Francis en ¡Eureka!: El universo según el telescopio espacial Planck de la ESA

Dibujo20130324 Planck spacecraft - cosmic microwave background

Ya está disponible el audio de mi sección ¡Eureka! en el programa La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Sigue este enlace para escuchar audio, son sólo 9 minutos. Como siempre una trasncripción libre del audio.

En el programa del 30 de diciembre de 2012 auguramos que una de las grandes noticias de 2013 sería los datos sobre el fondo cósmico de microondas del telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta semana se han publicado los primeros datos, ¿han sido tan revolucionarios como se esperaba? Para muchos de nosotros ha sido una decepción, pues los datos que podrían ser más revolucionarios no se han publicado aún. El telescopio espacial Planck mide la radiación de fondo cósmico de microondas con una precisión sin precedentes, pero el análisis de los fenómenos más sutiles, que experimentos anteriores no podían observar, está resultando más difícil de lo esperado. Los científicos responsables de la misión Planck han prometido nuevos datos para dentro de unos seis meses (sobre la polarización) y para dentro de un año (sobre los modos B), resultados muy importante para conocer los detalles de la inflación cósmica. Aún así,  los resultados publicados esta semana son muy interesantes.

Muchos oyentes se preguntarán, ¿qué es el fondo cósmico de microondas que observa el telescopio espacial Planck? Todo el mundo ha oído hablar de la teoría del big bang (o gran explosión). En los primeros instantes del universo no había átomos, que se formaron cuando el universo tenía unos 380 mil años y una temperatura promedio de unos 4000 Kelvin. El plasma de protones, de carga positiva, y electrones, de carga negativa, se transformó en un gas neutro de átomos de hidrógeno cuando éstos se combinaron y el universo se volvió casi transparente a la luz, como es hoy en día. El plasma era luminoso porque las partículas con carga eléctrica absorben y reemiten fotones (partículas de luz). El fondo cósmico de microondas es el resultado de la luz que llenaba el universo cuando tenía sólo 380 mil años. Esta luz era visible (con un color blanquiazul parecido al de un tubo fluorescente). Al enfriarse el universo, la temperatura de la radiación se redujo y ahora mismo es muy fría, de sólo 2,72 55 Kelvin (grados sobre el cero absoluto de temperatura). Se trata de fotones de microondas, con frecuencias entre 25 y 1000 GHz (los teléfonos móviles emiten microondas por debajo de los 2 GHz) [que corresponden a longitudes de onda entre 1 cm y 0,3 mm, más o menos]. Como curiosidad, alrededor del 1% de la nieve que se veía en los televisores de tubo de rayos catódicos, cuando no sintonizaban ningún canal, era fondo cósmico de microondas recogido por la antena del televisor.

Si el fondo cósmico de microondas se formó cuando el universo tenía 380.ooo años, ¿cómo es posible que nos dé información sobre los primeros instantes del big bang? El fondo cósmico de microondas es muy homogéneo e isótropo, mires hacia donde mires en el universo siempre parece igual. Pero por fortuna muestra unas pequeñísimas variaciones (llamadas anisotropías). La temperatura del fondo cósmico de microondas varía menos de 0,0005 Kelvin, es decir, entre 2,725 y 2,726 Kelvin. Estas variaciones tan pequeñas son las que se muestran en los mapas del fondo cósmico de microondas. Se cree que el origen de estas anisotropías son las fluctuaciones cuánticas primigenias del universo, que han sido amplificadas por la expansión cósmica. También hay fluctuaciones de primer plano debidas a la gravedad de la materia y la energía que existe ahora mismo en el universo; las galaxias, los cúmulos galácticos y otras grandes estructuras del universo afectan al fondo cósmico de microondas. Por ello podemos aprender muchas cosas sobre el universo primigenio y sobre el universo actual gracias al análisis del mapa del cielo en microondas que nos ha ofrecido el telescopio espacial Planck de la ESA.

Los nuevos datos indican que el universo es más viejo de lo que se pensaba. ¿Cómo se puede saber la edad del universo midiendo el fondo cósmico de microondas? Me gustaría aclarar que no es verdad que ahora sabemos que el universo es más viejo, como han dicho algunos medios. Los últimos datos del telescopio espacial Wilkinson MAP de la NASA indicaban que el universo tenía una edad de 13.772 millones de años con un error de 59 millones de años. La nueva medida del telescopio espacial Planck de la ESA indica que el universo tiene 13.798 millones de años con un error de sólo 37 millones de años. El nuevo valor de la edad del universo está dentro del margen de error de la medida anterior. Por tanto, no es correcto decir que el universo es ahora más viejo. Sólo podemos decir que ahora conocemos mejor la edad que tiene. Esta edad se obtiene aplicando la teoría de la relatividad de Einstein para explicar el “sonido” de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas. Igual que al escuchar música podemos saber qué instrumento musical la interpreta. Se puede analizar el espectro multipolar de la radiación cósmica y saber qué parámetros del universo la explican.

¿Qué sabemos ahora sobre el contenido de materia, materia oscura y energía oscura del universo? Quizás el resultado más sorprendente de Planck ha sido un cambio en las proporciones del contenido del universo actual. En concreto, contiene menos energía oscura de lo que se pensaba. Sólo el 68,3% del universo es energía oscura, cuando hace una semana se creía que era el 71,4%. Por tanto, la cantidad de materia ha crecido. Hoy sabemos que el contenido de materia oscura del universo es del 26,8%, cuando hace una semana se creía que era del 24%, y el materia ordinaria (lo que los físicos llamamos materia bariónica) también ha crecido hasta un 4,9% del universo. No son cambios muy grandes, pero el error experimental en los nuevos valores es mucho más pequeño, luego son valores mucho más fiables. Además, ahora sabemos que hay sólo 3 tipos de neutrinos. Medidas anteriores del fondo cósmico de microondas habían sugerido que podría haber un cuarto tipo, un neutrino estéril, pero la nueva medida de Planck lo descarta de forma definitiva. Más aún, Planck indica que la suma de las masas de los neutrinos es menor de 0,23 eV (aunque no impone un límite inferior). 

¿Se ha observado algo anómalo o inesperado sobre el universo? El telescopio espacial WMAP observó una anomalía en el fondo cósmico de microondas llamada con el curioso nombre de “eje del mal” y una mancha fría en la dirección de la constelación de Eridanus, llamado “punto frío de Eridanus”. Muchos expertos pensaban que era un error instrumental de WMAP y que el telescopio espacial Planck no observaría la misma anomalía. Sin embargo, para sorpresa de todos, estas dos anomalías también se observan en los nuevos datos. Estas anomalías podrían indicar que hay algo sobre el universo a gran escala que aún no entendemos bien.  Sin embargo, muchos físicos creen que no es algo preocupante porque estas anomalías están cerca del plano de la eclíptica (el plano del sistema solar donde están los planetas). Quizás lo que no entendemos bien son las fuentes de microondas en el entorno del sistema solar. Como siempre, el universo guarda secretos que han de ser desvelados por los cosmólogos y astrofísicos.

Como siempre, si no has oído aún el audio, sigue este enlace. 

Nota dominical: Einstein y Ehrenfest discutieron el colapso de la función de onda en 1922

Dibujo20130318 stern gerlach experiment - postcard communicated to niels bohr

Puede parecer increíble, pero el problema del colapso de la función de onda cuántica fue discutido por Albert Einstein y Paul Ehrenfest en un artículo conjunto que se envió en 1922, poco después de la publicación del famoso experimento de Stern y Gerlach. Durante una visita de Einstein a Ehrenfest en Leiden (Países Bajos), entre el 29 de abril y el 13 de mayo de 1922, discutieron el famoso experimento de Stern-Gerlach (enviado a publicación el 1 marzo) y escribieron un artículo conjunto que enviaron a publicación el 21 de agosto. El artículo de Einstein-Ehrenfest discute el problema de la medida en mecánica cuántica y la importancia del colapso de la función de onda si lo leemos desde un punto de vista moderno( ya que el concepto de función de onda aún no había sido introducido por Erwin Schrödinger). “¿Cómo saben los átomos que dirección tomar en el experimento?” Si el proceso fuera clásico, Einstein y Ehrenfest calculan que la desviación de los átomos requeriría miles de millones de segundos, cuando según el experimento el proceso tarda menos de 100 microsegundos. Por ello, afirman que el experimento muestra una transición brusca entre estados cuánticos (hoy diríamos que muestra el colapso de la función de onda) y que se trata de un experimento ideal para ilustrar las diferencias entre la medida en física clásica y en física cuántica. Realmente sorprendente, sobre todo, porque el problema de la medida en mecánica cuántica no se empezó a discutir hasta un lustro más tarde. Nos lo cuenta Issachar Unna, Tilman Sauer, “Einstein, Ehrenfest, and the quantum measurement problem,” Ann. Phys. 525: A15–A19 (2013). El artículo técnico original es A. Einstein, P. Ehrenfest, “Quantum Theoretical Comments on the Experiment of Stern and Gerlach,” Zeitschrift fur Physik 11: 31-34, 1922.