo.

"Estamos a punto de abrir una nueva ventana en ondas gravitacionales a bajas frecuencias", dice Siemens, quien también es director de NANOGrav. Para vigilar los púlsares en todo el cielo, NANOGrav está vinculado con otras dos matrices de sincronización de pulsar, una que usa radiotelescopios en toda Europa y la otra basada en el Observatorio Parkes, en Nueva Gales del Sur.

Hasta ahora, las búsquedas han dejado un espacio en blanco, como Siemens y Olum anunciaron en septiembre pasado.

"En física, cuando no encuentras algo no es un fracaso", dice Olum. "Es un éxito de un tipo diferente, porque nos dice algo nuevo sobre el universo". La ausencia de cadenas cósmicas a ciertas energías ya puede usarse para descartar algunas teorías de supersimetría.

El siguiente nivel en la búsqueda de cuerdas cósmicas, y tal vez nuestra única esperanza de una respuesta definitiva, vendrá con la Antena Espacial Interferómetro Láser (LISA), un detector de ondas gravitacionales basado en el espacio que se lanzará en 2034, que escuchará la banda de frecuencias entre los pitidos agudos captados por LIGO y los murmullos subgraves a los que se sintonizan las matrices de sincronización de púlsares.

Incluso si la evidencia sigue siendo negativa, es poco probable que algunos físicos abandonen las cadenas cósmicas. Siemens dice que las cadenas podrían haberse formado con una energía demasiado baja para emitir señales "detectables en el futuro cercano". Otra posibilidad es que las cuerdas cósmicas antiguas irradiaron su energía y se desvanecieron en la nada demasiado rápido después del Big Bang para haber dejado una impresión duradera.

Por ahora, las cadenas cósmicas se encuentran junto a otras hermosas ideas que podrían completar nuestra comprensión del universo, pero que carecen de soporte empírico. "Esta es la belleza y el peligro de la física", dice Damour. "A veces existen cosas que nunca podemos ver".


Este artículo apareció en Cosmos 77 - Verano de 2018 bajo el titular: "Cracks in the universe": "Grietas en el universo"

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