Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck

Espectro de la radiación de fondo de microondas (CMB) según WMAP, mostrando los primeros tres picos acústicos, y el esperado para Planck, mostrando los diez primeros. (C) The Scientific Programme of Planck.

El satélite Planck de la ESA nos ofrecerá resultados en 2012 sobre el fondo cósmico de microondas (CMB) con una gran resolución angular (de unos 5´) y una sensibilidad de μK que le permitirá estudiar en detalle la distribución de las anisotropías de la temperatura del CMB (más allá del cuarto pico acústico, ver la figura de arriba) así como su polarización (ver más abajo). La polarización es muy importante porque es el resultado de las ondas gravitatorias primigenias que se generaron durante la Gran Explosión. El análisis detallado de esta polarización (en una escala de 0,1 µK) nos permitirá conocer detalles íntimos de la inflación cósmica. Planck permitirá separar las anisotropías observadas en dos componentes, siendo la componente secundaria debida a las grandes estructuras del universo, que podremos explorar gracias al efecto Sunyaev–Zel’dovich en cúmulos de galaxias y al efecto sobre los fotones del CMB de las lentes gravitatorias débiles. También permitirá estudiar si las perturbaciones de densidad primordiales son gaussianas (como predicen los modelos de inflación) o no, gracias al estudio de las componentes multipolares de la radiación. Los resultados de Planck nos permitirán comparar entre sí diferentes modelos teóricos para la inflación cósmica y para los primeros instantes de la Gran Explosión permitiéndonos decidir cuál de ellos describe mejor el origen del universo. Nos lo cuenta en detalle Amedeo Balbia, “Cosmology from Planck,” New Astronomy Reviews 51: 281-286, March 2007.

Recapitulemos. COBE no tenía resolución suficiente para estudiar con detalle el primer pico acústico de la anisotropía de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB). Dicho pico fue estudiado mediante globos sondas, en experimentos como BOOMERang y MAXIMA, lo que demostró que el universo era aproximadamente plano como predecía la teoría de la Gran Explosión con inflación cósmica. WMAP ha sido capaz de estudiar los dos primeros picos acústicos, el primero mucho mejor que el segundo. Sin embargo, la incertidumbre para el tercer pico es aún alta. WMAP también es incapaz de estudiar en detalle la polarización del CMB.

La evolución del universo durante sus primeros instantes está “congelada” en las oscilaciones y anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). Estas anisotropías se reflejan en picos acústicos que dan la característica forma “oscilatoria” de la distribución de la temperatura de la radiación CMB. En el plasma de fotones y bariones del universo primigenio, los fotones tienden a eliminar las anisotropías y los bariones, que se mueven a velocidad mucho menores que la velocidad de la luz, tienden a producir anisotropías por atracción gravitatoria. Los picos acústicos corresponden a las frecuencias en las que los fotones se desacoplan de los bariones. La anchura del primer pico determina la curvatura del universo (pero no su topología). El cociente entre las amplitudes del primer y segundo pico determina la densidad de materia bariónica del universo. El cociente entre segundo y tercer pico determina la densidad de materia oscura. Cuanto más picos conozcamos en detalle más precisión tendremos en estas medidas. Además, la localización de los picos nos da información sobre la naturaleza de la densidad de perturbaciones primigenia tras la inflación cósmica del universo. Los modelos más sencillos de inflación cósmica predicen una distribución completamente adiabática para la densidad de estas perturbaciones, pero podría no serlo.

Planck determinará con gran precisión el porcentaje de materia oscura que hay en el universo y también aportará datos sobre su porcentaje de energía oscura (que sólo podrá medir de forma indirecta). La medida precisa de la curvatura del universo y la distribución de la componente secundaria de las anisotropías nos permitirá, gracias al efecto integrado de Sach-Wolfe, estudiar la transición entre un universo dominado por materia a uno dominado por energía oscura (época actual).

Comparación entre la polarización del CMB medida por WMAP y B2K (izq.) y Planck (der.) para los modos TE (arriba) y EE (abajo) suponiendo el modelo cosmológico estándar (ΛCDM). (C) The Scientific Programme of Planck.

Esta figura compara las medidas de la polarización del fondo cósmico de microondas que se pueden obtener con WMAP con las que se espera que se puedan obtener gracias a Planck. Hay dos tipos de polarización en el CMB llamados modos E y B, por analogía con el electromagnetismo, en el que el campo campo eléctrico (campo E) tiene un rotacional nulo, mientras que el campo magnético (campo B) tiene una divergencia nula. Los modos E aparecen de forma natural por difusión en un plasma heterogéneo. Los modos B son una señal de la inflación cósmica y depeden de la densidad de ondas gravitatorias primigenias. La detección de los modos B es extremadamente difícil porque se cree que su intensidad es mucho menor que la de los modos E. Se espera que el satélite Planck sea capaz de determinar con buena exactitud las componentes relativas del espectro angular de la polarización del CMB, tanto las componentes de polarización EE (eléctrica), TE (trasversal eléctrica), como BB (magnética). Esta última es crucial ya que depende de las componentes tensoriales de las perturbaciones primigenias (ondas gravitatorias) y permitirá medir los parámetros de los modelos inflacionarios y por tanto discriminar entre diferentes modelos de inflación. Abajo aparece una figura con una estimación de las posibles incertidumbres que se espera se puedan obtener utilizando Planck.

Estimación del error en la medida de la polarización BB del CMB usando Planck. (C) The Scientific Programme of Planck.

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3 pensamientos en “Lo que se descubrirá sobre el universo gracias al satélite Planck

  1. Muchas gracias por la exposición. Impresionante. Me gustaría saber si es posible conocer un orden de magnitud del tiempo característico para la inflación según las distintas versiones que hay. Supongo que habrá distintos valores teóricos, según el modelo, pero no sé si es posible sacar esta información de lo que “ven” o verán los instrumentos sobre el CMBR. Si fuera posible sería un buen punto para diferenciarlos. De cualquier manera repito, muchas gracias.

  2. Pienso que “Plank” aportara interesantes novedades, sobre todo antes de efectuar el filtrado referente a la “Anisotropia dipolar”. Este fenomeno permitira establecer la velocidad absoluta de la Tierra por el Cosmos en magnitud, direccion y sentido con precision. ¡La ilusion de Michelson y Morley!. Contradiciendo la afirmacion de A. Einstein: “En modo alguno se podrá probar mediante experimentos terrestres el movimiento absoluto de la Tierra.
    Además, con el conocimiento de esta magnitud y con la resultante de todos los movimientos locales, aplicando la Constante de Hubble, se puede determinar un punto del Cosmos que no presentaria ninguna “Anisotropia dipolar”. ¿Nos encontramos ante el Centro del Cosmos?

  3. ¿Alguna novedad Señor Francis? inflatones y cronones que vayan al instante cero y al menos uno del universo ¿podrá probarse la hipótesis de universos cíclicos? o la energía oscura se llevará toda la información almacenada en infinitos estados cuánticos impidiendo se revierta el proceso general de entropía desde la 2da ley de la termodinamia con el que Asimov sueña en su cuento The last question. Saludos.

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