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. 

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

  1. Francis, dos asuntos:
    – En tu entrada “2 poblaciones de supernovas”, dijiste que cuando estuvieran disponibles los datos del satélite Planck, habría tiempo para hacer un resumen de todas las evidencias observacionales a favor de la energía oscura. Ahora que este satélite ha medido que sólo el 68,3% del universo es energía oscura, convendría aclarar en una nueva entrada cómo se ha obtenido dicha medida.
    – Por otro lado, en esta entrada hablas de que la edad del universo “se obtiene aplicando la teoría de la relatividad de Einstein para explicar el “sonido” de las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas”. Hace años calculé la edad del universo a partir de distribuciones presentes de densidades de energía, en la página 11 del pdf:
    https://docs.google.com/open?id=0B4r_7eooq1u2YmI3MzdkNDctZGIyNS00MTdmLWFiOGUtN2MwZmM2MDIyOWYx
    ¿podrías dedicar otra entrada a calcular la edad del universo con esos “sonidos” de las fluctuaciones del fondo cósmico?.

  2. Que podcast más interesante Francis cada día admiro más y más tu labor

  3. Quisiera ir al punto, nunca mejor referido lo del punto-centro del asunto de inflación y gran expansión: se entiende ha venido siendo anisotrópica, se conoce la nueva edad en 13.798 millones de años con un error de sólo 37 millones de años, se calcula el diámetro en 93.000 millones de años luz de lado a lado,

    http://www.microsiervos.com/archivo/ciencia/cuan-grande-universo-minute-physics.html

    se sabe pues que cada segundo que transcurre podemos observar 300 mil Km más hacia el pasado, que la contención de esa gran inflación ocurrida tiene que haber sido la gravedad, que la velocidad del viaje del monstruo se calcula ahora con precisión en 4030 km/minuto a razón de bloque espacial de 3,26 millones de años luz (bloque de 1 mpc) y que solo podemos ver como quedo tras 380 mil años de existencia, que es definidamente mucho tiempo.
    Dime Francis, mi divulgador preferido después de Sagan y Asimov, con los que nunca hubiese podido tener el privilegio de intercambiar palabras, por el inglés y porque eran los ’80 y yo un niño: ¿se puede apuntar al centro de la expansión? ¿se puede calcular la diferencia en distancias en megaparsecs entre la luz que nos llega y aquello que no será visible por mucho tiempo más? ¿podrían tratarse de 5 o 6 mil millones más de años luz y tiempo de vida del universo y también en aceleración expansiva? Todavía falta lo más importante y que es las ondas gravitacionales polarizando el fondo de radiación cósmico de microondas, para cuando se desentrañe ¿será ese centro primigenio o sector originario del huevo-cigoto universal algo como un agujero negro expeliendo la densidad alojada como materia y espacio tiempo en su interior? ¿será el origen y explicación de la antigravedad o energía oscura que presiona descomprimiendo? ¿Qué de la teoría de dos branas que se tocaron generando la explosión? y fundamentalmente ¿qué de la 3ra vía de Tomás de Aquino* sobre el tiempo y universo contingentes como productos de un suceso previo increado, a la que ni Clausius ni Hawking le pueden oponer aún un contrargumento no falsable? Lo digo en el sentido de que sabemos que es un sistema cerrado, que nada se pierde y todo se transforma y que si al fin y al cabo todo agujero negro pudiera ser reversible devolviendo energía, materia e información en el sumidas, el principio de entropía de la 2da ley de la termodinámica (que parece no verificarse en los organismos carbónicos vivos, ergo nosotros, hasta que nos morimos claro) de mayor desorden en el mayor tiempo no tendría que revertirse para crear lo ya creado, sería una continuidad por siempre, lo entrópico no tendría principio ni fin como ya sabemos que o quien. Si Planck nos desvela el centro origen de todo lo que es y aunque aristotélicos y copernicanos ya no esten para con ello deleitarse. Saludos.
    Lo de la sonda de la ESA es lo más grande que le puede pasar a la Ciencia en mucho, mucho tiempo.

    Que la Jõud (Fuerza en estonio) nos acompañe

    * «Vía de los seres contingentes» Esta vía, también llamada argumento de la limitación en la duración, afirma que hay cosas que empiezan a ser y dejan de ser, y que por tanto pueden no ser. Estas cosas se llaman contingentes. Pero si todas las cosas fueran así, es decir, contingentes, entonces alguna vez no hubo nada. Pero de la nada no sale nada. Por ello, debe existir un ser necesario para que haya estas cosas o seres. Este ser absolutamente necesario existe por sí mismo y es causante de la existencia de los demás seres.

    El tomismo, doctrina oficial 1878 de la ya extinta iglesia católica con Francisco I como emperador sin poder alguno sobre el rebaño

    • Wachovsky,

      “¿se puede apuntar al centro de la expansión?” La expansión no tiene centro. Imagina una esfera, ¿dónde está el norte de la esfera? Las esferas no tienen norte.

      “¿se puede calcular la diferencia …?” Obviamente.

      “¿podrían tratarse de … también en aceleración expansiva?” No conocemos la dinámica de la energía oscura (no sabemos lo que es), por lo que, asumiendo que no tiene dinámica (asumiendo que es la energía del vacío), la aceleración de la expansión será eterna.

      “ondas gravitacionales … ¿será ese centro …?” El universo no tiene centro.

      “¿será el origen … energía oscura …?” La medición de los modos B, a priori, no dará información sobre la energía oscura y su naturaleza.

      “¿teoría de dos branas … generando la explosión?” Esta teoría ofrece una explicación pre-inflacionaria (hay muchas otras) y conduce a un modelo inflacionario (hay muchos otros) que afectaría a la polarización del CMB, por lo que, como bien dices, Planck podría ofrecer información que la descarte o la avale. Sin embargo, este tipo de teorías suelen ser muy robustas y se pueden ajustar hasta el punto de que no haya diferencia con un modelo LCDM+inflación convencional; en cierto sentido, son teorías no falsables.

      “¿qué de la 3ra vía de Tomás de Aquino* …?” Cuestión de gustos u opiniones.

      Saludos
      Francis

      • Pero el icosaedro y la esfera sí tienen centro:
        En geometría, una superficie esférica es un lugar geométrico o el conjunto de los puntos del espacio cuyos puntos equidistan de otro interior llamado centro. Los puntos cuya distancia es menor que la longitud del radio forman el interior de la superficie esférica. La unión del interior y la superficie esférica se llama esfera.
        Un universo hiperbólico o hiperparaboloide también tendrían centro. A eso me refiero cuando digo el centro de la expansión.

  4. Yo tengo una duda:
    Si la recombinacion ocurre a una temperatura caracteristica bien definida,
    que tiene de especial entonces que el CMB sea tan homogeneo en temperaturas? si en el fondo estamos mirando el mismo fenomeno fisico en distintas direcciones.

    • Andrés, lo que tiene de especial la gran homogeneidad (e isotropía) del CMB es que es la gran predicción de la teoría del big bang. Por un lado, en física cuántica algo “bien definido” siempre está sujeto a fluctuaciones cuánticas (intrínsecas). Por otro lado, el plasma que se recombinó presentaba anisotropías (originadas por fluctuaciones cuánticas amplificadas por la inflación) que se reflejaron en el CMB tras la recombinación. Y finalmente, hay anisotropías más recientes debidas a la evolución y distribución de la materia y energía en el universo tras la recombinación.

      • Gracias Francis por tu respuesta. Lo que me causa curiosidad es que esta isotropia se aduce como uno de los logros explicativos de inflacion. Segun entiendo, la teoria pre-inflacionaria del big-bang no podia explicar el nivel de homogeneidad del CMB. Ergo, una solucion es que el universo tuvo que estar en contacto causal y termalizarse para luego expandirse rapidamente, como propone inflacion.
        Por otra parte, si la emision del CMB se origino’ en el momento de la recombinaci’on, esto de por si’ ocurre a una temperatura especifica. Porque entonces es tanto misterio que el CMB se vea homogeneo?
        Por ejemplo, al mirar una estrella de la misma masa y composicion en una direccion y otra en el cielo, medimos temperaturas iguales porque estamos mirando los mismos procesos fisicos basicos, y a la misma temperatura y densidad, pero no porque estas estrellas hayan tenido que estar en “contacto causal”, me entiendes?
        O quizas el CMB es demasiado homogeneo (pero ojo que no “tan” homogeneo como para no poderse explicar con un pequegno intervalo de tiempo en el cual estuvo en contacto termal)…
        Y este claramente no es mi campo especifico.

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