La Mancha Fría de la Creación

El fondo cósmico de microondas (CMB) es un fósil de la creación del Universo, de modo que si analizamos sus propiedades podemos conocer la composición y naturaleza del mismo. Desde que la sonda WMAP publicó en 2003 sus primeros resultados sobre la distribución de las anisotropías del CMB, llamó la atención de los investigadores una "mancha fría" que se podía apreciar en los mapas (Vielva et al.).


La "mancha fría".


Las anisotropías del CMB son pequeñas diferencias de temperatura de esta radiación (del orden de una cienmilésima), generada unos 380 000 años tras el Big Bang que reflejan, entre otras cosas, la curvatura del Universo y la densidad de materia (oscura y bariónica) en esa época. El modelo estándar del Big Bang explica la relativa homogeneidad del CMB gracias a la inflación, ese brevísimo periodo de expansión acelerada del Universo. Por esta razón, las anisotropías del CMB se distribuyen homogéneamente por todo el cielo. Posteriormente, al enfriarse el Universo, la materia normal ("bariónica") se agruparía siguiendo la influencia de la materia oscura (CDM) y la energía oscura (Λ). Es por eso que al modelo vigente que explica la estructura de nuestro Universo se le llama Lambda-CDM o ΛCDM.

Sin embargo, la "mancha fría", así como otras inhomogeneidades prominentes visibles en el hemisferio sur galáctico, se desvían de lo esperado para el CMB. Hay tres posibles explicaciones (errores experimentales aparte):

• Se trata de errores debido a la contribución de objetos cercanos (polvo, estrellas y gas de nuestra galaxia u otras galaxias cercanas, etc.). Aunque resulta harto complicado restar estas contribuciones al CMB, parece que los estudios descartan que la "mancha fría" tenga su origen en ellas.
  
• Descartada el anterior punto, la opción menos preocupante para los cosmólogos sería la posibilidad de que el CMB estuviera "contaminado" por la distribución de materia (cúmulos de galaxias) en el Universo, es decir, que la radiación del CMB habría sido ligeramente distorsionada desde que se originó hasta que llegó a nosotros debido a efectos como el Sachs-Wolfe, el SZ o el Rees-Sciama. Esta posibilidad implicaría que en realidad el CMB no es un fósil pristino como se pensaba y por lo tanto los datos proporcionados por el WMAP y otros experimentos sobre la curvatura y composición del Universo estarían "sucios" y carecerían de la precisión que se les presupone, aunque seguirían siendo válidos en líneas generales. La ventaja es que el modelo inflacionario del Big Bang no necesitaría ser modificado.
  
• La otra opción, mucho más radical, significaría que la "mancha fría" sería primordial, lo que no se ajusta a los modelos inflacionarios del Big Bang, así que habría que replantearse el modelo estándar. Esta opción tampoco parece muy prometedora, pues a grandes rasgos el modelo inflacionario sí que se ajusta al CMB. ¿Por qué debería desajustarse sólo en pequeñas zonas?.

Por lo tanto, la segunda opción es la favorita entre los cosmólogos, pues permite hacer una "contención de daños" cosmológica, es decir, el modelo estándar del Big Bang seguiría vigente y sólo habría que modificar nuestros modelos del CMB, pero no de forma drástica.

El pasado agosto los deseos de los cosmólogos (o al menos de la mayoría) se hicieron realidad con la publicación de los resultados de un equipo de astrónomos del VLT en el que anunciaban que se podía observar menos galaxias en la dirección de la mancha fría (Rudnick et al.), lo que significa que el origen de la mancha se debe a la existencia de un inmenso vacío de materia en esa dirección, vacío que se plasma en el CMB gracias al efecto Sachs-Wolfe integrado (IWS).


Vacío de galaxias en el espectro de ondas de radio en dirección de la mancha fría.


Posible interpretación de la mancha fría: un "mega-agujero" cósmico.

De este modo, el modelo estándar está más o menos salvado, pues no hay necesidad de modificar la inflación. Además, como beneficio añadido, podemos demostrar la existencia de la energía oscura de forma independiente y estudiar sus propiedades (McEwen et al.).

Pero está solución dista de ser perfecta. El vacío que causa la "mancha fría" desafía todos los modelos de formación de estructuras galácticas y por lo tanto es un "mal menor" para los teóricos, pero un "mal" al fin y al cabo que requiere una explicación.

A finales de octubre, el incansable Marcos Cruz y sus colaboradores (entre ellos el famoso Neil Turok), publicaron en Science (M. Cruz et al.) un artículo donde se propone un origen radical para la mancha: se trataría de un defecto cósmico. Estos defectos se derivan de las teorías de unificación de las fuerzas fundamentales. Cuando surgió el Universo, se supone que las cuatro fuerzas estaban unificadas en una única interacción fundamental, pero a medida que éste se enfrió se fueron separando. Las teorías de la Gran Unificación (GUT) que explican la unión de la fuerza nuclear fuerte con la electrodébil sugieren que cuando la fuerza fuerte se separó se crearon defectos topológicos en el Universo, del mismo modo que cuando el agua se enfría muy rápidamente se crean imperfecciones en el hielo. Estas imperfecciones podrían ser puntuales (monopolos), unidimensionales (cuerdas cósmicas) o bidimensionales (paredes de dominio, domain walls). En su interior, estas estructuras retendrían las tremendas energías originales de la era de la unificación y por lo tanto tendrían una influencia gravitatoria significativa que delataría su existencia.

Durante los años 80 y 90 el estudio de los defectos cósmicos estuvo muy de moda, pues la ruptura de la simetría original se invoca como uno de los mecanismos para la inflación del Universo. Además parecía que las cuerdas cósmicas podrían explicar la distribución filamentosa de los cúmulos galácticos. Como resultado, se sugirieron multitud de estudios para buscar una evidencia observacional de estos defectos. Sin embargo, análisis posteriores de los modelos inflacionarios del Big Bang indicaban que estos defectos, aunque reales, serían muy escasos en nuestro Universo visible, quizás inexistentes, así que decayó el interés sobre el tema. Es por esto que el trabajo de Marcos Cruz, de confirmarse, supondría toda una revolución en la física de partículas y la cosmología de nuestro tiempo.

Lo bueno de la tesis de Cruz es que puede ser verificada experimentalmente: si efectivamente se trata de un defecto topológico, no debería observarse ninguna polarización asociada en el CMB. Naturalmente, si no se encuentra polarización alguna, no significa que esta deba ser la única explicación para las irregularidades en la distribución de anisotropías del CMB, pero sí que sería la propuesta más consistente conocida hasta la fecha. Tanto si al final se descubre polarización del CMB en esta zona como si no, los teóricos tendrán un difícil y excitante trabajo por delante: si al final la causa de la mancha fría es un gran agujero cósmico como parecen indicar las observaciones de radio, los cosmólogos deberán explicar su origen.