L'anunci esperat d'un gran descobriment: la inflació còsmica

Ahir, 17 de març de 2014, es va anunciar un dels descobriments més importants en el nostre esforç per entendre l'univers i el seu origen. L'univers hauria passat per una etapa d'expansió immensa i quasi instantània durant la primera quintilionèssima de segon de vida En cas de confirmar-se, encaixarem una peça més d'aquest puzle còsmic, i algú s'emportarà un Nobel amb quasi tota seguretat.

Però què és aquest descobriment? I què implica? I, de  pas, ... es pot explicar de forma senzilla i entenedora? Això és el que intentaré en aquest article. El lector m'haurà de permetre que ho faci poc a poc, desenvolupant el tema històricament, perquè crec que d'aquesta forma es pot fer més entenedor.

Que vivim en un univers que s'expandeix ja ho sabem. Però no cregueu que fa pas gaire que ho sabem. Com a punt de referència, el gran Einstein i la majoria dels científics del primer quart del segle XX pensaven que habitàvem un cosmos estàtic, etern, que sempre havia existit i que era, en el fons, immutable. I no sols això: es creia que l'univers sencer era la Via Làctia, és a dir, la nostra galàxia. Allò era tot. Una galàxia plena d'estrelles, això sí. Però única.

Si hi ha una ciència que constantment ens ha donat pals d'humilitat, aquesta és l'astronomia. L'astronomia va desplaçar la Terra (i la humanitat) de ser el centre del Sistema Solar a ser un planeta més que girava al voltant del Sol. Després, vàrem descobrir que de sols n'hi havia milers de milions, i que el nostre era més aviat normalet. Finalment, aquell univers de l'època de l'Einstein, format únicament per la nostra galàxia, va resultar ser immensament més gran, amb milers de milions d'altres galàxies. Un altre cop desplaçats, i ferits en el nostre ego.

Durant la primera meitat del segle XX es va descobrir aquest fet, que l'univers era molt més gran que el que es pensava. I també es va descobrir que s'expandia. La cosa anava així: quan observàvem objectes distants, aquest semblaven allunyar-se a gran velocitat de nosaltres, sent la velocitat d'allunyament més gran com més distants es trobaven els objectes. I si l'univers s'expandia, llavors, rebobinant en el temps, es podia pensar en un moment en el passat en el que tot hauria estat més a prop. Tan a prop que, si retrocedíem suficientment en el temps, tot hauria estat concentrat en un punt. Acabava de néixer la teoria del Big Bang.

En aquells primers moments, no faltaven detractors. La nova teoria era massa audaç, i, a més, introduïa moltes preguntes sense respostes. Però en ciència, el tema de les teories és simple: el paper ho aguanta tot, sempre que l'aparell matemàtic sigui consistent. Però la gran prova de foc és sempre l'observació.  Així, una nova teoria ha de ser coherent amb tot allò que s'observa. Ah! Però si mai vols construir una gran i trencadora teoria, que et catapulti directament a la fama, el que ha de fer la teva teoria, a més de ser coherent amb l'entorn observat, és predir fenòmens mai no detectats abans. Llavors, et podràs asseure tranquil·lament, mentre la comunitat científica discuteix sobre les bondats de la teva teoria, esperant que un grup de científics experimentals busqui, i confirmi, la predicció.

Com no podia ser menys, la nova teoria del  Big Bang va venir amb vàries prediccions sota el braç. I una a una van anar sent descobertes i confirmades al llarg dels anys posteriors. En resum, 3 són els grans pilars observables que van fer callar completament als detractors.

En primer lloc, tenim el remor residual del Big Bang. Als anys 60 es va detectar una radiació de fons que provenia de l'espai, de forma homogènia, apuntessis l'antena on l'apuntessis. Va ser descoberta per casualitat, però vet aquí que la teoria del Big Bang l'havia predit. La radiació tenia justament les característiques físiques que s'esperarien del Big Bang. Allò sí que va ser un bon "bang". Trampolí per a la teoria, i de pas un premi Nóbel compartit per als dos investigadors que casualment havien detectat la radiació (radiació que, per cert, si ets de la meva quinta o més gran, tu també  has detectat. Recordes els vells aparells de televisió analògics? Quan movies el dial i et quedaves entre canals que no emetien? Recordes aquella "boira", aquella neu de puntets que apareixien a la  pantalla? Doncs una part d'aquells puntets es devien a la radiació provinent del mateix moment en el que l'univers va néixer!)

Després tenim la pròpia expansió de l'univers. Per ella mateixa ja és una gran prova del Big Bang. Tot s'allunya de tot. Atenció: no és que tot s'allunyi de mi perquè jo soc el centre d'alguna cosa (no! no caiguem un altra vegada en l'error egocèntric!), sinó que no importa on ets situïs a l'espai, que veuràs que la resta de l'univers s'allunya de tu.

El lector pot intentar imaginar això com si s'estirés una tela elàstica en la que hi hem situat unes boles. A l'estirar, totes les boles s'allunyen de les altres, no importa quina agafem com a referència. És més, estrictament parlant, cap de les boles es mou! Més aviat, estem creant espai entre les boles (la tela s'estira), i això és el que fa que les boles s'allunyin unes de les altres. I encara més interessant: la velocitat a la que s'allunya una determinada bola de la meva és més gran com més lluny estigui situada (ho podeu visualitzar amb aquest exemple de la tela?).  

Conclusions: el Big Bang  no era pas una explosió (a pesar del seu nom), perquè una explosió té un centre, un lloc del qual parteix tot. I acabem de dir que l'expansió de l'univers s'assembla més a una tela elàstica que s'estira que a una explosió. No hi ha centre. No hi ha cap punt preferit. I no són les galàxies que es mouen a gran velocitat. És l'espai que es crea entre elles!

El tercer pilar fonamental és que el Big Bang prediu amb molta precisió la composició de matèria de l'univers. Prediu l'abundància relativa d'hidrogen, heli i deuteri (el deuteri és una forma d'hidrogen, el que s'anomena científicament un isòtop). I aquesta abundància relativa és la que s'ha mesurat, encaixant a la perfecció.

Molt bé. Ja tenim Big Bang. Els càlculs basats en tot això donen una edat pel nostre univers d'aproximadament 13,7 mil milions d'anys.

Però com sol passar amb les teories, sempre queden coses que no acaben de quadrar i que necessiten de refinaments. I un dels misteris que la teoria del Big Bang no podia explicar portava de corcoll a la comunitat científica. Què era aquesta cosa inexplicada?

L'univers apareixia homogeni, simètric miressis on miressis. La radiació de fons que abans explicàvem era idèntica, i estava a la mateixa temperatura, tant si observaves en una direcció com en la contrària. Però això no tenia lògica, perquè per a que dos regions de l'espai estiguin a la mateixa temperatura i en equilibri alguna cosa, algun missatger, ha d'haver pogut viatjar entre aquestes regions, intercanviant informació. Si barregem aigua calenta amb aigua freda en un recipient, l'equilibri s'aconseguirà al cap d'un cert temps, quan les molècules d'aigua hagin pogut intercanviar entre elles la (informació) seva calor. Doncs de forma similar, dos regions de l'espai necessiten intercanviar informació per aconseguir arribar a tenir exactament la mateixa temperatura. I, en aquest cas, el paper de les molècules d'aigua el juga la llum, que és el missatger més ràpid que existeix. El problema fonamental, però, és que no hi ha hagut temps suficient en aquests 13,7 mil milions d'anys com per a que una partícula de llum hagi pogut creuar l'univers de banda a banda, entre regions molt allunyades entre sí, portant informació. Cóm s'ho ha fet, doncs, aquest univers per a ser tan homogeni i presentar un equilibri exquisit si no ha pogut intercanviar informació entre zones allunyades (simplement perquè la llum no ha tingut encara temps d'arribar)?

L'any 1980, un físic americà, del MIT, anava donant-li tombs al tema quan, ... eureka! Es va imaginar un univers que havia aconseguit l'equilibri quan era molt, molt diminut, i la llum podia creuar-lo ràpidament, i que llavors, catapultat per una força desconeguda, s'havia expandit exponencialment en un instant. Una expansió increïble, encara molt per sota del segon de vida de l'univers. D'aquesta forma, dues regions allunyades entre sí haurien estat, en el passat, molt juntes, i en equilibri. L'univers encara s'expandiria actualment, però res a veure amb la gegantina expansió pràcticament instantània que hauria viscut en les primeres fraccions de segon de vida.

Era una idea un xic esbojarrada, i el físic en qüestió és l'Alan Guth. La teoria, una millora del model del Big Bang, es va anomenar "inflació còsmica". El Big Bang inflacionari explicava no només el tema de la temperatura, sinó altres propietats físiques, un xic més complexes però determinants. Quan es va desenvolupar més profundament la idea de la inflació, tot va anar quadrant, i el model del Big Bang, amb aquest afegitó, va agafar més solidesa que mai.

La inflació. Difícil d'imaginar (jo no puc). Difícil de creure. Però igual com havia passat amb la teoria del Big Bang en el seu moment, les proves anaven encaixant una rere l'altra.

I què hem dit que havia de fer una teoria realment orgullosa? Predir coses noves.  Esperar a que es descobrissin. I deixar temps al seu propietari per a preparar l'esmòquing i el corbatí per a la cerimònia a Oslo.

Així que la teoria inflacionària va predir que aquella enorme i quasi instantània expansió hauria d'haver deixat la seva empremta a l'univers, en forma de minúscules asimetries en la famosa radiació de fons.  El procés d'expansió hauria format ones gravitatòries (pertorbacions de l'espai que es desplacen com si fossin ones en el mar, ... per cert predites pel propi Einstein), i el pas d'aquestes ones hauria modificat lleugerament la radiació de fons d'una forma molt especial i característica.

I això és el que es va anunciar ahir. Després de varis anys d'estudi i anàlisi, s'han trobat aquestes asimetries, justament amb les característiques que el model inflacionari predeia. Tot un recolzament al Big Bang inflacionari. Una prova molt robusta, que caldrà, però, corroborar i, com es fa en ciència, completar amb altres dades i experiments abans no es doni per segura.

De confirmar-se, estarem col·locant una peça fonamental en el nostre coneixement de cóm va començar tot. Quedaran encara moltes preguntes i misteris, que ens han de portar intriga i interès en els propers anys.

Quina és aquesta força misteriosa que està empenyent l'expansió de l'univers (i que enigmàticament anomenem "energia fosca")? Què és la matèria desconeguda que forma la major part del cosmos i que només hem pogut detectar indirectament (i que enigmàticament, i molt poc originalment, tot sigui dit, anomenem "matèria fosca")?  Existeixen altres universos? Quin és el destí final del nostre univers?

Per a no avorrir-se, eh?