En el laboratorio de un edificio futurista de Leiden, un joven ingeniero se pone una pulsera de metal con un alambre negro rizado. Esto es para proteger una frágil caja de metal de 6 por 6 por 3 centímetros contra descargas eléctricas. Con cuidado golpea la caja. En una pantalla junto a él, líneas de colores muestran cómo vibra la caja.
A primera vista, la caja no parece nada especial. Está hecho de metal gris, brillante y tiene unos alambres finos que salen de él. Pero con esta pequeña caja, que forma parte de un nuevo detector espacial, los astrónomos quieren aprender algo sobre el origen de todo el cosmos. Están a la caza de la frontera más lejana, de las señales más antiguas.
Los astrónomos saben que el universo surgió con el big bang. Pero nadie sabe exactamente qué pasó. Todavía no hemos podido mirar tan atrás.
El límite actual de la percepción está limitado por la luz. Debido a que la luz necesita tiempo para viajar, cuanto más profundamente miran los astrónomos en el universo con sus telescopios, más atrás en el tiempo miran. Sólo que el joven universo estaba lleno de una sopa opaca de plasma al rojo vivo a alta presión en la que la luz no podía moverse libremente. No fue hasta unos 380.000 años después del Big Bang que el universo se enfrió lo suficiente como para volverse transparente a la luz. Los astrónomos llaman a esta luz radiación cósmica de fondo. Mirar más allá de eso no es posible. Al menos no con la luz.
Albert Einstein
Pero diez mil billones de billonésimas de segundo después del Big Bang, se cree que se enviaron al espacio diminutas ondas gravitacionales, ondas que comprimen el tejido del espacio y el tiempo, alargando y acortando las distancias entre todos los cuerpos celestes por los que pasan. Unos catorce mil millones de años después, los astrónomos que intentan capturar en el espacio con el detector espacial más grande jamás construido: la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA) de la ESA, cuyas piezas se están desarrollando ingeniosamente en Leiden, se encuentran aquí en el Instituto Holandés de Investigación Espacial (SRON). ). Si LISA logra capturar esas ondas de diez mil billones de billonésimas de segundo después del Big Bang, los astrónomos podrán mirar más atrás en el tiempo que nunca. ¿Cómo?
Las ondas gravitacionales se crean durante acontecimientos violentos como la colisión de agujeros negros y probablemente también en el período violento inmediatamente posterior al Big Bang. Al calcular las condiciones en las que se originó la onda gravitacional, los astrónomos pueden estudiar el universo de una forma diferente a la de los telescopios que captan la luz.
Los detectores en la Tierra ya están midiendo ondas gravitacionales que se enviaron mucho después del Big Bang. Fue la primera vez a finales de 2015, cien años después de que Albert Einstein predijera su existencia. Luego, los detectores estadounidenses LIGO midieron una onda gravitacional que se emitió cuando dos agujeros negros chocaron hace más de mil millones de años.
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La idea de que las ondas gravitacionales también se emitieron poco después del Big Bang, cuando el universo aún era pequeño y no había estrellas ni planetas, surge de varias teorías físicas. Por ejemplo, según los físicos, el universo tuvo un breve pero absurdamente rápido crecimiento acelerado justo después del big bang. En menos de un segundo, el universo cumplió 10 años.60 veces (sesenta ceros) más grande. Ese llamado período de inflación fue tan intenso que el espacio-tiempo vibró, dando como resultado ondas gravitacionales primordiales, que todavía hoy rodean la Tierra desde todos los rincones.
Además de la inflación, existe otra teoría de la que se desprende que las ondas gravitacionales se emitieron en el universo primitivo: cuando de repente aparecieron minúsculos agujeros negros en el universo muy joven. El plasma, la sopa primordial, no estaba distribuido uniformemente en todas partes. Algunas áreas donde la masa de la sopa primordial se unía colapsaron. Los agujeros negros que pudieron haberse formado allí también provocaron ondas gravitacionales.
Probablemente no podamos captar esas ondas gravitacionales que son casi tan antiguas como el universo mismo con detectores en la Tierra.
Gijs Nelemans astrónomo
Hay un problema, afirma a través de Zoom el astrónomo Gijs Nelemans de la Universidad Radboud de Nijmegen. Nelemans es uno de los líderes del consorcio holandés LISA. “Esas ondas gravitacionales que son casi tan antiguas como el universo mismo probablemente no sean posibles con los detectores de la Tierra”. Esto es posible con mediciones en el espacio, explica.
Nelemans: “Esto se debe a las diferentes frecuencias de las ondas. Las ondas gravitacionales que recibe LIGO, por ejemplo, tienen una frecuencia alta, entre 10 y 1.000 hercios (Hz)”. Es decir, los picos de la onda se suceden rápidamente, con entre 10 y 1.000 oscilaciones por segundo. “Pero las ondas gravitacionales primordiales, cuando llegan a la Tierra después de su viaje de 14 mil millones de años, son completamente estiradas por la expansión del universo”. A medida que el universo se expande, los espacios entre los picos de las ondas se hacen cada vez más largos; la frecuencia se vuelve más pequeña. Las ondas primordiales pueden extenderse por millones de millas. “No sabemos exactamente qué tan grandes son esas ondas, pero varias teorías predicen longitudes de onda en el rango de LISA, que observará ondas largas”.
Se necesita un detector gigantesco para capturar ondas largas. Por eso LISA va al espacio: en órbita alrededor del sol a cincuenta millones de kilómetros de la Tierra. LISA consta de tres satélites idénticos, cada uno de los cuales forma la punta de un triángulo. Los satélites estarán separados por dos millones y medio de kilómetros. Envían rayos láser de un lado a otro entre ellos y cuando pasa una onda gravitacional, esos rayos se estiran o comprimen ligeramente.
Esas ondas vienen de todas direcciones. Como una especie de zumbido
Gijs Nelemans astrónomo
Esos cambios en la longitud de los brazos serán minúsculos, porque las ondas gravitacionales del incipiente universo son extremadamente débiles. LISA debe poder detectar un cambio menor que el ancho de una décima parte de un átomo en un brazo láser que a su vez tiene 2,5 millones de kilómetros de largo.
La ultrasensibilidad necesaria dificulta la construcción de LISA. Todo tiene que permanecer extremadamente quieto en el espacio para que los brazos láser sólo se muevan por gravedad y nada más. Por ejemplo, los pequeños propulsores deben proporcionar una contrapresión muy precisa contra la presión de las partículas cargadas del sol que empujan contra los satélites y contra los movimientos causados por los propios satélites.
La caja metálica de SRON es importante aquí. En el laboratorio de Leiden, el joven ingeniero René Wanders abre la puerta de una especie de gran horno, la cámara climática. La caja de 6 por 6 por 3 centímetros es un prototipo del componente LISA que debe leer los cambios en la longitud de los brazos láser: el receptor de fotos de cuadrante (QPR). “Aquí probamos cómo funciona la caja entre las temperaturas más bajas y más altas a las que están expuestos los componentes durante y después del lanzamiento: entre cero y 40 grados centígrados”. La caja está hecha de una pieza de aluminio y una pieza de titanio, una combinación que se expande poco cuando se calienta.
“Lo que LISA captará será una especie de ruido de fondo que constantemente hace que los brazos del láser se muevan un poco”, dice Nelemans. “Las ondas se originaron en un universo diminuto que luego se expandió. Entonces esas ondas vienen de todas direcciones. Como una especie de zumbido. No sabes lo que dice cada voz, pero puedes deducir, por ejemplo, de todas esas voces juntas si proviene de niños o de ancianos”.
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También hay un límite para nuestro cerebro. Todavía no tenemos idea de lo que deberíamos imaginar físicamente en el período inmediatamente posterior al Big Bang.
Vicente Ike profesor de astronomía teórica
Pero si LISA realmente logra absorber el zumbido del Big Bang y extiende así el límite de observación más lejano, esto no significa inmediatamente que el hallazgo arroje realmente luz sobre el período inmediatamente posterior al Big Bang. Porque no sólo existe un límite en cuanto a la distancia que los astrónomos pueden observar, sino que “también existe un límite para nuestro cerebro”, dice Vincent Icke. Es profesor de astronomía teórica en la Universidad de Leiden. “Todavía no tenemos idea alguna de lo que deberíamos imaginar físicamente en el período inmediatamente posterior al Big Bang, y ciertamente no matemáticamente en absoluto”.
Las dos herramientas físicas que describen el mundo que nos rodea, la mecánica cuántica para las partículas pequeñas y la relatividad general para las grandes, chocan durante ese período. “En la teoría cuántica, el comportamiento de las partículas es indeterminado, es decir, sujeto al azar. Pero en la relatividad general el comportamiento del espacio, el tiempo y la materia está estrictamente fijado. Nadie ha logrado aún conciliar estas cualidades opuestas. El conflicto siempre está ahí, pero sólo justo después del Big Bang y cerca del horizonte de los agujeros negros adquiere el papel principal”. Entonces, supongamos que logramos capturar ondas gravitacionales, pero todavía no tenemos idea de cómo interpretarlas”.
Mientras que los ingenieros de Leiden, entre otros, están desarrollando partes de LISA, los ingenieros de Japón, por ejemplo, están trabajando en otras formas de desplazar el límite de observación más lejano. Están trabajando en un satélite, LiteBIRD. No medirá directamente las ondas gravitacionales primordiales, como lo hace LISA. LiteBIRD busca “huellas dactilares” de ondas gravitacionales en la radiación cósmica de fondo.
“Como las ondas gravitacionales distorsionan el espacio, la luz que viaja a través del espacio también cambia”, afirma Rien van de Weijgaert, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de Groningen. Un rayo de luz es una onda que puede ondularse en diferentes direcciones: horizontal, vertical o cualquier posición intermedia. La luz del sol, por ejemplo, se ondula en todas direcciones, es decir, no está polarizada. Pero la radiación cósmica de fondo de microondas ha sido empujada en una determinada dirección por ondas gravitacionales o está “polarizada”.
El lanzamiento de LiteBIRD, en 2028, está previsto nueve años antes que el de LISA. La única pregunta es si el satélite será lo suficientemente sensible como para medir esos cambios”.
Vacio y oscuro
Astrónomos e ingenieros de todo el mundo están construyendo detectores para superar el límite de detección, “pero la idea de un límite de detección es engañosa y compleja en un universo en expansión”, enfatiza Van de Weijgaert. Existen diferentes tipos de horizontes de eventos que cambian constantemente. Los ingenieros están trabajando para ampliar un límite “técnico” de detección, pero el área desde la cual podemos captar señales, llamada horizonte de sucesoses cada vez más pequeño debido a la expansión acelerada del universo”.
Funciona así: “Debido a la expansión acelerada, las galaxias distantes se separan cada vez más rápido. Así vemos que los cuerpos celestes que están lejos de la Tierra se alejan de nosotros cada vez más rápido. Cuando los cuerpos celestes finalmente se alejan de nosotros a la velocidad de la luz, ya no podemos captar sus señales, ni las ondas gravitacionales ni la luz. Se encuentran entonces detrás de un límite imaginario de percepción, detrás de la horizonte de sucesos. Entonces serán invisibles para siempre”.
Y debido a que el universo se está expandiendo cada vez más rápido, las galaxias que ahora están relativamente cerca algún día también se alejarán de nosotros demasiado rápido para que podamos observarlas. El horizonte de sucesos es cada vez más pequeño.
Con el tiempo, todas las galaxias fuera del cúmulo de galaxias al que pertenece la Vía Láctea (‘nuestra’ galaxia) quedarán rezagadas. horizonte de sucesos para ser arrastrado. Todo a su alrededor está vacío y oscuro. El cúmulo de galaxias flota como una isla en lo que parece ser un mar negro. La arquitectura del universo ya no podrá estudiarse, incluso si se construyen telescopios o detectores tan potentes. Un límite de observación cercano significará algún día el fin de la cosmología”, afirma Van de Weijgaert. Pero eso llevará miles de millones de años.
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