La luz no es suficiente

Nuestro conocimiento del universo se basa fundamentalmente en recolectar y analizar fotones, un método que tiene muchas limitaciones. Necesitamos perspectivas completamente diferentes

Interior del Super Kamiokande, un detector de neutrinos construido bajo tierra en una antigua mina cerca de Hida (Japón).
Interior del Super Kamiokande, un detector de neutrinos construido bajo tierra en una antigua mina cerca de Hida (Japón). KAIOKA OBSERVATORY (ICRR, UNIVERSITY OF TOKYO)

Es casi increíble que hoy sepamos con gran precisión cómo era el universo 370.000 años después del Big Bang. Es fascinante el poder conocer los secretos de los agujeros negros o de planetas vagando por la Vía Láctea. Todos contemplamos las maravillas del universo con ilusión y asombro, como alguien acostumbrado a vivir tierra adentro que por primera vez ve el mar. Pero hemos de reconocer que tenemos una visión del cosmos tremendamente simple e inocente, fruto, entre otras cosas, de grandes sesgos observacionales y limitaciones tecnológicas. ¡Ahí fuera hay un mar de cosas que nunca hemos visto ni, literalmente, podremos ver, y que ni siquiera se parecen a lo que nos rodea!

Durante milenios la humanidad ha observado y estudiado el cosmos por medio de la luz: con nuestros ojos al principio, con telescopios a partir del siglo XVII, con placas fotográficas acopladas a telescopios a partir del siglo XIX, y con detectores de luz ultrasensible como los CCDs desde hace 50 años. Si bien hemos avanzado mucho y hoy podemos detectar con distintas tecnologías y telescopios terrestres o espaciales cada vez más grandes no solo luz como la que ven nuestros ojos, sino también rayos X, luz infrarroja u ondas radio, seguimos necesitando fotones para conocer los secretos del universo. Y eso lastra nuestro avance. Daremos algunos ejemplos de estas limitaciones.

Antes de los 370.000 años después del Big Bang, el universo era opaco. La luz no podía viajar grandes distancias, porque en seguida se encontraba con un electrón o un protón, que vivían por separado porque el universo estaba muy caliente, siendo muy efectivos en capturar fotones

Antes de los 370.000 años de edad que mencionamos al principio, el universo era opaco. La luz no podía viajar grandes distancias, porque en seguida se encontraba con un electrón o un protón, que vivían por separado porque el universo estaba muy caliente, siendo muy efectivos en capturar fotones. No es que el universo fuera muy denso en esa época, aunque bastante más, unos mil millones, que los menos de un átomo de hidrógeno por metro cúbico que hay hoy en media. Aun así, esa densidad media del universo joven está cientos de billones de veces por debajo de la densidad típica que tenemos en la Tierra. En esas condiciones, los fotones solo podían viajar unos pocos años luz antes de ser absorbidos, y el universo era millones de veces más grande que eso, ese es el significado de opaco. A partir de los 370000 años, el universo, tras sufrir un proceso que se llama recombinación en el que los protones captaron los electrones para convertirse en hidrógeno neutro, se volvió transparente. El evento nos hace felices a los astrofísicos de hoy porque permite que nos lleguen fotones de estrellas o galaxias y también con información de esa época tan temprana de la “Historia de Todo”, fotones integrantes de lo que se conoce como radiación cósmica de fondo, cuya existencia fue predicha hace más de 70 años y encontrada en 1964, lo que constituye uno de los grandes éxitos de la Teoría del Big Bang. Pero no nos pueden llegar fotones que nos permitan estudiar qué pasó antes de la recombinación, todo era opaco. Es posible aprender sobre los orígenes del universo viendo las consecuencias posteriores de lo que debió ocurrir antes de la recombinación, pero nunca seremos capaces de “verlo” directamente.

El detector de neutrinos IceCube, en la Antártida, ocupa un volumen de un kilómetro cúbico de hielo con sensores que llegan hasta una profundidad de 2.450 metros.
El detector de neutrinos IceCube, en la Antártida, ocupa un volumen de un kilómetro cúbico de hielo con sensores que llegan hasta una profundidad de 2.450 metros.Felipe Pedreros / IceCube/NSF

Un ejemplo más. Tampoco podemos “ver” directamente cómo se producen reacciones de fusión nuclear en el Sol, que es lo que explica su brillo. La mayor parte de la energía creada en las reacciones de fusión de hidrógeno emana del núcleo del Sol, de una región que ocupa menos de un 2% del volumen de nuestra estrella. La fusión libera energía en forma de fotones que, de manera parecida a lo que se describía en el párrafo anterior, se encuentran con un medio muy caliente y tremendamente ionizado, con electrones y protones libres por todos sitios. La densidad en el núcleo del Sol además sí es bastante alta, casi siete veces más alta que lo más denso que conocemos en la superficie terrestre, el osmio o el iridio. Como resultado, los fotones no sobreviven a viajes más largos que aproximadamente un centímetro y la energía en forma de radiación fluye muy lentamente hacia el exterior, tardando miles de años en alcanzar la superficie. En definitiva, los fotones que nos llegan del Sol no tienen nada que ver con los creados por la fusión de hidrógeno, no podemos captarlos directamente.

Si tuviéramos telescopios de neutrinos, nuestro conocimiento del universo sería mucho más profundo

Estos son solo dos ejemplos que nos demuestran las limitaciones de estudiar el universo con fotones. Si tuviéramos telescopios de neutrinos, nuestro conocimiento del universo sería mucho más profundo. Efectivamente, los neutrinos empezaron a viajar libres por el universo aproximadamente 1 segundo después del Big Bang, cuando todo dejó de ser opaco para ellos igual que pasó cientos de miles de años después para los fotones tras la recombinación. La información de cómo es el universo más temprano que podríamos obtener con un telescopio de neutrinos sería espectacular. En el segundo ejemplo, las reacciones nucleares del Sol también crean neutrinos, que dejan atrás el Sol en sólo unos 3 segundos viajando a casi la velocidad de la luz. Estos neutrinos ya hemos conseguido detectarlos con instrumentos muy avanzados tecnológicamente pero bastante rudimentarios comparados con lo que podemos hacer con los telescopios clásicos, de luz, más potentes. Seguramente estamos a décadas, quizás siglos, de tener telescopios potentes para detectar neutrinos de los primeros segundos del universo, pero necesitamos ese tipo de tecnología para superar nuestra visión muy sesgada del universo. Porque, no podemos negarlo, por mucho que hemos avanzado en nuestro conocimiento, vivimos en una Edad de la Inocencia, nuestra visión del cosmos es muy ingenua, desconocemos el 95% de su composición.

La Edad de la Inocencia no es solo una etapa para los astrofísicos, en realidad afecta a toda la humanidad y todos los ámbitos del conocimiento. Solo hay que pensar que en poco más de 70 años desde que se construyera el primer ordenador hemos avanzado a lo que hoy conocemos como “sociedad tecnológica”, y en breve tendremos ordenadores cuánticos 100 millones de veces más potentes de lo que tenemos ahora. O que se han podido crear vacunas para un virus desconocido en solo un año y gracias a manipular algo tan complicado, pero tan básico para la vida, como el ARN, lo que puede llevar a otra revolución. La pregunta entonces quizás es ¿alguna vez saldremos de la Edad de la Inocencia, o más bien siempre nos separará un abismo del conocimiento de todas las maravillas que nos rodean? Me decanto por lo segundo, pero en todo caso nunca estará mal seguir observando inocentemente los secretos del universo.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

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