Los resultados de las observaciones del telescopio espacial Planck

El 21 de marzo de 2013 se publicaban los datos observacionales del fondo cósmico de microondas realizados por el telescopio espacial Planck. Las observaciones realizadas tienen una precisión sin precedentes en la medición de las características del fondo de microondas. La información que se puede obtener de esta radiación está íntimamente relacionada con la forma y el modo de evolucionar que tiene el universo, por lo que el análisis de esas observaciones proporcionan información sobre la naturaleza misma del universo, es decir, su pasado, presente y futuro.

Mapa de cielo completo del fondo cósmico de microondas realizado por Planck

Mapa de cielo completo del fondo cósmico de microondas realizado por Planck

El fondo cósmico de microondas podemos decir que es un remanente del universo cuando era muy primitivo. Por entonces el universo era todo un plasma protones y electrones, y otras partículas como fotones. Debido a ese plasma de partículas cargadas, los fotones no podían atravesar ese medio, el universo era totalmente opaco. Sin embargo, debido a la expansión del universo, en un momento determinado la temperatura bajó lo suficiente como para permitir que los electrones y los protones se combinasen para formar átomos de hidrógeno, que permiten a los fotones moverse libremente por el medio: el universo se hizo transparente. A ese momento se le llama la reionización. Sin embargo por aquel entonces no existía una perfecta homogeneidad, el universo no tenía la misma densidad en todos sus puntos (ni la misma temperatura), al igual que en la actualidad existen zonas del espacio donde hay materia (galaxias) y otras en las que hay vacío, en la etapa de reionización también había zonas con mas densidad que otras, y eso es lo que podemos ver en el fondo cósmico de microondas (de hecho las estructuras galácticas y extragalácticas de la actualidad se han desarrollado por minúsculas perturbaciones de densidad en este período del universo). Observando la señal que nos llega del fondo cósmico podemos ver la distribución de densidades que había por aquel entonces, y esta distribución de densidades depende de algunos parámetros fundamentales como son la cantidad de materia y energía oscura, también de materia ordinaria, y otros parámetros que hacen que el universo pueda tener una forma u otra, y por tanto evolucione de maneras diferentes y con distintas propiedades. Por tanto midiendo la señal del fondo cósmico de microondas podemos determinar, nada más y nada menos, que la composición y forma de evolucionar del universo.

Esquema de evolución del universo

Esquema de evolución del universo

Los resultados de las observaciones del telescopio espacial Planck indican que el modelo cosmológico estándar se cumple con gran exactitud.  El modelo cosmológico estándar afirma que el universo está formado por materia ordinaria, materia oscura fría y energía oscura que provoca una inflación (expansión). Según este modelo y con los datos de Planck, el universo tiene un 69,2 ± 1,0 % de energía oscura, un  25,8 ± 0,4% de materia oscura y un 4,82 ± 0,05 % de materia bariónica (de la que estamos formados nosotros, las estrellas y cualquier cosa que conozcamos). ¿Qué es esa energía y materia oscuras?. Pues hay experimentos que tratan de averiguarlo. Para la materia oscura tenemos indicios de que pueden ser un tipo de partículas, no detectadas (o mejor dicho catalogadas) aun. Y para la energía oscura estamos un poco más perdidos. Se piensa que podría ser una consecuencia de una ley de gravitación que a grandes distancias sea repulsiva, o quizás puede  ser otro tipo de interacción no conocida. Lo que no nos quita que aunque no sepamos que es, si que podamos saber cuanto de eso hay en el universo.

Posibles geometrías del universo

Posibles geometrías del universo

Además de la composición del universo, los datos de Planck también nos permiten conocer la edad y geometría del universo. La edad calculada es de 13798 ± 37 millones de años, un valor muy cercano al establecido anteriormente, y la geometría parece indicar que es plana ΩK= -0,0096 ± 0,0100 (un valor 0 indica universo plano).

fluctuacion_CMB

El tipo de “dato” que toma el satélite es la medición de la temperatura del fondo cósmico de microondas. Debido a que ese fondo se encuentra a una determinada temperatura, la radiación que emite es consecuente con ella, por lo que midiendo las diferencias en las intensidades de esa radiación podemos conocer esas fluctuaciones. Esto se realiza utilizando diferentes “porciones” de cielo, en las que se miden esas diferentes temperaturas. La gráfica anterior representa en el eje x el tamaño angular de la porción de cielo utilizada con las fluctuaciones observadas. Podemos ver que el máximo se encuentra entorno a 1º, y que el ajuste de los datos (en rojo) con el modelo (línea azul) es prácticamente perfecto, demasiado bueno dirían algunos que se dedican a hacer modelos nuevos.

La principal dificultad técnica que tiene esta observación es el saber diferenciar cuando nos está llegando radiación del fondo cósmico de microondas y cuando nos está llegando de otra fuente de radiación, por ejemplo una galaxia. Debido a que no nos encontramos en medio de un vacío, aparte de la emisión del fondo cósmico de microondas nos llegará radiación de otras fuentes, y lo que queremos es poder restar lo que emiten esas fuentes para quedarnos con lo que nos importa, que es el fondo cósmico de microondas. Aquí se puede ver un vídeo en el que se visualiza como se realiza este proceso de restar las contribuciones de las fuentes ajenas para poder quedarnos con lo que queremos.

Sin embargo existen características del fondo observado que no pueden ser explicadas. Las fluctuaciones a grandes tamaños angulares se esperaban más fuertes. Otra es que se encuentra una asimetría entre las temperaturas medias en hemisferios opuestos del cielo, es decir, parece que por un lado el universo es un poquito más caliente que por el otro. Además una pequeña zona del cielo parece tener una menor temperatura. Y si bien estas cuestiones podrían dar lugar a nueva física, en el aspecto de un nuevo modelo cosmológico que explique estas anomalías, también podría darse el caso de que fueran simples fluctuaciones estadísticas consecuentes con el método de observación realizado.

COBE-WMAP-PLANCK

El telescopio espacial Planck ha sido el último en medir el fondo cósmico de microondas, sin embargo no es el primero. Otras observaciones se realizaron con este fin, siendo el primero el satélite COBE, que permitió estudiar el fondo cósmico de microondas por primera vez en detalle, obteniendo un mapa del cielo con la radiación emitida por el fondo. Después se lanzó el proyecto WMAP que aún hoy sigue trabajando y tomando observaciones, aunque con una instrumentación que tiene un menor grado de precisión que el telescopio espacial Planck. La imagen anterior muestra el nivel de detalle que tienen los intrumentos de cada proyecto.

Las observaciones de Planck no terminan con este estudio publicado, aún faltan cierto tipo de datos (polarización del fondo) que no se han publicado. Además durante los próximos años se seguirán tomando datos y los rangos de error pueden volver a acotarse, las fluctuaciones estadísticas podrían desaparecer, y en general, las precisiones de nuestros modelos se van a poner a prueba para comprobar que el universo es como pensamos que es.

Mucha gente suele decir y comentar que es imposible que nosotros los humanos podamos llegar a conocer como es y como funciona todo el universo. Bueno, creo que estos resultados son un buen comienzo para poder pensar en lo contrario.

[Post-edición 25 de marzo: Para más detalles técnicos recomiendo la entrada “Los datos del telescopio espacial Planck de la ESA sobre el fondo cósmico de microondas” en el blog de la Ciencia de la Mula Francis]

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