¿Es posible asomarse a los primeros instantes del universo, menos de un segundo después de su origen? Daniel G. Figueroa indaga sobre esta posibilidad usando las ondas gravitacionales como ventana para observar esa fracción de segundo después del origen del universo. Estas ondas son 'perturbaciones' del espacio-tiempo predichas por Einstein hace más de 100 años, pero detectadas por primera vez en 2015. El investigador se incorpora al Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) con un contrato Ramón y Cajal para estudiar las propiedades de estas ondas primigenias, así como para determinar las posibilidades de medirlas con LISA, el futuro satélite de la ESA diseñado para medir ondas gravitacionales en el espacio.

A diferencia de las ondas gravitacionales detectadas recientemente por LIGO y Virgo, cuyo origen está en procesos astrofísicos extremos como la colisión de agujeros negros, las que busca Figueroa se originaron en los primeros instantes del universo, durante el proceso de inflación cósmica o justo después del mismo. La inflación constituye un período dramático en la historia de nuestro universo durante el cual el espacio se expandió exponencialmente durante una fracción infinitesimal de tiempo: dos puntos separados entre sí por un centímetro se distanciaron hasta 10²⁸ centímetros en menos de 10^-36 segundos.

Después de este periodo se produjeron múltiples fenómenos. Uno de ellos se conoce como ‘recalentamiento’ del universo, donde la gran energía responsable de la inflación (mucho mayor que la que se podrá alcanzar jamás en un acelerador de partículas) se transformó en partículas elementales, incluyendo probablemente el bosón de Higss del Modelo Estándar. Esta creación de partículas a partir de la energía inflacionaria es, de hecho, altamente explosiva, lo que da lugar a su vez a la creación de ondas gravitacionales. 

Una fracción de segundo después del origen del universo

Precisamente en el estudio del recalentamiento posinflacionario y la creación de radiación gravitatoria primigenia hizo su tesis Daniel G. Figueroa en el Instituto de Física Teórica (IFT, UAM-CSIC). Tras doctorarse en 2010, realizó estancias postdoctorales en las universidades de Helsinki y Ginebra, así como en el Departamento de Física Teórica del CERN y de la Escuela Politécnica Federal (EPFL) de Lausana, donde siguió investigando la producción de ondas gravitacionales primordiales, extendiendo su estudio al propio proceso inflacionario y a otros procesos posteriores al recalentamiento del universo, como transiciones de fase térmicas (en la imagen, formación de cuerdas cósmicas al final de inflación, adaptada de Phys.Rev. D82 (2010) 083518) o la producción de defectos topológicos como las cuerdas cósmicas.

Figueroa investiga, en particular, cómo los anteriores fenómenos, transcurridos todos ellos en los albores del origen del universo, crean un distribución continua de ondas gravitacionales que permea todo el universo. Estos campos de radiación gravitatoria son de naturaleza estocástica (solo se pueden describir estadísticamente) y formarían un fondo que estaría presente por todo el cosmos, similar a la radiación de fondo de microondas (CMB), la primera ‘luz’ del Universo. Sin embargo, mientras que la radiación electromagnética del CMB supone una fotografía de cuando el universo tenía 400.000 años de antigüedad, un fondo estocástico de ondas gravitacionales remitiría justo a una fracción de segundo después del origen del universo.

La investigación en ondas gravitacionales vivió una revolución con las primeras detecciones directas por el observatorio LIGO (en EE.UU.), al que se unió posteriormente Virgo (en Italia). Si se pueden detectar ondas gravitacionales de origen astrofísico, ¿por qué no buscar las originadas por la inflación cósmica y los fenómenos post-inflacionarios de altas energías que siguieron después? Figueroa trabaja en la colaboración LISA, la misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) para crear un observatorio de ondas gravitacionales en el espacio. Tras el éxito del LISA Pathfinder, satélite que comprobó la viabilidad de la tecnología, la ESA ha aprobado ya oficialmente el despegue de LISA en 2034.

Potencial de LISA para detectar fenómenos del universo primigenio

Figueroa ha coordinado varios grupos de trabajo en LISA sobre cómo serían estos fondos estocásticos de ondas gravitacionales y cómo se podrían detectar. A diferencia de las de origen astrofísico, estas ondas no producirían un pulso sino un ruido continuo y con idénticas propiedades estadísticas en cada parte del espacio. Además, el investigador del IFIC destaca el potencial de LISA para detectar varios fenómenos, tanto los relacionados con la inflación cósmica como con las transiciones de fase o la dinámica de ‘cuerdas cósmicas’.

“Elegí venir al IFIC a desarrollar mi labor como investigador Ramón y Cajal porque es un centro español puntero en física teórica. Además, tiene una importante parte experimental, lo que seguro que me aportará cosas nuevas a mi investigación”, destaca Daniel G. Figueroa. Además de colaborar con los grupos de física teórica del IFIC que trabajan en física de astropartículas y de altas energías, el investigador podrá entrar en contacto con el grupo de la Universitat de València que trabaja en Virgo.

Para saber más:

"Cosmological Backgrounds of Gravitational Waves", C. Caprini and Daniel G. Figueroa, Class.Quant.Grav. 35 (2018) no.16, 163001. e-Print: arXiv:1801.04268