El telescopio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea ha elaborado el mapa más detallado hasta la fecha del fondo cósmico de microondas – la radiación fosilizada del Big Bang. Este nuevo mapa ha sido presentado esta mañana, y presenta características que desafían los cimientos de los modelos cosmológicos actuales.
Esta primera imagen está basada en los datos recogidos durante los primeros 15.5 meses de observaciones de Planck, y es su primer mapa a cielo completo de la luz más antigua del Universo, grabada en el firmamento cuando éste apenas tenía 380.000 años.
Por aquel entonces, el Universo primigenio estaba formado por una sopa caliente de protones, electrones y fotones que interactuaban a unos 2.700°C. La primera luz surgió cuando los protones y los electrones comenzaron a juntarse para formar átomos de hidrógeno. A medida que el Universo se continúa expandiendo, esta radiación se ha ido desplazando hacia las longitudes de onda de las microondas, el equivalente a una temperatura de 2.7 grados por encima del cero absoluto.
Este fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) muestra pequeñas fluctuaciones en la temperatura que se corresponden con regiones que presentaban una densidad ligeramente diferente en los primeros instantes de la historia del Universo: las semillas de todas las estructuras, estrellas y galaxias, que vemos hoy en día.
Según el modelo cosmológico estándar, estas fluctuaciones se produjeron inmediatamente después del Big Bang, y crecieron hasta alcanzar una escala cósmica durante un breve periodo de expansión acelerada conocido como inflación.
Planck fue diseñado para trazar un mapa de estas fluctuaciones a lo largo de todo el firmamento, con la mayor resolución y sensibilidad disponibles hasta la fecha. El análisis de la naturaleza y de la distribución de estas semillas sobre el mapa del fondo cósmico nos ayudará a determinar la composición y la evolución del Universo desde su nacimiento hasta la actualidad.
Lo más importante es que este mapa elaborado por la misión Planck de la ESA permitirá confirmar el modelo cosmológico estándar con una precisión sin precedentes, fijando una nueva referencia en nuestro inventario del Universo.
Sin embargo, la precisión de los datos de Planck es tan alta que también han desvelado una serie de características inexplicables para las que será necesario desarrollar nuevas teorías físicas.
“La extraordinaria calidad de este retrato de la infancia del Universo realizado por Planck nos permite ir apartando capas hasta observar directamente sus cimientos, demostrando que nuestro mapa del cosmos dista mucho de estar completo. Estos descubrimientos han sido posibles gracias a la tecnología desarrollada específicamente para esta misión por la industria europea”, comenta Jean-Jacques Dordain, Director General de la ESA.
“Desde la publicación de la primera imagen a cielo completo de Planck en el año 2010, hemos analizado y extraído cuidadosamente todas las interferencias que se interponían entre los sensores de Planck y la primera luz del Universo, desvelando el fondo cósmico de microondas con un nivel de detalle sin precedentes”, añade George Efstathiou de la Universidad de Cambridge, Reino Unido.
AMPLIACION
El resultado más esperado del año 2013 en física, el mapa del fondo cósmico de microondas (CMB) obtenido por el satélite telescopio espacial Planck de la ESA, ha sido decepcionante para la mayoría, pues se confirma lo que más temíamos, el modelo cosmológico estándar con energía oscura, materia oscura fría e inflación cósmica. Los datos de Planck confirman la inflación cósmica a 6 σ (lo que ya no deja dudas sobre su existencia). No se han encontrado desviaciones respecto a una distribución gaussiana en las anisotropías del CMB y se ha confirmado que existen tres especies de neutrinos (partículas ligeras ultrarrelativistas cuya masa total es inferior, según Planck+WP+highL, a 0,66 eV al 95% CL). Los datos de Planck muestran ciertas diferencias con los de WMAP-9, pero apoyan a los obtenidos con BAO. No se han publicado datos sobre la polarización del CMB (el análisis está aún en curso pues filtrar la polarización del polvo interestelar del primer plano está siendo más difícil de lo esperado), ni tampoco sobre los modos B (sólo se han presentado datos de los modos E); para ambos análisis habrá que esperar a 2014. Más información técnica en “Planck 2013 results. I. Overview of products and results,” Submitted to A&A, 21 Mar 2013. Por cierto, lo que muestra la imagen que abre esta entrada es la variación de la temperatura del CMB en todo el cielo. La temperatura de referencia para el CMB es de T0 = 2,7255 K y la figura presenta las fluctuaciones de ±0,0005 (es decir, la temperatura varía entre entre 2,7250 y 2,7260). Lo que presenta la imagen son estas fluctuaciones de temperatura (azul oscuro para -0,0005 y rojo oscuro para +0,0005).
Como muestra esta tabla, el universo tiene una edad de 13798 ± 37 millones de años. Los datos de Planck comparados con los de WMAP-9 indican que el universo tiene un 6% menos de energía oscura, un 9% más de materia bariónica y un 18% más de materia oscura (los datos de Planck están en buen acuerdo con los de BAO, ACT y SPT). El universo es plano con ΩK= -0,0096 ± 0,0100 (al 68% C.L.). Usando sólo los datos de Planck, la energía oscura ΩΛ= 67 % del contenido del universo; el valor combinado con otros experimentos es del ΩΛ= (69,2 ± 1,0) %. La materia oscura constituye el (25,8 ± 0,4)% del universo y la materia bariónica el (4,82 ± 0,05) %. El nuevo valor de la constante de Hubble, H0= (67±1,2) km/s/Mpc es similar al obtenido por WMAP9, pero difiere a 2,5 σ del medido mediante el Hubble (HST Key Project) y el análisis de supernovas que fue de H0= (73,8±2,4) km/s/Mpc.
Para los despistados, el telescopio espacial Planck fue lanzado el 14 de mayo de 2009 y posee 74 detectores sensibles a frecuencias entre 25 y 1000 GHz, con una resolución angular de 30 minutos de arco para las frecuencias más bajas y de 5 segundos de arco para las más altas. El Instrumento para Frecuencias Bajas (LFI por Low Frequency Instrument) cubre las bandas centradas en 30, 44, y 70 GHz (más info, con mapas y procesado de datos; estimación de los errores; modelado de haces y correcciones; los dos métodos de calibración). Los bolómetros del Instrumento para Frecuencias Altas (HFI por High Frequency Instrument) cubren seis bandas centradas en 100, 143, 217, 353, 545, y 857 GHz (más info, con mapas y procesado de datos; modelado de haces y cómo Planck ve a Marte, Saturno y Júpiter; métodos de calibración para cada detector). Planck está diseñado para obtener un mapa completo del cielo cada 6 meses más o menos. Se han tomado datos del CMB desde el 12 de agosto de 2009 hasta el 28 de noviembre de 2010 (unos 15,5 meses); a partir de entonces se ha seguido tomando datos pero los resultados no se publicarán hasta 2014. Debo resltar que los bolómetros de alta frecuencia (HFI) dejaron de producir datos útiles desde el 13 de enero de 2012 (el helio líquido necesario para enfriarlos a 0,1 K se agotó), aunque el LFI (enfriado a 20 K) sigue tomando datos (pero su utilidad es más bien limitada en relación al CMB). Hoy se han publicado datos recabados en los primeros 15,5 meses de toma de datos, que a partir de hoy se llamarán “2013 Products” (datos de Planck de 2013).
La mayor dificultad en el análisis de los datos de Planck sobre el CMB es separar la contribución del primer plano (de origen galáctico y extragaláctico). La Colaboración Planck ha utilizado cuatro métodos diferentes (SMICA, NILC, Commander-Ruler, y SEVEM), cada uno asignado a un grupo de científicos diferentes, para evitar sesgos; además, se ha simulado por ordenador un mapa “teórico” de referencia basado en los datos de WMAP-9 (más información sobre este procesado).
La comparación de los cinco muestra un buen acuerdo, por lo que la versión oficial del mapa seleccionada ha sido la obtenida por el método SMICA (el mapa que abre esta entrada, donde entre los azules y los rojos la escala se mueve entre -500 y 500 μK).
Se han obtenido datos del espectro angular del CMB con multipolos hasta 4000, pero el error es muy grande por encima de 2500, por ello esta imagen oficial se corta en dicho punto. Para obtener este espectro multipolar no se ha utilizado directamente la imagen del fondo cósmico de microondas, sino que se ha aplicado un modelo bayesiano, que combina modelos astrofísicos y cosmológicos para describir los detalles de primer plano y extraer la información de interés cosmológico .
En este vídeo de youtube se explica la figura anterior. Como se ve, los multipolos más bajos (para valores pequeños de ℓ) corresponden a características que ocupan un tamaño angular muy grande, mientras que los valores grandes de ℓ corresponden a ángulos pequeños. Planck ha obtenido valores precisos entre ℓ=2 y ℓ=2500 (quizás hay que recordar que WMAP obtuvo valores precisos hasta ℓ=750).
Para ir más allá (ℓ>2500) hay que recurrir a ACT y SPT, como muestra esta figura. Por ello, en parte de los análisis cosmológicos realizados se han utilizado los datos combinados (como en este artículo). Los resultados cosmológicos obtenidos siguen con precisión las predicciones del modelo cosmológico estándar (modelo ΛCDM); este modelo sólo requiere seis parámetros (todo un triunfo de la física teórica).
Por cierto, todos los datos de Planck en los que se han basado los análisis publicados han sido publicados, junto con los códigos informáticos para su análisis, en el Planck Legacy Archive. Por supuesto, faltan los datos de polarización del CMB.
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