¿Cuál es tu Cosmología? Preguntan los mapas del Fondo Cósmico de Microondas

Hay artículos que hablan de descubrimientos revolucionarios. Hay artículos que repasan el estatus actual de un campo, buscando acercarte a lo que está ocurriendo. Y además están aquellos artículos que abren portales a nuevos sub campos, con la claridad de su mensaje y la precisión de la pregunta que plantean. El artículo de hoy es una de esas publicaciones, la cual en 1996 comenzó un viaje interesante en el mundo del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés) y la Cosmología observacional.

El comienzo

Descubierto por primera vez en los setentas, los estudios del CMB han confiado en medir la temperatura al día de hoy de esta reliquia de radiación, la cual nos ha enviado fotones del tiempo en el que el universo era esencialmente un plasma de materia y radiación. Esta época del universo es en la que podemos observar los primeros “fotones CMB”, una superficie acertadamente llamada “Superficie de la última dispersión”. Medir su temperatura nos brinda una idea sobre el contenido de energía en el universo en esa superficie, la cual decrece conforme los fotones viajan hacia nosotros y pierden energía en un universo en eterna expansión.

Figura 1. Mapa de la temperatura del CMB en todo el cielo, observado por WMAP (como en 2012). Los diferentes colores corresponden a diferentes temperaturas, a la minúscula escala de micro-Kelvins.

En 1992 fue descubierto, por el satélite ganador del Nobel COBE, que esta radiación era isotrópica a una de sus partes en 100000, i.e. la uniformidad de la temperatura del CMB entre dos puntos en el cielo era sólo diferente por ¡10-5 K! A continuación se realizaron estudios para discutir qué significaban realmente estas anisotropias o no-uniformidades. El día de hoy sabemos de varios mecanismos que pueden responder esta pregunta -mecanismos que han ganado credibilidad con resultados de telescopios de CMB como WMAP, Planck, el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT), y el Telescopio del Polo Sur (SPT). Pero de vuelta en 1996 estos programas no existían. Los autores de nuestro artículo se dieron a la tarea de desarrollar la teoría de una misión futura que pudiera hablarnos de forma concluyente sobre la naturaleza del universo en la última superficie del CMB. Este conocimiento nos ayudaría a caracterizar el universo temprano así como la evolución del universo entre “nosotros” y “la Superficie de la última dispersión”. ¡¿Qué es el estudio de la evolución del universo desde el Big Bang, sino la cosmología observacional?!

Parámetros cosmológicos

La cosmología observacional es un juego de medir los siguientes parámetros con máxima exactitud y precisión:

  1. Densidad total del universo ? – materia bariónica, materia obscura, radiación, curvatura/espacio
  2. Constante de Hubble H0, aceleración del universo
  3. La constante Cosmológica ?, responsable for la expansión acelerada del universo actual
  4. Parámetros de Inflación, para constreñir las perturbaciones de las eras del universo antes del CMB y justo después del CMB
  5. Masa de las especies de neutrinos, lo cual afecta la formación de estructura en el universo
  6. Historia de ionización del universo

¿Entonces en dónde quedan las observaciones del CMB? El CMB se mide en su mayoría en la forma de mapas de temperatura, una representación de la energía de los fotones del CMB a lo largo y ancho del cielo (ahora, y por extrapolacion hacia el universo temprano). Esta información se representa mejor en forma de diferencias de temperatura como función  de escalas angulares en el cielo o “eles” (nombre de la letra L) como son llamadas. El término “ele” o “L” proviene del hecho de que en una esfera 3-D como el universo observable, la mejor manera de comparar dos puntos diferentes es expandir la temperatura usando harmónicos esféricos (los cuales tienen eles (L) en ellos) justo cuando expanemos los puntos en una superficie 2-D en términos de seno y coseno. Si las eles son difíciles de imaginar, las escalas angulares son más intuitivas (chécate el eje superior de la Figura 2)!

Figura 2. Anisotropías como función de la escala angular (o eles) en el cielo, observadas por diferentes telescopios tales como por ejemplo WMAP o Boomerang. La línea sólida es un modelo teórico que ajusta las observaciones.

Una mejor resolución del telescopio nos permite distinguir entre temperaturas en regiones cercanas, i.e. a menores escalas o mayores eles, en lenguaje de CMB. Una mejor sensibilidad nos permite capturar diferencias mínimas en esta temperatura. Los autores en el artículo de hoy asumen una sensibilidad y resolución mejor que COBE, y hablan sobre las proyecciones de un experimento futuro (¡el cual terminó siendo WMAP!).

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Post completo en: Astrobitos

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