Cómo era el sonido de los orígenes del universo y qué pistas revela sobre la misteriosa materia oscura
Aún es posible captar ecos de las primeras ondas sonoras que se extendieron por el Universo temprano antes de que surgiera la luz de las estrellas.
Una imagen de la radiación de fondo de microondas en el planetario de Shanghai, China Crédito: Getty Images
En los primeros cientos de miles de años después del nacimiento del Universo, un sonido primordial atravesó un plasma de partículas sobrecalentadas. Los científicos escuchan atentos con la esperanza de obtener nuevos datos sobre la misteriosa fuerza conocida como energía oscura.
Antes de las estrellas o los planetas, antes de los agujeros negros y las enanas blancas, incluso antes de los átomos o los rayos de luz, el Universo reverberaba con algo sorprendente: sonido.
Este zumbido primordial se movía a más de la mitad de la velocidad de la luz a través de un plasma sobrecalentado de bariones, fotones y materia oscura. (Los bariones son una familia de partículas subatómicas a la cual pertenecen los protones y neutrones).
El sonido surgió de un tira y afloja entre antiguas y poderosas fuerzas fundamentales que generaban ondas sonoras en esta sopa de partículas cargadas eléctricamente.
Y apenas unos cientos de miles de años después, el plasma desapareció como una niebla matutina. El Universo cayó de repente en un profundo silencio.
Sin embargo, aún es posible captar ecos de estas primeras ondas sonoras que se extendieron por nuestro Universo temprano, si se sabe dónde buscar. Las ondulaciones que crearon en el plasma han dejado una huella permanente en la distribución de la materia alrededor del Universo.
Esas ondas también están proporcionando a los astrónomos pistas sobre uno de los misterios más profundos de nuestro Universo: la misteriosa fuerza conocida como energía oscura.
Las ondas sonoras primordiales, también conocidas como oscilaciones acústicas bariónicas (BAO por sus siglas en inglés), se formaron cuando las partículas del Universo temprano comenzaron a juntarse por la gravedad.
“La atracción gravitacional de la materia oscura en el Universo temprano creó ‘pozos potenciales’ que arrastraban el plasma hacia adentro”, explicó Larissa Santos, profesora del Centro de Gravitación y Cosmología de la Universidad de Yangzhou, en China.
El plasma, sin embargo, estaba tan caliente que también creó una fuerza exterior opuesta. “Los fotones crearon una presión de radiación que luchó contra la gravedad y empujó todo hacia afuera. Esta lucha creó oscilaciones acústicas, ondas sonoras“.
Un estruendo inaudible
Los BAO brotaron de innumerables pozos potenciales, formando esferas concéntricas y en expansión de energía sonora. Se entrecruzaron entre sí, esculpiendo el plasma en patrones de interferencia tridimensionales de una complejidad deslumbrante.
Si un ser humano hubiera existido en la época de las “oscilaciones acústicas bariónicas” (BAO), no habría oído nada. Los sonidos eran aproximadamente 47 octavas más bajos que la nota inferior de un piano con enormes longitudes de onda de unos 450,000 años luz.
Este estruendo increíblemente profundo e inaudible viajó a través de un medio que ni siquiera nuestros telescopios más potentes pueden penetrar.
Cuanto más profundizamos en el Universo, más nos remontamos a su historia debido al tiempo que tarda la luz en llegar hasta nosotros. Sin embargo, solo podemos ver hasta cierto punto, ya que las cargas eléctricas de los protones y electrones libres en estas primeras etapas del Universo dispersaban y difundían continuamente la luz.
Los BAO crearon patrones en este medio que se extendieron hacia afuera, y hoy podemos ver evidencia de esto en el Universo.
El Telescopio Espacial Planck pudo captar ecos de BAO del Universo temprano y los científicos lograron traducirlos a frecuencias audibles.
El zumbido se compone de un tono bajo con matices más altos. El silbido que se puede escuchar es de un artefacto usado en el procesamiento necesario para crear el archivo de sonido.
Luego, aproximadamente a la edad de 379.000 años, el Universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y los electrones se emparejaran y formaran los primeros átomos de hidrógeno.
El plasma desapareció, dejando el Universo repentina y dramáticamente transparente a la luz. En el mismo momento, terminó la batalla entre la radiación y la gravitación, los BAO cesaron y el Universo quedó en silencio.
La explosión de energía luminosa que ahora se propaga por el Universo fue tan poderosa que todavía hace vibrar los radiotelescopios y fascina a los físicos más de 13 mil millones de años después. Los científicos intentan captar esa señal conocida como radiación cósmica de fondo de microondas, o CMB por sus siglas en inglés.
El registro visual más antiguo del Universo
El CMB es el registro visual más antiguo y detallado del Universo temprano. También aquí los científicos pueden ver un “registro fósil” de los primeros sonidos del Universo.
“Los vemos impresos en la radiación de fondo de microondas y también en la estructura a gran escala del Universo”, dijo Santos, que forma parte de un nuevo proyecto internacional de radiotelescopía que analiza los ecos modernos de esa canción silenciada durante mucho tiempo.
“Sus indicios se encuentran en un pequeño exceso en el número de pares de galaxias separadas por una escala fija de 150 megaparsecs, alrededor de 500 millones de años luz”.
Las señales de BAO no sólo insinúan cómo sonaba el Universo primitivo, sino que también sirven como una regla para medir los efectos de otro fenómeno invisible: la energía oscura.
La energía oscura hace que el Universo se expanda. Sus efectos están en todas partes, pero se desconoce su naturaleza. El estudio de la escala de las señales de BAO a diferentes distancias de la Tierra revela cómo los efectos de la energía oscura han cambiado a lo largo de la historia del Universo.
“Lo llamamos regla estándar”, dice Santos. “Tenemos esta escala fija. Podemos saber, por cómo parece variar, cómo fue evolucionando el Universo a través del tiempo”.
La científica forma parte del proyecto del radiotelescopio “BINGO”, actualmente en construcción en el estado de Paraíba, en el noreste de Brasil. Bingo (acrónimo en inglés de “BAOs de observaciones integradas de gases neutros”), buscará señales de radiación distintivas del hidrógeno, el átomo más simple, más antiguo y más abundante del Universo.
Los átomos de hidrógeno liberan radiación con una longitud de onda de 21 centímetros, invisible al ojo humano, pero detectable mediante radiotelescopios.
Esta radiación de nubes de hidrógeno distantes es estirada por la energía oscura, aumentando su longitud de onda observada aquí en la Tierra.
Cuanto más ha viajado esa radiación, más extendida está.
“Tú eliges una frecuencia para tu radiotelescopio según la época del Universo que quieres medir”, señaló Santos.
BINGO está diseñado para mapear la distribución de hidrógeno entre mil y cuatro mil millones de años luz de distancia, relativamente reciente en la escala cósmica del espacio y el tiempo.
Los dos imponentes espejos parabólicos de BINGO reflejan esta radiación primordial en una serie de 50 detectores de ondas ensanchados conocidos como “cuernos”.
La principal parte móvil del telescopio es el planeta sobre el que se apoya. La Tierra en rotación mueve el telescopio debajo de las estrellas, explorando una franja de cielo de 15 grados por 200 grados.
Historia cósmica
Utilizando sutiles cálculos estadísticos, Santos analizará sus datos para localizar millones de galaxias, examinar sus distancias relativas entre sí y estudiar cómo la energía oscura afectó los patrones BAO durante esa era.
“Bingo mirará hacia el Universo tardío cuando la energía oscura ya domina la expansión. Es muy complementario a otros experimentos”, afirma.
Muchos de esos otros experimentos ya están planificados o en marcha.
“El mapeo de la intensidad del hidrógeno puede, en principio, medir cualquier cosa en el Universo desde el presente hasta el CMB. Es un volumen enorme para explorar”, afirmó Cynthia Chiang, profesora de física que estudia la densidad del hidrógeno en la Universidad McGill en Montreal, Canadá.
“Bingo y otros experimentos similares buscan el gas que vive dentro de las galaxias. Es un indicador de dónde está la materia”.
Si bien los instrumentos sintonizados con regiones relativamente cercanas interesan a Chiang, también anhela respuestas sobre el resto de la historia cósmica.
“Tengo un enfoque muy codicioso”, dice riendo. “Estoy preparando un experimento que está sintonizado en frecuencias que corresponden a la ‘Edad Oscura’. Ese es el período inmediatamente posterior a la formación del fondo de microondas. Nunca hemos accedido a ninguna cosmología de este período porque es muy, muy difícil”.
Entre 250 y 350 millones de años transcurrieron entre la “superficie de la última dispersión”, cuando el plasma bariónico dio paso al CMB, y el “amanecer cósmico”, cuando brilló la primera luz estelar.
Los BAO dejaron nubes de hidrógeno agrupadas en tenues estrías, como una marea que deja ondas en la arena.
Antes de que Chiang pueda acceder a la radiación de 21 centímetros de esta era, primero debe diseñar experimentos para filtrar señales más recientes de nuestra propia galaxia que podrían enmascarar datos más antiguos.
“Este primer experimento aún no llegará a la cosmología”, afirma. “El objetivo es mapear las emisiones de la Vía Láctea en estas frecuencias con una resolución muy alta para que sepamos cómo se ve el cielo en un primer paso. Luego, con suerte, podremos restar eso y llegar a la cosmología”.
“Como sugiere el nombre, en la Edad Oscura el Universo era un lugar muy oscuro y aburrido. La señal que se obtiene entonces es casi una emisión uniforme de 21 centímetros de esta pared de hidrógeno. Pero hay débiles fluctuaciones en el brillo que corresponden a sobredensidades y subdensidades. Se obtienen pequeños puntos fríos y calientes”.
Chiang dice que el CMB es como una fotografía que captura (con sorprendente detalle) un momento crucial en la evolución cosmológica.
Sin embargo, mapear la densidad del hidrógeno en la Edad Oscura capturaría los cientos de millones de años que siguieron inmediatamente después.
“Es un volumen tridimensional que puedes sondear”, dice Chiang. “Si se puede medir el mismo tipo de información que el CMB, pero reflejada en hidrógeno, se obtiene muchísima más información y potencialmente se pueden restringir aún más los parámetros cosmológicos. Si llegamos allí, sería sorprendente. Pero es un camino muy largo.”
Los experimentos planificados por Chiang, junto con el telescopio BINGO, se suman a una creciente variedad de instrumentos de observación innovadores que dejan al descubierto la historia de los BAO, la estructura a gran escala del Universo y la energía oscura invisible que separa las galaxias.
“Cuando medimos el cielo, medimos todo”, explicó Santos. “CMB, hidrógeno, fuentes puntuales de galaxias, todo este tipo de cosas. Debemos ser capaces de reconocer qué es una señal cosmológica y qué es todo lo demás”.
Santos también espera que los BAO revelen aún más sobre el pasado del Universo, perforando la pared de plasma de 379.000 años de espesor y proporcionando datos sobre la fracción de segundo anterior: la llamada “época inflacionaria” del Universo, durante la cual la mayoría de los cosmólogos creen que el espacio se expandió más rápido que la velocidad de la luz.
La inflación cosmológica es una teoría ampliamente confiable sobre cómo nuestro Universo pasó de su estado original, pequeño, caliente y denso, al cosmos que vemos hoy.
La teoría ha pasado por muchas encarnaciones, variaciones y simulaciones. Permite muchas predicciones sólidas que han sido probadas y verificadas, pero no hay evidencia directa de ella.
“Nuestras observaciones ya han descartado muchas teorías inflacionarias”, afirmó Santos. “Con las mediciones que queremos realizar, podemos determinar qué teorías concuerdan mejor con esa medición y partir de ahí”.
Las oscilaciones acústicas bariónicas solo existieron durante unos pocos cientos de miles de años, pero ayudaron a crear (y están ayudando a los científicos a descifrar) la historia del Universo invisible desde su primer a su último momento.
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