El Big Bang, Inflación y el origen del Universo

Hoy partimos con un título rimbombante, pero no es sólo para atraer audiencia, sino también para celebrar un importante descubrimiento que (de ser corroborado por la comunidad científica) permitiría entender uno de los mayores enigmas en astronomía, qué fue lo que sucedió inmediatamente después del Big Bang y que dió lugar al universo tal como lo conocemos hoy. Puede que te preguntes, ¿Pero qué importa!?, acá intentamos explicártelo, y de paso, compartir la aventura del descubrir y el triunfo de la mente humana.

(Super-corta) Historia del Universo.

Probablemente has escuchado acerca de la teoría del Big Bang (al menos la serie con Sheldon). Esta idea señala que el universo comenzó en un estado de altísima densidad, el cual explotó, dando paso, luego de muchos millones de años, al universo que conocemos. En los primeros 400 mil años luego de la explosión inicial, el universo se mantuvo opaco, sin emitir luz, ya que las partículas de luz (fotones) no tenían la capacidad de viajar grandes distancias y escapar de la densa sopa de partículas eléctricamente cargadas (electrones y protones en estado de plasma) sin chocar con ellas. Cuando el universo se expandió y se enfrió, los electrones y protones que existían de forma independiente en ese plasma, se unieron y formaron átomos eléctricamente neutros, dejando un camino libre a los fotones. Para ejemplificar estos sucesos imaginemos un gato tratando de atravesar en un parque lleno de gente que dejo libre a sus perros. La interacción perro-gato hace muy difícil para el pobre gatito avanzar hacia cualquier parte. Ahora, si cada persona toma a su perro, veremos que la vida se hace mucho más fácil para el gato, quien ahora puede atravesar el parque sin miedo a ser atacado por los caninos y de forma bastante veloz. Al periodo donde los electrones y protones formaron átomos neutros se le denomina época de recombinación.

Lo increíble, es que este período en el desarrollo de universo, dejó marcas que podemos incluso percibir hoy en día. Estas marcas se llaman Radiación de Fondo Cósmico (CMB por sus siglas en inglés), y fueron descubiertas por accidente en los años 60. Fig. 1

Figura1: Mapa de la radiación de fondo cósmico detectada por el satélite WMAP. Las regiones están coloreadas para representar variaciones de +- 0.0002 grados Kelvins. [Fuente Wikipedia]

Los distintos colores en figura 1 representan las variaciones en temperatura del CMB, estas variaciones son solo de 0.0002 Kelvins, siendo la temperatura promedio 2.7 Kelvins.

Al analizar esta radiación de fondo, varias preguntas aparecen. Como vemos en Fig. 1,  el universo presenta un estado de gran homogeneidad!.  Pero, ¿Por qué el universo luce tan homogéneo en todas direcciones? Recordemos que estamos hablando de un universo que partió desde una gran explosión de plasma. Inicialmente esta homogeneidad se asumió como un principio (una idea que no puede ser derivada como consecuencia de otra idea), en lo que se llama "principio cosmológico".

Una interesante idea que busca resolver la pregunta de la homogeneidad del universo fue postulada en la década del 70 del siglo pasado, por físicos en estados Unidos y en la Unión Soviética*. Esta idea se conoce como Inflación. La idea es simple pero revolucionaria: El universo es similar en todas partes debido a que inmediatamente después del big bang el universo se expandió a una velocidad exponencialmente alta, superando por mucho la velocidad de la luz (técnicamente, lo que se espande es el espacio tiempo mismo, por lo que la comparación con la velocidad de la luz puede llevar a confusiones). Esta súper-expansión sería por lo tanto la causante de la similitud en distintas direcciones del universo observable. Suena simple, pero bueno para creerlo hay que demostrarlo! Otra analogía puede ser útil, podemos pensar en el universo inicial como una fotografía compleja, con zonas claramente distinguibles. La inflación en este contexto sería hacer un zoom en alguna zona particular de la imagen hasta que las regiones con características distintas desaparecen de la zona observada. (¿quiere decir que nos parece homogéneo porque estamos mirando a una zona muy pequeña del universo total?, SI!, bienvenido Multiverso**)

Las pequeñas inhomogeneidades encontradas en la radiación de fondo cósmico que sobrevivieron a este gran zoom (distintos colores en Fig. 1) que supone el periodo inflacionario son aún más sorprendentes. Como ya discutimos en este post anterior, las leyes de la mecánica cuántica (MC) gobiernan los sistemas que son muy pequeños. Una característica particular de la MC es que el vacío (que, fuera de divagaciones filosóficas, definimos como un estado con total ausencia de partículas) se encuentra en constante ebullición, creando y destruyendo partículas. En promedio es un estado realmente vacío, pero en cualquier momento posee fluctuaciones. Este vacío fluctuante, sujeto a la expansión por inflación, creó las irregularidades que vemos en el CMB y serían estas irregularidades  las que dieron pie a la creación de galaxias. Esto se entiende de la siguiente forma. Las pequeñas irregularidades en la densidad suponen puntos de aglutinamiento, donde, debido a la gravedad, las cosas se atraen un poco mas fuerte (la gravedad que un objeto crea depende de la densidad de masa de este). Estos puntos de aglutinamiento son las semillas donde las galaxias fueron creadas.

En suma, las fluctuaciones cuánticas sumadas al proceso de inflación dieron origen a las semillas que eventualmente produjeron las galaxias. Si esta idea no te asombra, nada de lo que yo pueda escribir acá lo hará.

Fig.2 Factor de escala (o cuanto crece el universo en tamaño) en función del tiempo después del Big bang [Fuente: Astronomia.net]

Otra pregunta interesante es ¿Cómo podemos conocer el estado del universo antes de la época de recombinación? Debido a que los fotones no podían viajar antes de este periodo, cualquier observación convencional no nos entrega ninguna pista acerca del periodo de pre-recombinacion. Por supuesto, eso no detuvo a los físicos en su búsqueda de respuestas, quienes encontraron una forma alternativa de obtener dicha  información, esto es, a través del análisis de la forma en que la luz se propaga o polarización*** en la radiación de fondo.

Esta polarización se ve influenciada por los cambios en el espacio tiempo, cambios que datan del periodo pre-recombinación, y que se manifiestan como ondas gravitacionales****. Estas ondas gravitacionales perturban la polarizarion del CMB, y es esta perturbación la que fue analizada por el equipo de BICEPS2. En ella se encontraron rastros que pueden ser atribuidos al periodo inflacionario. Si los datos son comprobados por otros experimentos independientes, estaríamos ante un descubrimiento que nos permitiría comenzar a entender los inicios mismos del tiempo y el espacio, y por consiguiente, de nosotros mismos.

Celebramos este gran hallazgo, triunfo de la curiosidad humana.

Si quedaste con ganas de mas detalles, no dudes en preguntar.
Tambien puedes visitar los siguientes links con una muy buena explicación.

En español:
http://conexioncausal.wordpress.com/2014/03/17/descubrimiento-de-modos-b-en-la-polarizacion-del-cmb/

http://cuentos-cuanticos.com/2014/03/18/el-universo-saca-bicep2/


En Ingles [mas técnicos]

http://www.preposterousuniverse.com/blog/2014/03/16/bicep2-updates/

http://profmattstrassler.com/2014/03/18/if-its-holds-up-what-might-bicep2s-discovery-mean/

Algunos videos [En Ingles]
Inflation & the Universe in a Grapefruit - Sixty Symbols 

Evidence of cosmic inflation expands universe understanding

* Algunos nombres notables en el desarrollo de la idea de Inflacion son: Alan Guth, Andrei Linde, Alexei Starobinsky, Paul J. Steinhardt.

**Multiverso es la idea que es consecuencia directa de Inflación. Imaginemos un universo con dos caracteristicas opuestas, para simplificar, imaginemos un universo compuesto por los colores rojo y azul. Luego de Inflación, el universo de color rojo queda causalmente desconectado del universo de color azul (no se pueden enviar señales porque estan separados por mucha distancia). Alguien viviendo dentro del universo azul pensará que el universo es azul y no hay otro tipo de universo. Al conjunto de distintos universos se le llama Multiverso.

***Polarización es una propiedad de las ondas electromagnéticas (luz), asociada con la forma en que esta se propaga. Un filtro de polarización es un instrumento que permite el paso de una polarización especifica (ver figura)

Representación de la propagación de una onda, (en rojo). Un conjunto de ondas con distintas polarizaciones, al pasar por un polarizador, es filtrada, sobreviviendo solo la polarización asociada al filtro (el filtro es representado por la rejilla negra en el centro de la imagen)

**** Ondas Gravitacionales: Como el agua, que al distorsionarse actúa como medio donde ondas de presión se propagan, el espacio-tiempo también puede ser distorsionado, en cuyo caso la distorsión se propaga como ondas de gravedad, que perturban en espacio-tiempo a su paso.

Sobre un pequeño motor que sustenta la vida

Cuando una corriente eléctrica pone a girar una turbina, o un poco de gasolina explota y produce movimiento en el pistón de un motor,  estamos frente a un fenómeno sorprendente. Es el paso de una forma de energía que está completamente oculta de nuestros sentidos a un estado que permite el movimiento de objetos tan  cotidianos como un ventilador o  el  autobús.  Un ejemplo más cercano nos sucede diariamente cuando utilizamos la energía química almacenada en los alimentos para mantener latiendo nuestro corazón, respirando a nuestros pulmones, o pensando a nuestro cerebro. Todos habremos escuchado que un desayuno rico en carbohidratos es bueno para comenzar el día con energía y  que si queremos bajar de peso necesitamos hacer mayor actividad física para “quemar” grasa. Visto de esta manera, el cuerpo humano aparece como una gran máquina que necesita combustible para funcionar. Pero si somos como una máquina y el alimento es nuestro combustible ¿Dónde están  nuestras turbinas? Martin Karplus, premio Nobel de química de este año, ha trabajado en la comprensión de este fenómeno, siguiendo la línea de los pioneros John Walker  y Paul Boyer quienes lo obtuvieron el año 1997. En este artículo, entenderemos como un motor molecular contribuye a utilizar la energía que proviene de nuestros alimentos.

Cada vez que las células de nuestro cuerpo orquestan algún tipo de movimiento, muchas procesos moleculares suceden, pero todos ellos tienen en  común la necesidad de ATP  o adenosin trifosfato.  La disponibilidad de ATP dentro de la célula es esencial y  cuando éste  se acaba equivale a quedarse “sin combustible”, produciéndose la muerte celular. En todo nuestro cuerpo hay en total alrededor de 50 gramos de ATP, pero se está constantemente produciendo y gastando a un ritmo extremadamente alto. Tan alto que en un solo día nuestro cuerpo reutiliza tantas moléculas de ATP que si las pesáramos equivaldrían a cerca de ¡180 kg! Por ello, buena parte de los alimentos que ingerimos se utilizan para aportar la energía que permita sostener una adecuada cantidad de ATP dentro de las células. De hecho, el llamado “rigor mortis” de los cuerpos después de la muerte se explica porque los músculos no pueden relajarse si carecen de ATP.

      Para entender porqué el ATP es importante debemos mirar su naturaleza química. Es una molécula que posee tres grupos fosfato (P), de carga negativa, donde el último de ellos resulta fácil de transferir y enlazar a otras estructuras ( figura 1). Por otro lado, el ATP es fácilmente hidrolizable lo que quiere decir que un grupo fosfato  se libera y el  ATP se transforma en ADP (Adenosin difosfato) más un grupo fosfato libre (Pi) y energía. Muchas reacciones fundamentales de la célula necesitan acoplarse a esta hidrólisis para utilizar esta energía ya que de otro modo no podrían suceder.  Cuando hablamos de enlazar o transferir grupos fosfato a una estructura celular es fundamental tener en cuenta que son moléculas cargadas eléctricamente. Si recordamos la simple regla de que cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen, entenderemos por qué no da lo mismo que un grupo fosfato esté o no esté presente.

Figura 1. Nucleótidos de  Adenosina. El ATP posee tres grupos fosfatos (P) enlazados que se unen a la Adenosina. El primero de ellos resulta muy fácil de transferir o hidrolizar, formando ADP. Fuente: Google Images (modificada)

Por ejemplo, imaginemos que para poder mantener abierto un ascensor “pegáramos” dos grupos fosfato en cada puerta de modo que al acercarse se repelan eléctricamente, entonces las puertas no se cerrarán y el movimiento será en sentido opuesto (figura 2).  A nivel molecular, este mismo tipo de regulación mediante grupos fosfatos sucede fundamentalmente en las proteínas. Las proteínas son cadenas largas de aminoácidos, unidos como las cuentas de un collar, que adquieren  estructura tridimensional y flexible (como una madeja de lana, figura 3) Muchos de estos aminoácidos poseen cargas eléctricas, de manera que la presencia o ausencia de grupos fosfato puede cambiar radicalmente su estructura por atracción o repulsión de cargas. Este proceso de transferencia de fosfatos es el que explica una amplia gama de acciones que van desde el desplazamiento de una pequeña ameba, la apertura de un canal iónico, o la contracción muscular que nos permite levantar un brazo.

Figura 2. Ejemplo del ascensor. Cuando las puertas no están unidas a un grupo fosfato pueden cerrarse.  La unión de un grupo fosfato (o fosforilación) impide el cierre de las puertas moviéndolas en dirección opuesta por la  repulsión de cargas del mismo signo.

Figura 3. Estructura tridimensional de la  proteína estrella de este artículo:  ATP sintetasa  o 
Bomba de ATP impulsada por protones.  Se destaca el sitio de giro o rotor, las zonas de unión de ADP (adenosin difosfato) y Pi (fósforo inorgánico) para formar ATP y el canal  (a) por donde fluyen los protones (H+). Fuente: Gao, Y.Q., Yang, W., and Karplus, M. (2005). A structure-based model for the synthesis and hydrolysis of ATP by F1-ATPase. Cell 123, 195-205. http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(05)01024-X

Ya dijimos que pasar de ATP a ADP es relativamente sencillo, pero una vez que aquello sucede la energía química ya se ha consumido y para seguir funcionando debemos generar nuevamente ATP. Lograr esto no es gratis, pues debemos invertir energía para reunir nuevamente los tres fosfatos en la misma molécula. Entonces ¿Cuál es la fuente  de esta energía? Y  ¿Cómo es posible sintetizar ATP?

Para simplificar la serie de reacciones previas a la síntesis de ATP, veamos sólo dos ecuaciones que describen procesos muy similares que ocurren fuera y dentro de los seres vivos. La primera ecuación muestra la oxidación de un combustible (metano), dando paso a dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) más energía (figura 4). La oxidación química, en simple, consiste agregar o enlazar oxígenos a una determinada sustancia. Esto es lo que hacemos, por ejemplo, cuando freímos tocino, aprovechando la reacción del gas con el oxígeno del aire para producir fuego y calor en los quemadores. La siguiente ecuación muestra la reacción de oxidación de la glucosa, un proceso que también se conoce como “respiración celular”. La glucosa es un carbohidrato que constituye la fuente más directa de energía de nuestras células. Podemos notar que en ambas reacciones los productos son idénticos, con la diferencia de que en nuestro cuerpo la energía que se produce genera ATP.  Vemos que la misma energía que hay en el universo  termina siguiendo distintos caminos, ya sea en la forma de calor en la leña de una fogata o entregando movimiento a nuestro cuerpo gracias a los carbohidratos que consumimos. En este sentido, no es una locura cuando hablamos de “quemar” grasa mediante la actividad física. Pero si la glucosa entrega energía mediante su oxidación ¿quién es el responsable directo de la formación de ATP?

Figura 4. Ecuaciones químicas de la combustión del metano y los procesos metabólicos que realiza la célula para obtener energía a partir de glucosa. En ambos casos se parte desde compuestos orgánicos que se oxidan para producir energía, dióxido de carbono y agua. En la célula esa energía se utiliza mediante ATP. Fuente: Google images (modificada)

En los seres vivos, encontramos a lo menos tres formas distintas de sintetizar ATP. En esta ocasión nos centraremos en una que es llamativa por su eficiencia y  similitud con máquinas que nos son muy familiares. Se trata de una proteína muy especial llamada bomba de ATP impulsada por protones o ATP sintetasa, el cual es un motor molecular. Esta bomba es muy similar a una rueda que aprovecha el flujo de agua de un rio para poder girar. En este caso el “flujo de agua” lo forman pequeños átomos de hidrógeno con carga positiva llamados protones (H+), los cuales se acumulan en gran cantidad dentro de la membrana interna de un organelo llamado mitocondria. Esta acumulación utiliza la energía que proviene del proceso de oxidación de la glucosa que  mencionamos más arriba. Luego de acumularse, los protones tienden a escapar (pues al tener la misma carga se repelen) y ésta salida es aprovechada por la bomba para poder girar y juntar el ADP con un grupo fosfato libre (Pi), formando ATP. Cada giro del rotor de la bomba requiere el paso de unos nueve protones, esto sucede rotando a cerca de 200 revoluciones por minuto, tiempo en el que se producen alrededor de 600 moléculas de ATP. El siguiente link contiene imágenes muy ilustrativas de este proceso http://www.mrc-mbu.cam.ac.uk/research/atp-synthase Posteriormente, nuevos ciclos de consumo de glucosa van entregar la energía suficiente para devolver los protones que migraron, acumularlos y seguir sintetizando ATP.

     Otra característica de esta máquina es que su eje de rotación es sencillamente espectacular, produciendo un roce estructural muy bajo que casi no desperdicia energía útil en forma de calor. Por ello, está muy cerca de ser una “máquina ideal”. Nadie ha logrado hacer semejante máquina termodinámicamente perfecta,  excepto Lisa Simpson https://www.youtube.com/watch?v=tQ9o5Fvrw_8

Figura 5. Síntesis de ATP en la membrana interna de la mitocondria. La acumulación de protones en esta cavidad permite que luego salgan "disparados" hacia el exterior, haciendo rotar el eje de la bomba de protones para que pueda formar ATP a partir de ADP y un fosfato libre (Pi). Fuente: Google images, (modificada)