George Smoot, el Nobel que descubrió los ecos del 'big bang' y quiere redefinir la gravedad

Hay pocas personas que puedan permitirse el lujo de vestir sandalias y traje. George Smoot es una de ellas, con la licencia que le otorga ser una de las mentes más brillantes de la astrofísica, un pionero en el uso de satélites como COBE para desentrañar los misterios del universo y, por supuesto, el haber recibido el premio Nobel de Física en 2006.

Ataviado de esa guisa aparece a la entrevista con DISRUPTORES - EL ESPAÑOL. No tardamos en olvidarnos de ese llamativo detalle, cuando llega su té verde y Smoot empieza a adentrarse no sólo en su gran descubrimiento (la anisotropía de la radiación de fondo cósmico de microondas, los ecos del 'big bang') sino también los principios holográficos con dimensiones espaciales distintas a las que conocemos, agujeros negros y mucho más.

Cuando George Smoot habla de la radiación de fondo de microondas, lo hace con un enorme entusiasmo científico. Este fenómeno, una reliquia de los primeros días del universo, es clave para confirmar la expansión del universo, ofrecernos una ventana al pasado cósmico y arrojar luz sobre cómo se formaron las primeras galaxias y estructuras universales. Lo que él consiguió fue construir una imagen del universo en sus inicios. Ahí es nada.

"En los primeros días, el universo era muy denso y caliente, mucho más brillante que el Sol, pero en todas partes. Esa energía primigenia se convirtió después en radiación que comenzó a viajar libremente conforme el universo se expandía y se enfrió lo suficiente como para que los átomos se formaran. Gracias a ello, ahora podemos ver cómo era todo en sus inicios, es como observar a una persona adulta apenas doce horas después de nacer", explica el investigador. En otras palabras: gracias a su hallazgo, hoy podemos mapear la estructura del universo a gran escala.

Pero esta imagen no era completamente uniforme. Smoot y su equipo, usando el satélite COBE (Cosmic Background Explorer), descubrieron que había pequeñas variaciones en la radiación, diferencias diminutas de temperatura que representaban fluctuaciones de "tan sólo una parte entre 100.000". Estas pequeñas irregularidades son cruciales, ya que "se convirtieron en galaxias, cúmulos de galaxias, estrellas, planetas... todo lo que hoy conocemos", dice. "Sin estas variaciones, el universo sería completamente homogéneo, un lugar sin estructura ni interés".

Estas fluctuaciones, según explica Smoot, probablemente provienen de perturbaciones cuánticas que ocurrieron cuando el universo era tan diminuto que los efectos cuánticos eran cruciales 

"Las primeras imágenes que obtuvimos mostraban las estructuras más grandes y fundamentales, que se formaron cuando el universo tenía apenas 300.000 años", recuerda el premio Nobel, que impartió recientemente una charla en la Fundación Ramón Areces.

George Smoot, premio Nobel de Física 2006. Fundación Ramón Areces

Para lograrlo, George Smoot admite que fue necesario "inventar algunas de las tecnologías nosotros mismos", con el satélite COBE como principal exponente.  En ese sentido, compara el progreso de los detectores con la ley de Moore, que predice el avance exponencial en la capacidad de los microprocesadores.

"Al hacer que los detectores fueran cada vez más sensibles, los científicos podíamos llegar a los límites teóricos de lo que podían medir, y en las últimas décadas se han desarrollado enormes matrices de detectores para aumentar la precisión de las observaciones. Ahora hacemos grandes conjuntos de detectores", comenta, lo que les permite reunir más datos y, en última instancia, comprender mejor los detalles más profundos del universo.

Detectores con más sensibilidad y resolución: "Ahora estamos viendo detalles hasta una parte entre mil". Con estas poderosas herramientas tecnológicas a su alcance, los científicos pueden observar efectos secundarios y terciarios de la radiación de fondo, como la polarización que ocurre cuando la luz es dispersada por electrones libres, un fenómeno que revela aún más detalles sobre el estado temprano del cosmos.

Así pues, y desde que en 1992 su equipo detectó estas variaciones, la investigación sobre la radiación de fondo de microondas ha evolucionado enormemente. "En el comienzo, éramos muy pocos”, recuerda Smoot, "pero hoy en día, miles de científicos en todo el mundo trabajan en proyectos similares, con colaboraciones que cruzan fronteras, involucrando a agencias espaciales de Europa, Japón y Estados Unidos. Es una industria enorme", presume.

Del joven universo hasta hoy

Smoot aclara, eso sí, que, si bien estas fluctuaciones fueron originadas por fenómenos cuánticos, su evolución ha sido influida por múltiples procesos a lo largo del tiempo. Un concepto clave que surge aquí es el de las oscilaciones acústicas de bariones, que se refieren a cómo la radiación y la materia interactuaban en los primeros momentos del universo. Imaginemos, dice Smoot, "una pequeña fluctuación en la densidad de materia que no se expande tan rápido como el resto del universo. La radiación que llena el cosmos en ese momento empuja a la materia ordinaria —principalmente hidrógeno y helio— hacia afuera, creando una especie de eco que persiste en la distribución de galaxias miles de millones de años después".

"Hasta hoy, podemos observar esos ecos", explica Smoot, antes de detallar que, cuando los astrónomos hacen grandes estudios de galaxias, pueden detectar un anillo de galaxias extra alrededor de cúmulos masivos, una huella directa de estas oscilaciones acústicas de los primeros días del universo. Este 'anillo' es de unos 200 millones de años luz de diámetro y, aunque solo representa una pequeña variación, es crucial para comprender la distribución a gran escala de las galaxias en el universo actual.

Además, Smoot reivindica que la luz primitiva del universo, la radiación de fondo de microondas, no sólo nos da una imagen directa del cosmos en su juventud, sino que también nos permite observar fenómenos más recientes. En una explicación profana, podemos decir que la luz viaja a través del universo en expansión y, en su trayecto, se curva debido a la presencia de enormes cúmulos de galaxias, un fenómeno conocido como lente gravitacional, predicho por Einstein. Gracias a ello podemos descubrir detalles más sutiles sobre la distribución de la materia oscura, que es invisible pero detectable a través de sus efectos gravitacionales.

"El poder de esa luz en el universo temprano era increíble", se ilusiona Smoot. "Si pusiéramos toda una galaxia dentro de un sol gigante, todo se reduciría a sopa. Sin embargo, conforme el universo se enfrió y expandió, esta luz se convirtió en una herramienta para estudiar tanto el pasado distante como fenómenos más actuales". Añade, como ejemplo, que los cúmulos de galaxias, que contienen miles de galaxias individuales, emiten rayos X debido a la colisión de sus partículas, lo que también afecta la radiación de fondo.

De las ondas gravitacionales a los agujeros negros

Temas paralelos, que no ajenos, a su hallazgo con la radiación de fondo de microondas son la materia y la energía oscuras, dos de los componentes más importantes del modelo cosmológico actual. Aunque el consenso es que existen, Smoot reconoce que aún no comprendemos completamente su naturaleza: "No se puede simplemente desecharlos. Pero puede haber otros fenómenos que todavía no entendemos del todo. Esto convierte el campo en algo emocionante, especialmente con los nuevos datos provenientes de telescopios como el James Webb".

El telescopio James Webb fue diseñado para observar longitudes de onda más largas, lo que permite estudiar las galaxias más jóvenes en el universo primitivo. Smoot y sus colegas están usando este gigantesco instrumento para estudiar estas primeras galaxias a través de cúmulos de galaxias, utilizando el efecto de lente gravitacional para magnificar las imágenes de estas galaxias. Este fenómeno permite ver galaxias que de otro modo serían invisibles.

En ese sentido, el hallazgo de galaxias con forma de "plátano", que parecen tener una estructura filamentaria se antoja fundamental. George Smoot plantea la posibilidad de que la materia oscura no esté formada por partículas masivas, como se pensaba originalmente, sino por un condensado de Bose-Einstein de partículas extremadamente ligeras. La longitud de onda de estas partículas sería comparable al tamaño del núcleo de nuestra galaxia, "lo que abre nuevas posibilidades para entender la materia oscura", añade en entrevista con DISRUPTORES - EL ESPAÑOL.

George Smoot, premio Nobel de Física 2006. Fundación Ramón Areces

En otro orden de cosas, George Smoot también está inmerso en trabajos acerca de las ondas gravitacionales, una de las tendencias de moda en el mundo de la física. El premio Nobel cree que "todavía tenemos mucho que aprender, por ejemplo, qué es lo que sucede después de la fusión de dos agujeros negros, cuando hay una 'relajación' en la que el sistema pasa de ser dos objetos separados a uno solo, un fenómeno que la relatividad general predice y que los científicos estamos tratando de observar con más detalle para poner a prueba la teoría".

Entender el universo... y mucho más

Smoot se muestra agradecido de que ahora tengamos modelos del universo que "podemos poner en ordenadores, calcular, comparar con la realidad, y que encajen perfectamente como la ropa cuando te queda bien". Esta capacidad de modelar y predecir fenómenos con tanta precisión es una señal clara de que hemos avanzado significativamente en la ciencia. Empero, reconoce que este progreso no implica una comprensión profunda, pero enfatiza que "estamos haciendo ciencia".

Entre los retos pendientes, George Smoot introduce la idea de los sistemas complejos, "algo que surgió de la teoría del caos", y que lidia con situaciones donde "muy pequeños cambios en las condiciones iniciales provocan grandes cambios en los resultados". Un ejemplo clásico de esto es el problema de los tres cuerpos en la física clásica, que eventualmente llevó al desarrollo de la teoría del caos.

George Smoot, durante una conferencia en Madrid. Fundación Ramón Areces

Además, el investigador plantea una hipótesis interesante: la idea de que la gravedad podría no ser una fuerza fundamental, sino que "emerge de algún tipo de fenómeno subyacente". Aunque esta teoría es aún especulativa, menciona que algunos físicos, como los defensores de la teoría de cuerdas, han tratado de abordarla. Sugiere que la gravedad y las ondas gravitacionales podrían ser análogas a las ondas de sonido, y que "debajo hay otro nivel de complejidad", donde incluso el espacio-tiempo podría estar compuesto de "átomos de espacio-tiempo".

Por eso la ilusión y la ambición científica no han desaparecido en la mente de George Smoot. El científico cree firmemente que, si bien la cosmología puede parecer joven, en realidad "no es tan joven" y hemos avanzado considerablemente en esta área, en comparación con campos más emergentes como los sistemas complejos. O parafraseándole a él, "cuanto más sabemos, más ignorantes somos".