En pocos días, el Dr. Paolo de Bernardis  llegará a nuestro país, precisamente a Malargüe , y disertará sobre uno de los temas que le apasionan, el experimento QUBIC que estudia la radiación cósmica de fondo, "aquello que en el universo primordial era luz enceguecedora, hoy se ha convertido en un débil fondo de microondas". QUBIC será instalado en Salta y con él intentarán, entre otras cosas, confirmar el fenómeno de la inflación cósmica. Dialogamos con de Bernardis para hacer foco en lo que contará en la reunión anual de astrónomos de nuestro país.

 -¿Qué puede adelantarnos sobre el enfoque de su charla sobre QUBIC?

QUBIC es un experimento para el estudio de la radiación cósmica de fondo, la radiación electromagnética (¡luz!) emitida en las primeras fases de la evolución del universo, y en particular de una característica, su polarización de "Modo-B", que fue generada en los primeros instantes después del Big Bang, en la llamada fase de inflación cósmica. Ninguno, al momento, ha logrado medirla y hacerlo significa investigar experimentalmente algo que ha pasado realmente al principio del universo.

Por lo tanto, es de gran interés para la cosmología y  también lo es, por las energías tan elevadas que jamás algún acelerador de partículas lograría a alcanzar; en resumen, es de gran interés también para la física fundamental.

-¿Cuál es la marca distintiva de esa Colaboración internacional para comprender mejor el fondo de radiación cósmica (CMB)?

QUBIC es una colaboración internacional muy amplia, coordinada por Jean Christophe Hamilton del instituto APC de París, Francia. Pero hay aportes de muchas naciones. El aporte argentino es muy importante y resulta fundamental el sitio desde donde se harán las observaciones, en Alto Chorrillos, Salta, donde la atmósfera terrestre es estable, de modo que no perturba con sus emisiones a las observaciones de la muy débil señal del Universo.

 (Ver: http://qubic.in2p3.fr/QUBIC/The_Collaboration.html).

-¿Cómo se puede describir lo relativo al "modo-B" del fondo cósmico de microondas (CMB) para quienes no somos especialistas? 

El fondo cósmico de microondas (Cosmic Microwave Background) está compuesto de fotones -cuantos de luz- que fueron producidos pocos microsegundos después del Big Bang y quedaron mezclados con la materia incandescente en los primeros 380.000 años de evolución del universo. Después fueron liberados, porque el universo, expandiéndose y enfriándose 380.000 años después del Big Bang permitió la formación de átomos.

En ese punto, la interacción entre luz y materia disminuyó drásticamente. En el universo primordial los fotones CMB interactuaban continuamente con las cargas libres (protones y electrones) y por lo tanto cambiaban continuamente la dirección, formando la así la llamada "primeval fireball

", la bola de fuego primordial. Cuando las cargas se combinaron formando los átomos, los fotones no interactuaron más con la materia y se propagaron libremente por los siguientes 13.700 millones de años, hasta llegar a nosotros con un largo de onda 1100 veces alargada a causa de la expansión del universo ocurrida desde entonces. Aquello que en el universo primordial era luz enceguecedora, hoy se ha convertido en un débil fondo de microondas.

-Una retrospectiva del universo.

Observando los fotones del fondo cósmico de microondas, podemos ver cómo estaba hecho el universo 380.000 años atrás, cuando era 50.000 veces más joven que hoy, 1.000 veces más caliente y un millón de veces más denso que en la actualidad. La imágenes del universo primordial obtenidas por primera vez con el experimento BOOMERanG y después ampliadas a muchos otros experimentos y extendidos a todo el cielo con los experimentos WMAP y Planck, muestran un universo primordial constituido de un plasma incandescente, con regiones ligeramente más densas, progenitoras de grandes vacíos entre los cúmulos de galaxias.

Lo hasta aquí dicho, se estudia haciendo imágenes del CMB, es decir, viendo cuánto varía la intensidad de las microondas primordiales según la dirección observada. Pero hay otra característica de las microondas primordiales que puede ser estudiada: su polarización. No se estudia su intensidad sino la dirección en la que oscila el campo electromagnético del CMB. En la práctica, es como observar la radiación a través de unos  anteojos polaroid; éstos están hechos de una especie de plástico en el cual todas las macromoléculas están alineadas horizontalmente. Si la luz del sol se refleja en una polarización, la luz reflejada, oscila sobretodo en dirección horizontal. Cuando llega a los anteojos encuentra las moléculas paralelas a su oscilación, y no pasa a través del plástico. Por lo tanto no nos encandila la luz reflejada. En cambio la luz que proviene del resto de la escena oscila horizontal y verticalmente, por lo tanto su componente vertical pasa a través del plástico y observamos la escena sin reflejos.

Si en vez de poner los lentes polaroid delante de nuestros ojos los colocamos frente a los instrumentos que estudian el fondo cósmico de microondas, podemos ver si hay algunas oscilaciones privilegiadas del campo electromagnético del CMB. Desde la teoría sabemos que debe haber, aunque prevalece muy débilmente.

-¿Cuál es la razón?

Son dos, cuando se libera la radiación de fondo cósmica, estamos al comienzo del largo proceso de formación de estructuras cósmicas, así es que hay áreas más densas que atraen la materia circundante.

Por lo tanto, hay movimientos del medio incandescente que difunden los fotones, y éstos producen una polarización débil, por un mecanismo físico estudiado por el físico indio Chandrasekhar hace más de 50 años.

Esta polarización del CMB se denomina "modo-E" y está conectada a las mismas fuentes que producen la imagen de la intensidad del CMB, ya bien conocida gracias a muchos experimentos citados anteriormente.

Otro mecanismo está conectado a las perturbaciones del espacio-tiempo, producidas durante un periodo inicial de muy rápida expansión, llamado inflación cósmica.

-Más detalles por favor.

Se cree que  a los 10^{-33} segundos después del Big Bang -de hecho, un instante después- el universo haya sufrido una transición de fase, expandiendo y achatando su geometría, y agigantando las fluctuaciones cuánticas que siempre están presentes a nivel microscópico hasta convertirse en semilla de las zonas más o menos densas de las cuales se producirá la estructura a gran escala del universo: cúmulos de galaxias, vacíos cósmicos, galaxias, etc.

Además de generar estas fluctuaciones de densidad, la inflación cósmica debería generar también ondas gravitacionales, es decir, fluctuaciones del espacio tiempo, de enorme largo de onda que producirían particulares efectos de polarización en los fotones del fondo cósmico. Estas zonas llamadas "Modo-B" pueden ser separadas del "modo-E" porque tienen un carácter de vórtice que los "modo-E" no tienen.

Si se pudiera realizar un mapa de polarización CMB así detallado como para mostrar también los "modo-B", podríamos confirmar el fenómeno de la inflación cósmica y estudiarlo en sus detalles, vinculados a la física de las energías ultra-altas. De aquí el interés de la comunidad científica y la preparación de experimentos en todo el mundo que investigan los "modo-B". La dificultad reside en que, a nivel de polarización de los "modo-E" (ya medidos), es de pocas partes por millón de la intensidad del CMB, mientras que aquellos en los "modo-B" no se logran predecir exactamente, porque es al menos 10 veces más pequeño. Por lo tanto se tienen que inventar estrategias de medidas muy sofisticadas. Entre estos experimentos, QUBIC es el más original porque combina las tecnologías interferométricas y aquellas bolométricas para obtener sensibilidad y precisión de medidas nunca antes logradas.

-De toda su trayectoria como astrofísico, ¿Qué tema o instrumento más le ha impactado o le interesa?

La actividad de mayor impacto en mi carrera ha sido la realización del experimento BOOMERanG, en el cual tuve le rol de coordinación junto a Andrew Lange, de Caltech. El experimento BOOMERanG usó un telescopio de microondas transportado a la estratosfera (a 38 km de altura) para poder observar el CMB sin disturbios. En Italia desarrollamos la cápsula, el telescopio, el sistema criogénico, el sistema de control de estabilidad, mientras que en Estados Unidos fueron desarrollados los reveladores y su sistema de lectura, la NASA proveyó los lanzamientos en la Antártida. BOOMERanG fue lanzado en 1998 y en el año 2003. El primer vuelo midió mapas del CMB a frecuencias de 90, 140, 220 y 410 GHz, permitiendo visualizar por primera vez el delicado patrón de fluctuaciones de la escala del horizonte causal. Midiéndola, ha sido posible definir con una buena precisión la ausencia de curvatura del espacio y por ende, su densidad media, consistente con la densidad crítica.

En el segundo vuelo, se midió, entre los primeros en hacerlo, la existencia del  "Modo-E" de la polarización del fondo cósmico.

-También, su trabajo está ligado al satélite Planck ¿Qué revela dicho instrumento y qué nuevas puertas se abren en la ciencia a partir del mismo?

Mientras BOOMERanG y otros experimentos "pequeños" habían observado sólo zonas restringidas del cielo, el satélite WMAP de NASA observó el CMB en todo el cielo, en un intervalo de frecuencias que van de 20 a 100GHz. Posteriormente, el satélite Plank de la Agencia Espacial Europea ha extendido el intervalo de largo de onda hasta 860 GHz y mejorado la resolución -nitidez de los mapas- en un factor mayor a 3, permitiendo una separación muy fiable del mapa CMB de las emisiones de nuestra galaxia en el microondas.

Con estos experimentos se ha explotado prácticamente toda la información presente en los mapas de intensidad del CMB, permitiendo, con el estudio estadístico detallado de su distribución, medir no sólo el achatamiento de la geometría del Universo, y de esta manera la densidad total de su masa-energía, sino también la densidad de los diversos componentes del universo: materia normal, materia oscura, energía oscura.

Además, ha sido posible medir la velocidad de expansión del universo (constante de Hubble) y sus detalles en las fluctuaciones iniciales de densidad, las semillas de la formación de las estructuras hoy presentes en el universo. Estos son los resultados principales, los resultados accesorios involucran todos los aspectos de la astrofísica de observación, desde el sistema solar hasta nuestra galaxia a la distribución de la materia.

-¿Ha visitado anteriormente la Argentina?

Lamentablemente no, y lamento de verdad poder estar ahí solo por un periodo de tiempo limitado. Me hubiera gustado visitar un país que siento muy cercano; espero de volver cuando instalaremos el experimento.

(Se agradece la traducción a los Sres. Alejandro y Alberto Guinis).