La luz que llega con atraso revela de qué está hecho el espacio

En la noche del 30 de junio de 2005, el cielo, muy por encima de La Palma en las Islas Canarias, se quebró en vetas de una luz azul muy tenue para ser vista por los seres humanos. Sobre la cima de Roque de los Muchachos, el punto más alto de la isla, sin embargo, un poderoso ojo mágico estaba esperando y observando

El telescopio MAGIC, Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope, recorre el cielo cada noche a la búsqueda de los fotones de alta energía que llegan del espacio. La mayoría de las noches no ocurre nada notable. Pero, de vez en cuando, un breve destello de energética luz atestigua las violentas convulsiones de una lejana galaxia.

Lo que vio MAGIC esa agradable noche de junio llegó como un rayo de la nada. Esto es porque algo realmente increíble puede haber estado codificado en ese fugaz resplandor Atlántico: pruebas de que el tejido del espacio-tiempo no es liso como la seda, como Einstein y muchos otros han presumido, sino una cosa áspera, turbulenta y fundamentalmente granulosa.

Es una audaz afirmación que, en caso de verificarse, nos sitúa de lleno en el camino hacia una teoría cuántica de la gravedad y hacia la largamente esquiva «teoría del todo». Si se basara en un único fragmento de los datos de MAGIC, podría ser fácilmente descartada como un sueño de una noche de verano. Pero no lo es. Luego de aquel primer avistamiento, otros telescopios han comenzado a ver patrones similares. ¿Se trata de una revolución de la física a través del tubo de un telescopio?

La mañana siguiente, cuando los datos de MAGIC fueron filtrados en el Instituto Max Planck de Física de Munich, Alemania, estas ideas incendiarias estaban lejos de la mente de Robert Wagner. Él y sus compañeros colaboradores estaban disfrutando de una carne asada. Pero no por mucho tiempo. «Pusimos nuestras cervezas a un lado y comenzanos a descargar el conjunto completo de datos», dijo Wagner.

Era fácil identificar la fuente del blip de datos: una explosión de rayos gamma muy energética de 20 minutos desde una galaxia a unos 500 millones de años luz de distancia, conocida como Markarian 501. Sus ocasionales y tempestuosos estallidos ya se habían hecho familiares para los telescopios de rayos gamma de todo el mundo.

Este estallido fue diferente. Cuando Wagner y sus colegas analizaron los datos en las semanas y meses que siguieron, surgió un curioso patrón. Los fotones de baja energía de Markarian 501 habían superado a sus homólogos de mayor energía, llegando hasta 4 minutos antes (Physics Letters B, vol 668, p 253).

Esto no debería suceder. Si un objeto está a 500 millones de años luz de distancia, a la luz siempre le lleva 500 millones de años llegar a nosotros, ni más ni menos. Cualquiera que sea su energía, los fotones viajan siempre a la misma velocidad, el implacable límite de velocidad cósmica: la velocidad de la luz.

Es posible que la anomalía tenga una explicación mundana. Realmente no comprendemos los procesos que ocurren dentro de objetos como Markarian 501, que aceleran las partículas a energías fenomenales y las catapultan hacia nosotros. Se cree, en último caso, que tiene algo que ver con las convulsiones del agujero negro supermasivo que está en el centro del objeto. Podría ser que estos mecanismos causen que sean arrojadas, naturalmente, las partículas de baja energía antes que las de alta energía.

O puede que no. «La explicación más fascinante sería que este retraso no es intrínseco del lugar de origen, sino que ocurre a lo largo del camino desde la fuente hasta nosotros», dice Wagner.

Identidad cuántica

Lo qué llamó la atención de Wagner y sus colegas fue que las observaciones de MAGIC muestran el tipo de efecto que surge de una buena cantidad de modelos de predicción de la gravedad cuántica. Los físicos han estado a la búsqueda de comprobaciones experimentales de que la teoría es correcta durante la mayor parte de un siglo.

«Todos los enfoques de la gravedad cuántica, en sus propias formas muy diferentes, coinciden en que el espacio vacío no es tan vacío después de todo», dice el teórico Giovanni Amelino-Camelia de la Universidad Sapienza de Roma en Italia. Muchos modelos basados en la teoría de cuerdas sugieren que el espacio-tiempo es un conjunto espumoso de partículas, e incluso de agujeros negros microscópicos, que surgen como chispas de la nada y desaparecen de nuevo con igual desenvoltura. El otro enfoque alternativo, preferido por Amelino-Camelia, es la gravedad cuántica de bucles, que postula que el espacio-tiempo está hecho de trozos indivisibles de aproximadamente 10-33 metros, un tamaño que se conoce como la longitud de Planck.

El año pasado se sugirió que la firma característica de ese tipo de espacio-tiempo cuántica ha aparecido en un inexplicable ruido que padecen los detector de ondas gravitacionales en el norte de Alemania (New Scientist, 17 de enero de 2009, p 24). Sin embargo, esta interpretación está lejos de ser un hecho, y la mayoría de los expertos coinciden en que sólo puede surgir una observación más firme de la observación de las posibles interacciones del espacio-tiempo con las partículas que pasan a través de él.

Según muchos modelos de la teoría de cuerdas, las partículas de diferentes energías se deben acelerar o frenar en diferentes cantidades, ya que interactúan con un espacio-tiempo espumoso. Un tamaño mínimo de los granos de espacio-tiempo, tal como predice la gravedad cuántica de bucles, podría violar un apreciado principio de la relatividad especial conocido como invariancia de Lorentz, que establece que la velocidad máxima de todas las partículas, con independencia de su energía, es la velocidad de la luz en el vacío.

El problema es que estos efectos serían observables únicamente con partículas mucho más energéticas que todas las existentes en la Tierra, incluyendo las que pueden producir los aceleradores de partículas. Aun si pudiésemos crear estas partículas, las pequeñas interacciones entre ellas y el tejido del espacio-tiempo no alcanzarían, ni siquiera haciendo dar muchas vueltas a las partículas en el círculo del Gran Colisionador de Hadrones de 27 kilómetros de largo en el CERN, cerca de Ginebra, Suiza.

Sumadas a lo largo de cientos de millones o miles de millones de años luz, estas interacciones pueden explicar la anomalía del tiempo de viaje que vio MAGIC. Parece que la naturaleza nos podría haber aportado aceleradores de partículas —galaxias distantes— cuyo producto podrían ser, por primera vez, que nos permitan poner a prueba las predicciones de la gravedad cuántica con evidencias experimentales sólidas.

Hasta ahora, sólo hemos visto un puñado de estallidos de rayos gamma con la energía e intensidad necesaria para ver si el efecto de retardo es una característica constante. En julio de 2006, el Sistema Estereoscópico de alta Energía (HESS), un conjunto de telescopios de rayos gamma en el desierto de Namibia, vio un brote de alta energía surgiendo desde una galaxia activa casi cuatro veces más lejos que Markarian 501. El producto contenía evidencia marginal de un desfase de alrededor de medio minuto para los fotones más energéticos, que eran considerablemente menos enérgicos que las de la llamarada detectada por MAGIC.

Las incertidumbres en los datos que resultan del proceso de detección, sin embargo, causan que no se pueda dar una declaración definitiva (Physical Review Letters, vol 101, p 170402).

Hay resultados recientes del Telescopio Espacial Fermi de rayos gamma de la NASA, que comenzó a funcionar el año pasado, que proporcionan una visión aún más tentadora de que algo extraordinario pasa por ahí. El pasado mes de septiembre, observó una ráfaga de rayos gamma de una fuente a casi 12 mil millones de años luz.

Según un análisis realizado por Amelino-Camelia y Lee Smolin del Perimeter Institute for Theoretical Physics en Waterloo, Canadá, los fotones de baja energía les ganaron a algunos de los rezagados de alta energía en su llegada a la Tierra en algo así como 20 minutos. Dos ráfagas mucho más cercanas parecen tener retrasos mucho más pequeños (www.arxiv.org/abs/0906.3731v2).

Las observaciones individuales son bastante coherentes entre sí, también, dice el teórico John Ellis en el CERN. Él y sus colegas han tomado datos de los estallidos de MAGIC y HESS para calibrar un modelo teórico inspirado en la teoría de cuerdas que asume que el efecto de retardo aumenta linealmente con la distancia y la energía de los fotones.

Utilizando esto para estimar la demora que deben tener de los fotones de más alta energía en el destello de septiembre del telescopio espacial Fermi, surgió un valor de 25 segundos, más menos 11 segundos. Lo que Fermi ha medido para esos fotones en particular fue un retraso de 16,5 segundos, dentro del amplio margen de error del modelo de predicción.

La única forma de averiguar concluyentemente si los retrasos son una señal de un espacio-tiempo cuantizado o espumoso, dice Ellis, es obtener más datos, idealmente de fuentes en diferentes distancias. «Entonces vamos a ser capaces de saber si podemos distinguir entre los efectos en la fuente y los efectos en la propagación», dice.

Cobertura mundial

También debemos observar la misma ráfaga con más de un instrumento. Cada telescopio es sensible a una gama diferente de energía, debido a su altitud y a la configuración de sus detectores. La combinación de diferentes conjuntos de datos proporcionará una mayor variedad de energías, a partir de la cuales se descartaría cualquier efecto que dependa de la energía, y también nos ayudaría a separar un elemento irritante y continuo para las observaciones astronómicas coherentes: la rotación de la Tierra. No sólo la rotación de nuestro planeta implica que multitud de fotones llegados desde el Sol se impongan a cualquier fuente cósmica durante una gran parte del día, sino que también hacen difícil una observación muy certera de un haz de rayos gamma desde una dirección específica, incluso de noche: mientras usted acierta el telescopio en su objetivo, la Tierra se mueve bajo sus pies y, finalmente, la fuente se desliza fuera de la vista.

Esto significa que MAGIC puede observar cualquier ráfaga que se presente durante un máximo de apenas 6 horas cada noche, en el supuesto de que esté apuntando en la dirección correcta cuando llega el nuevo estallido. Este plazo se puede duplicar utilizándolo en conjunto con un instrumento similar, el Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS), ubicado sobre el Monte Hopkins, en el sur de Arizona.

Otro telescopio de rayos gamma, el Major Atmospheric Cherenkov Telescope Experiment (MACE), a 4.500 metros de altura sobre la meseta tibetana en la remota región de Ladakh, la India, abrirá aún más la ventana de observación. Cuando se lo haya completado en el 2011, MACE será el telescopio de rayos gamma ubicado a mayor altitud en del mundo, capaz de observar los rayos gamma de una amplia gama de energías. «Entonces vamos a tener otro observatorio a 5 a 6 horas por delante de MAGIC», dice Wagner. «Esto podría abrir el camino a un proceso continuo, de 24 horas de observación, sobre ciertos objetos».

Con estos nuevos instrumentos y los datos de alta precisión del telescopio espacial Fermi, los telescopios de rayos gamma podrían descubrir el espacio-tiempo cuántico en los próximos años. Aun así, podrían estar pegando en el palo. La respuesta definitiva podría venir de una fuente muy diferente, una muy diferente cuarta parte de la superficie de la Tierra, el Polo Sur.

Esto se debe a que pronto el Observatorio de neutrinos IceCube ocupará un kilómetro cúbico de hielo bajo el Polo Sur, con cadenas de detectores que verán los destellos de tenue luz de color azul que emite el hielo de la Antártida cuando golpean contra él los neutrinos de origen cósmico.

Los neutrinos son partículas fantasmales que, según se cree, se producen en los mismos sucesos violentos que generan los rayos gamma de alta energía. Hasta ahora, no hemos visto neutrinos que hayan llegado desde fuera de nuestra galaxia, salvo algunos que arribaron en una ráfaga desde una supernova en una galaxia vecina, la Gran Nube de Magallanes, en 1987. Los neutrinos que vemos son los de menor energía, que provienen de reacciones nucleares en el Sol y de las interacciones de partículas en la atmósfera de la Tierra. IceCube pretende cambiar eso.

Y podría ver algo grande. Debido a que las longitudes de onda mecanocuánticas asociadas con los neutrinos de más altas energías son aún más pequeñas que las de los fotones de alta energía, podrían ser más susceptibles de ser perturbados por las interacciones con un espacio-tiempo granulado a muy pequeña escala. Francis Halzen de la Universidad de Wisconsin, Madison, que dirige el experimento IceCube, ha calculado junto con sus colegas que, repaldando un modelo de espacio-tiempo cuántico, esas interacciones podrían acelerar dramáticamente los neutrinos de mayor energía (Physical Review D, vol 72, p 065019) . «Es una hermosa señal que no se podíra explicar por la astrofísica convencional», dice.

Humildes construcciones

Esa no es la única propiedad atractiva de los neutrinos cuando se trata de probar la idea de un espacio-tiempo espumoso, afirma Dan Hooper de Fermilab en Batavia, Illinois. Los neutrinos vienen en tres «sabores», nombrados por las partículas más pesadas que se asocian con ellos, el electrón, el muón y tau. Estos neutrinos tienden a transformarsae de ida y de vuelta entre estos diferentes estados cuando viajan, un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos. Si en una fuente distante se emiten sólo los neutrinos electrónicos, la teoría nos dice cuántos podrían haber cambiado de sabor al momento en que llegan a nosotros.

Si los neutrinos interactuaron con la espuma cuántica, sin embargo, olvidarán su sabor original a lo largo del camino, dando lugar a una cantidad idéntica de sabores diferentes en el momento de su llegada aquí. «Este efecto sería difícil de explicar con la astrofísica normal», afirma Hooper. Sugiere una posible, aunque dudosa, fuente de neutrinos electrónicos en la región de Cygnus (el Cisne) en la Vía Láctea, que podría ser propicia para la investigación (Physics Letters B, vol 609, p 206).

Las incertidumbres en los modelos de las oscilaciones de neutrinos hacen que sea dífícil hacer cálculos exactos de la extensión que se espera en esta igualación de sabores, como el mismo Hooper señala. E incluso si tenemos un golpe de suerte y encontramos indicios de que tanto los neutrinos como los rayos gamma son afectados por la estructura del espacio-tiempo, será un largo y duro trabajo convertir los datos en una teoría viable de la gravedad cuántica.

Amelino-Camelia compara la situación actual con la de hace un siglo, cuando las observaciones anómalas, tales como el espectro de radiación del cuerpo negro, o el efecto fotoeléctrico, no se podían explicar con los medios establecidos por la física clásica en las largas décadas de camino hacia el pleno derecho de la teoría cuántica. No resultó fácil.

Y así será para la gravedad cuántica. «Tenemos que construir, con humildad, muy humildemente, a partir de lo que sabemos», dice Amelino-Camelia. «Construir teorías simples, que estén lejos de ser una teoría del todo, pero que sean lo suficientemente inteligibles para que nos puedan guiar a la próxima chispa». Ya sea en las islas del Atlántico, en el Himalaya, en las profundidades del hielo antártico o muy por encima de la atmósfera de la Tierra, ojos atentos están a la espera de signos de una trama cuántica del universo.

La gravedad cuántica: ¿por qué nos importa

En la escala de las cosas profundas en física, la gravedad cuántica se ubica en un 10 de un rango de 10. Actualmente, tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza se pueden explicar por intercambio de partículas portadoras de fuerza que siguen las reglas de la teoría cuántica. La gravedad no puede. Según la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la fuerza se deriva de las deformaciones del espacio-tiempo causadas por los objetos masivos. Como tal, sigue estando decididamente fuera del ámbito de la física cuántica.

Los físicos están de acuerdo en que esto debe cambiar. Sin una teoría cuántica de la gravedad, no sólo carecen de una teoría general del funcionamiento del mundo, sino que, además, nunca van a poder sondear la primera pequeña fracción de segundo después del Big Bang, un periodo crucial y pleno de acontecimientos en la evolución del universo.

El problema es que no hay un acuerdo sobre cómo llegar a esa teoría. La teoría de las cuerdas, la vía preferida por la mayoría de los físicos, combina la gravedad y la mecánica cuántica argumentando que todo en la naturaleza surge de la vibración de pequeñas cuerdas en 10 dimensiones espacio-temporales. Se ha criticado rotundamente, sin embargo, por no aportar predicciones que se puedan verificar con experimentos. Un enfoque rival, a la que se le llama gravedad cuántica de bucles, demuestra matemáticamente que el espacio-tiempo es un tejido de bucles de líneas de campo gravitacional. En el juego de las evidencias, le ha ido mejor.

«Durante muchas décadas, la investigación sobre gravedad cuántica ha sido monopolizada por la idea de que necesitamos obtener una teoría perfecta, con genios produciendo una matemática perfecta, sin la orientación de los experimentos», dice Giovanni Amelino-Camelia de la Universidad Sapienza en Roma, Italia. Los genios necesitan desesperadamente algo que engrane sus modelos con la realidad. Para lograrlo, lo podrían hacer con un toque de MAGIC (véase el artículo principal).

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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