Inmediatamente después de que la llamada espuma cuántica del espacio-tiempo permitiera la creación de nuestro Universo, apareció una inmensa fuerza de repulsión gravitatoria que fue la responsable de la explosiva expansión del Universo primigenio (inflación(*)).Las fluctuaciones cuánticas del vacío, que normalmente se manifiestan sólo a escalas microscópicas, en el Universo inflacionario en expansión exponencial aumentaron rápidamente su longitud y amplitud para convertirse en fluctuaciones significativas a nivel cosmológico.

La estructura actual del Universo definida en forma de supercúmulos y cúmulos de galaxias, galaxias, cúmulos globulares de estrellas, estrellas y planetas, surgió como resultado final del crecimiento de estas perturbaciones de densidad, inicialmente pequeñas, gracias a la inestabilidad gravitatoria que originó la fase inflacionaria, capaz de aumentar el diámetro del universo naciente en billones de billones de billones de veces, en apenas una fracción de segundo. Las perturbaciones o fluctuaciones de densidad en la distribución de la energía, a la que nos referimos, en cierta forma se pueden representar como un conjunto de ondas acústicas (de ahí el título del post). Y como las ondas acústicas se caracterizan por la amplitud (volumen del sonido), la frecuencia (el tono) y la fase (instante de inicio), también por su espectro, que representa la dependencia de su amplitud respecto a su frecuencia. Los espectros que conocemos, desde las melodías musicales a los rugidos de un avión reactor, tienen una anchura finita pues son producidos por aparatos de dimensiones finitas.

Algo muy diferente es el “sonido” producido por el Universo recién nacido. Su “grito” es débil y tiene las propiedades de una señal aleatoria parecida a los ruidos del mar o el susurro de un viento lejano. Sin embargo su espectro se extiende desde frecuencias muy altas ( cientos de mega ciclos segundo) hasta frecuencias superbajas ( millones de veces inferiores a un ciclo segundo), iguales al valor actual de la constante de Hubble. Este es el espectro más ancho que existe en la naturaleza y sus especiales características fueron predichas por el cosmólogo ruso Yá.B.Zeldóvich, e independientemente por el cosmólogo norteamericano E.Harrison. Hoy este espectro se llama espectro de Zeldóvich-Harrison o, abreviadamente, espectro HZ.

Este espectro fue obtenido por Yá.B.Zeldóvich antes, incluso, de la creación de la teoría inflacionaria, partiendo de premisas tan generales como que el espectro de las perturbaciones pudiera explicar la entropía observada del Universo y que, además, estas perturbaciones no produjeran muchos agujeros negros en la fase temprana de la evolución del Universo. Pertenece a los llamados espectros fractales. La importancia del concepto fractal se comprendió hace relativamente poco tiempo gracias, sobre todo, al matemático polaco-francés Benoit Mandelbrot. Este espectro caracteriza muy bien la distribución de la masa visible del Universo tanto en las regiones a escalas pequeñas como en las regiones a escalas grandes, pero además de las perturbaciones de densidad, en el Universo debe existir otro espectro estocástico muy especial, el de las ondas gravitatorias primordiales.

Las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz, son capaces de transportar energía, impulso y, por consiguiente, pueden servir de fuente de información de las propiedades de la materia, con la que reaccionan débilmente y casi no son absorbidas por ella. Por eso el fondo de ondas gravitatorias es especialmente importante para la cosmología, puesto que nos puede proporcionar información directa de las etapas más tempranas de la evolución de nuestro Universo (sus primeras “patadas”).

Durante el periodo inflacionario surgen, como hemos comentado, las perturbaciones de densidad y las ondas gravitatorias, que constituyen dos conjuntos aleatorios independientes de ondas de diferente naturaleza. Precisamente por esto, la dependencia de sus amplitudes respecto a los parámetros y características del proceso no estacionario que dirigió la inflación también es diferente. Esa diferencia permite reconstruir las diversas características del potencial del campo que dirigió la inflación y conocer la física de las partículas elementales en regiones de energía a las que no pueden llegar nuestros mayores aceleradores de partículas actuales. El estudio del Universo, de los fenómenos a escala cósmica, nos permite profundizar en el conocimiento del microcosmos, el mundo del que se ocupa la física de las partículas. Al fin y al cabo, el propio Universo, lo más grande, surgió de las fluctuaciones cuánticas del microcosmos, lo más pequeño.

(*) Nota. Alan H Guth del Instituto Tecnológico de Massachussets (M.I.T.) sugirió en 1981 que el universo caliente, en un estadio intermedio, podría expandirse exponencialmente. La idea de Guth postulaba que este proceso de inflación se desarrollaba mientras el universo primordial se encontraba en un estado llamado de “superenfriamiento inestable”. Una predicción comprobable de esta teoría tiene que ver con las perturbaciones de densidad producidas durante la inflación. Se trata de perturbaciones de la distribución de materia en el universo, que incluso podrían venir acompañadas de ondas gravitacionales. Las perturbaciones dejan su huella en el fondo cósmico de microondas, que llena el cosmos desde hace casi 15 mil millones de años.

Para saber más: “Cosmología moderna“, de M.V.Sazhin. Moscú 2005. Editorial URSS. Traducción al español de la edición de 2002.