Las imágenes más claras hasta la fecha de un universo de 380.000 años revelan la infancia cósmica

Una nueva investigación de la colaboración del Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT) ha producido las imágenes más nítidas hasta la fecha de la infancia del universo, el tiempo cósmico más temprano accesible para los humanos. Midiendo la luz que viajó durante más de 13 mil millones de años para llegar a un telescopio en lo alto de los Andes chilenos, las nuevas imágenes revelan el universo cuando tenía unos 380.000 años, el equivalente a imágenes de hace horas de un cosmos que ahora es de mediana edad.

«Estamos viendo los primeros pasos hacia la formación de las primeras estrellas y galaxias», afirma Suzanne Staggs, directora del ACT y profesora de Física Henry deWolf Smyth en la Universidad de Princeton. «Y no solo vemos luz y oscuridad, sino la polarización de la luz en alta resolución. Este es un factor decisivo que distingue al ACT de Planck y otros telescopios anteriores».

Las nuevas imágenes de esta radiación de fondo, conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB), añaden mayor definición a las observadas hace más de una década por el telescopio espacial Planck. «ACT tiene cinco veces la resolución de Planck y una mayor sensibilidad», afirma Sigurd Naess, investigador de la Universidad de Oslo y autor principal de uno de los varios artículos relacionados con el proyecto. «Esto significa que la tenue señal de polarización ahora es directamente visible».

La imagen de polarización revela el movimiento detallado del hidrógeno y el helio en su infancia cósmica. «Antes, podíamos ver dónde estaban las cosas, y ahora también vemos cómo se mueven», afirma Staggs. «Al igual que cuando se usan las mareas para inferir la presencia de la Luna, el movimiento registrado por la polarización de la luz nos indica la intensidad de la atracción gravitatoria en diferentes partes del espacio».

Los nuevos resultados confirman un modelo simple del universo y han descartado la mayoría de las alternativas, según el equipo de investigación. El trabajo aún no ha sido revisado por pares, pero los investigadores presentarán sus resultados en la conferencia anual de la Sociedad Americana de Física el 19 de marzo.

Midiendo la infancia del universo
En los primeros cientos de miles de años después del Big Bang, el plasma primigenio que llenó el universo era tan caliente que la luz no podía propagarse libremente, lo que lo hacía prácticamente opaco. El CMB representa la primera etapa en la historia del universo que podemos ver; en realidad, la imagen del universo en su infancia.

Las nuevas imágenes ofrecen una visión extraordinariamente clara de variaciones muy sutiles en la densidad y la velocidad de los gases que llenaban el universo joven. «Existen otros telescopios contemporáneos que miden la polarización con bajo ruido, pero ninguno cubre tanta extensión del cielo como el ACT», afirma Naess.

Lo que parecen nubes difusas a la intensidad de la luz son regiones más o menos densas en un mar de hidrógeno y helio: colinas y valles que se extienden millones de años luz de ancho. Durante los siguientes millones a miles de millones de años, la gravedad atrajo las regiones más densas de gas hacia el interior para formar estrellas y galaxias.

Estas imágenes detalladas del universo recién nacido ayudan a los científicos a responder preguntas de larga data sobre su origen. «Al retroceder a una época en la que las cosas eran mucho más sencillas, podemos reconstruir la historia de cómo nuestro universo evolucionó hasta llegar al rico y complejo mundo en el que nos encontramos hoy», afirma Jo Dunkley, profesora Joseph Henry de Física y Ciencias Astrofísicas en la Universidad de Princeton y líder del análisis del ACT.

«Hemos medido con mayor precisión que el universo observable se extiende casi 50 mil millones de años luz en todas direcciones desde nosotros y contiene una masa equivalente a 1900 ‘zetta-soles’, o casi 2 billones de billones de soles», afirma Erminia Calabrese, profesora de astrofísica en la Universidad de Cardiff y autora principal de uno de los nuevos artículos. De esos 1900 zetta-soles, la masa de la materia normal —la que podemos ver y medir— representa solo 100. Otros 500 zetta-soles de masa son materia oscura, y el equivalente a 1300 corresponde a la energía del vacío dominante (también llamada energía oscura) del espacio vacío.

Las diminutas partículas de neutrinos representan como máximo cuatro zetta-soles de masa. De la materia normal, tres cuartas partes de la masa son hidrógeno y una cuarta parte, helio.

«Casi todo el helio del universo se produjo en los primeros tres minutos del tiempo cósmico», afirma Thibaut. Louis, investigador del CNRS en el IJCLab de la Universidad París-Saclay y uno de los autores principales de los nuevos artículos, comentó: «Nuestras nuevas mediciones de su abundancia concuerdan muy bien con los modelos teóricos y con las observaciones en galaxias».

Los elementos que componen a los humanos —principalmente carbono, con oxígeno, nitrógeno, hierro e incluso trazas de oro— se formaron posteriormente en las estrellas y son solo una pequeña parte de este caldo cósmico.

Las nuevas mediciones del ACT también han perfeccionado las estimaciones de la edad del universo y su velocidad de crecimiento actual. La llegada de materia al universo primitivo emitió ondas sonoras a través del espacio, como ondas que se extienden en círculos en un estanque.

«Un universo más joven habría tenido que expandirse más rápidamente para alcanzar su tamaño actual, y las imágenes que medimos parecerían llegarnos desde más cerca», explicó Mark Devlin, profesor de Astronomía Reese W. Flower en la Universidad de Pensilvania y subdirector del ACT. La extensión aparente de las ondas en las imágenes sería mayor en ese caso, de la misma manera que una regla sostenida cerca de la cara parece más grande que una sostenida con el brazo extendido.

Los nuevos datos confirman que la edad del universo es de 13.800 millones de años, con una incertidumbre de tan solo el 0,1 %.

La tensión de Hubble

En los últimos años, los cosmólogos han discrepado sobre la constante de Hubble, la velocidad a la que se expande el espacio en la actualidad. Las mediciones derivadas del CMB han mostrado consistentemente una tasa de expansión de 67 a 68 kilómetros por segundo por megapársec, mientras que las mediciones derivadas del movimiento de galaxias cercanas indican una constante de Hubble de hasta 73 a 74 km/s/Mpc. Utilizando los datos recién publicados, el equipo del ACT ha medido la constante de Hubble con mayor precisión. Su medición coincide con las estimaciones previas derivadas del CMB.

«Tomamos esta medición completamente nueva del cielo, lo que nos proporciona una verificación independiente del modelo cosmológico, y nuestros resultados demuestran que se sostiene», afirma Adriaan Duivenvoorden, investigador del Instituto Max Planck de Astrofísica y autor principal de uno de los nuevos artículos.

Uno de los principales objetivos del trabajo fue investigar modelos alternativos del universo que explicaran la discrepancia. «Queríamos ver si podíamos encontrar un modelo cosmológico que coincidiera con nuestros datos y que además predijera una tasa de expansión más rápida», afirma Colin Hill, profesor adjunto de la Universidad de Columbia y uno de los autores principales de los nuevos artículos. Las alternativas incluyen modificar el comportamiento de los neutrinos y la materia oscura invisible, añadir un período de expansión acelerada en el universo primitivo o modificar constantes fundamentales de la naturaleza.

«Hemos utilizado el CMB como detector de nuevas partículas o campos en el universo primitivo, explorando terrenos previamente inexplorados», afirma Hill. «Los datos del ACT no muestran evidencia de estas nuevas señales. Con nuestros nuevos resultados, el modelo estándar de cosmología ha superado una prueba de extraordinaria precisión».

«Nos sorprendió un poco no encontrar ni siquiera evidencia parcial que respaldara el valor más alto», afirma Staggs. «Había algunas áreas donde creíamos que podríamos encontrar evidencia que explicara la tensión, pero simplemente no se encontraban en los datos».

Una exposición de 5 años

La radiación de fondo medida por el ACT es extremadamente tenue. «Para realizar esta nueva medición, necesitábamos una exposición de 5 años con un telescopio sensible, sintonizado para detectar luz en longitudes de onda milimétricas», afirma Devlin. «Nuestros colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología proporcionaron detectores con una sensibilidad de vanguardia, y la Fundación Nacional de Ciencias apoyó la misión del ACT durante más de dos décadas para lograrlo».

Al estudiar el cielo, el ACT también ha detectado la luz emitida por otros objetos en el espacio. «Podemos retroceder en el tiempo a través de la historia cósmica», afirma Dunkley, «desde nuestra propia Vía Láctea, pasando por galaxias distantes que albergan vastos agujeros negros y enormes cúmulos de galaxias, hasta llegar a esa época de su infancia».

El ACT completó sus observaciones en 2022, y ahora la atención se centra en el nuevo Observatorio Simons, de mayor capacidad, ubicado en la misma ubicación en Chile. Los nuevos datos del ACT se comparten públicamente en el archivo LAMBDA de la NASA.

Con información de:
The CMB maps
The CMB power spectra and fitting to LCDM
Constraints on extensions to LCDM