En una conferencia celebrada en Japón hace unos años, David Dunsky Asistió a una charla sobre ondas gravitacionales, ondas en el tejido del espacio-tiempo creadas cuando objetos masivos como estrellas y agujeros negros se aceleran.

Dunsky era un estudiante de posgrado en física de partículas en ese momento y sus intereses aparentemente estaban en otra parte. Los físicos de partículas buscan la verdad más fundamental que sustenta las reglas físicas con las que estamos familiarizados. Durante mucho tiempo han utilizado colisionadores de partículas de alta energía para probar sus ideas. Al romper partículas a energías insondables, estos científicos pueden descubrir los componentes básicos de los componentes básicos: los fenómenos de alta energía que ocurren a escalas de distancias cortas. Esos fenómenos también nos hablan de los primeros momentos del universo cuando era pequeño, denso e increíblemente caliente.

Pero Dunsky aprendió en la charla que los futuros observatorios de ondas gravitacionales, como la propuesta Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA), podrían usarse para investigar la física de altas energías. LISA sería capaz de detectar objetos hipotéticos llamados cuerdas cósmicas, vastas hebras de energía concentrada que podrían haber surgido durante el nacimiento del universo. "Me enganché al tratar de comprender las señales de ondas gravitacionales del universo primitivo", dijo Dunsky, que ahora es cosmólogo y físico de partículas en la Universidad de Nueva York, "y cómo podrían informarnos sobre la física de muy, muy alta energía potencialmente lejana". más allá de lo que actualmente podemos detectar con un colisionador”.

Su giro hacia las ondas gravitacionales como camino a seguir para la física de partículas ejemplifica un interés cada vez mayor en el futuro experimento LISA y, tal vez, un cambio más amplio. Han pasado doce años desde el último gran descubrimiento en un colisionador de partículas. El descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en 2012 completó el Modelo Estándar de física de partículas, la teoría reinante de las partículas y fuerzas elementales conocidas. Y aunque desde entonces los teóricos han ideado un zoológico de posibles teorías que amplían el modelo estándar, no está claro que podamos construir colisionadores capaces de probar estas ideas.

"La gente habla de construir colisionadores en los próximos 50 años que sean 10 veces más potentes que el LHC en términos de energía", afirmó Raman Sundrum, físico teórico de partículas de la Universidad de Maryland. Sin embargo, para probar grandes teorías unificadas, que rastrean las tres fuerzas del Modelo Estándar hasta una sola fuerza subyacente que opera a distancias más cortas, "parecería ser necesario un colisionador que tenga 10 mil millones de veces la energía del LHC", dijo.

Lo que no podemos producir en un colisionador, quizás podamos observarlo en la naturaleza. Específicamente, las respuestas podrían estar en los ecos gravitacionales de los procesos que se desarrollaron en los primeros momentos de la creación, cuando el universo era tan energético que habría reinado una física más allá del Modelo Estándar.

Ésa es la esperanza de físicos de partículas como Dunsky y Sundrum, que ahora miran a LISA para probar sus teorías. El concepto de misión se desarrolló por primera vez a principios de la década de 1980 y se propuso formalmente a la Agencia Espacial Europea (ESA) en la década siguiente. El proyecto se llevó a cabo en colaboración con la NASA durante un tiempo, pero los estadounidenses se retiraron en 2011 debido a preocupaciones presupuestarias, lo que obligó a Europa a hacerlo sola. Sin embargo, en enero pasado, LISA finalmente obtuvo el visto bueno de la ESA, que ahora está buscando socios industriales para comenzar la construcción. El anuncio se produce tras el rotundo éxito en 2015 y 2016 de una misión piloto, LISA Pathfinder, que probó las tecnologías clave del futuro observatorio.

Ahora está previsto que LISA vuele en la década de 2030. Durante cuatro años, su conjunto de tres satélites girará por el espacio formando un triángulo equilátero de unos millones de kilómetros de diámetro, haciendo rebotar láseres en los cubos dorados que se mantienen en perfecta caída libre dentro de cada nave para detectar ondas en el espacio-tiempo.

"Por primera vez, podríamos obtener algo directamente de esa época tan temprana" del universo, afirmó. Isabel García García, físico de partículas y cosmólogo de la Universidad de Washington. Si LISA realmente puede captar ondas gravitacionales primordiales, añadió, será nuestra primera visión de los primeros momentos del cosmos. "Desde el punto de vista de la física de partículas, esto es obviamente increíblemente emocionante".

Lisa afortunada

Si efectivamente LISA logra detectar ondas gravitacionales primordiales en algún momento de la próxima década, será debido a un golpe de suerte cósmica extraordinaria.

Ningún telescopio revelará jamás los primeros momentos de la creación. Los telescopios ven el pasado del universo detectando luz que viaja desde muy lejos. Pero los primeros 380,000 años después del Big Bang están ocultos detrás de una especie de cortina cósmica. En aquel entonces, el universo estaba lleno de plasma ionizado que dispersaba fotones, haciéndolo opaco a la luz.

A diferencia de la luz, las ondas gravitacionales podían propagarse libremente a través del universo primitivo. Los observatorios terrestres existentes, como LIGO y Virgo, probablemente no sean sensibles a estas ondas primordiales. Pero LISA podría escuchar lo que sucedió en el escenario antes de que se levantara el telón cósmico.

"Es como escuchar algo en la niebla", dijo Sundrum.

Al igual que los observatorios terrestres de ondas gravitacionales, LISA detectará ondas en el espacio-tiempo mediante el uso de láseres para medir con precisión la distancia a lo largo de sus "brazos", en este caso, las líneas en el espacio vacío entre las tres naves espaciales en su constelación triangular. Cuando una onda gravitacional pasa, estira y contrae el espacio-tiempo. Esto crea una ligera diferencia en la longitud de los brazos de LISA, que el instrumento puede detectar rastreando la desalineación de los picos y valles de sus rayos láser. Lejos del ruidoso entorno de la Tierra, LISA será mucho más sensible que los interferómetros existentes como LIGO, que se ha utilizado para detectar colisiones de agujeros negros y estrellas de neutrones. También será mucho mayor; cada uno de sus brazos será casi 400 veces más largo que el radio de la Tierra.

Aun así, los cambios en la distancia que LISA sentirá son extremadamente pequeños: aproximadamente 50 veces más pequeños que un átomo. "Es un concepto bastante loco, si lo piensas bien", dijo Nora Lützgendorf, astrofísico de la ESA y científico del proyecto LISA.

El tamaño y la sensibilidad de LISA le permitirán observar ondas gravitacionales mucho más largas que las observables por interferómetros terrestres. LIGO puede detectar ondas gravitacionales con longitudes de onda de entre 30 y 30,000 kilómetros, pero LISA puede captar ondas con longitudes que van desde unos pocos cientos de miles de kilómetros hasta unos pocos miles de millones. Esto permitirá a LISA escuchar eventos astrofísicos que los observatorios terrestres no pueden “escuchar”, como las fusiones de agujeros negros supermasivos (a diferencia de los agujeros negros del tamaño de estrellas). Y resulta que la banda de longitud de onda de LISA también tiene exactamente el tamaño que los físicos esperan de las ondas gravitacionales generadas en los primeros momentos después del Big Bang.

La física de alta energía en el universo primitivo creó ondas gravitacionales y, a medida que el universo se expandió y el espacio se estiró, estas ondas alcanzaron dimensiones enormes. Resulta que LISA está perfectamente preparada para atrapar olas creadas en los primeros 10^-17 al 10^-10 segundos después del Big Bang, prácticamente al principio de los tiempos. El extremo corto de ese rango, 10^-17 segundos, es un período tan breve que cabría tantas veces en un segundo como segundos caben en la edad del universo.

“Existe esta casualidad”, dijo Chiara Caprini, cosmóloga teórica de la Universidad de Ginebra y del CERN. Existe una coincidencia entre "la banda de frecuencia de detección de LISA y esta época particular en la evolución del universo que marca la frontera de nuestro conocimiento de la física de partículas".

Más allá del modelo estándar

Hasta esa frontera, el Modelo Estándar hace un excelente trabajo al explicar cómo su bandada de 17 partículas elementales interactúa con tres fuerzas: la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Pero a pesar de sus enormes éxitos, nadie piensa que estas partículas y fuerzas sean el principio y el fin de la existencia.

La teoría tiene sus defectos. Por ejemplo, el masa del bosón de Higgs - el componente del modelo estándar que determina las masas de otras partículas - es frustrantemente “antinatural”.” Parece arbitrario y desconcertantemente pequeño en comparación con las escalas de energía mucho mayores del universo. Además, el Modelo Estándar no ofrece ninguna explicación para la materia oscura, ni para la misteriosa energía oscura que impulsa la acelerada expansión del espacio. Otro problema es que la antimateria y la materia se comportan exactamente igual bajo las tres fuerzas del Modelo Estándar, lo cual obviamente no es toda la historia, ya que la materia domina el universo. Y luego está la gravedad. El Modelo Estándar ignora por completo la cuarta fuerza fundamental, que debe describirse utilizando su propia teoría, la relatividad general.

“Así que muchos teóricos como yo hemos estado tratando de exprimir un poco el Modelo Estándar y de hacerle extensiones”, dijo Pierre Auclair, cosmólogo teórico de la Universidad Católica de Lovaina en Bélgica. Pero sin evidencia experimental con la cual probarlas, estas teorías extendidas siguen siendo, bueno, teóricas.

Auclair es un teórico. "Pero aún así, estoy tratando de vincularme con los experimentos tanto como puedo", dijo. Ésa es una de las razones por las que se sintió atraído por LISA. "Estas extensiones generalmente conducen a diferentes eventos extremos en el universo temprano", dijo.

García García también dijo que la promesa de LISA de evidencia observacional para la física de alta energía la llevó a repensar su carrera: las ondas gravitacionales podrían "sondear el universo primitivo de una manera que ningún otro experimento puede hacerlo", dijo. Hace unos años, comenzó a estudiar las ondas gravitacionales y cómo la física más allá del modelo estándar dejaría huellas dactilares detectables por LISA.

El año pasado, García García y sus colegas trabajo publicado en la firma de ondas gravitacionales de las paredes de las burbujas: barreras energéticas entre bolsas de espacio que quedaron atrapadas en diferentes estados a medida que el universo se enfriaba. Este enfriamiento ocurrió a medida que el universo se expandió. Así como el agua hierve y se convierte en vapor, el universo pasó por transiciones de fase. En el modelo estándar, la transición de fase durante la cual una única fuerza “electrodébil” se dividía en fuerzas electromagnéticas y débiles separadas fue relativamente suave. Pero muchas extensiones de la teoría predicen eventos violentos que dejaron la sopa cósmica espumosa y perturbada, dijo Dunsky, quien también estudia defectos topológicos como las paredes de las burbujas.

Los campos cuánticos que impregnan nuestro universo tienen estados de energía mínima o estados fundamentales. Y a medida que el universo se enfrió, se desarrollaron nuevos estados fundamentales de menor energía, pero un campo determinado no siempre aterrizó inmediatamente en su nuevo estado fundamental. Algunos quedaron atrapados en mínimos de energía locales: estados fundamentales falsos que sólo parecen estables. A veces, sin embargo, una pequeña parte del universo formaría un túnel cuántico hacia el estado verdadero, nuclearizando una burbuja de vacío verdadero en rápida expansión con una energía menor que la del universo exterior.

“Estas burbujas son muy energéticas; se están moviendo muy cerca de la velocidad de la luz debido a esta diferencia de presión entre su interior y su exterior”, dijo Dunsky. "Entonces, cuando chocan, se produce esta violenta colisión entre estos dos objetos muy relativistas, algo similar a cómo los agujeros negros emiten fuertes ondas gravitacionales justo antes de colisionar".

Cuerdas y paredes

De manera más especulativa, las transiciones de fase en el universo primitivo también podrían haber creado estructuras llamadas cuerdas cósmicas y paredes de dominio: enormes hebras y láminas, respectivamente, de energía densa.

Estas estructuras surgen cuando el estado fundamental de un campo cuántico cambia de tal manera que hay más de un nuevo estado fundamental, cada uno igualmente válido. Esto puede dar lugar a defectos de alta energía a lo largo de las fronteras entre zonas del universo que se encuentran en estados fundamentales diferentes, pero igualmente favorables.

El proceso es un poco parecido a la forma en que ciertas rocas desarrollan magnetismo natural a medida que se enfrían, dijo Dunsky, quien ha estudió las huellas dactilares observables del proceso. A altas temperaturas, los átomos están orientados aleatoriamente. Pero a temperaturas frías, resulta energéticamente favorable para ellos alinearse magnéticamente: el estado fundamental cambia. Sin algún campo magnético externo para orientar los átomos, son libres de alinearse en cualquier dirección. Todas las “elecciones” son igualmente válidas y diferentes dominios del mineral, por casualidad, tomarán decisiones diferentes. El campo magnético generado por todos los átomos se dobla dramáticamente en los límites entre dominios.

De manera similar, los campos cuánticos en diferentes regiones del universo "deben cambiar rápidamente en los límites" de estos dominios, dijo, lo que resulta en grandes densidades de energía en estos límites que "significan la presencia de una pared de dominio o una cuerda cósmica".

Estas cuerdas cósmicas y muros de dominio, si existieran, se habrían extendido hasta abarcar prácticamente todo el universo a medida que el espacio se expandía. Estos objetos producen ondas gravitacionales a medida que se propagan torceduras a lo largo de ellos y cuando los bucles oscilan y forman cúspides. Pero las escalas de energía de estas ondas se establecieron en su mayoría a medida que los objetos se formaban en los primeros momentos del universo. Y LISA podría detectarlos, si existen.

Ecos de la creación

Las ondas gravitacionales que nos llegan desde el universo primitivo no llegarán en chirridos cuidadosamente empaquetados, como las señales de las colisiones de agujeros negros. Debido a que ocurrieron tan temprano en el tiempo, desde entonces tales señales se han extendido por todo el espacio. Harán eco en todas direcciones, desde todos los puntos del espacio, todos a la vez: un zumbido gravitacional de fondo.

“Enciendes tu detector y siempre está ahí”, dijo García García.

Los patrones en este fondo probablemente "parecerían simplemente ruido para la persona promedio", dijo Sundrum. "Pero en secreto, hay un código oculto".

Una pista importante será el espectro de la señal de fondo: su intensidad en diferentes frecuencias. Si pensamos en una señal de onda gravitacional como sonido, su espectro sería una gráfica de tono versus volumen. El ruido blanco verdaderamente aleatorio tendría un espectro plano, dijo Auclair. Pero las ondas gravitacionales liberadas durante las transiciones de fase o emitidas desde cuerdas cósmicas o paredes de dominio serían más fuertes en frecuencias específicas. Auclair ha trabajado en el cálculo de las firmas espectrales de cuerdas cósmicas, que emiten ondas gravitacionales en longitudes de onda características cuando evolucionan sus torceduras y bucles. y caprini estudios cómo las violentas transiciones de fase dejarían su propia huella en el fondo de las ondas gravitacionales.

Otro enfoque, que Sundrum y sus colegas delineado en 2018 y elaborado recientemente, sería intentar mapear la intensidad general del fondo en el cielo. Esto permitiría buscar anisotropías, o parches que son sólo un poquito más ruidosos o más silenciosos que el promedio.

“El problema”, dijo Caprini, “es que este tipo de señal tiene prácticamente las mismas características que el ruido del instrumento. Entonces la cuestión es cómo poder distinguirlo una vez que detectamos algo”.

LISA se parece más a un micrófono que a un telescopio. En lugar de mirar en una dirección particular, escuchará todo el cielo a la vez. Escuchará ondas gravitacionales primordiales si están presentes. Pero también escuchará los chirridos y aullidos de los agujeros negros fusionados, las estrellas de neutrones y los muchos pares de estrellas enanas blancas dentro de nuestra galaxia. Para que LISA detecte un fondo de ondas gravitacionales primordiales, será necesario identificar y eliminar cuidadosamente todas las demás señales. Filtrar la verdadera señal del universo primitivo será como captar el sonido de una brisa primaveral en una obra en construcción.

Pero Sundrum decide tener esperanzas. "No estamos locos por hacer la investigación", dijo. “Será difícil para los experimentadores. Será difícil para el público pagar por las diversas cosas que hay que hacer. Y será difícil para los teóricos calcular cómo superar todas las incertidumbres, errores, antecedentes y demás”.

Pero aún así, añadió Sundrum, “parece posible. Con un poco de suerte”.