La radiación de fondo y la imagen obtenida por Planck

Las noticias esta vez llegan desde el cielo (literalmente). El satélite Planck ha proporcionado su primera imagen completa del cielo. Para comprender la importancia de esta misión veamos qué se está midiendo.

historia del universo

La teoría big bang nos dice que el universo comenzó con una gran explosión donde tiempo, espacio y todas las partículas fundamentales (además de sus correspondientes antipartículas) se originaron. Debido a las altas temperaturas en los primeros momentos después del big bang, el universo era una sopa caliente de partículas cargadas (plasma) en la cual las partículas de luz (los fotones) interactuaban constantemente con este plasma por lo que el universo era opaco. Este estado se mantuvo durante los primeros 380.000 años del universo.
Al expandirse, el universo se enfrió permitiendo que protones y electrones se unieron para formar los primeros átomos correspondiente a materia neutra (ya que los átomos tienen igual número de carga positiva y negativa). Esto permitió que los fotones puediran propagarse libremente sin interactuar con las partículas cargadas que ahora formaban sistemas neutros (los átomos). Los físicos llaman desacoplamiento a esta separación entre materia y luz. Los fotones emitidos en el desacoplamiento son los que hoy nos llegan en forma de microondas y se denomina radiación de fondo de microondas o CMB (cosmic microwave background). La importancia del CMB radica en que corresponde a luz emitida en la etapa más temprana del universo a la que tenemos acceso ya que antes del desacoplamiento el universo era opaco. Es importante destacar que acá estamos haciendo uso de la palabra luz en forma genérica para referirnos a los fotones de microondas cuya frecuencia es mucho más baja que la luz visible.

Wilson y Penzias

El CMB fue predicho en 1948 por George Gamow, Ralph Alpher, y Robert Herman como una distribución homogénea de radiación la cual debería medirse desde cualquier dirección del cielo. En 1964, Arno Penzias y Robert Wilson, dos astrónomos de Laboratorios Bell, se encontraban probando una vieja antena de microondas que antes se usaba como receptor satelital y se encotraron con un problema: la antena detectaba un ruido de fondo en todas direcciones. Descartaron todas las posibles fuentes de este ruido, notaron que aparecía sin importar dónde se apuntara la antena, midieron el ruido a lo largo del año sin notar variaciones. Finalmente concluyeron que el ruido estaba presente en todo el cielo lo que correspondía a una verificación de la predicción de Gamow, Alpher y Herman: la señal molesta detectada por Penzias y Wilson era nada menos que el eco del big bang. Por este descubrimiento Penzias y Wilson compartieron el Premio Nobel de Física en 1978. La observación del CMB corresponde a uno de los mayores éxitos de la teoría del big bang.

Inhomogeneidades

El CMB se encuentra distribuido por todo el universo y dado que corresponde a los primeros fotones emitidos luego del desacoplamiento, dichos fotones contienen información acerca del estado de universo en esas etapas tempranas. Una de las características más importantes del CMB es que no es perfecto, es decir, contiene pequeñas irregularidades que indican que en ciertas regiones del universo había más materia que en otras. Dichas inhomogeneidades fueron cruciales para la evolución de lo que observamos como galaxias y grupos de galaxias ya que pequeñas concentraciones de materia atrajeron gravitacionalmente más materia formando las primeras estructuras del entonces joven universo.

inhomogeneidades en el CMB observadas por COBE

Dada la energía de los fotones del CMB, los físicos pueden determinar la temperatura del universo. Penzias y Wilson encontraron que la temperatura actual del universo es de 2.73 K (unos -270°C). Las inhomogeneidades del CMB pueden ser medidas como variaciones de temperatura en diferentes direcciones del cielo, para ello se requieren instrumentos más sensibles que la vieja antena de Penzias y Wilson. Esto fue posible recién a principios de 1990, luego que el satélite COBE fue lanzado al espacio. COBE obtuvo el primer mapa detallado del cielo midiendo con alta precisión las inhomogeneidades del CMB, las que resultaron ser muy débiles pero bien descritas por la teoría. También permitió medir la forma en que se distribuye la radiación verificando la predicción de la teoría del big bang. Los científicos que lideraron COBE, John Mather y George Smoot recibieron en 2006 el Premio Nobel de Física.

inhomogeneidades en el CMB observadas por WMAP

En 2001, luego del éxito de COBE un nuevo satélite para medir el CMB llamado WMAP fue lanzado, diseñado especialmente para estudiar las inhomogeneidades del CMB. Esta vez la precisión lograda fue mucho más alta y muchas características invisibles para COBE fueron medidas por WMAP. Dichas características han servido para determinar parámetros fundamentales de la evolución cosmológica, como la cantidad de materia oscura y energía oscura, así como también determinó con precisión la edad del universo (13.000 millones de años). En mayo de 2009, la agencia espacial europea lanzó Planck, un nuevo satélite que se espera mida con mayor precisión las propiedades del CMB. Planck fue diseñado para hacer observaciones desde ondas infrarojas hasta ondas de radio, lo que permite observar el CMB así como también regiones de formación estelar y polvo que no permite el paso de la luz visible para telescopios ópticos. La primera imagen de todo el cielo visto por Planck fue anunciada esta semana. Este es sólo un resultado preliminar ya que la imagen debe ser procesada para extraer toda su información.

La imagen de Planck

La noticia ha acaparado la atención de los medios, sin embargo una de las cosas que más dudas ha causado en la naturaleza de esta imagen. Se ha dicho que representa todo el universo, lo cual no es correcto ya que debería decir que muestra todo el cielo visible en microondas. También se ha dicho que es la primera imagen de este tipo, lo cual tampoco es correcto ya que COBE y WMAP han proporcionado imágenes similares desde hace más de 15 años, ésta es la primera obtenida por Planck. La zona brillante a lo largo del centro de la imagen es la Vía Láctea, nuestra galaxia, la que aparece porque la imagen ha sido obtenida desde uno de sus brazos (donde se encuentra nuestro sistema solar) y por lo tanto hay toda una región del cielo donde el centro de nuestra galaxia obstruye la línea de visión. La Vía Láctea así como varias otros objetos que aparecen en la imagen deben ser removidos para poder realizar el análisis del CMB (notar que la Vía Láctea ya fue removida en las imágenes de COBE y WMAP mostradas arriba). En la imagen, las zonas azules representan la radiación infraroja, mientras que las zonas más rojizas son las microondas que contienen el CMB.

mapeo de una esfera en un plano

¿Qué hay acerca de la forma de la imagen? De la misma manera que un mapamundi muestra la superficie esférica de la Tierra proyectada en un plano, las imágenes del cielo se obtienen proyectando una esfera en un plano, lo que produce esa forma ovalada. Más detalles y animaciones sobre la forma en que Planck obtiene estas imágenes pueden encontrarse en el sitio oficial de Planck.

La imagen obtenida por Planck tiene mucho contenido científico el cual tomará varios meses para ser extraído, por ahora sólo muestra que el satélite está en perfectas condiciones, lo que tiene a toda la comunidad cosmológica ansiosa de ver los resultados finales, de esta manera seguiremos ampliando nuestro conocimiento acerca del origen del universo.

Imágenes: NASA, ESA

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Acerca de Jorge Diaz

Jorge es físico teórico. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, EEUU y luego trabajó como investigador postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Aunque su especialidad son los neutrinos y la física nuclear, ahora se dedica a Machine Learning en una industria de software. En Twitter: @jsdiaz_
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5 respuestas a La radiación de fondo y la imagen obtenida por Planck

  1. chulini dijo:

    Muy bueno el artículo. :D

    Quería hacerte una consulta. Vi la imagen que dice “Historia del universo” y hay una parte que no entiendo. ¿Por qué hay una “edad oscura”? ¿Qué pasó ahi? http://bit.ly/9uZWtJ

    Saludos!

    • dubó dijo:

      Son los primeros 380 mil años que se mencionan al comienzo del artículo, donde el universo era opaco, no?

      • chulini dijo:

        :O toda la razón. Cuando terminé de leer el artículo se me había olvidado esa parte. O quizás estaba medio dormido. :P

      • Jorge Diaz dijo:

        El universo era opaco antes del desacoplamiento, sin embargo a persar de que en este período los fotones que forman el CMB comienzan su camino libre no todo era luz. Los átomos recién se habían formado por lo cual hubo un período (edad oscura) durante el cual lo átomos de agruparon para formar estructuras que colapsaban debido a la gravedad. Al colapsar se calentaban hasta que en cierto momento comenzaron los procesos de fusión: el nacimiento de las primeras estrellas.

  2. El universo era opaco antes del desacoplamiento, sin embargo a persar de que en este período los fotones que forman el CMB comienzan su camino libre no todo era luz. Los átomos recién se habían formado por lo cual hubo un período (edad oscura) durante el cual lo átomos de agruparon para formar estructuras que colapsaban debido a la gravedad. Al colapsar se calentaban hasta que en cierto momento comenzaron los procesos de fusión: el nacimiento de las primeras estrellas.
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