12/May/09

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Planck: el futuro de sondear el pasado

Estamos en posición de espiar más atrás en el tiempo que nunca antes. La próxima semana, explotará en el espacio el mayor experimento en casi una década de cosmología. El satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea, nos permitirá averiguar exactamente qué pasó fracciones de segundo después del Big Bang, cuando se cree que el universo explotó desde una mota de espacio-tiempo hasta proporciones cósmicas

El satélite Planck nos permitirá
averiguar que pasó exactamente fracciones de
segundo después del Big Bang.

La sonda, que está alimentada y lista para su lanzamiento en la Guyana Francesa, examinará en exquisito detalle el fondo cósmico de microondas (CMB, del inglés Cosmic Microwave Background), la radiación vestigial del Big Bang.

Es "como un instrumento quirúrgico", dice Andrei Linde de la Stanford University.

El CMB se hizo evidente cuando el universo tenía aproximadamente 380.000 años. El cosmos en expansión se había enfriado lo suficiente para que los electrones libres y los núcleos se combinaran para formar átomos neutros, principalmente hidrógeno. Los fotones, que hasta entonces habían sido esparcidos continuamente por los electrones libres, de repente fueron capaces de huir liberados, y esta radiación —estirada a longitudes de microondas por la expansión del universo desde entonces— forma el CMB. Está a nuestro alrededor, y constituye aproximadamente el 1% del "ruido" en las pantallas analógicas de la TV.

Los radiotelescopios han estudiado el CMB desde que fue descubierto en 1965, y quizás el más prominente en los últimos años sea el Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA (WMAP), que fue lanzado en 2001 y todavía está recogiendo datos. WMAP ha medido variaciones en la temperatura del CMB tan pequeñas como algunos microkelvin. Se cree que estas llamadas anisotropías son debidas a la inflación, un proceso que se piensa ha ocurrido apenas 10^-34 de segundo después del Big Bang, durante el cual una mota de aproximadamente 10^-20 veces el tamaño de un protón se expandió a un tamaño increíble en un instante.

AFINANDO:
Desde el descubrimiento en 1965 de que los vestigios de la
radiación del Big Bang impregna el universo, los satélites han logrado
una imagen más clara de las variaciones de su temperatura. Ampliar

Durante la inflación, las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo fueron extendidas a escalas cosmológicas: en la época en que el CMB fue revelado, estas fluctuaciones habían conducido a variaciones en la distribución de la materia a través del universo. Las regiones más densas del universo producían fotones de CMB ligeramente más fríos que el promedio, y viceversa.

Planck creará el mapa más ajustado posible de las anisotropías de todo el CMB, y posiblemente proporcionará la palabra final en su distribución. "Es la excusa del Everest, vamos a lograr todo porque está ahí", dice Andrew Jaffe, cosmólogo del Imperial College London.

Al medir estas diferencias de temperatura con exactitud, los cosmólogos pueden calcular parámetros tales como la curvatura del espacio-tiempo y la contribución de la energía oscura, de la materia oscura y la materia normal a la distribución de la masa y la energía en el universo. Planck reducirá las incertidumbres en los valores de estos parámetros a menos del 1%. "En términos de la información que está disponible para hacer cosmología, Planck es unas 15 veces mejor que WMAP", dice Jan Tauber, científico de proyecto de Planck en las oficinas de ESA en Noordwijk, Países Bajos.

Las anisotropías solas no son consideradas pruebas de que la inflación ocurrió, pero Planck podría proporcionar la "prueba fehaciente": la detección de una señal de ondas gravitatorias, ondas en el espacio-tiempo que según la predicción fueron causadas por la inflación. Cuando el CMB fue revelado, estas ondas habrían estirado el espacio-tiempo en algunas partes y aplastado en otras. Esto habría polarizado el llamado "modo B" de los fotones del CMB —un aspecto de sus propiedades electromagnéticas— en un patrón muy específico. Planck ha sido diseñado para descubrirlo (vea "Buscando atrás señales de inflación"). "Existe la posibilidad de que esté en un nivel donde podamos detectarlo", dice Tauber.

Si Planck ve esta señal, no sólo revelará que la inflación ocurrió en realidad, sino que también ayudará a responder otras preguntas claves. ¿Exactamente cuándo comenzó la inflación? ¿Cuánto tiempo duró?

Los cosmólogos también quieren saber la "escala de energía", o la densidad de energía, del universo durante la inflación. Cuanto más alta sea la escala de energía, más grande será la amplitud de las ondas gravitatorias, y más fuerte será la polarización en modo B de los fotones del CMB. Si Planck ve esta polarización, significa que las ondas habrían sido relativamente poderosas y que la escala de energía durante la inflación habría sido alta.

"Si Planck descubre ondas gravitatorias, pondrá en primera plana todos estos modelos [de alta-energía]", dice Linde. También desea que Planck demuestre o refute las problemáticas observaciones de WMAP (lea "Eje del mal y otros horrores").

También existe la tentadora posibilidad de que Planck proporcione el soporte a algunas situaciones que involucran a la teoría de cuerdas. La teoría argumenta que nuestro universo es sólo uno de 10⁵⁰⁰ universos que hacen el "multiverso". Cuando se combina la inflación con la teoría de cuerdas, los modelos más simples predicen que la curvatura de nuestro universo, en lugar de ser completamente plana, será siempre ligeramente curva. Planck percibirá la curvatura del espacio-tiempo con la suficiente precisión para respaldar o descartar tales ideas.

Muchos estarán observando nerviosos cuando se lance Planck el 14 de mayo, camino a una órbita solar. Debido a su alto precio, es improbable que la misión sea reconstruida si algo sale mal. Pero si todo va bien, a un año de ahora Planck habrá amasado 300 mil millones de mediciones del cielo, mientras que WMAP habría acumulado 200 mil millones en nueve años. Como una vez dijo George Smoot, que ganó el premio Nobel en 2006 por su trabajo sobre uno de los predecesores de la sonda, el satélite COBE: "Planck es el futuro de sondear el pasado".

"Eje del mal" y otros horrores

Por todo lo que ha hecho para la cosmología, la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA también ha lanzado algunas sorpresas poco oportunas que Planck puede resolver.

WMAP vio patrones de puntos calientes y fríos en el fondo cósmico de microondas (CMB) que no están distribuidos al azar como se esperaba. En cambio, parecían estar alineados a lo largo de un eje, al que João Magueijo y su equipo en el Imperial College London (ICL) apodaron el "eje del mal".

Los cosmólogos están divididos sobre si el efecto es real o un defecto de los instrumentos de WMAP. Si es real, necesitaremos revisar nuestras ideas de la forma del universo: el patrón observado podría significar que es más largo en una dirección que en la otra. Esto podría significar el cambio en los modelos de inflación —el período de expansión justo después del Big Bang— que postula un universo isótropo, que es igual en todas direcciones. "Si vemos [el eje del mal] con Planck, entonces sabremos que no es un defecto del instrumento", dice Andrew Jaffe del ICL.

WMAP ha lanzado otro desafío más a los modelos más simples de inflación. Predicen que la amplitud de las variaciones de temperatura en el cielo debería seguir una curva con forma de campana conocida como distribución Gaussiana. Pero los datos de WMAP han demostrado que la distribución es no-Gaussiana en niveles mucho más grandes que los permitidos por estos modelos simples. Sin embargo, ésta es una medición muy sensible que esencialmente busca variaciones dentro de las variaciones de la temperatura del CMB; de modo que, otra vez, la opinión se divide en que si el efecto es real o atribuible a los instrumentos de WMAP.

"Si [Planck] aclara el asunto con una no-Gaussianidad, eso solo será tremendamente importante", dice Andrei Linde de la Stanford University.

Es también probable que la sonda arroje algunos problemas espinosos propios.

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard