Sucedió el 21 de marzo de 2013. La prensa científica de todo el mundo
se había congregado en la sede parisina de la ESA o se había conectado
online, junto a una multitud de científicos, para presenciar el momento
en que la misión Planck de la ESA revelaría su ‘imagen’ del cosmos. Una
imagen capturada no en luz visible, sino en microondas.
Mientras que la luz que nuestros ojos puede ver está compuesta por
pequeñas longitudes de onda, de menos de una milésima de milímetro, la
radiación que estaba detectando Planck abarcaba longitudes algo mayores,
de unas décimas de milímetro a varios milímetros. Y sobre todo, se
había generado en los albores del Universo.
Esta radiación se conoce colectivamente como fondo cósmico de
microondas. Al medir sus minúsculas diferencias a lo largo del
firmamento, la imagen de Planck era capaz de hablarnos sobre la edad, la
expansión, la historia y el contenido del Universo. Nada más y nada
menos que un primer plano cósmico.
Los astrónomos sabían lo que buscaban. Dos misiones de la NASA, COBE a
principios de los noventa y WMAP durante la década siguiente, ya habían
llevado a cabo una serie de estudios análogos del firmamento que
proporcionaron imágenes similares. Pero carecían de la precisión y la
nitidez de Planck.
La nueva vista mostraría la impronta del Universo temprano con un detalle sin precedentes. Y había mucho en juego.
Si nuestro modelo del Universo era correcto, Planck lo confirmaría
con unos niveles de precisión inauditos. Si el modelo estaba equivocado,
Planck mandaría a los científicos de vuelta a la mesa de dibujo.
Una vez revelada la imagen, los datos confirmaron el modelo.
Respondía con tal precisión a las expectativas que no cabía extraer otra
conclusión: Planck nos mostraba un ‘universo casi perfecto’. Pero ¿por
qué ‘casi’? Porque quedaban algunas anomalías, que se convertirían en el
objetivo de la investigación futura.
Ahora, cinco años después, el Consorcio Planck acaba de publicar los
datos definitivos del legado de Planck. El mensaje de la misión es el
mismo, e incluso se ve reforzado.
“Se trata del legado más importante de Planck —señala Jan Tauber, científico del proyecto Planck de la ESA—. Hasta el momento, el modelo cosmológico estándar ha superado todas las pruebas y Planck ha efectuado las mediciones que lo demuestran”.
Todos los modelos de cosmología se basan en la teoría general de la
relatividad de Albert Einstein. Para reconciliar las ecuaciones de la
relatividad general con un amplio abanico de observaciones, incluidas
las de la radiación cósmica de fondo, el modelo estándar incorpora la
acción de dos componentes desconocidos.
En primer lugar, un componente de materia atractivo, denominado
materia oscura fría y que, a diferencia la materia común, no interactúa
con la luz. En segundo lugar, una forma repulsiva de energía, conocida
como energía oscura, que promueve la actual expansión acelerada del
Universo. Se ha descubierto que son componentes esenciales para explicar
nuestro cosmos junto a la materia común conocida. Pero por el momento
no sabemos qué son exactamente estos componentes exóticos.
Planck se lanzó en 2009 y recopiló datos hasta 2013. El primer
lanzamiento de datos, que mostraba el Universo casi perfecto, tuvo lugar
en la primavera de ese año. Se basaban únicamente en la temperatura de
la radiación cósmica de fondo y solo empleaba los dos primeros estudios
del firmamento de la misión.
Los datos también presentaban pruebas adicionales de una fase muy
temprana de expansión acelerada, denominada inflación, en la primera
minúscula fracción de un segundo en la historia del Universo, durante la
cual surgió el germen de todas las estructuras cósmicas. Al
proporcionar una medida cuantitativa de la distribución relativa de
estas fluctuaciones primigenias, Planck ofreció la confirmación más
clara jamás obtenida del escenario inflacionario.
Además de cartografiar la temperatura del fondo cósmico de microondas
a lo largo de firmamento con una precisión sin precedentes, Planck
también midió su polarización, que indica si la luz vibra en una
dirección preferente. La polarización de la radiación cósmica de fondo
ofrece una huella de la última interacción entre la radiación y las
partículas de materia del Universo temprano, y como tal contiene
información adicional y fundamental sobre la historia del cosmos.
Además, también contiene información sobre los primeros instantes del
Universo y nos proporciona claves para comprender su nacimiento.
En 2015, un segundo lanzamiento de datos recogía todos los datos
recopilados durante la misión, que abarcaba ocho estudios del
firmamento. Incluía la temperatura y la polarización, pero venía con una
advertencia.
“Sabíamos que la calidad de algunos de los datos de polarización no era suficiente para utilizarse en cosmología”, reconoce Jan. Y añade que, por supuesto, eso no les impidió seguir adelante, aunque ciertas conclusiones extraídas en ese momento precisarían de confirmación y, por lo tanto, deberían tratarse con cautela.
Y ese es el gran cambio que aporta este lanzamiento de datos de 2018.
El Consorcio Planck los ha procesado de nuevo. La mayoría de señales
tempranas que exigían precaución han desaparecido. Los científicos ahora
están seguros de que tanto la temperatura como la polarización se han
determinado de forma precisa.
“Estamos convencidos de que podemos obtener un modelo cosmológico
basado únicamente en la temperatura, únicamente en la polarización o
basado en ambas magnitudes. Y todos coinciden”, explica Reno Mandolesi,
principal investigador del instrumento LFI de Planck en la Universidad
de Ferrara (Italia).
“Desde 2015, otros experimentos han ido recopilando más datos astrofísicos y se han llevado a cabo nuevos análisis cosmológicos, combinando observaciones de la radiación cósmica de fondo a pequeñas escalas con observaciones de galaxias, cúmulos galácticos y supernovas, que en la mayoría de casos han mejorado la coherencia con los datos de Planck y el modelo cosmológico que respalda”, añade Jean-Loup Puget, principal investigador del instrumento HFI de Planck en el Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay (Francia).
Se trata de toda una proeza e implica que los cosmólogos pueden estar
seguros de que su descripción del Universo, con materia común, materia
oscura fría y energía oscura, y poblado por estructuras surgidas durante
una fase temprana de expansión inflacionaria, es correcto en su mayor
parte.
Aún quedan por explicar algunas anomalías, o tensiones, como las
llaman los cosmólogos. Una en concreto tiene que ver con la expansión
del Universo. Su velocidad viene dada por la denominada constante de
Hubble.
Para obtener esta constante, los astrónomos normalmente tenían que
observar distancias a lo largo del cosmos y se veían limitados a hacerlo
en el Universo más cercano, midiendo el brillo aparente de determinados
tipos de estrellas variables y estrellas en explosión, cuyo brillo real
se puede estimar de forma independiente. Se trata de una técnica
ampliamente probada y desarrollada a lo largo del último siglo,
descubierta por Henrietta Leavitt y aplicada posteriormente, a finales
de los años veinte, por Edwin Hubble y sus colaboradores, que utilizaron
estrellas variables en galaxias distantes y otras observaciones para
revelar que el Universo se estaba expandiendo.
El valor que los astrónomos derivan de la constante de Hubble
empleando una gran variedad de observaciones punteras, incluidas algunas
del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA (que debe su nombre a
este científico pionero), y más recientemente a la misión Gaia de la
ESA, es de 73,5 km/s/Mpc, con una incertidumbre de tan solo un dos por
ciento. Estas unidades indican la velocidad de la expansión en km/s por
cada millón de pársecs (Mpc) de separación en el espacio, donde un
pársec equivale a 3,26 años luz.
Una segunda forma de calcular la constante de Hubble es usar el
modelo cosmológico coherente con la imagen del fondo cósmico de
microondas, que representa un Universo muy joven, y calcular una
predicción de cuál sería la constante hoy. Al aplicarse a los datos de
Planck, este método nos da un valor menor, de 67,4 km/s/Mpc, con una
mínima incertidumbre, inferior al uno por ciento.
Por un lado, resulta extraordinario que dos formas tan distintas de
derivar la constante de Hubble (una empleando el Universo local y
maduro, y la otra basada en el Universo distante y temprano) ofrezcan
resultados tan cercanos. Por otro, en principio estas dos cifras
deberían coincidir dentro de sus respectivas incertidumbres. Esta es la
tensión, y la pregunta es ¿cómo reconciliarlas?
De ambos lados existe el convencimiento de que los errores que
podrían quedar en sus métodos de medida son demasiado pequeños como para
provocar esta discrepancia. Así que, ¿quizá nuestro entorno cósmico
local tiene alguna peculiaridad que haga que la medición cercana
presente una leve anomalía? Por ejemplo, sabemos que nuestra Galaxia se
halla en una región más bien poco densa del Universo, lo que podría
afectar al valor local de la constante de Hubble.
“No hay una única solución astrofísica satisfactoria que pueda explicar esta discrepancia. Así que puede que exista una nueva física aún por descubrir”, apunta Marco Bersanelli, investigador principal adjunto del instrumento LFI en la Universidad de Milán (Italia).
Como ‘nueva física’ se entiende que una serie de partículas o fuerzas
exóticas podrían influir en los resultados. Sin embargo, por muy
emocionante que suene, los resultados de Planck limitan enormemente esta
posibilidad, ya que encaja a la perfección en la mayoría de
observaciones.
“Es muy difícil añadir una nueva física que resuelva la tensión, pero
que a la vez conserve la descripción precisa del modelo estándar, en la
que ya encaja todo lo demás”, señala François Bouchet, investigador
principal adjunto del instrumento HFI en el Instituto de Astrofísica de
París.
Así pues, nadie ha sido capaz de aportar una explicación
satisfactoria para las diferencias entre las dos mediciones, y la
cuestión sigue sin resolverse.
“Por el momento, no deberíamos hacernos demasiadas ilusiones con encontrar una nueva física: la discrepancia relativamente menor quizá podría explicarse por una combinación de pequeños errores y efectos locales. Pero tenemos que seguir mejorando nuestras mediciones y pensando en formas mejores de explicarla”, advierte Jan.
Este es el legado de Planck: con su Universo casi perfecto, la misión
ha confirmado a los investigadores sus modelos, salvo por un par de
detalles que habrá que resolver. En otras palabras: lo mejor de dos
mundos.
esa
No hay comentarios