Reproducen el inicio del universo en diez milisegundos

Un equipo de físicos de la Universidad de Chicago‎, en Estados Unidos, ha reproducido un patrón que imita a la radiación cósmica de fondo de microondas en una simulación de laboratorio del Big Bang, usando átomos de cesio‎ ultrafríos presentes en una cámara de vacío, que es un recipiente de paredes rígidas del que se extrae el aire y otros gases para generar en su interior una baja presión que permite investigar, por ejemplo, las características del espacio exterior.

Según declara Cheng Chin‎, uno de los autores del experimento, en un comunicado de dicha Universidad, "ésta es la primera vez que se emula en una prueba similar la evolución de la estructura del universo temprano". La finalidad de la prueba ha sido comprender mejor cómo se formó el cosmos en sus inicios.

El fondo cósmico de microondas es el eco del Big Bang. Numerosas mediciones de la radiación de fondo de microondas ( CMB, por sus siglas en inglés) fueron realizadas en la década de 1990 por el Explorador del Fondo Cósmico COBE (Cosmic Background Explorer), y más tarde por la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) y otros observatorios terrestres, entre los que se cuenta el Telescopio Polo Sur de la Universidad de Chicago.

Todas estas herramientas han proporcionado a los cosmólogos una instantánea de la aparición del universo aproximadamente 380.000 años después del Big Bang.

El Big Bang fue una explosión que generó sonido

¿Cómo ha podido llevarse ese momento al laboratorio? Gracias a que, en determinadas condiciones, una nube de átomos enfriada a una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto (-459,67 grados Fahrenheit) en una cámara de vacío puede mostrar fenómenos similares a los que se desarrollaron después del Big Bang.

“A esta temperatura ultrafría, los átomos se excitan de forma colectiva; y actúan como si fueran ondas sonoras en el aire”, señalan los autores del experimento. El denso paquete de materia y radiación que existió en el universo temprano generó excitaciones de ondas de sonido similares, según lo revelado por el COBE, la WMAP y otros experimentos.

La generación sincronizada de dichas ondas sonoras se correlaciona con las especulaciones realizadas por los cosmólogos sobre la expansión del universo temprano. Esa inflación “estableció las condiciones iniciales del universo y generó ondas de sonido similares en el fluido cósmico formado por la materia y la radiación", explican los científicos.

Podría decirse, por tanto, simplificando mucho, que el Big Bang fue una explosión que generó sonido. Y que las ondas sonoras generadas a partir de entonces interfirieron unas con otras, produciendo complejos patrones que serían “el origen de la complejidad que vemos en el universo”, señalan los científicos.

Un universo minúsculo y veloz

A estas excitaciones sonoras del universo temprano se las ha bautizado como oscilaciones acústicas Sajarov, por el físico ruso Andrei Sajarov, que describió el fenómeno en la década de 1960.

Para producirlas en laboratorio, Chin y sus colaboradores enfriaron una nube plana y leve de unos 10.000 átomos de cesio a una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto, generando así un estado exótico de la materia conocido como superfluidez bidimensional atómica.

Luego se inició un proceso de enfriamiento rápido para controlar la fuerza de la interacción entre los átomos de la nube. Así se descubrió que, provocando de manera repentina interacciones más débiles o más fuertes entre los átomos, se podían reproducir las oscilaciones Sajarov.

El universo simulado en laboratorio medía sólo unas 70 micras de diámetro, aproximadamente el diámetro de un cabello humano. Según Chin, esto supone que “el mismo tipo de física se puede dar a escalas muy diferentes".

Por otro lado, aunque "al universo le costó unos 380.000 años convertirse en el espectro CMB que vemos ahora", según Chin, a los físicos les costó sólo 10 milisegundos reproducir el mismo patrón en el marco de su experimento.

Los átomos pueden ser lo que quieras que sean

"Eso sugiere que la simulación basada en átomos fríos puede ser una herramienta de gran alcance", añade Chin. Otro de los autores del estudio, Chen-Lung Hung, del California Institute of Technology señala que las oscilaciones Sajarov constituirían de hecho una excelente herramienta para indagar en las propiedades del fluido cósmico del universo inicial.

"Estamos hablando de un superfluido de dos dimensiones, que en sí es un objeto muy interesante. En realidad la intención es utilizar estas oscilaciones Sajarov para estudiar las propiedades de este superfluido en dos dimensiones a diferentes condiciones iniciales, para obtener más información" (sobre el universo).

El equipo de investigación varió asimismo las condiciones presentes a principios de la historia de la expansión de sus universos simulados mediante modificaciones rápidas de la interacción fuerte entre los átomos ultra-fríos, generando diversas ondas. "Estas ondas se propagaron y crearon múltiples fluctuaciones", afirma Hung. Él y sus coautores examinaron luego el sonido de todas ellas.

Chin y Hung están ahora interesados en continuar experimentando con átomos ultrafríos, para simular la formación de las galaxias e incluso la dinámica de los agujeros negros. “Potencialmente podemos usar átomos para simular y comprender mejor muchos fenómenos interesantes de la naturaleza", afirma Chin. "Los átomos pueden ser lo que quieras que sean", concluye.

Referencia bibliográfica:

C.-L. Hung, V. Gurarie, C. Chin. From Cosmology to Cold Atoms: Observation of Sakharov Oscillations in a Quenched Atomic Superfluid. Science (2013). DOI:10.1126/science.1237557.