ondas gravitacionales primordiales

En las primeras fracciones de segundo después del Big Bang, el universo fue un escenario de cambios vertiginosos. Una lámina de goma estirada que se enfría rápidamente se cubre de microgrietas. Un proceso similar a escala cósmica pudo dar origen a las cuerdas cósmicas: hebras de energía finísimas pero superdensas que se extendían por todo el universo.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

En los primeros instantes después del Big Bang, la transición de fase cósmica dividió el plasma caliente en regiones con diferentes vacíos — los estados de menor energía del campo.

Hace 13,8 mil millones de años, el Universo giraba en un vals. El giro a la derecha estaba prohibido. Hoy, los ecos de ese baile cósmico nos llegan en forma de una ondulación casi imperceptible del espacio-tiempo: las ondas gravitacionales. Su existencia fue predicha por Albert Einstein.

Imagina el universo primitivo como una campana de dimensiones inimaginables. La inflación —la época de expansión acelerada ideada por Alan Guth— la golpea, y una onda se propaga por el tejido del espacio-tiempo.

Un rumor grave que viene de bajo tierra puede ser el ruido de una obra lejana, o el eco de un antiguo terremoto. Un enigma similar se plantó ante los astrónomos cuando en 2023 captaron ondas gravitacionales de frecuencia ultrabaja ondas gravitacionales — el temblor del propio espacio-tiempo que recorre el universo.

En 1981, Alan Guth propuso el escenario de la inflación cosmológica —una expansión vertiginosa del espacio que estiró las fluctuaciones cuánticas hasta el tamaño de galaxias enteras. Desde entonces, los cosmólogos, como arqueólogos, excavan este evento a través de las estructuras del Universo.

Como un delicado mecanismo de relojería, un sistema multiplanetario responde sensiblemente al más mínimo empujón.

El universo temprano se parecía a una sala abarrotada donde partículas pesadas colisionaban y se desintegraban a un ritmo ensordecedor. Entre ellas podrían haber estado los leptoquarks escalares — partículas que se aferran simultáneamente a un quark (un ladrillo de la materia) y a un leptón (por ejemplo, un electrón).

En la búsqueda de la naturaleza de la materia oscura, una de las hipótesis más intrigantes se remonta a los primeros instantes después del Big Bang.

Todo comenzó no con el vacío, sino con un océano de plasma hirviendo. En este caldo primigenio, las ondas sonoras corrían a través de la materia ardiente, chocaban y la compactaban. A veces, un grumo se volvía tan denso que la luz ya no podía escapar, y directamente del gas incandescente nacía un agujero negro primordial.

Un zumbido recorre todo el universo. No es un sonido, sino un temblor del propio espacio: el fondo de ondas gravitacionales. Lo generan pares de agujeros negros supermasivos que giran uno alrededor del otro en los centros de galaxias lejanas. Cada pareja es como un instrumento grave en una orquesta inmensa.

En el armario de la cocina hay un frasco de azúcar. Si lo agitas, los granos se distribuyen casi uniformemente: no hace falta colocarlos uno a uno con pinzas. Algo parecido pudo ocurrir con los diminutos agujeros negros en los primeros instantes tras el Big Bang. Su masa es como la de un asteroide y su tamaño, menor que el de un átomo.

Los astrónomos escuchan el cosmos como una vieja radio: giran la perilla no para buscar una estación, sino para escuchar cualquier ruido inusual. Este enfoque rompe moldes: en lugar de cazar ondas gravitacionales según patrones aprendidos, capturan todo lo que llega, sin sesgos.

El universo está lleno de invisible materia oscura. Así como una gota de agua al evaporarse deja un cristalito de sal, un agujero negro puede evaporarse y dejar tras de sí un diminuto residuo estable. Esta idea fue desarrollada por Stephen Hawking y Jacob Bekenstein.

En el universo temprano, surgieron agujeros negros primordiales, objetos no más grandes que un átomo pero con la masa de una montaña. Se evaporan gradualmente y, antes de desaparecer, deberían generar ondas gravitacionales, ondulaciones en el espacio-tiempo.

Un reflector ilumina una sala oscura. Entre la lámpara y la pared flota una lente invisible, y el punto de luz se vuelve más brillante por un instante, se desplaza ligeramente. Esto es exactamente lo que el telescopio DECam, apuntando a la Gran Nube de Magallanes, la galaxia satélite de nuestra Vía Láctea, estuvo buscando durante cinco noches consecutivas.

Una esponja arrojada a un cubo de agua absorbe con avidez la humedad y se hincha ante nuestros ojos. Pero si se sigue añadiendo agua y la esponja se comprime y se suelta alternativamente, la absorción se vuelve más difícil y dura más. Algo así se comportaban los diminutos agujeros negros en los albores del universo.

Dos transatlánticos navegan de noche sin luces. Uno fue construido en un astillero con planchas de acero; el otro parece haber brotado por sí solo de la espuma y las olas. De oído son casi indistinguibles, pero un hidroacústico experimentado captará la diferencia en el rumor de las hélices y en las líneas del casco.

Un agujero negro diminuto, del tamaño de un núcleo atómico pero con la masa de una montaña, surgió en los primeros instantes tras el Big Bang, cuando cúmulos aleatorios de energía colapsaron en tales objetos.

El enigma de la materia oscura, observada por primera vez en los remolinos estelares por Vera Rubin, ha atormentado a la física durante casi un siglo. Una de las hipótesis más audaces son los agujeros negros primordiales, nacidos en el caldo hirviente del universo primitivo.

Lo primero que viene a la mente al pensar en el nacimiento del universo es una explosión. Pero la cosmología moderna pinta un cuadro más refinado: el nacimiento a través del cuello de una copa de vino.

Justo después del Big Bang, el Universo se expandió increíblemente rápido — esta etapa se llama inflación. En algunas regiones microscópicas, la materia se condensó aleatoriamente hasta el punto de colapsar en agujeros negros primordiales. Son diminutos — del tamaño de un protón, pero masivos — como un iceberg.

Justo después del Big Bang, el espacio se cubrió de ondulaciones — ondas gravitacionales, como las que provoca una piedra al caer al agua. Estas vibraciones del propio tejido del cosmos, predichas por Alan Guth, se extendieron por todo el universo.

Los detectores de ondas gravitacionales captan un zumbido de baja frecuencia, parecido al sonido de una cascada lejana. El telescopio Webb encuentra en el universo temprano galaxias con agujeros negros que parecen demasiado masivos para su corta edad.

El Universo ejecuta una sinfonía con dos ritmos contrastantes. El primer accelerando explosivo — la inflación, propuesta por Alan Guth — disparó el espacio-tiempo en la primera trillonésima de segundo. La segunda aceleración — lenta pero inexorable — comenzó hace cinco mil millones de años.

Una gran orquesta se afina antes del concierto. Cada instrumento emite su propio ruido, y en el bullicio general es difícil distinguir sonidos individuales. Pero si el director, por un segundo, agita la batuta de una manera especial, todos los violines tocan a la vez una misma nota aguda, y ese sonido puro atraviesa la cacofonía. Ese «gesto de batuta» pudo ocurrir en los primeros instantes de la vida del universo.

Normalmente la historia del universo se cuenta así: había nada, luego una explosión, y desde entonces todo se expande. Pero, ¿y si no hubo un 'nada'? Un grupo de físicos ha demostrado que el universo podría haber existido eternamente, simplemente a veces se contrae y luego se expande de nuevo, como un resorte.

Noche, un lago enorme, silencio absoluto. No se ven olas, pero se oye cómo rompen en la orilla con igual rumor desde todas las direcciones. Esto se asemeja a lo que los astrónomos llaman fondo de ondas gravitacionales: un murmullo incesante proveniente de la fusión de agujeros negros lejanos. Pero, ¿y si en algún lado del lago el chapoteo fuera un poco más fuerte?

Un agujero negro diminuto, del tamaño de un núcleo atómico, flota en el caldo ardiente del universo temprano. Normalmente, una criatura tan pequeña debería evaporarse rápidamente, liberando energía como una gota de agua en una sartén caliente. Pero si el espacio es más complejo de lo que parece y contiene dimensiones ocultas, todo cambia.

El universo no nació en silencio. Las ondas gravitacionales primordiales —ondas en el espacio-tiempo— aún propagan el eco de aquel suceso. Se intenta escucharlo de dos maneras. Las 'notas' graves se captan en el resplandor del Big Bang, la luz emitida 380 000 años después.

El modelo cosmológico estándar describe el nacimiento del universo como una explosión desde una singularidad, un punto de densidad y curvatura del espacio-tiempo infinitas.

El Big Bang fue como un trueno cósmico que hizo vibrar el tejido del espacio. Estas vibraciones — ondas gravitacionales — aún resuenan por el Universo, como un eco de aquel lejano evento. Cuanto más fuerte fue la 'explosión' original, más agujeros negros primordiales deberían haberse formado.

Los agujeros negros primordiales agujeros negros se comportan como teteras hirviendo: al evaporarse, silban con ondas gravitacionales. El carácter del silbido — su espectro — depende de cómo la temperatura del agujero se relaciona con su masa.

En los primeros instantes, el universo se parecía a una masa que a veces sube con rapidez y a veces se detiene por un segundo. En esos breves estirones —llamados expansión del universo con pausas— incluso los campos magnéticos diminutos pudieron crecer como burbujas en una masa bien batida.

El Universo comenzó con el Big Bang y la posterior inflación: una expansión abrupta. Alan Guth sugirió que en algunas regiones este crecimiento nunca se detuvo. Quedaron para siempre como bolsas 'a medio hornear' de expansión eterna.

El Universo puede comportarse como un resorte: comprimirse hasta tamaños microscópicos y luego expandirse de nuevo. En este ciclo de compresión y rebote nacen los agujeros negros y la materia oscura.

De noche, cuando la mayoría de la gente duerme, la enorme antena del radiotelescopio Green Bank, en Virginia Occidental, sigue escuchando el cielo. En 24 186 horas —casi tres años de observación ininterrumpida— ha captado 50 púlsares y tres ráfagas rápidas de radio.

Materia oscura, posiblemente no son partículas, sino agujeros negros de los tiempos del Big Bang.

El ruido del tráfico es un buen informante. Los vehículos aislados suenan como señales individuales, mientras que el tráfico denso se funde en un zumbido uniforme. De igual manera, las fusiones de agujeros negros generan ya sea estallidos aislados o un fondo continuo de ondas gravitacionales.