El fondo cósmico de microondas

En 1919, las observaciones del astrónomo inglés Eddington validaron las teorías de Einstein sobre la gravitación. A partir de entonces, la relatividad general fue aceptada como la mejor descripción de la gravedad en grandes escalas cósmicas. Tres años después, físicos Alexandre Friedmann y Georges Lemaître ver el artículo de Dominique Lambert) aplicando esta teoría a modelos de universo homogéneo e isotrópico (muy cerca de la realidad, Lo veremos) han desarrollado escenarios donde, en la mayoría de los casos, El universo se está expandiendo y lo ha sabido, en el pasado, Un estado de la materia extremadamente denso y, por lo tanto, muy cálido. ¿Se han validado estos escenarios? ?

La primera de sus conclusiones (expansión) se verificó a fines de la década de 1920 gracias al trabajo del astrónomo Edwin Hubble, quien midió la velocidad de vuelo de las galaxias. Sin embargo, no fue hasta 1965 que dos ingenieros de laboratorio Bell , Arno Penzias y Robert Wilson, descubrieron accidentalmente evidencia directa del pasado del Universo. Sin saberlo, confirmaron una predicción hecha por el físico George Gamow a mediados de la década de 1950. Reanudando el trabajo de Lemaître y Friedmann, Gamow solicitó un universo, habiendo sido extremadamente denso y cálido en su pasado, debe haber contenido un plasma (un gas donde los electrones se arrancan de los átomos) balance térmico (hoy, debido a la extrema escasez de materia cósmica, estrellas calientes, las nubes de plasma ardientes o las nebulosas heladas coexisten sin que sus temperaturas se equilibren). Tal plasma debía irradiar de acuerdo con una ley conocida como el «cuerpo negro» descrito por el físico Max Planck, es decir que su espectro debe haber tenido una forma característica, Una especie de curva de campana cuya forma y posición del máximo dependen solo de la temperatura del plasma.

Gamow luego explicó que al diluirse bajo el efecto de expansión, el plasma se había enfriado hasta el punto de caer por debajo de su temperatura de ionización y convertirse en gas eléctricamente neutro y transparente (los electrones se unen a los protones). Los astrofísicos llaman a este evento la combinación «re». El gas neutro luego liberó la radiación del cuerpo negro característica de esta temperatura crítica, alrededor de 3.000 Kelvin, y, dado que el Universo se mantuvo transparente a partir de entonces, deberíamos recibirlo en todas las direcciones del cielo.

La expansión cósmica cambió esta radiación a longitudes de onda largas, pero este efecto, dice Doppler, mueve la forma del espectro del cuerpo negro sin cambiarlo. Al final, la expansión solo redujo la temperatura aparente del fondo del cielo a la que Gamow atribuyó un «color» de microondas correspondiente a una temperatura del orden de cinco Kelvin. El descubrimiento de esta radiación y la confirmación de que de hecho es un espectro de cuerpos negros que corresponde a una temperatura de 2.73 Kelvin, según las mediciones más recientes, confirmaron la validez de los modelos Big Bang. El hecho de que esta radiación sea casi idéntica en todas las direcciones confirma que el Universo a gran escala es homogéneo e isotrópico y que la hipótesis planteada inicialmente por Friedmann y Lemaître está cerca de la realidad.

Detalles del universo

Sin embargo, estas líneas generales solo describen la evolución promedio del Universo, sin reflejar la aparición de las estructuras que contiene hoy: galaxias y cúmulos de galaxias. Desde la década de 1930, Lemaître había postulado que estas estructuras eran el resultado del colapso gravitacional de pequeñas fluctuaciones primordiales en la densidad, una hipótesis que el físico ruso Evgeni Lifschitz puso en ecuación en la década de 1950. Estos bultos están sujetos a su propia atracción gravitacional en un Universo en expansión, el gas primordial se habría condensado en «gotas» – protogalaxias y protoamas – similares a los que aparecen cuando una capa de agua se extiende sobre un paño de petróleo está fragmentada. La teoría que describe el surgimiento y la evolución de estas estructuras requiere cálculos complejos de dinámicas no lineales que durante mucho tiempo han sido impracticables, pero que ahora sabemos cómo abordar mediante simulaciones numéricas en supercomputadoras.

Los resultados obtenidos están de acuerdo con las observaciones. El hecho es que las fluctuaciones iniciales de densidad son esenciales para que esta estructuración tenga lugar. Es por eso que, tan pronto como los astrónomos confirmaron que la imagen del plasma primordial tocaba la bóveda celestial, buscaron allí las pequeñas variaciones en la densidad necesarias para la germinación de las galaxias. En 1992, la experiencia dmr a bordo del satélite cobe estadounidense (acrónimo de Cosmic Background Explorer) observó variaciones diminutas en la temperatura del fondo difuso, en unas pocas millonésimas de grados (aproximadamente una parte de 100,000): tales fueron las semillas de las estructuras cósmicas.

Este espectacular resultado impulsó el desarrollo de una nueva rama de la cosmología destinada a mapear estas fluctuaciones con una precisión cada vez mayor y extraer información cada vez más precisa de ellas. Gracias al fondo difuso, los cosmólogos estudian el Universo tal como estaba en su infancia y, por lo tanto, miden sus parámetros fundamentales superando todas las complicaciones que aparecieron más tarde: formación de elementos pesados, nacimiento de estrellas y galaxias, reionización del gas intergaláctico por caliente estrellas, etc. La naturaleza casi homogénea del Universo en ese momento hizo que su modelado fuera muy simple y, sobre todo, «robusto», es decir, proporcionó información a la que se puede depositar una gran confianza, porque dependían poco de los detalles del modelo utilizado.

La observación de las fluctuaciones en el fondo difuso ha impulsado el desarrollo de detectores cada vez más sensibles, detectores que hoy se usan en otros lugares que no sean astronomía, en particular en telecomunicaciones. De 1999 a 2002, los resultados significativos se acumularon a un ritmo acelerado, especialmente gracias al Boomerang, Maxima, dasi (Interferómetro de escala angular de grado o interferómetro a escala angular de un grado) y finalmente vsa (matriz muy pequeña, interferómetro base muy pequeño) . Se obtuvo una medición aún más precisa de la estructura de las fluctuaciones en otoño de 2002 gracias a los datos del experimento Archeops a bordo de un globo. Al mismo tiempo, el experimento cbi (interferómetro con sede en Chile) exploró las anisotropías del fondo difuso en pequeñas escaleras angulares (del orden de unos pocos minutos de arco). Finalmente, todos estos resultados fueron coronados por el satélite estadounidense wmap (para Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), que en 2003 proporcionó mapas de todo el cielo en cinco bandas de frecuencia, que van desde 20 hasta 90 gigahercios. Estos resultados requirieron un año de recopilación de datos. Para evitar la radiación parasitaria del Sol tanto como sea posible, satélite ver Figura 1) gravitar muy lejos de la Tierra alrededor de un punto particular del espacio, llamado Lagrange punto número 2 (Un punto de Lagrange es una posición de espacio donde se equilibra la gravedad de dos cuerpos) ubicado en el eje Tierra-Sol a aproximadamente un millón de kilómetros de nuestro planeta. En esta órbita distante, el satélite gira constantemente «de regreso» al Sol y escapa del entorno magnético perturbado de nuestro planeta.

El espectro de potencia

Todos estos experimentos trajeron resultados convergentes y contribuyeron a alterar nuestros modelos de Universo al mostrar la apariencia de un pico en lo que los astrofísicos llaman el espectro de poder de las fluctuaciones en el fondo difuso. De que se trata ?

Los astrofísicos se utilizan para presentar anisotropías del fondo cosmológico en forma de mapas (ver Figura 2) , pero también bajo el más abstracto de un espectro de potencia (ver Figura 4. Considere el mapa inferior difuso como una superposición de ondas de diferente amplitud y tamaño. El espectro de potencia consiste en una descomposición del fondo difuso en fluctuaciones elementales, análogas a los armónicos de un sonido. El espectro de potencia muestra la amplitud de las variaciones de temperatura en función de su diámetro aparente en la bóveda celeste. Entonces, por ejemplo, El hecho de que lo distinguimos, con una simple mirada, heterogeneidades con un diámetro de aproximadamente un grado (aproximadamente el doble del diámetro aparente de la luna) rociado en todo el mapa inferior difuso, traduce, en el espectro de potencia, por la presencia de un pico muy marcado en la escala angular de un grado. Algunas mediciones revelaron otros picos en escalas angulares más pequeñas.

Estos picos se interpretan como el efecto de las oscilaciones, llamadas acústicas, de las fluctuaciones de densidad plasmática bajo la acción combinada de las fuerzas gravitacionales y de presión. El fondo de radiación cosmológica nos proporciona la imagen de este plasma oscilante como estaba en el momento de la recombinación, 380,000 años después del Big Bang.

La interpretación completa del espectro de potencia requiere fijar una docena de cantidades, por ejemplo, la edad del Universo, la constante del Hubble, la densidad total de materia y energía, la proporción de materia ordinaria … ¿No es esta interpretación arriesgada si depende de tantos parámetros independientes? ? No, porque hay muy pocas combinaciones de parámetros compatibles con todas las mediciones más recientes y que reproducen la curva del espectro de potencia. Por lo tanto, los cosmólogos pueden estar de acuerdo con un gran grado de confianza en un nuevo modelo para el Universo.

Además de la temperatura de fondo difusa y las fluctuaciones de esta temperatura, los cosmólogos también buscan medir la polarización de estas ondas. De hecho, en 1968, el astrofísico Martin Rees predijo que una pequeña fracción de la radiación cosmológica debería polarizarse, es decir, compuesta de ondas electromagnéticas que oscilan en un plano fijo. Cuando una partícula cargada, un electrón del plasma primordial, por ejemplo, recibe una onda de luz proveniente de una dirección dada, la radiación que difunde no está polarizada globalmente. Por otro lado, la fracción de esta radiación que se emite hacia un observador dado está polarizada en la dirección perpendicular tanto a la línea de visión como a la dirección de la onda incidente en el electrón (ver Figura 3). En el plasma primordial, dicho electrón recibió luz de todas las direcciones, ondas cuya fracción difundida hacia la Tierra consistió en radiación ligeramente polarizada, pero cada una en una dirección independiente. Por lo tanto, si la radiación incidente en el electrón era perfectamente isotrópica en el momento de la recombinación, la radiación total difundida en nuestra dirección no debería mostrar ninguna dirección privilegiada … Sin embargo, como hemos visto, el fondo de la radiación cosmológica no es perfectamente isotrópico. Por lo tanto, debe quedar un ligero exceso de polarización en cada punto de la superficie de la última difusión y el mapa de estas fluctuaciones de polarización debe superponerse aproximadamente a las fluctuaciones de temperatura.

Regionalización

La mayor parte de la polarización del fondo difuso se generó durante la recombinación, en la superficie de la última difusión. Posteriormente, siendo neutral el gas intergaláctico, ya no interactuaba con los fotones del fondo difuso. Sin embargo, los astrofísicos saben que cuando aparecieron las primeras estrellas y los núcleos activos de las galaxias «encendieron», su radiación ultravioleta y x ionizaron una fracción significativa del gas intergaláctico durante un período llamado regionalización. Este plasma imprimió una polarización adicional en los fotones de fondo difusos. Esta polarización es detectable en el cielo a grandes escalas angulares y es más intensa de lo esperado, lo que indica que las primeras estrellas que probablemente ionicen la materia cósmica aparecieron antes de lo que se pensaba anteriormente. Las simulaciones digitales basadas en ingredientes cósmicos reconocidos (materia oscura fría, energía oscura y una pizca de bariones) producirán estrellas tan rápido como el Universo parece haberlo hecho ? Tendrá que ser revisado.

Entre los proyectos específicos de medición de polarización, el satélite Planck, misión de la Agencia Espacial Europea, abandonará la Tierra en 2007. Estas misiones tienen como objetivo refinar la determinación precisa de los ingredientes básicos del cosmos, los parámetros cosmológicos, para dilucidar los mecanismos y la datación de las principales etapas de su estructuración. Además, y este es sin duda el más importante, siempre verifican mejor la consistencia del modelo cosmológico.

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