Hawking y Mukhanov, premiados por descubrir el origen de las galaxias

¿Cómo empezó a acumularse la materia en el universo? A principios de los años ochenta los físicos teóricos Stephen Hawking y Viatcheslav Mukhanov, trabajando de forma independiente, predijeron que fracciones de segundo después de iniciarse la expansión del universo, tuvo que haber fluctuaciones cuánticas que actuaron como semillas de las galaxias. Tres décadas después, en 2013, el satélite europeo Planck lo confirmó experimentalmente.

Ahora los dos investigadores acaban de recibir el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento, en la categoría de Ciencias Básicas, por aquella idea: “descubrir que las galaxias se formaron a partir de perturbaciones cuánticas en el principio del universo”. Su originalidad fue conectar la física cuántica y la cosmología para explicar por qué en el universo hay grandes acumulaciones de materia.

Los dos físicos teóricos conectaron la física cuántica y la cosmología para explicar las acumulaciones de materia en el universo

El físico ruso Mukhanov (Kanash, 1956), actualmente catedrático de Cosmología en la Ludwig-Maximilians Universität de Munich, en Alemania, publicó su trabajo en 1981, cuando aún era un estudiante de doctorado en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú. Allí investigaba bajo la influencia de grandes físicos teóricos, como Yakov Zeldovich, uno de los creadores de la bomba atómica.

“Yo no trabajaba para hacer feliz a los experimentos, trabajaba para hacer feliz a Zeldovich“, dijo ayer Mukhanov en tono de broma, aunque recuerda no obstante el ambiente de gran libertad científica que se respiraba en ese grupo, aún en el régimen de la Unión Soviética. Mukhanov firmó su trabajo con G. Chibisov, fallecido en 2008.

En los años setenta la cosmología era un área “todavía muy especulativa”, señala Mukhanov. Se sabía que el universo está expandiéndose, y que era muy probable que hubiera estado muy caliente en el pasado. Pero no mucho más. Apenas había datos observacionales, lo que contribuía a que no fuera un área muy importante en la Física.

Sin embargo la formación de las galaxias era una de las cuestiones consideradas más relevantes, y también pensaba en ella el físico británico Stephen Hawking (Oxford, 1942). En 1982, empleando modelos distintos a los de Mukhanov y Chibisov, Hawking llegó esencialmente a las mismas conclusiones.

Como explica el acta del jurado, “Stephen Hawking y Viatcheslav Mukhanov propusieron que las fluctuaciones cuánticas microscópicas eran el origen de la estructura observable a gran escala del universo. Este planteamiento, ahora validado por las observaciones, es un resultado fundamental en la cosmología“.

Mukhanov “fue el primero en reconocer que la estructura del universo, incluyendo la formación de las galaxias, podía tener origen cuántico microscópico”, indica el acta. “En 1982, Hawking estudió de manera independiente un escenario para la aceleración cósmica en presencia de fluctuaciones cuánticas, llegando a la misma conclusión“.

"Ni en mis mejores sueños pude imaginar que el satélite Plack confirmaría experimentalmente nuestras predicciones", dice Mukhanov

Por su parte, el trabajo de Hawking en este campo –aunque sea más conocido por sus aportaciones a la física de los agujeros negros–, “puede considerarse el descubrimiento más importante de los confirmados experimentalmente en la unificación de la física teórica fundamental de partículas con la cosmología“.

Las medidas de los satélites, aunque ayudaron a consolidar el modelo del Big Bang, tardaron más de tres décadas en confirmar la teoría de Mukhanov y Hawking. Lo que Mukhanov llamó ayer “la palabra final” la puso el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2013.

La confirmación experimental de la teoría de que las fluctuaciones cuánticas en el universo recién nacido dieron lugar a las galaxias y las demás acumulaciones de materia del universo proviene del estudio de la llamada radiación cósmica de fondo de microondas. Planck midió su temperatura en toda la bóveda celeste con una precisión nunca antes alcanzada –diezmilésimas de grado–, y pudo así detectar regiones donde se producían variaciones ligerísimas de temperatura, relacionadas con pequeñas irregularidades que han quedado en esa radiación desde el comienzo del universo, y con la presencia de materia.

La predicción de Mukhanov y Hawking indicaba que el origen de esas irregularidades se debía a fluctuaciones cuánticas, y calculaba cómo se traducirían a variaciones de temperatura en la radiación de fondo. Sin las fluctuaciones cuánticas no hay manera de explicar las variaciones térmicas medidas por el satélite europeo en la radiación de fondo.

“Planck ha medido con una precisión del 99,999999....%, lo que habíamos predicho […] Hoy Zeldovich sería inmensamente feliz. Ni en mis mejores sueños pude imaginarlo“, concluye emocionado Mukhanov, quien también ha mostrado su satisfacción por recibir el premio junto a Hawking, a quien admira y con quien tiene una muy buena relación.

El jurado de esta categoría ha sido presidido por el catedrático Theodor W. Hänsch de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich y premio Nobel de Física 2005, al que han acompañado otros científicos reconocidos, como Avelino Corma, profesor de investigación en el Instituto de Tecnología Química del CSIC y de la Universidad Politécnica de Valencia, e Ignacio Cirac, director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania).

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