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Publicado por el 7 mar, 2013 en Divulgación Científica, Entrevistas | 0 comentarios

Rafael Rebolo: “Para la física teórica el universo es el laboratorio”

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Entrevista con Rafael Rebolo, investigador del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en el Instituto Astronómico de Canarias (IAC).

Observatorio del Roque de los Muchachos (IAC)

Observatorio del Roque de los Muchachos (IAC)

1. Se podría decir que usted estudia el principio de todo…

Lo que he investigado es la radiación del origen del universo, y las primeras estructuras que se forman en el origen del universo. No hablamos de galaxias, sino de las semillas de las galaxias. Lo que precede a la formación de las primeras galaxias. La investigación que he realizado nos remonta a los instantes iniciales del universo, y por tanto es la radiación más lejana que se ha podido detectar. No tiene nada que ver con las galaxias actuales, planetas o estrellas. Estamos hablando de lo que precedió en el universo a la formación de las galaxias.

2. ¿Qué nos dice la radiación de fondo de microondas sobre esas “semillas”?

Durante 28 años he investigado el fondo cósmico de microondas. Es una radiación que está presente en cualquier centímetro cúbico del universo, y que se origina en la infancia del universo. En aquella época era una radiación mucho más energética de lo que es ahora. Hay que tener en cuenta que el universo se ha expandido muchísimo, por lo menos un factor mil del tamaño que tenía cuando se originó esta radiación. Las semillas que esta radiación desvela sobre la estructura del universo son semillas que van incluso a instantes mucho más cercanos al inicial, a trillonésimas de trillonésimas de segundo del instante inicial, a una etapa que es muy poco conocida desde el punto de vista empírico y que es muy difícil hacer prospección empírica. Pero estudiando las propiedades del fondo de microondas es posible llevar a establecer propiedades del universo a intervalos tan cortos del origen, tan próximos al origen, son muy atrás en el tiempo y por tanto lo más lejanos posible. Esas semillas de la estructura del universo dejan una huella en la radiación del universo en una etapa muy temprana y se congelan unos 380 mil años después del origen. Se congelan, es decir, ya no se transforman, y son las que podemos detectar.

3. ¿Dónde buscan los físicos algo así como el origen del universo?

Lo que buscamos son esas huellas congeladas en el fondo cósmico de microondas de las estructuras en la distribución de la materia del universo más remotas en el tiempo y por tanto en el espacio. De esas estructuras surgen las primeras galaxias (los astrónomos aún no han detectado las primeras galaxias que se forman en el origen del universo). Hay que tener en cuenta que mirar hacia atrás es hacer un recorrido en el tiempo. Podemos ver, al examinar regiones muy remotas, cómo era la infancia del universo. Podemos ver cómo surgen las primeras galaxias del universo, cómo se van estructurando para llegar a tener la estructura que observamos en el universo ahora. Podemos ver secuencias de esa historia, de esa evolución.

4. ¿Qué nos dice la luz sobre la naturaleza y la edad del universo?

La velocidad de la luz es finita. Al observar la luz que nos llega de regiones muy distantes, cuanto más distantes están, más tardan en llegar. Y por tanto estamos viendo objetos que son más jóvenes y más cercanos al origen del universo. Viendo cómo está configurado el universo a distintas distancias, lo que estamos viendo es cómo estaba configurado el universo a distintas épocas. Y por tanto podemos reconstruir esta secuencia de fotogramas en donde la materia que hay en el universo vamos progresivamente viendo como se va agrupando, estructurando, para formar lo que llamamos cúmulos, filamentos, grandes vacíos, que ahora configuran el universo. Es algo que podemos observar en el universo cercano y que se ha ido estructurando progresivamente a lo largo del tiempo, agrupándose la materia progresivamente bajo el efecto de la gravedad combinado con el efecto de lo que llamamos la energía oscura, una componente de expansión acelerada que contraresta estos efectos. No es solo el dominio de la gravedad el que ejecuta la agrupación de la materia a lo largo de la historia del universo. Es un equilibrio, es un balance entre la fuerza de la gravedad, y otras componentes energéticas del universo que hacen que este se expanda aceleradamente y que no conocemos tan bien.

Galaxia en espiral Messier 101

Galaxia en espiral Messier 101

5. ¿Existe algo así como una “inflación cósmica”?

La teoría de la inflación procede de especulaciones teóricas que se inician a principios de los 80, y estas teorías vinculan física cuántica con condiciones energéticas extraordinarias, muy altísima energía en los primeros instantes del universo, es un dominio de la física de altas energías que no está explorado en el laboratorio. Las energías asociadas son descomunales, las densidades y la temperatura también. Y por tanto son un terreno de la especulación y de la física teórica. Y sin embargo, los últimos años hemos encontrado indicios cada vez más sólidos de que estas especulaciones teóricas pueden ser un elemento descriptivo de lo que ocurrió entonces, y son teorías que además tienen cierto poder predictivo. En concreto, gracias a los estudios del fondo cósmico de microondas, de la anisotropía, de las variaciones espaciales en la intensidad del fondo de microondas, se ha podido acotar algunas de las predicciones de los escenarios de la inflación, y sorprendentemente encajan con lo que se observa. Algunos escenarios predecían claramente una regularidad en el comportamiento de las estructuras del fondo de microondas que se ha detectado. Un patrón en la amplitud, intensidad, tamaño de las manchas que aparecen en estos mapas del fondo de microondas que se han hecho extraordinariamente famosos desde que se diera el premio Nobel a los que hicieron las primeras. Esos patrones se han ido consolidando empíricamente a lo largo de la década del 2000. Y todo apunta a que esas estructuras que vemos en el fondo de microondas causadas por estructuras en la distribución de la materia en el universo cuando era un plasma, en donde aún no se habían configurado las galaxias pero sí las semillas de lo que serían las galaxias, esas estructuras se están midiendo y encajan muy bien con las predicciones de la inflación. Tienen que ver con la polarización del fondo de microondas, con la generación de ondas gravitacionales, una serie de fenómenos muy interesantes que están en el centro de muchos grupos de investigación.

6. ¿De qué modo están contribuyendo los astrónomos del Teide a la comprensión de estos fenómenos?

Nosotros tenemos el proyecto Quijote que pretende medir la polarización del fondo de microondas desde el observatorio del Teide con una serie de telescopios de microondas especialmente diseñados para medir la polarización y que podrían arrojar algo de luz sobre la generación de ondas gravitacionales en los primeros instantes del universo y en concreto contrastar con predicciones de la teoría de la inflación que todavía no han sido contrastadas experimentalmente.

7. ¿Cuál es es el estado de la cuestión sobre la teoría de la inflación, y en qué se relaciona con las teorías de la unificación en la física?

En la última década todos los resultados obtenidos encajan sorprendentemente bien con las predicciones básicas de los escenarios de la inflación. Esencialmente estos escenarios nos dicen cómo pudieron ser las fluctuaciones cuánticas iniciales del universo que desarrollarían después las semillas de lo que sería la estructura del universo muchos miles de años más tarde. Hay predicciones cuantitativas que se han visto corroboradas por la observación. El hecho observable, el espectro de potencias del fondo cósmico de microondas, se ha medido y corrobora lo que se había predicho en los escenarios de la inflación. La teoría es por tanto referente. Tiene una serie de limitaciones. Parte de una época de muy alta energía cercana al instante inicial precedida seguramente por una época de aún más alta energía de la que aún no tenemos información empírica directa, que es la época de Planck. Ahora la mayor parte de los investigadores consideran la teoría de la inflación como un referente por el cual merece la pena trabajar seriamente, investigar empíricamente las posibles huellas y avanzar en esta línea porque la producción de ondas gravitacionales se da en este escenario de la inflación, que es un escenario que se da en el universo a unas energías en las que la teoría de física de partículas que son relevantes son las que llamamos de gran unificación de las fuerzas fundamentales. Las teorías de gran unificación se encuentran en el centro de atención de la física de partículas. Los aceleradores de partículas se quedan muy lejos de las energías que condicionaron esos instantes iniciales. Aquí en la Tierra no podremos tener una experiencia directa. Hay que acudir al universo para hacer astrofísica de esos instantes y poder establecer algunas propiedades. En concreto de cuál fue la energía, que estamos hablando de 1015 gigaelectronvoltios. Son cifras descomunales y que son la clave para entender una posible unificación de todas las fuerzas fundamentales (la interacción nuclear fuerte y el resto de interacciones electrodébiles. Con la gravitación habría que hacer más estudios para poder hablar de unificación.

8. ¿Cuáles son las limitaciones de la experimentación en el laboratorio para la física?

El universo es un laboratorio para poner a prueba algunas ideas de física teórica avanzada, y es este momento quizás el único laboratorio posible para poner a prueba estas teorías. En concreto, el impacto –como capacidad descriptiva de lo que ocurrió en el universo- que puedan tener las teorías de gran unificación, difícilmente se puede encontrar otra vía para explorar las predicciones de estas teorías. Para entender la componente de energía que llamamos energía oscura en el universo necesitamos usar el propio universo para que nos dé información acerca de esa componente. Es muy difícil usar el laboratorio para establecer propiedades de esta energía. A escalas pequeñas su efecto es inapreciable, pero a escalas cósmicas apreciamos el efecto de una expansión acelerada.

9. ¿Cuál es la pista más antigua del universo que tenemos?

Las imágenes del fondo de microondas –cuando se congela la señal y queda prácticamente inalterada- que tenemos corresponden a una etapa llamada recombinación que tuvo lugar 380 mil años después del instante inicial. Más atrás podemos tener información indirecta usando el fondo cósmico de microondas, y lo hacemos, pero es información indirecta. Lo que vemos es lo que ucurre cuando la materia y la radiación se desacoplan en esa etapa de 380 mil años. En ese momento queda como unas huellas impresas en la radicación.

10. ¿Cómo es posible que la luz visible nos ayude a averiguar la lejanía de un objeto?

Corrimiento al rojo de las líneas espectrales en el espectro visible de un supercúmulo de galaxias distantes (derecha), comparado con el del Sol (izquierda). Wikipedia

Corrimiento al rojo de las líneas espectrales en el espectro visible de un supercúmulo de galaxias distantes (derecha), comparado con el del Sol (izquierda). (Wikipedia)

El desplazamiento al rojo de la luz que recibimos está asociado con la lejanía del objeto. Cuanto más lejos está el objeto, más se desplaza al rojo el espectro que recibimos de él por la expansión del universo. Ahora sabemos que esto es debido a la expansión del espacio. Tenemos la ley de Hubble que nos da una estimación de qué tan lejos se encuentra un objeto cuando medimos su corrimiento al rojo. Simplemente tenemos una idea de la lejanía del objeto y hay grupos de investigación que se afanan en detectar objetos que tienen un desplazamiento al rojo cada vez mayor. Se habla de desplazamientos al rojo de factor 7, 8 ó 10.

11. ¿Qué sabemos sobre lo que hubo antes de las primeras galaxias?

Hay una etapa en la que tenemos muy poco información. El factor de desplazamiento al rojo del fondo de micronodas es 1000 y las primeras galaxias –entendido como un sistema que tiene estrellas- que se originan en el universo o protogalaxias se producen en un factor de desplazamiento al rojo del orden de 12.

En esa etapa entre el fondo de microondas y la formación de las primeras galaxias hay una época evolutiva de cientos de millones de años –que no es mucho si tenemos en cuenta que según las últimas estimaciones el universo tiene 1300 millones de años- de los que tenemos muy poca información porque las radiaciones dominantes del universo, la materia noestá suficientemente agrupada como para distorsionarla y detectamos muy pocos efectos. No hemos detectado ningún defecto empírico. Algunos han sido predichos teóricamente que van a suceder en esa etapa donde se van formando las protogalaxias y protoestrellas, pero todavía no las hemos podido detectar, ni hemos podido detectar sus efectos. Como en esa carencia de información experimental se habla de edad oscura. Esa etapa es interesante porque es de configuración progresiva de la estructura del universo y estoy convencido de que algún día se obtendrá información experimental también de esta etapa.

12. ¿Cuándo surge el universo tal como lo conocemos, formado por galaxias, planetas…?

Se necesita un tiempo para que las estructuras de la materia que han dejado su huella en el fondo de microondas continúen progresando, alcancen densidades mayores y lleguen a producir objetos capaces de generar luz por sí mismos. Eso serían las primeras estrellas del universo y primeras galaxias, entidades capaces de producir luz por sí mismas. Hasta ese momento, la radiación que hay en el universo procede de los primeros instantes que suceden a la inflación. Desde ese momento esa radiación se ha generado y existe en el universo. Cuando se estructura la materia para poder producir reacciones nucleares en los interiores de estrellas es cuando se producen nuevos eventos de generación en la materia. E=mc2, pues es capaz de producir. Eso serían las primeras estrellas y primeras galaxias. Esto tarda un tiempo en producirse, que son esos cientos de millones de años que transcurren hasta la formación de las primeras galaxias.

13. ¿Dónde podemos observar el desplazamiento al rojo?

El desplazamiento al rojo se observa en millones y millones de galaxias. Es algo que refleja una propiedad intrínseca del espacio. Realmente su explicación en base a una expansión del espacio es lo que propone la teoría general de la relatividad para explicar por qué las galaxias presentan desplazamientos al rojo, y da igual en qué dirección del cielo miramos. Claramente es un fenómeno de carácter universal. Esto no implica que algunas galaxias puedan tener sus espectros desplazados al azul. Las galaxias tienen velocidades peculiares. Cuando se lance el satélite Euclides se podrán medir mil millones de galaxias que mostrarán este desplazamiento al rojo de los espectros de las galaxias.

Recreación del futuro telescopio europeo extremadamente grande (Wikipedia)

Recreación del futuro telescopio europeo extremadamente grande (Wikipedia)

14. ¿Cómo serán los telescopios del futuro y de qué modo nos ayudarán a conocer mejor el universo?

Va a haber una buena colección de telescopios para explorar las regiones remotas del universo. Yo destacaría tres: desde tierra, los telescopios de gran diámetro, telescopios gigantes, entre ellos el más grande es el futuro telescopio europeo E-ELT (telescopio europeo extremadamente grande en sus siglas en inglés) que tendrá casi 40 metros de diámetro que permitirá explorar objetos muy distantes cuya luz es muy tenue y solamente se pueden detectar con telescopios de este diámetro. El futuro sucesor del telescopio espacial, que tiene por nombre James Webb será de mayor diámetro y tendrá mayor capacidad fuera de la atmósfera, sobre todo para detectar fuentes infrarrojas. La atmósfera siempre dificulta la observación de fuentes infrarrojas. Tendrá una calidad óptica extraordinaria y nos permitirá explorar esas primeras galaxias cuyo espectro estará desplazado muy al rojo y por tanto al infrarrojo. Y Euclid, el satélite de la Agencia Espacial Europea, aprobado recientemente y donde participan instituciones españolas y que tiene como misión medir el desplazamiento al rojo de casi mil millones de galaxias. Con técnicas de fotometría y de espectroscopia. Permitirá estudiar el agrupamiento de galaxias en distintas épocas de la historia del universo y también nos va a dar información de esa lucha entre la fuerza de gravedad y lo que llamamos energía oscura. En el ámbito de la radioastronomía el SKA podría ser un elemento muy importante, conjunto de radioantenas que podrán explorar en radio la estructura de la materia cerca de la época oscura.

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