Un detector del tamaño de una mano para saber qué pasó tras el Big Bang

La teoría más aceptada para explicar el origen del universo comienza con un punto diminuto e infinitamente denso hace 13.600 millones de años. De repente, por un motivo que se desconoce, ese punto comenzó a expandirse tan rápido que los extremos del universo se alejaron entre sí a una velocidad mayor que la de la luz. Esa inflación, que pese al disgusto de los físicos se popularizó con el nombre de Big Bang, como si fuese un gran estallido, dejó una señal observada por primera vez en 1965. Aquel año, Robert Wilson y Arno Penzias, dos físicos que trabajaban en el desarrollo de una nueva antena para los Laboratorios Bell, en Nueva Jersey (EE UU), descubrieron una señal de radio que llegaba desde todos los puntos del espacio. Era el fondo cósmico de microondas, una especie de eco radiactivo de aquella gran expansión inicial.

Aquella primera luz detectable por los telescopios humanos apareció 300.000 años después del estallido. Antes solo hay oscuridad, pero los científicos llevan tiempo buscando formas de ir más allá. Uno de ellos es Luis Enrique García Muñoz, profesor de la Universidad Carlos III de Madrid. Apoyado por una de las Ayudas a la Investigación de la Fundación BBVA (las llamadas becas Leonardo para investigadores y creadores, que este año tienen abierto el plazo de inscripción hasta el 27 de abril), García Muñoz ha desarrollado un instrumento que puede ayudar a detectar ondas gravitacionales primigenias.

Este fenómeno consiste en una especie de ondulaciones provocadas por el Big Bang en el tejido del espacio tiempo que compone el cosmos. Si fuese posible detectarlas, sería una manera de obtener información sobre lo que sucedió en una etapa de la que no nos llega radiación que observar con nuestros telescopios.

Hasta ahora, esas vibraciones parecidas a las ondas que provoca una piedra al caer a un estanque eran solo teóricas. Eso cambió en febrero del año pasado cuando los responsables del Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO), en EE UU, anunciaron que habían captado las ondas producidas por el choque de dos agujeros negros. Era la primera detección directa que confirmaba la existencia de estas ondas que ya predecía la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein.

Dos años antes, otro equipo de científicos, utilizando información recogida por el telescopio del Polo Sur BICEP2, afirmó que había detectado ondas gravitacionales primordiales, una observación que resultó ser fruto de una mala interpretación de los datos. La detección de aquellas ondas, como en el caso del sistema de García Muñoz, no era directa como la de LIGO. La gravedad es, comparado con la nuclear o la electromagnética, una fuerza débil, y las ondas gravitacionales algo muy tenue que requiere detectores ultrasensibles y fenómenos ultraviolentos. LIGO y la fusión de dos agujeros negros cumplían los requisitos.

La ausencia de ondas gravitacionales haría replantear las teorías en torno al Big Bang

En el caso de las ondas generadas tras el Big Bang, la detección es indirecta. “De haber existido, estas ondas gravitacionales primigenias deberían imprimir su huella en la radiación del fondo cósmico de microondas, deberían polarizar la luz que recibimos”, explica García Muñoz. En principio, si no se hubiese visto afectada por una onda gravitacional, la polarización de la radiación de fondo es lineal. “Para explicarlo brevemente, vibraría de arriba abajo”, señala. Si estuviese rotada, sin embargo, “lo haría también de derecha a izquierda” y sería señal de que se había visto afectada por una onda gravitacional. Esto sería una prueba de peso sobre la validez de la teoría del Big Bang para explicar cómo empezó todo.

Para realizar este tipo de mediciones es necesario contar fotones individuales, paquetes de luz en unas longitudes de onda muy grandes y con una energía baja. Hacerlo requiere construir detectores en unas condiciones muy especiales, criogenizándolos hasta casi el cero absoluto. Los principales proyectos diseñados para buscar estas ondas, Bicep 1, 2 y 3, están situados en la Antártida. En España, lo está intentando el proyecto Quijote, liderado por el Instituto de Astrofísica de Canarias e instalado en el Observatorio del Teide. Estos observatorios requieren aparatos superconductores criogenizados y muy estables, que son muy sensibles y pueden introducir errores.

El aparato diseñado por García Muñoz, en colaboración con un grupo en el Max Planck Institute For the Science of Light (Erlangen, Alemania) , la Universidad de Otago en Nueva Zelanda y la Universidad Wright en EE UU evitaría estos problemas porque permite capturar esos fotones individuales a temperatura ambiente. “Así se simplificaría el receptor que también sería mucho más barato”, afirma el ingeniero. En este momento ya disponen de un prototipo de detector operativo en Nueva Zelanda, y han logrado demostrar que, según lo esperado, permitiría detectar fotones individuales. García Muñoz quiere construir ahora otro prototipo de este pequeño dispositivo, del tamaño de una mano, que se acopla a los radiotelescopios. Su objetivo sería instalarlo en el proyecto Quijote, en Canarias, y en el observatorio de Yebes, en Guadalajara.

Durante los próximos años, científicos de todo el mundo tratarán de averiguar si realmente existen aquellas ondas gravitacionales primigenias provocadas por el Big Bang. Si se encontrasen, sería casi una confirmación de que la teoría es correcta, pero si no fuese posible también se trataría de un resultado interesante. Posiblemente, haría replantear lo que creemos que sucedió cuando el universo se infló.