Ones gravitacionals, una nova radiació fòssil?

Després de parlar la setmana passada de les ones gravitacionals, de les que es tenen només indicis indirectes, avui anem a rematar la sèrie de descobriments en cosmologia dels que hem parlat aquest any amb un descobriment encara per fer, referit també a les ones gravitacionals.

Segons la teoria normalment acceptada de l’evolució de l’univers, en la primera fracció de segon va haver una fase d’expansió molt accelerada, la fase inflacionària. L’energia responsable d’aquesta expansió es va transformar en tota la matèria i radiació que emplena ara el cosmos. En aquest  procés es van haver de produir una gran quantitat d’ones gravitacionals, les restes de les quals continuarien circulant per l’univers, però encara no han estat detectades. Això sona a conegut, ja que seria un procés paral·lel al que va donar lloc a la radiació de fons de microones: quan l’univers es va  fer transparent, quan van deixar d’interactuar la matèria i l’energia i es van alliberar els fotons, als 380.000 anys del principi, aquests van quedar vagant per l’univers i els trobem ara com a radiació de fons de microones. La gran diferència que hi hauria entre ambdues radiacions fòssils, un cop es confirmés la de les ones gravitacionals, seria que aquesta ens donaria una visió de l’univers pràcticament en el moment del Big Bang (o a 10^⁻10 s del començament de tot)

El problema de l’horitzó (1):
La uniformitat de temperatura de l’univers que suposa el mapa de la radiació de fons de microones no estava explicada en el model del Big Bang. En realitat era un problema ja que hi ha regions de l’univers actual que no es troben en contacte, ja que la llum no ha tingut temps encara d’arribar d’una part a l’altre. És el que es coneix com el “problema de l’horitzó”. Des de qualsevol punt de l’univers i en un moment donat, per exemple, des de la Terra i ara mateix, es pot divisar un horitzó a tot voltant definit per la màxima distància que la llum ha pogut recórrer des de l’inici del temps, fins a arribar a nosaltres. Més enllà hi hauria l’univers inaccessible per a nosaltres en aquest moment. Regions inaccessibles entre elles serien, per exemple, les regions més llunyanes, a una distància d’anys-llum igual a l’edat de l’univers, que podem observar nosaltres des de la Terra a un costat i al costat oposat. La llum no hauria tingut temps d’arribar encara d’una a l’altre.
Evalyn Gates (1), posa el següent exemple per explicar el problema de l’horitzó: quan obres l’aixeta de l’aigua freda en un banyera plena d’aigua calenta, les zones allunyades d’on ha caigut l’aigua freda continuen calentes fins que, al cap d’una estona, s’uniformitza la temperatura. En el cas de l’univers passaria el mateix: si dues regions són inaccessibles entre elles, no tindrien perquè tenir la mateixa temperatura. Si dues regions no han estat mai en contacte, com poden tenir quasi exactament la mateixa temperatura, com demostren les darreres mesures de la radiació de fons de microones?

La inflació

Alan Guth, desembre 2007.
Crèdits: Imatge Wikimedia Commons – Autor: Betsy Devine

Alan Guth, cosmòleg i professor del Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA, va resoldre el problema amb la hipòtesi de la inflació. Va suposar que, en els primers instants va haver una etapa d’expansió molt accelerada de l’univers que va durar entre els 10^-35 i 10^-10 s, quan l’univers va continuar expansionant-se a un ritme molt més moderat. Això resol el problema de la temperatura, ja que si ara tot l’univers te una temperatura molt uniforme, és perquè totes les parts eren en contacte durant l’etapa de la inflació, en un espai molt més reduït, en el que la radiació, a la velocitat de la llum, podia arribar a tot arreu. Una conseqüència d’aquesta hipòtesi, és que prediu també la formació d’ones gravitacionals, conseqüència de la violentíssima expansió. Aquestes ones o distorsions de l’espai temps haurien estat viatjant per l’univers des d’aleshores i si poguéssim detectar-les, ens donarien una informació valuosa de com era l’univers just després de l’etapa d’inflació, als 10^-10 s.
(2) (3) (4)

L’inflató, responsable de la inflació
Aquesta etapa d’expansió accelerada o inflació els físics l’expliquen per un camp d’efectes repulsius, l’inflató, que hauria existit només en aquell curt període de temps i que hauria transformat la seva energia en matèria i radiació. Fins i tot els físics creuen que s’hauria produït en dues fases ben diferenciades:
– la primera seria la de l’expansió accelerada i
– la segona, d’escalfament, en la que s’hauria transformat l’energia de la inflació en matèria i radiació.
Un cop desapareguda l’energia inflacionària, l’expansió de  l’univers hauria continuat a un ritme molt més lent.
Segons la mecànic quàntica, el camp de l’inflató no hauria pogut ser completament uniforme, hauria  hagut d’experimentar petites fluctuacions aleatòries, com tot camp quàntic. Aquestes fluctuacions es transformarien després en lleus distorsions de la geometria de l’espai-temps que, dilatades per la gran expansió, acabarien generant els grumolls inicials en la distribució de matèria que donaria lloc a la formació de les galàxies. Els models actuals expliquen l’evolució del cosmos des d’una fracció de segon després de l’instant inicial. La teoria de la inflació intenta explicar què va passar en aquesta fracció de segon inicial i comptaria amb les ones gravitacionals fòssils com a testimoni.
(2)

Detectar les ones gravitacionals (2)

LISA, antena espacial per interferometria làser. Imatge NASA

Ja vam dir a la xerrada anterior que no es disposa fins ara de procediments de detecció directa prou precisos per a detectar-les. Però hi ha diferents projectes en marxa o en desenvolupament: l’observatori d’ones gravitacionals per interferometria làser, (LIGO, sigles en anglès), fundat el 1992 per el MIT, CalTech i altres universitats té dos interferòmetres situats a 3.000 km de distància (5), o l’antena espacial per interferometria làser (LISA, sigles en anglès), projecte d’ ESA i NASA, que podria detectar ones gravitacionals procedents de fenòmens astrofísics violents, potser dins d’aquesta dècada(6).

Detectar les ones gravitacionals fòssils (2)
Així com la detecció de la radiació de fons de microones es va basar en que havien de tenir un espectre com el d’un cos negre perfecte (veure xerrada 09.05.2013), per a detectar les ones gravitacionals fòssils també s’hauria de tenir en compte com van ser generades. Per començar, els models prediuen dos tipus d’ones gravitacionals fòssils, unes que provindrien del període net d’inflació i unes altres que s’haurien generat en el breu període d’escalfament final:
– les primeres podrien haver provocat una polarització dels fotons de la radiació de fons de microones, amb el que l’estudi encara més acurat d’aquesta podria ser una detecció indirecta,
– les segones podrien ser detectades per els interferòmetres làser del futur, quan arribin a ser prou precisos.

I fins aquí la sèrie de xerrades sobre descobriments cosmològics, que van començar amb el model de Copèrnic (veure xerrada 20.12.2012) i han acabat amb les ones gravitacionals.

Fonts d’informació:

(1) El telescopio de Einstein, Evalyn Gates. Editorial Alba. 2011.
(2) Daniel G. Figueroa i Juan García-Bellido. Una ventana abierta al primer instante del universo. Investigación y Ciencia, abril 2013. Desembre 2012.
http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-y-ciencia/numeros/2012/12/una-ventana-al-primer-instante-del-universo-10670
(3) Juan García-Bellido, Daniel G. Figueroa and Alfonso Sastre, Physical Review D, 2008, “A Gravitational Wave Background from Reheating after Hybrid Inflation”
http://arxiv.org/pdf/0707.0839.pdf
(4) http://web.mit.edu/physics/people/faculty/guth_alan.html
(5) http://www.ligo.caltech.edu/
(6) http://lisa.nasa.gov/

Audio de la xerrada

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
“Sopa d’estrelles” del 20 de juny de 2013.

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari