Una nueva edad de oro de la cosmología

Los científicos confían en impulsar la comprensión del universo con experimentos avanzados

Con la estrecha y fecunda alianza de la astronomía y la física de partículas, fraguada hace unos años, los científicos están preparando nuevos experimentos y observatorios para dar un salto cualitativo en su comprensión del cosmos. “Sabemos mucho del universo, pero no lo entendemos tanto”, dice el físico teórico Michael Turner (Universidad de Chicago), quien prevé “un impulso en nuestra comprensión tanto del universo como de las leyes que lo gobiernan, que sitúa la cosmología al borde de una edad de oro” que eclosionará en 15 años. El truco de esa alianza de lo más grande y lo más pequeño reside en el hecho de que, para explicar cosas como los agujeros negros o la formación de las galaxias, los científicos aplican los mecanismos físicos profundos desvelados en el ámbito de las partículas elementales y sus interacciones. A la vez, aprovechan el universo como laboratorio de fenómenos que, por ahora, no pueden imitar en la Tierra.

Vista aérea de las instalaciones de IceCube- FOREST BANKS / NSFSeis especialistas explican los pilares experimentales en que basan este optimismo en el último número de la revista Science. Telescopios de neutrinos de nueva generación para ver el universo desde el fondo del agua o del hielo antártico, observatorios de rayos cósmicos y de rayos gamma son instrumentos clave que los científicos van a explotar a la vuelta de unos pocos años. En varios de ellos participan científicos e instituciones españoles.

Antes de desgranar las ideas y los nuevos medios en perspectiva para comprobarlas, Turner repasa lo que se sabe ya del universo, que es mucho más de lo que la gente piensa y mucho menos de lo que los expertos quisieran. Se ha determinado que el cosmos tiene 13.700 millones de años (con un error del 1%), que es espacialmente plano y que su expansión a partir del Big Bang inicial está acelerándose. Turner da como composición aproximada: átomos (4%), materia oscura (un 20%) y energía oscura (76%), con sus correspondientes márgenes de error. Esta misma semana se hizo público el primer mapa tridimensional de un área relativamente grande del cielo que incorpora la distribución de la materia oscura. Las estrellas, lo que se ve tradicionalmente en el cielo, suponen el 1% de ese 4% de átomos o materia normal conocida, al que hay que sumar los neutrinos (máximo, un 1%).

Uno de los detectores del observatorio de neutrinos IceCube- NSF“Los neutrinos tienen el potencial para ser mensajeros, cósmicos ideales”, dice Francis Halzen (Universidad de Wisconsin). Estas partículas sin carga eléctrica se producen, por ejemplo, en las reacciones nucleares del interior del Sol, y a la Tierra llegan 100.000 millones de neutrinos solares por segundo por centímetro cuadrado, pero apenas interaccionan con la materia. Esto tiene el inconveniente de que es dificilísimo detectarlos, pero también la ventaja de que, al pasar limpiamente por las galaxias y cúmulos de materia, sin desviarse ni apenas ser absorbidos, pueden traer a los astrónomos información inalterada de los confines del universo. “Tal vez puedan hablarnos de lugares cósmicos jamás vistos y permitirnos penetrar en el corazón de agujeros negros”, explica Halzen.

En su artículo, Halzen se ocupa sobre todo del observatorio de neutrinos que utiliza el hielo profundo antártico, transparente y ultrapuro, y que se está construyendo en el Polo Sur, junto a la base Amundsen-Scott. Se llama IceCube y está formado por centenares de fotodetectores especiales que abarcan un kilómetro cúbico de hielo, colocados en 80 agujeros que llegan hasta 2.450 metros de profundidad. Cuando alguno de los muchos billones de neutrinos que atraviesan el hielo interacciona con un átomo de éste, produce un levísimo destello que captan los fotodetectores. IceCube, que estará terminado en 2008-2009, es la ampliación del más modesto Amanda, que ya funciona allí.

En lugar de hielo, Antares y Néstor aprovechan el agua de mar. Son dos detectores ubicados en el Mediterráneo, y el primero de ellos cuenta con poder ampliar a principio de la próxima década su trampa a un kilómetro cúbico de agua, lo que significaría un complemento esencial de IceCube en el otro hemisferio.

Eli Waxman (Instituto Weizmann, en Israel) titula su artículo Astrofísica de neutrinos: una nueva herramienta para explorar el universo y resume que con estas nuevas ventanas, los físicos podrán explorar aceleradores cósmicos como las erupciones de rayos gamma y los núcleos activos de galaxias, y la materia oscura. Pero a la vez, darán datos para desentrañar incógnitas pendientes de las interacciones de partículas elementales e incluso para comprobar si son ciertas presunciones de la relatividad especial.

En cuanto a la materia oscura, Turner explica cómo sería posible comprobar si existen nuevas partículas propuestas por las teorías, como los axiones (un billón de veces más ligeros que el electrón), los neutralinos (unas cien veces más masivos que el protón) o los wimps (partículas masivas de interacción débil).

“Las tecnologías actuales [para detectar axiones y wimps] están alcanzando niveles de sensibilidad de interés cosmológico”, señala Bernard Sadoulet (Universidad de California en Berkeley). Varios instrumentos de observación astrofísica en desarrollo, junto con el futuro acelerador de partículas europeo LHC, abrirán un campo de investigación muy rico, dice, porque “descifrar la naturaleza de la materia oscura del universo es importante no sólo para la astrofísica y la cosmología, sino también para la física de partículas y la gravitación”.

En cuanto a la energía oscura, es casi una recién llegada a la receta del universo y, si a finales de la década pasada muchos científicos tenían dudas de que fuera verdad la aceleración de la expansión del universo generada por dicha energía oscura, los datos que se han ido acumulando han convencido a la mayoría. Aunque nadie sabe explicar qué es esa presión negativa que hace que las galaxias se alejen cada vez más deprisa, los cosmólogos empiezan a contar con ella en su modelo del Big Bang puesto al día. Nuevos telescopios y experimentos pueden ayudar a entender este sorprendente mecanismo del universo.

También son intrigantes los rayos cósmicos (partículas de alta energía que chocan constantemente con la atmósfera terrestre) y los rayos gamma de muy alta energía. Un detector (Glast) que la NASA lanzará este año al espacio, y el Observatorio Pierre Auger, que abarcará un área de 3.000 kilómetros cuadrados en Argentina, destacan entre los futuros instrumentos. “En las fuentes de rayos cósmicos probablemente estén implicados los fenómenos más energéticos jamás presenciados en el universo”, explica Angela V. Olinto (Universidad de Chicago), y su origen puede empezar a revelarse en unos pocos años.

Igualmente, la astronomía de rayos gamma encara un amplio rango de cuestiones fundamentales de la astrofísica de partículas actuales, “incluyendo procesos de aceleración y radiación en condiciones extremas”, afirma Felix Aharonian (Instituto de Estudios Avanzados de Dublín). Chorros formados junto a los agujeros negros, las potentes erupciones de rayos gamma, los orígenes galácticos y extragalácticos de rayos cósmicos, la luz del fondo cósmico que guarda información sobre el origen de las galaxias o la materia oscura son temas de estudio para la nueva generación de instrumentos, incluido el Magic de la isla de La Palma.

En el marco de la cosmología teórica, Turner repasa cómo el esquema del universo inflacionario -que habría sufrido un colosal crecimiento muy rápido inmediatamente después de la explosión inicial- se va consolidando con la información indirecta obtenida hasta ahora, y avanza que una nueva generación de detectores, telescopios y experimentos puede encontrar finalmente su firma. Mención especial merece en su artículo la teoría de supercuerdas, que pretende solucionar los problemas y límites que afronta la teoría convencional, pero que aún debe, señala Turner, “demostrar que es una teoría del todo y no una teoría de nada, como dicen algunos”. Como sus predicciones están fuera del alcance de los laboratorios terrestres, dice, muchos teóricos de supercuerdas ponen sus esperanzas en el cosmos como laboratorio.

Fuente: ELPAIS.com

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