Nuevos telescopios para estudiar las consecuencias del Big Bang

Actualmente, los astrónomos están ampliando las fronteras de la astronomía. En este mismo momento, observatorios como el Telescopio Espacial James Webb (JWST) están visualizando las primeras estrellas y galaxias del universo, que se formaron durante un período conocido como la “Edad Oscura Cósmica”. Este período antes era inaccesible a los telescopios porque el universo estaba impregnado de nubes de hidrógeno neutro.

Como resultado, la única luz es visible hoy como radiación reliquia del Big Bang (el fondo cósmico de microondas (CMB)) o como la línea espectral de 21 cm creada por la reionización del hidrógeno (también conocida como Línea del Hidrógeno).

Ahora que el velo de la Edad Media se está quitando lentamente, los científicos están contemplando la próxima frontera en astronomía y cosmología mediante la observación de “ondas gravitacionales primordiales” creadas por el Big Bang. En noticias recientes, se anunció que la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) había otorgado 3,7 millones de dólares a la Universidad de Chicago, la primera parte de una subvención que podría alcanzar hasta 21,4 millones de dólares. El objetivo de esta subvención es financiar el desarrollo de telescopios de próxima generación que mapearán el CMB y las ondas gravitacionales creadas inmediatamente después del Big Bang.

Las ondas gravitacionales (GW), originalmente predichas por la teoría de la relatividad general de Einstein, son ondas en el espacio-tiempo causadas por la fusión de objetos masivos, como agujeros negros y estrellas de neutrones. Los científicos también han teorizado que se formaron GW durante el Big Bang que aún podrían ser visibles hoy como vibraciones de fondo. En colaboración con el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), investigadores del proyecto CMB-S4 de la Universidad de Chicago buscan construir telescopios e infraestructura en la Antártida y Chile para buscar estas ondas.

En la colaboración participan actualmente 450 científicos de más de 100 instituciones en 20 países. Se propone que todo el proyecto sea financiado conjuntamente por el NSG y el Departamento de Energía de EE. UU. (DoE), con la parte del NSF dirigida por la Universidad de Chicago, mientras que el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley liderará la parte del DoE. Se espera que el proyecto cueste un total de unos 800 millones de dólares y entre en funcionamiento a principios de la década de 2030. Además de buscar GW primordiales, estos telescopios también podrían mapear el CMB con increíble detalle y revelar cómo ha cambiado el universo con el tiempo.

Estos telescopios también podrían ayudar a buscar el elusivo “universo oscuro” y validar nuestros modelos cosmológicos actuales. John Carlstrom es Profesor de Servicio Distinguido Subrahmanyan Chandrasekhar de Astronomía y Astrofísica y Física en UChicago y científico del proyecto CMB-S4. “Con estos telescopios, pondremos a prueba nuestra teoría de cómo surgió todo nuestro universo, pero también estudiaremos la física en las escalas más extremas de una manera que simplemente no podemos hacer con los experimentos de física de partículas en la Tierra”, dijo en un evento de UChicago. Declaración de noticias.

Debido a que el CMB contiene información sobre el nacimiento del universo, los científicos lo han estado mapeando durante décadas. Estos incluyen telescopios espaciales como el soviético RELIKT-1, el Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA, la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) y el satélite Planck de la ESA. Estas misiones han medido pequeñas anisotropías (fluctuaciones) de temperatura en el CMB con cada vez más detalle, proporcionando pistas sobre cómo comenzó el universo. Sin embargo, lo que se necesita son telescopios lo suficientemente sensibles como para responder a preguntas cosmológicas más profundas, como si el universo comenzó con un estallido de inflación.

Para ello, el CMB-S4 construirá instrumentos increíblemente complejos para mapear la primera luz del universo desde naves espaciales y la Tierra. El conjunto incluirá dos nuevos telescopios en la meseta chilena de Atacama y nueve más pequeños en la Estación del Polo Sur (SPS) de la NSF. El proyecto también dependerá del Telescopio del Polo Sur, que ha estado operativo en el SPS desde 2007. Cada sitio desempeñará un papel esencial, y los telescopios en Chile realizarán un amplio estudio del cielo para capturar una imagen más detallada del CMB. . Mientras tanto, los telescopios de la Estación del Polo Sur de la NSF observarían profunda y continuamente una parte más pequeña del cielo.

Las observaciones desde Chile ayudarán a mejorar nuestra comprensión de la evolución y distribución de la materia y buscarán partículas de luz reliquias que pudieron haber existido en el universo primitivo. Mientras tanto, los telescopios en la Antártida ofrecerán una mirada única al universo, ya que es aquí donde gira el resto de la Tierra, lo que permitirá observaciones continuas de una sección del cielo. Sus esfuerzos combinados permitirán a los astrónomos buscar ondas en el espacio-tiempo que sólo podrían surgir de un espacio más pequeño que una partícula subatómica que repentinamente se expande hasta alcanzar un volumen mucho mayor.

Jim Strait, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (director del proyecto CMB-S4), dijo que este es un objetivo ambicioso pero que vale la pena. “En muchos sentidos, la teoría de la inflación parece buena, pero la mayor parte de la evidencia experimental es algo circunstancial”, afirmó. “Encontrar ondas gravitacionales primordiales sería lo que algunas personas han llamado ‘la prueba irrefutable’ de la inflación”.

Dado que estas ondas interactuarían con el CMB y dejarían una firma distintiva (pero extremadamente débil), el mapeo continuo y a gran escala del CMB debería proporcionar indicaciones de su existencia. El CMB-S4 también debería proporcionar pistas sobre la naturaleza de la materia y la energía oscuras. Mientras que se teoriza que el primero representa la mayor parte de la masa del universo (alrededor del 69%), el segundo es responsable de su acelerada tasa de expansión. Además, mapear las ondas gravitacionales primordiales también ayudaría a los científicos a encontrar la conexión entre las fuerzas de la gravedad y la mecánica cuántica.

Los detectores de microondas ya son tan sensibles que en las mediciones predominan el ruido de fondo y las interferencias locales. Por lo tanto, el plan es equipar el experimento combinado CMB-S4 con casi 500.000 detectores superconductores, más que todos los experimentos anteriores combinados, y aumentar considerablemente el número de mediciones para proporcionar una medición precisa del nivel de la señal y reducir el ruido. La nueva subvención de la NSF ayudará a financiar el diseño de los nuevos telescopios y la infraestructura del sitio, que será la más compleja jamás construida.

Con información de UniverseToday