Un univers inflacionari

Feia temps que em rondava pel cap. I no em decidia per manca de temps, i, si us sóc sincer, per mandra.

La cosa és que una de les preguntes (de divisió avançada) que rebo en algunes conferències és sobre el Big Bang i, en especial, sobre una de les modificacions més impactants que han completat aquest model. L'anomenada inflació.

Ara us comentaré això de la mandra i la manca de temps. Però abans deixeu-me que us expliqui què és la inflació i el perquè el model del Big Bang la necessita.

Us convido, per tant, a acompanyar-me en un recorregut cap als primers instants de l'univers, que passa, abans, per a remuntar-nos curiosament fins a començaments del segle XX.

Els científics del segle passat majoritàriament creien que l'univers era estàtic, és a dir, que ni s'expandia ni es contreia. Era el corrent de pensament ortodox, i en aquells moments no hi havia res que fes sospitar el contrari. El mateix Einstein ho creia.

Vet aquí que aquest geni va crear la teoria de la relativitat general, un relat extraordinari de com funciona la gravetat i l'univers a gran escala. Les fórmules que va derivar li deien, li cridaven, que l'univers no ho podia ser d'estàtic. Que era dinàmic. Però ell no se les va creure (a les seves fórmules!), de forma que les va modificar artificialment per a fer que donessin, com a resultat, un cosmos feliçment estàtic.

Varen ser altres els que, emprant les fórmules de l'alemany, varen defensar un univers en expansió. Entre ells, un clergue belga, de nom George Lemaître.

Eren els rebels. Els que lluitaven contra l'ordre establert. Deien que si l'espai ara s'expandia, rebobinant el temps un podria arribar a un moment zero. A un inici.

Tot això passava durant les 2 primeres dècades del segle XX. I cap a finals dels anys 20, l'astrònom americà Edwin Hubble comprovava, experimentalment, que l'univers efectivament s'expandia. Era la confirmació que els rebels tenien raó, i Einstein havia d'admetre el seu error (un error genial, la veritat: haver parit un instrument matemàtic que et deia coses tan inesperades que ni ell s'ho podia creure!)

Hubble va notar com (quasi) totes les galàxies que observava s'allunyaven de nosaltres. I també va observar que, com més allunyada estava una galàxia, més ràpid s'allunyava! Era el model perfecte del globus que s'infla.

Si tu bufes un globus, sobre el qual has dibuixat petits cercles de color, veuràs com tots els cercles s'allunyen de tots. I també notaràs que, si et situes mentalment sobre una de les galàxies, observaràs que les demés s'allunyen de tu quan s'infla el globus. S'allunyen a més velocitat com més lluny estan dibuixats.

Aquell descobriment va significar un triomf per al model del Big Bang. Però no tots estaven encara convençuts.

El gran astrofísic britànic Sir Fred Hoyle no hi estava d'acord. Ell seguia defensant un model estàtic i etern del cosmos. I va ser ell, qui, en un programa de ràdio de la BBC allà pels anys 30 del segle passat, va voler mofar-se del model rebel, i el va anomenar despectivament "Big Bang", la gran explosió.

Ves per on, Hoyle li va fer una enorme operació de marketing al nou model cosmològic, ja que li va inventar un nom que, de seguida, va calar i que ha perdurat fins ara.

El segon gran triomf del Big Bang va arribar l'any 1965. Dos físics americans estaven provant una antena de comunicacions prop de New Jersey, quan varen notar una molesta interferència que rebien del cel. Primer varen pensar que era provocada per la ciutat, però la cosa és que la seguien rebent apuntessin on apuntessin. Aquella interferència era, a més, extraordinàriament homogènia: des de punts allunyats del cel arriba pràcticament la mateixa radiació a la mateixa temperatura.

No es va trigar gaire en relacionar aquesta descoberta totalment casual amb el model del Big Bang. Els cosmòlegs havien predit que, poc després del moment zero de l'univers (uns 380.000 anys després), s'hauria alliberat una radiació, una llum d'altíssima energia que ompliria l'espai i que, degut a l'expansió de l'univers, s'hauria refredat extraordinàriament i ens arribaria avui en forma de vulgars i fredes microones.

Els cosmòlegs varen saltar d'alegria. Allà al davant tenien la confirmació de la predicció. I els 2 físics, en Penzias i en Wilson, també varen saltar d'alegria, ja que els va caure un Nobel del cel.

Per si el model no en tingués prou amb això, poc a poc els astrofísics varen anar quadrant, un a un, els fets que s'observen a l'univers amb el model del Big Bang. Fins i tot, la mateixa composició del cosmos era perfectament predita pel nou model. Extraordinari (a pesar de tot, Fred Hoyle va morir sense mai acceptar-ho).

Les fórmules matemàtiques, provinents de la relativitat general, que explicaven el Big Bang es van convertir en una eina fantàstica. Unes fórmules amb les que un podia jugar a simular universos, que s'expandien per sempre, o que s'acabaven col·lapsant. Fórmules que semblaven explicar a la perfecció el nostre univers.

Però la perfecció cotitza molt cara. I no es va trigar en admetre que hi havia alguna qüestió de detall que el Big Bang no acabava de resoldre. I allò resultava força molest.

Una de les pegues que es va identificar va ser la que rep el nom del problema de l'horitzó.

I diu així.

En cosmologia, diem horitzó (de partícula) a la regió de l'espai que conté tots els objectes que han tingut temps de fer-nos arribar la seva llum des de l'inici de l'univers. En altres paraules, actualment el nostre horitzó equivaldria al que anomenem univers observable. Una immensa regió del cosmos, a la que vulgarment ens referim com a ... univers.

Si us sembla complicat, no abandoneu si us plau l'article. És més senzill del que sembla.

Com sabeu, la llum viatja a una velocitat constant. És un ritme enorme, prop de 300.000 km a cada segon. Però tot i ser gegantina, aquesta velocitat és finita. I per obligació triga molt de temps en poder creuar les grans extensions del cosmos.

Imagina't per un moment que l'univers de debò és molt, però molt més gran que el que nosaltres anomenem univers. Les galàxies que es trobin molt lluny ens seran invisibles, simplement perquè la seva llum encara no ens haurà arribat. Haurà estat viatjant a tota pastilla (a la velocitat de la llum) cap a nosaltres, però en els 13.800 milions d'anys de vida que li calculem a l'univers encara no ens haurà arribat. Direm que aquesta galàxia és fora del nostre horitzó, fora de la nostra possibilitat d'observació.

La importància de l'horitzó de partícula és enorme, i no simplement per una qüestió observacional.

Si dues partícules es volen posar d'acord i presentar la mateixa temperatura, és obligat que quelcom les comuniqui i que transfereixi energia (calor) d'una a l'altra fins a equilibrar-les. I no hi pot haver un "quelcom" més veloç que la llum.

Això vol dir que un pot arribar-se a creure que tot allò que és dins l'horitzó de partícula pugui assolir, aproximadament, la mateixa temperatura. Simplement perquè la llum ha tingut temps de viatjar i posar en contacte els objectes dins l'horitzó (aquesta és, precisament, la definició d'horitzó).

Però una cosa és creure's això, i una altra, ben diferent, és creure's que objectes que es trobin més allunyats entre si que els seus respectius horitzons hagin pogut establir uniformitat tèrmica. Com ho han pogut fer, si ni la llum ha tingut temps de posar-los en contacte i equilibrar temperatures?

I aquí és on apareix el problema de l'horitzó. Resulta que quan un observa la radiació que van detectar en Penzias i en Wilson, anomenada radiació còsmica de microones, veu que és extraordinàriament homogènia. Fins i tot quan apunta els instruments a 2 punts del cel diametralment oposats, a la dreta i a l'esquerra. I la decepció és gran... perquè és fàcil adonar-se que aquests 2 punts mai no han tingut temps de posar-se en contacte!

No abandonis encara. Aguanta una mica més, que la cosa s'anirà concretant (espero).

Tornem un moment a la definició d'horitzó de partícula. Ens podríem imaginar que som al centre i que estem rodejats per una gran esfera que conté tot l'univers que és observable per nosaltres. El radi d'aquesta esfera seria... l'horitzó de partícula. Quadra oi? Dèiem que l'horitzó marcava el límit de l'univers observable.

Doncs bé, si contemplem 2 punts de l'espai que estan sobre el límit d'aquesta esfera, és IMPOSSIBLE que durant la història de l'univers hagin pogut intercanviar informació, llum. Simplement perquè els separen actualment 2 radis de la nostra esfera, és a dir, 2 horitzons.

Molt bé. I què hi ha amb què puguem jugar, observar, i que es trobi en el llindar, en el límit de l'esfera? Doncs la radiació còsmica de microones! Es va alliberar 380.000 anys després del Big Bang, i per tant podem considerar, com a magnífica aproximació, com si s'hagués creat en el mateix moment zero (ja que l'univers té 13,8 mil milions d'anys d'edat, i 380.000 anys, comparats amb això, no són absolutament res!).

Observar la radiació còsmica de microones equival, molt aproximadament, a observar quasi el mateix Big Bang. De fet, és la llum més antiga que podem captar.

Ara és fàcil veure el que deia abans: com és que 2 punts del cel, diametralment oposats, ens envien radiació còsmica de microones tan brutalment homogènia? Què ha fet que tots els punts de l'espai, mirem cap a on mirem, estiguin a la mateixa temperatura si la llum no els ha pogut comunicar?

Una possible resposta al problema de l'horitzó és pensar que l'univers ja va néixer en equilibri tèrmic. És a dir, que no ha calgut cap llum que transporti energia, que comuniqui. Que tot va aparèixer a la mateixa temperatura.

Això, però, és com molt poc elegant, ja que imposa una condició d'inici forçada. Per què hauria d'haver estat així? La natura no té cap obligació de simplificar les coses per als cosmòlegs, oi?

Una altra possible explicació seria que el model del Big Bang falla estrepitosament. Que la relativitat general no funciona com esperàvem, i que les fórmules que emprem per a descriure tot el que acabo d'explicar no són correctes.

Un podria tenir la temptació de pensar això, especialment si al problema de l'horitzó hi suma 2 nous problemes que amoïnaven als científics creadors del model del Big Bang. Un d'ells té a veure amb les observacions que ens mostren un univers extraordinàriament pla (cura amb el que entenem per pla! Ens estem referint a que en el nostre univers sembla funcionar la geometria que hem après de petits, i que anomenem Euclidiana, segons la qual, per exemple, els angles d'un triangle sumen 180 graus).

Per què és pla? És una probabilitat contra ... infinites! Si l'univers és realment pla (encara ens queda una diminuta incertesa al respecte), la natura s'hi ha esforçat de debò! Perquè li hagués estat molt més senzill construir un cosmos corbat. Tan corbat com hagués volgut, poc o molt. Infinites possibilitats contra una sola, contra només un univers pla, que no admet variacions. O ets perfectament pla, o no ho ets i ets corbat.

L'altra problema és el dels monopols. Va, va... que ja acabem aquesta part. Aguanta!

El model del Big Bang i la nostra física prediuen que poc després del moment zero es devien formar monopols, que vindrien a ser objectes meitat d'un imant. Els nostres imants, tots els que coneixem a la natura, tenen 2 pols. Encara és hora que descobrim un imant amb només un pol, això sembla no existir. Però, com deia, la física prediu que han d'existir, i molts, i que es van formar en el Big Bang. On dimonis són?

3 grans problemes, doncs. El de l'horitzó, el de l'univers pla, i el de l'absència de monopols. Tirem ja el Big Bang a la brossa? No tan ràpid.

Si vols descartar el model, i la relativitat general, ho tens fotut. Has de ser capaç de construir un model que proporcioni un relat de l'univers tan increïblement perfecte com ho fa el Big Bang.

Per aquest motiu, alguns astrofísics fa temps varen pensar que existia una altra possibilitat. Una que passava per completar, per modificar, el model del Big Bang, pensant en un procés que hauria tingut lloc poc després del moment zero i que resoldria alhora els 3 problemes comentats. La inflació.

Us he dit, al començament d'aquest article, que m'havia fet mandra. Ja veieu una mica perquè. És, segurament, l'article més llarg i complex que he escrit en el bloc. Un bloc divulgatiu, en què sempre he intentat que les coses fossin senzilles (no sé si sempre ho hauré aconseguit). Però quan un se'n va al naixement del cosmos, de senzill, senzill, res (de nou, per què la natura hauria d'haver creat un relat senzill només per facilitar-me a mi explicar-lo?)

Deixeu que us digui que, des de petit, sempre m'ha pogut la via experimental. Aquesta és la raó per la qual, tot i fascinar-me l'univers, vaig fer Química en primer lloc. Aquesta és una ciència bàsicament experimentalment, amb la que un pot fer i desfer. Pot mesclar, remenar i comprovar. És clar que ràpidament em vaig passar a la Quàntica... on justament un no pot ni mesclar, ni remenar ni a penes comprovar res. No sé, no sé què em va passar, la veritat.

Bé, la cosa és que també amb això de la inflació, i especialment pel que fa al problema de l'horitzó, volia experimentar. Volia emprar jo mateix les fórmules que es deriven de la relativitat general, l'anomenada equació de Friedmann, i comprovar numèricament tot el que us he estat explicant. Comprovar la magnitud de la tragèdia, com de gran és el problema del Big Bang original.

Mandra un altre cop. Havia de treure temps, i ganes. I tornar a consultar llibres de cosmologia, plens de formuletes, d'aquelles que quan les veus tens ganes de passar pàgina... només per descobrir amb horror que la següent està encara més farcida que la que acabes d'abandonar.

Total, que ho he fet. He estat com unes 3 setmanes, i he acabat precisament avui.

I sí. Puc donar fe que el problema de l'horitzó existeix, i que la inflació, que ara us explico, ho resol.

Els meus càlculs, en els que he hagut d'aplicar moltes aproximacions, jugant amb un model d'univers simplificat, de fireta, indiquen que punts separats a l'espai per més d'uns 2 graus no poden tenir radiació còsmica de microones tan homogènia com rebem. Pensa-hi: 2 graus... no són res! (és l'equivalent a 4 llunes, una al costat de l'altre, en el nostre firmament). És, per tant, increïble que puguem estar rebent la radiació de fons idèntica de qualsevol lloc del cel!

Com ho resol, tot això, la inflació?

El model inflacionari explica que molt poc després del moment zero, l'univers va patir una expansió exponencial, brutal, durant una minúscula fracció de temps. Un cop acabada aquesta fase inflacionària, l'univers ja es va seguir expandint normalment, al ritme del model del Big Bang.

Anem a veure com funciona la inflació i com resol els problemes.

T'aviso, però, que les xifres són... inimaginables. Agafa't bé, que venen corbes. Però si has aguantat fins aquí, ara ja no ho pots deixar, eh?

Després d'una bilionèsima de bilionèsima de bilionèsima de segon del moment zero (t'he avisat!) va començar la inflació, i va durar 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon (com ho portes?). Durant aquest temps increïblement curt, l'univers es va expandir al menys 10 bilions de bilions de cops! (ho sé, ho sé, a mi també em mareja)

Espera, però, que ara ho veuràs amb xifres que he fet.

Recorda que no sabem com de gran és l'univers, només podem intuir la dimensió del nostre univers observable, la "petita" regió del cosmos que agrupa totes les galàxies que formen el que anomenem "univers".

Doncs aquesta regió, el que ara és el nostre univers observable, va créixer, amb la inflació, des d'una mida subatòmica a quelcom tan gran com un autocar! En només, recorda, 100 bilionèsimes de bilionèsimes de bilionèsimes de segon.

Com t'has quedat? Mola, oi? Tot l'univers observable, milers de milions de galàxies, comprimit en un autocar, i abans en una boleta molt, molt més petita que un àtom.

Felicitats! Ara és quan ja pots agafar aire i relaxar-te, perquè ja hem fet el més difícil. Ara ja ve costa avall. 

Després de la inflació, segueix el Big Bang normal, amb l'avorrida expansió de tota la vida, que ha fet que, durant 13,8 mil milions d'anys, aquest autocar creixi fins a ser el nostre univers observable, una esfera d'uns 40.000 milions d'anys llum de radi!

I què fa la inflació respecte els problemes que tenia el model bàsic del Big Bang?

L'expansió exponencial, tan brutal, de la inflació el que va fer és empènyer cap a fora de l'horitzó de partícula pràcticament tot el que hi havia en aquell moment. Ho represento a la figura següent:

Et recordo que el que hi havia dins de l'horitzó de partícula estava connectat, comunicat per la llum, i, per tant, podria haver assolit l'equilibri tèrmic. Quan s'atura la inflació, han quedat fora de l'horitzó partícules que abans havien estat dins. Quan, al llarg de la història de l'univers, aquest es va anar expandint xino-xano alhora que creixia l'horitzó de partícula (perquè la llum havia tingut més temps per recórrer les distàncies), hi va haver punts que tornaren a entrar dins el nostre horitzó, però que ja havien estat dins abans de la inflació. I és per això que, quan els observem ara, en el mateix llindar de l'esfera de l'univers observable, els veiem en equilibri. Simplement perquè ja ho havien estat abans del període inflacionari.

Així és com la inflació resol el problema de l'horitzó.

També resol el de l'univers pla. És senzill entendre-ho. Imagina't, de nou, un globus. Quan l'infles, i l'infles encara més, si et fixes en una minúscula zona de la goma, de la superfície de globus, veuràs que és pràcticament plana. També ho pots pensar de la Terra! Tu dibuixes un triangle en un paper, sumes els angles, i obtens 180 graus. I dedueixes que la Terra és plana! Error! Ets sobre una esfera enorme, de quasi 6.400 km de radi. Però és tan gran, comparada amb el full de paper on estàs dibuixant, que la curvatura del planeta no es nota, i et sembla que vius en un món pla.

El gegantí creixement que provoca la inflació aplana l'espai proper a nosaltres. Converteix un espai que no calia que en fos, de pla, en un cosmos observable quasi perfectament pla.

I el problema dels monopols? També fàcil. Se'n van crear moltíssims a l'inici de l'univers, però, de nou, l'expansió de la inflació els ha diluït extraordinàriament, de forma que, fent números, un obté que és molt probable que no n'hi hagi cap ni un dins el nostre univers observable! Res estrany, doncs, en què mai n'haguem detectat cap!

Es diu que el model inflacionari se li va ocórrer a un astrofísic britànic, de nom Allan Guth, quan anava en bicicleta. Devia ser el seu moment d'eureka, de la poma de Newton. Però el cert és que han estat molts els científics que han treballat sobre aquesta hipòtesi, que refina el model del Big Bang, i que, més que mai, converteix aquest model en una roca solidíssima, capaç d'explicar-nos el que veiem allà fora. Capaç de relatar-nos, segon a segon, la història del cosmos. La nostra història.

Segueixes aquí? Espero que sí. Jo acabo ara d'escriure tot això d'una tongada. M'ha costat unes 2 hores i una coca-cola (és la meva dosi de cafeïna, ja que no prenc cafè), i he agafat forces per a redactar-ho després de la xerrada que he fet a noies i nois de segon de batxillerat de l'escola Frederic Mistral de Barcelona.

Només desitjo que a tu no t'hagi costat un mal de cap. Ben al contrari, voldria que t'hagués fet venir preguntes al cervell. Detalls que no has vist clars i que necessites pensar 2 o 3 vegades més. Si t'ha passat això, anem bé, perquè tot el que sigui donar-li tombs al Big Bang significa meravellar-se amb l'increïble pla de la natura, i els immensos esforços dels humils humans per apropar-se a l'enteniment del cosmos.

Ai, si Galileu i Newton ho veiessin, això de la inflació!

L'energia fosca: una bufera que potser no seria bufera

L'any 1929, l'astrònom americà Edwin Hubble va fer un dels descobriments més fonamentals de la cosmologia moderna. Analitzant la llum de les galàxies que en aquells moments es coneixien va trobar que totes elles, amb alguna excepció puntual, s'allunyaven de nosaltres. Hubble acabava de trobar la primera prova experimental de l'expansió de l'univers.

Durant molt de temps, els científics havien cregut que el cosmos era estàtic, és a dir, que ni s'expandia ni es contreia. A començaments del segle XX, aquesta era, diguem-ne, la teoria ortodoxa i dominant. De fet, de les observacions que es podien realitzar amb els instruments de l'època, res feia sospitar el contrari.

Quan Albert Einstein va formular la seva revolucionària relativitat general, l'any 1917, les formules matemàtiques que donaven cos a la teoria conduïen a un univers que no ho podia ser, d'estàtic. Però era tan arrelat el convenciment que els científics, inclòs, el mateix geni alemany, tenien sobre la immutabilitat del cosmos que Einstein va decidir domar artificialment les seves noves equacions, introduint una constant arbitrària per a produir un univers feliçment estàtic.

El descobriment de Hubble va fer veure a Einstein el seu error: havia tingut davant els nas la predicció teòrica que l'univers havia d'expandir-se, i no s'ho havia cregut. Havien estat altres científics, com ara George Lemaitre, els que, emprant la relativitat general formulada per Einstein, havien intuït l'expansió anys abans.

És clar, una expansió portava immediatament a la conseqüència d'un inici, simplement rebobinant imaginàriament el temps cap al darrera. Un inici en què tota l'energia de l'univers havia d'estar concentrada en un espai increïblement petit. Un començament espectacular, en què tot es va posar en marxa. El moment del Big Bang.

Molt sovint empro l'exemple del globus quan explico què va descobrir en Hubble. Imaginem un globus en el que hi hem enganxat uns gomets de color a la seva superfície, com si fossin galàxies. Quan inflem el globus, els gomets se separen tots de tots. Si ens situem mentalment sobre qualsevol dels gomets, observarem com tots els demès s'allunyen de nosaltres. A més, i tal com va trobar Hubble, veurem que els gomets que estan més lluny semblen separar-se de nosaltres més ràpidament que els que es troben a prop.

L'exemple del globus també ens serveix per a reflexionar sobre 2 qüestions fonamentals. En primer lloc, que no hi ha gomets, galàxies, preferides o especials. Qualsevol de les galàxies pot reclamar el discutible privilegi de ser ella la que està immòbil i, per tant, ser el centre de l'univers. Quan, en realitat, de centre no n'hi ha. Com deia, tots els gomets estan, de fet, immòbils. Ningú els ha aplicat una velocitat. Tots poden dir que estan quiets. I això ens porta a la segona reflexió clau: la raó que fa que els gomets s'allunyin tots de tots no és pas que es moguin amb velocitats pròpies, sinó que es crea goma entre ells quan s'infla el globus!

De forma similar, l'expansió de l'univers es produeix quan es crea espai entre les galàxies.

Des del descobriment de Hubble, són moltes les observacions i proves que hem anat acumulant sobre l'expansió de l'univers. Avui, per exemple, sabem que uns pocs milers de milions després del moment zero, del Big Bang, la gravetat de tota la matèria del cosmos va fer que l'expansió s'alentís, actuant com si fos la resistència que té la goma del globus a seguir inflant-se. Però el més fascinant és que finalment l'expansió va guanyar la batalla. Ara sabem que l'univers s'expandeix a un ritme accelerat, és a dir, cada cop més ràpid. Com si la bufera hagués trencat la goma i res ja no pogués aturar l'expansió.

Com deia, són moltes les evidències i proves que actualment tenim i que recolzen aquest escenari.

Tot això ens porta, però, a una de les grans incògnites de la ciència. Una qüestió molt més profunda del que pot semblar a primera vista, i que podria significar una veritable revolució científica: què està inflant el globus? D'on surt la bufera?

Amb el nom "energia fosca" ens referim a aquesta enigmàtica bufera. L'energia que estaria al darrera de l'expansió de l'univers, i que actuaria com el motor que fa que l'univers sigui cada cop més gran.

El més preocupant és que no sabem què és aquesta energia fosca. No en tenim ni idea. Bé, tenim hipòtesis, possibles explicacions. Però cap d'elles sembla quadrar amb el que observem, ni tampoc cap d'elles ens ofereix una explicació teòrica suficientment raonable.

Per exemple, l'energia fosca podria ser un component intrínsec de l'espai. Allò que anomenem espai buit podria no estar buit realment, i l'espai, com a tal, podria tenir associada aquesta energia que actuaria en contra de la gravetat. Així, al crear-se més espai, estaríem també augmentant l'energia fosca, i l'expansió s'acceleraria.

El problema, però, és que no aconseguim entendre realment la naturalesa d'aquesta energia que s'associaria a l'espai. La mecànica quàntica, per exemple, ens diu que, efectivament, l'espai buit no és buit, i vibra amb multitud de partícules que es creen i s'aniquilen espontàniament. Però quan, amb les fórmules de la quàntica, intentem calcular el valor de l'energia de l'espai buit ens trobem amb resultats increïblement discordants amb els que sostindrien l'expansió de l'univers que mesurem. En altres paraules, si aquesta fos la naturalesa de l'energia fosca, el nostre cosmos simplement no existiria.

La qüestió de l'energia fosca és més greu a cada dia que passa. A pesar dels experiments i programes d'observació que s'estan duent a cap des de fa anys, seguim sense pistes, sense res que ens faci pensar que estem avançant o en el bon camí per entendre què és aquesta misteriosa energia. És un fet, com deia, preocupant, molt diferent al que passa habitualment amb altres investigacions en les que veus l'horitzó o intueixes la llum al final del túnel. Aquí, quan parlem d'energia fosca, tot és túnel, tot és foscor.

Queda una possible explicació. Una que significaria la revolució de la física. Que podria tombar alguns dels fonaments científics moderns.

Podria ser, simplement, que no entenguéssim com funciona realment la gravetat. Podria ser que la relativitat general de l'Einstein, la teoria que no ens ha fallat mai i que encara avui, 100 anys després de la seva formulació, ens segueix aportant prediccions que acabem descobrint experimentalment (com, per exemple, les ones gravitacionals)... podria ser, sí, que aquesta magnífica teoria no fos si no una aproximació, una simplificació, d'una teoria encara més global que ens expliqués un funcionament de la gravetat diferent del que tenim actualment.

Què passaria si la gravetat es comportés de forma diferent, diguem-ne a "petita escala" (dins de rangs de centenars de milions d'anys llum, per exemple) que a "gran escala"? Potser llavors no es necessitaria tal energia fosca, i el comportament de l'univers es podria explicar "simplement" amb aquest comportament "normal" de la gravetat?

Aquesta és una de les raons que converteix en fonamental la investigació sobre l'energia fosca. Del seu enteniment, o de la seva negació, ens pot aparèixer una nova física. Com en el seu dia la física einsteniana va venir a substituir a la newtoniana.

De moment, els programes d'investigació segueixen molt actius, tot i que alguns científics ja han començat a deixar entreveure els seus dubtes sobre poder obtenir resultats satisfactoris durant els propers anys.

I és que ens trobem davant una de les fronteres del coneixement. Una energia desconeguda, que provoca canvis en l'univers que podem mesurar, però que es manté amagada, fora de la nostra comprensió. 

Una energia que podria, després de tot, no ser energia. Que podria ser la porta a una nova ciència. La porta que ens conduiria a una habitació més gran, amb més finestres que potser ens permetrien entendre millor el cosmos que habitem i descobrir els errors del coneixement passat.

Una bufera que potser no seria bufera.

La fusió de 2 estrelles de neutrons fa 130 milions d'anys obre la porta a conèixer millor l'univers

El passat 17 d'octubre es va fer públic un dels descobriments més importants de l'astronomia dels darrers temps. L'anunci, fet en roda de premsa oberta per internet, es va produir just 2 mesos després dels esdeveniments que varen conduir a aquest descobriment.

El 17 d'agost es va rebre, de forma quasi simultània als 2 grans detectors d'ones gravitacionals existents, una vibració de l'espai provocada per la fusió de 2 estrelles de neutrons fa uns 130 milions d'anys. Poc després, fins a 17 telescopis arreu del món rebien la llum d'aquest esdeveniment.

Si sou lectors generalistes, sense gaires coneixements científics, potser la descripció que acabo de fer no us dirà res. Deixeu-me, doncs, que intenti explicar on radica la importància del fet.

Tot el que sabem del cosmos, de l'univers, ho sabem gràcies a la llum. Aquesta és el missatger que ens porta informació dels objectes que habiten allà fora, així com dels processos que hi tenen lloc.

Els nostres avantpassats contemplaven el cel amb l'ull nu, l'únic instrument del que disposaven per rebre la llum que emetien les estrelles i els planetes (en aquest cas llum del Sol reflectida). Nosaltres també processem llum quan mirem, embadalits, el firmament. Però des del segle XVII, l'home disposa d'un potent instrument que ha permès tot el desenvolupament de l'astronomia moderna: el telescopi.

Inicialment, i fins fa relativament poc temps, els telescopis observaven de forma similar als nostres ulls. Amb pupil·les molt més grans, recullen llum d'objectes molt llunyans. Llum visible, que els nostres ulls no poden captar perquè no tenen el poder de recol·lecció necessari com per a poder apreciar aquesta radiació tan feble.

Actualment, disposem de telescopis, però, que són capaços de veure llum de la que anomenem no visible. Poden observar rajos gamma, o rajos X, que són les formes de llum més energètiques que existeixen (telescopis fora de l'atmosfera). També tenim instruments que miren en llum infraroja (també fora de l'atmosfera). O en microones (sí, microones, les mateixes que utilitzem a la cuina!). O en ones de ràdio. També formes de llum, però en aquest cas amb menys energia que la llum visible.

I és que el que anomenem llum és un missatger potentíssim. Els objectes de l'univers, i els processos físics i químics que ens expliquen com funcionen aquests objectes, emeten llum, en tota la seva varietat. El Sol, la nostre estrella, per suposat emet llum visible (la que descompon un prisma, del blau al vermell). Però també emet infrarojos (que ens escalfen la cara), o microones, i ones de ràdio. Només que els nostres ulls no han estat fets per veure tots aquests tipus de llum.

Ha estat estudiant el conjunt de totes aquestes emissions de llum que la ciència ha pogut assolir el coneixement actual. Ho hem fet amb telescopis visuals. Amb telescopis de rajos gamma i X. Amb telescopis d'infrarojos. Amb radiotelescopis.

Però, en definitiva, emprant sempre llum.

Fins a que hem començat a descobrir les ones gravitacionals.

Predites per la relativitat general d'Einstein, fa 100 anys, aquestes ones són vibracions de l'espai (temps) que certs esdeveniments provoquen. Normalment per objectes molt massius movent-se ràpida i acceleradament. Vindrien a ser com ones sobre un llac quan hi cau una pedra. I si ens imaginem que l'espai és com una tela elàstica, serien tremolors que es propaguen al llarg de la tela quan boles molt pesades es mouen per sobre.

Les ones gravitacionals no són llum, tot i que viatgen també a la velocitat d'aquesta. Al no ser llum, ens obren una nova finestra per estudiar l'univers. Es converteixen en uns missatgers nous, que ens poden portar informació diferent, complementària. Alguns ho comparem amb el so: si som capaços de detectar ones gravitacionals i estudiar-les, passem de tenir només llum a tenir també "so" (l'exemple del so és una llicència poètica, és clar).

De la mateixa forma que necessitem telescopis que observin llum, les ones gravitacionals requereixen detectors. En aquest cas no en diem telescopis. Són uns equips molt complexos, que bàsicament intenten detectar com les distàncies entre 2 objectes varien subtilment quan ens creua una ona gravitacional. Quan la petita ona sobre el llac fa que la nostra barca es bellugui.

La dificultat, i el que ha fet que fins fa a penes 2 anys no haguem detectat les primeres ones gravitacionals, és que aquestes vibracions són ínfimes, minúscules. Increïblement petites. Sabeu com de petites? Les ones que estem començant a detectar (que serien, per tant, les més fàcils de detectar) variarien la distància que ens separa de l'estrella més propera (que està a 4,2 anys llum de distància, que us recordo que són quasi 40 bilions de quilòmetres) en l'equivalent a... el gruix d'un cabell humà!!! Sí, ho has llegit bé.

És impressionant que tinguem avui aquesta capacitat de detecció. Us podeu imaginar la complexitat dels equips, que lògicament no poden mesurar bilions de quilòmetres, i ho fan sobre distàncies de tan sols alguns quilòmetres (com es veu a la fotografia). En aquestes distàncies, arriben a detectar variacions de l'ordre de la mida d'un protó (més petites que un àtom!). Qualsevol petita vibració de l'entorn, des d'un tremolor de terra, fins al caminar d'una persona, o el pas d'un cotxe quilòmetres lluny, provoca variacions, tremolors, molt i molt més grans. La tecnologia implicada aïlla els detectors de la majoria d'aquestes vibracions, diguem-ne quotidianes. Addicionalment, la utilització de més d'un detector, situats en llocs diferents del planeta, permet facilitar la identificació de senyals autèntics i separar-los de les vibracions mundanals.

Des de la detecció de la primera ona gravitacional, el 14 de setembre de 2015, se n'han pogut identificar 5. Totes elles corresponents als darrers instants de la fusió de forats negres o d'estrelles de neutrons, els objectes més compactes que coneixem.

Orbitant un al voltant de l'altre, parelles de forats negres, o d'estrelles de neutrons, al llarg de milions d'anys es van acostant, fins a que, en un sospir, cauen un sobre l'altre en una espiral boja a velocitats properes a la llum. Són esdeveniments apocalíptics, com cap altre. És la pedra que cau al llac.

La detecció del 17 d'agost correspon a la fusió de 2 estrelles de neutrons, com deia al començament. Més concretament, al darrer minut de la seva existència. Als darrers centenars de voltes abans de fusionar-se. Un esdeveniment que els astrònoms anomenen "kilonova", i que, entre d'altres coses, va fabricar, de cop, enormes quantitats d'or (milers de vegades tota la massa de la Terra!), de platí, o d'urani. Elements químics pesats que troben, a les gegantines temperatures provocades per la kilonova, el laboratori perfecte per ser forjats a partir d'elements més simples.

Però la rellevància de l'anunci, el que el fa extraordinari, és la detecció CONJUNTA d'ones gravitacionals i de llum, per primer cop a la història.

Això es va aconseguir gràcies a les alarmes disparades pels detectors d'ones gravitacionals i a la capacitat que varen tenir de posicionar de forma aproximada al cel l'origen d'aquest cataclisme. En poques hores, multitud de telescopis, emprant totes les formes de llum, miraven en aquesta direcció, i recollien valuosíssima informació.

És com l'exemple que us deia de la llum i del so. Per primer cop, hem observat un esdeveniment a l'univers rebent la seva llum i "escoltant el seu so".

Els articles que s'han sotmès a publicació a prestigioses revistes porten el nom de més de 3.500 científics d'arreu del món, en un esforç col·laboratiu segurament sense precedents.

Es trigarà mesos, si no anys, en analitzar tota la informació recollida. Combinant les observacions de llum (rajos X, visible, infraroja, microones, i ràdio), i ara també la informació proporcionada per les ones gravitacionals enregistrades, podrem entendre millor com funciona aquesta fusió d'estrelles de neutrons, que, de moment, sabem que va succeir fa 130 milions d'anys en una galàxia relativament propera (NGC 4993). També podrem completar el puzle de la formació dels elements químics. Tot i que sabem que som pols d'estrelles, nosaltres i tot el que ens envolta, forjats dins d'aquests astres o en el mateix moment de la seva mort, algunes de les incògnites que quedaven, relatives a les abundàncies que observem a l'univers dels elements més pesats que el ferro, podrien quedar definitivament resoltes.

I això només és el començament. No es tracta ja d'entendre la fusió de les estrelles de neutrons, o la formació dels elements químics pesats, sinó de disposar de la capacitat de rebre, i estudiar, més d'un missatger còsmic. La nostra comprensió dels forats negres, per exemple, podria revolucionar-se en els propers anys.

El premi gran, gran de debò, serà el mateix Big Bang, el moment de creació de l'univers. No ha existit esdeveniment en el nostre cosmos més poderós que aquest, i les vibracions que devia provocar varen ser immenses. Però aquestes enormes ones sobre el llac s'han anat afeblint lentament, i després de 13.800 milions d'anys són ara mateix a penes perceptibles. Però hi són. Han de ser-hi.

Anirem millorant, per suposat, la capacitat de detecció dels nostres instruments, i en un futur molt proper començarem a detectar, cada mes, cada setmana, multitud d'ones gravitacionals. Ens n'adonarem que el nostre espai vibra constantment, amb ones que provenen de totes les direccions, i provocades per gran nombre d'esdeveniments. I, algun dia detectarem les ones del Big Bang, de l'increïble moment zero.

Deixem, però, de pensar en el futur i assaborim de moment l'actualitat. Estem obrint una nova finestra per entendre l'univers. Una finestra complementària a la que ja teníem des de sempre. 

La llum seguirà sent, sens dubte, la font de coneixement més important, com ho ha estat al llarg de tota la història. Però ara s'unirà, poc a poc, un fascinant i extraordinari company. 

Les minúscules ones sobre el llac.

Einstein tenia raó: les ones gravitacionals existeixen!

Avui ens hem llevat veient la imatge de l’Albert Einstein a quasi totes les portades dels diaris, amb el titular “Tenia raó”.

Ahir, dijous 11 de gener de 2016, es va anunciar que la ciència havia detectat, per primer cop, les misterioses i enigmàtiques ones gravitacionals, predites per Einstein fa 100 anys.

De fet, el descobriment que es va anunciar es va produir el 14 de setembre de 2015, en un dels laboratoris més avançats del món, el LIGO, als Estats Units. Durant aquests darrers mesos, els científics han treballat per assegurar que el senyal detectat correspon, sens dubte, al pas d’una ona gravitacional, una tremolor en l’espai-temps.

La teoria de la relativitat general d’Einstein, de la que hem parlat en més d’una ocasió en aquest blog, és sens dubte una de les teories més elegants i amb èxit de tota la història. Abans d’Einstein, no enteníem ben bé què era la gravetat. Sí, el gran Newton havia aconseguit formular-la matemàticament, amb la seva famosíssima equació que tots hem estudiat a l’escola, aquella que diu que dos cossos s’atrauen amb una força directament proporcional al producte de les seves masses i inversament proporcional al quadrat de la distància que els separa. Però la naturalesa de l’atracció gravitatòria seguia sent un misteri. Com se n’assabentava un cos que n’hi havia un altre que l’atreia? Quina corda invisible unia els objectes? Quina molla ens enganxava a terra i ens feia notar la gravetat?

La relativitat general ens dibuixava una gravetat geomètrica. Fàcil d’entendre intuïtivament, i que eliminava aquells dubtes. En una simplificació, si l’espai (temps) fos una gran tela elàstica sobre la que tots els objectes es mouen, qualsevol cos deformaria la tela amb la seva massa, l’enfonsaria una mica. Com més massiu l’objecte, més profunda seria la deformació que provocaria. D’aquesta forma, els demés objectes notarien la gravetat simplement pel fet de caure en els pous, en les deformacions creades a la tela.

En aquesta visió (molt simplificada) de l’espai (temps) i de la gravetat, Einstein va deduir que podrien existir casos extrems, en els que un objecte super-massiu, movent-se a gran velocitat i de forma accelerada, provocaria un tremolor en l’espai (temps). Ho podem visualitzar movent una bola imaginària per la tela elàstica. Al moure-la, el pou, la deformació que el seu pes ha creat, també es mou. I en fer-ho, tota la tela ens tremola.

Aquest tremolor va rebre el nom d’ones gravitacionals, com ones que es propaguen per sobre un llac quan hi tirem una pedra. Les ones gravitacionals es transmetrien per tot l’espai, portant informació sobre el seu origen, sobre l’objecte super-massiu que les va crear,

El propi Einstein, però, va creure que mai podríem detectar-les, degut a la seva extremadament petita magnitud.

Però vet aquí que l’univers ens proporciona un laboratori increïble, amb objectes que serien més propis d’una pel·lícula de ciència ficció. Les estrelles de neutrons i, especialment, els forats negres són els objectes més densos que coneixem. Un forat negre, per exemple, pot concentrar la massa equivalent a varis Sols en un espai de pocs quilòmetres de diàmetre. Segons la nostra física, res pot superar aquesta densitat.

Però la natura ens ha volgut regalar amb escenaris encara més exòtics i extrems: dos forats negres orbitant un al voltant de l’altre. Dos cossos extraordinàriament massius, girant i apropant-se, per acabar fusionant-se en un esdeveniment catastròfic que allibera una immensa quantitat d’energia. Pobre tela! Pobre espai (temps)! Si de debò existien les ones gravitacionals, l’esdeveniment de dos forats negres fusionant-se hauria de provocar-ne d’enormes.

El problema, com sempre, són les distàncies. Afortunadament per nosaltres, les fusions de forats negres no són gens habituals aquí al costat de casa nostra. Si ho fossin simplement no existiríem. Per tant, la qüestió és poder detectar ones gravitacionals que provenen de molt lluny, de galàxies llunyanes. I resulta que, a més distància, més s’afebleixen les ones.

La tecnologia ha hagut d’avançar molt per a permetre el descobriment. El LIGO funciona amb una combinació de làsers que reboten en miralls. La configuració de l’instrument simula una llargada de 1.600 quilòmetres. El pas d’una ona gravitacional hauria de moure suaument l’espai (temps) i, per tant, la distància que recorre el làser quedaria lleugerament afectada. Però, què és el que hem de mesurar? Quina intensitat de tremolor? Quines diferències de distàncies?

Amics meus, la resposta ens deix bocabadats. Les ones gravitacionals creades per la fusió de dos forats negres llunyans provocarien diferències de distàncies equivalents a una mil·lèsima de la mida d’un àtom! Increïble! Com mesurar aquesta diferència? Sembla impossible. Pensem-ho: el xoc de les onades del mar contra la costa a més de 1.000 quilòmetres de distància de l’instrument; el pas dels vehicles per les carreteres del país; les petjades dels vianants a ciutats allunyades; els tremolors constants i imperceptibles de la Terra. Efectes, tots ells, moltíssim més poderosos que el pas d’allò que volem detectar!

La ciència i l’enginyeria han aconseguit, tot i aquestes dificultats, un instrument de mesura magnífic, que discrimina els efectes del pas de les ones gravitacionals de tots els demés efectes, direm de “soroll”. Per a més seguretat, el LIGO consta, en realitat, de dos instruments, separats per milers de quilòmetres, de forma que el senyal del pas de l’ona pugui ser “escoltat” sens dubte pels dos detectors de forma independent.

Durant uns anys, LIGO va funcionar sense detectar res. Estàvem sords? O era que les ones gravitatòries no existien (i Einstein s’havia equivocat)? La resposta més sensata era que encara no disposàvem de la sensibilitat de detecció necessària. Així que LIGO va ser modificat l’any 2015 amb millores extraordinàries que augmentaven, en molt, la seva capacitat de detecció.

I va ser posar-lo de nou en marxa i detectar l’ona. La primera ona gravitatòria detectada per la humanitat. Provinent de la fusió de dos forats negres ubicats a 1.300 milions d’anys llum de distància. Una simple ona, que, com un crit d’agonia, s’ha anat esmorteint amb la distància fins arribar-nos el 14 de setembre. Una fita històrica. I un altre triomf per l’Einstein.

La possibilitat de detectar ones gravitatòries ens obre una nova finestra per a l’estudi de l’univers. Fins fa pocs anys, només teníem la llum visible per veure el passat, per estudiar el cosmos. Després, vàrem aconseguir construir telescopis que ja no observaven en base a la llum visible, sinó que empraven altra llum, radiació electromagnètica que els nostres ulls no veuen, com ara els raigs X, ultraviolats, infrarojos, o les ones de ràdio. Cada forma de llum ens aporta els seus avantatges. Allà on la llum visible queda bloquejada per concentracions de pols còsmic, les ones de ràdio travessen lliurament i ens porten imatges del que s’amaga al darrera.

Però la llum, visible i no visible, té les seves limitacions. Quan l’univers va néixer, com a conseqüència del famós Big Bang, el cosmos era tan calent i dens que la llum rebotava contínuament contra els nuclis d’hidrogen, perdent la informació que aquesta llum ens podria haver portat sobre els moments inicials. En la seva expansió, l’univers es va refredar el suficient com per permetre que, 400.000 anys després del Big Bang, la llum quedés finalment alliberada. Tot i que som capaços de detectar aquesta llum remota, en forma de radiació de microones, és impossible reconstruir, recuperar la informació que els fotons de llum portaven del moment zero.

Les ones gravitacionals ens permetrien estudiar aquest precís moment zero. No afectades per la temperatura o la densitat de matèria, les enormes ones gravitacionals generades per l’esdeveniment més radical i potent de la història, pel naixement de l’univers, estarien encara viatjant en totes direccions, fent tremolar la tela.

http://www.ccma.cat/tv3/alacarta/els-matins/que-son-les-ones-gravitatories-i-com-es-generen/video/5583880/

Encara ens queda molt per poder detectar-les, però. Justament comencem, ara, amb el descobriment de la primera ona, a obrir els ulls. Els instruments hauran de millorar encara més en sensibilitat. Ja hi ha projectes il·lusionants, que posaran detectors separats per milions de quilòmetres, a l’espai, i que ens oferiran informacions de l’univers com mai abans havíem somiat.

Mentre el jurat decideix a qui li donarà el Nobel, amb més de 1.000 científics que han fet possible aquest primer descobriment, l’Einstein ens deu contemplar pacient i afable, fumant la seva pipa, i pensant: “Sí, jo ja ho sabia”.

Vull aprofitar aquest article per agrair a TV3 i a tot l’equip del programa de Els Matins el seu interès per la divulgació científica, i l’oportunitat que m’han donat de poder explicar aquest emocionant descobriment, així com per l’acollida tan propera i càlida que m’han dispensat (premeu aquí si voleu veure el vídeo)

L'expansió de l'univers. O, qui està inflant el globus?

Fa només un segle es pensava que tot l'univers que existia era la nostra galàxia. Aquells milers de milions d'estrelles eren més que suficients com per a omplir un univers enorme, que els científics de l'època consideraven, a més, estàtic i etern.

Avui sabem que l'univers és immensament més gran que el que llavors es pensava. Està ple de galàxies, de tot tipus. Milers de milions de galàxies. Les xifres maregen.

Però, a més, sabem que no és estàtic ni etern.

Cap als anys 1930, el famós astrònom americà Edwin Hubble, recolzant-se amb el treball previ d'alguns dels herois de l'astronomia de començaments de segle, va descobrir que l'univers s'expandia, i així es va poder establir un dels  pilars experimentals més sòlids que recolzen la moderna teoria del Big Bang. Una teoria que explica que l'univers va començar, ara fa uns 13,8 mil milions d'anys, com una enorme expansió de l'espai, a partir d'un estat inimaginablement dens d'energia.

Aquesta teoria del Big Bang s'ha anat polint i millorant amb els anys. Avui, és un edifici sòlid i que ens dóna resposta a la majoria de les coses que observem a l'univers. A totes, menys a una.

Quan parlem de la "gran explosió" (traducció literal del terme Big Bang) hem d'entendre que no es tracta exactament d'una explosió. Una explosió "normal" es produeix en un lloc determinat i a una hora determinada. El Big Bang, però, és el propi inici de l'espai i del temps. No el podríem situar en cap punt de l'espai, simplement perquè l'espai no existia abans del moment zero. Quant al temps, no podem parlar d'un abans de l'explosió.

Sí, ja ho sé. Costa d'imaginar (jo no puc). Però no ens hem d'estranyar tant. Al cap i a la fi, si fóssim éssers bidimensionals, que visquéssim dibuixats sobre un full de paper, tampoc no podríem imaginar una tercera dimensió, o un concepte tan bàsic com la profunditat, oi?

Podem intentar imaginar el  Big Bang com un globus que s'infla. La superfície del globus serà l'espai, i la nostra bufera serà la força que va començar l'expansió. Comencem a bufar, i tot d'una el tros de goma amorfa i arrugada es posa en moviment i adopta una posició esfèrica. I creix.

Fixem-nos què passa amb la superfície del globus. No cal ser genis per saber que, a mesura que el globus creix, també ho fa la quantitat d'espai que té la seva superfície, on cada cop hi tindrem més lloc per a poder-hi dibuixar galàxies,  estrelles i planetes. En definitiva, a mesura que bufem estem creant espai! (l'exemple ens funciona perquè el material del que està fet el globus és elàstic)

Molt bé, ja tenim el nostre univers expandint-se. Mentre s'infla el globus, més i més espai és creat i les distàncies entre els dibuixos de la superfície del globus es fan més i més grans. Els objectes s'allunyen entre sí, no perquè es moguin pas, sinó perquè apareix espai entre ells. Molt similar al que s'observa en realitat al cosmos.

Però tots hem inflat globus, i sabem que això té un límit. La bufera es va debilitant, i cada cop costa més seguir. La goma del globus també ofereix resistència. És quan et poses vermell com un tomàquet i t’esforces es dissimular davant la mirada del teu fill.

El símil seria que, fos quina fos l'enigmàtica força que va començar l'expansió de l'univers, esperaríem que aquesta s'hagués anat debilitant, simplement perquè la matèria de l'univers hagués oposat una resistència (degut a l'atracció gravitatòria). Com qualsevol  "explosió", hauria d'haver començat molt decidida, per anar-se esmorteint amb el temps.

Però vet aquí que no és pas així.

A final dels anys '90 (és a dir, "ahir") es va descobrir que el nostre univers no tan sols s'expandeix, sinó que ho fa acceleradament! Seria com si la nostra bufera hagués agafat noves energies i hagués vençut tota resistència del globus.

El que sigui que està fent que l'univers s'expandeixi va guanyar, fa molt de temps, la seva batalla particular contra la gravetat,  va trencar la molla de la resistència, i sembla que ja res no la podrà aturar.

El fascinant del cas és que no en tenim ni idea del que és aquesta energia misteriosa que està tivant de l'univers. D'on surt? Quina naturalesa té? Quina magnitud té? Què la provoca?

Fent gala d'una imaginació desbordant, els científics l'han anomenat energia fosca, perquè no "la veiem" ni sabem què és.

Poca broma, perquè aquesta energia, segons les estimacions, constituiria, ni més ni menys, que prop del 75% de tota l'energia i matèria que hi ha a l'univers!

Hi ha teories, és clar. Hipòtesis sobre el que pot ser aquesta energia misteriosa. Però cap d'elles sembla contundent, i l'energia fosca és, actualment, un dels grans misteris de la cosmologia.

No trobeu un xic sinistre que, tot i el gran coneixement desenvolupat sobre el cosmos, desconeixem complertament de què està format la major part d'allò que anomenem univers?

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?