La mejor imagen del universo

?C¨®mo sucedi¨® el proceso inflacionario del universo primigenio? ?C¨®mo se originaron las semillas que dieron lugar a las estrellas, galaxias y dem¨¢s estructura a gran escala del universo? ?Cu¨¢l es su edad, su geometr¨ªa y cu¨¢les sus constituyentes? Estas y otras preguntas fundamentales sobre el cosmos motivaron el lanzamiento del sat¨¦lite Planck, de la Agencia Europea del Espacio (ESA), en 2009. Fue dise?ado para obtener la foto m¨¢s detallada y precisa que jam¨¢s se haya tomado de la radiaci¨®n del fondo c¨®smico de microondas (RFCM). Esta radiaci¨®n, remanente de la gran explosi¨®n que se observa en el rango de las microondas, lleva impresa informaci¨®n muy valiosa sobre el origen y la evoluci¨®n del universo.

Antes, otros dos sat¨¦lites de la NASA, COBE (1989-1993) y WMAP (2001-2010), la hab¨ªan precedido con resultados espectaculares. Sin embargo, la calidad de las im¨¢genes que proporcionaron no fue suficiente como para extraer toda la valiosa informaci¨®n contenida en la RFCM. Los dos avanzados instrumentos que lleva el Planck han sido capaces de fotografiar el cielo de microondas en nueve frecuencias que cubren ampliamente el espectro de emisi¨®n de la RFCM. Estos nueve mapas nos han permitido separar la se?al c¨®smica de las dem¨¢s emisiones de nuestra galaxia y de otras muchas, despu¨¦s de un elaborado proceso de separaci¨®n de componentes que ha dado lugar a la imagen m¨¢s perfecta que se tiene de dicha radiaci¨®n.

La resoluci¨®n angular del Planck supera en tres veces la del WMAP, y su sensibilidad es 30 veces m¨¢s alta. ?Y qu¨¦ nos han revelado? Pues han confirmado, con gran precisi¨®n (reduciendo la incertidumbre en aproximadamente un 50%), la validez del modelo cosmol¨®gico est¨¢ndar. Es decir, que el universo comenz¨® en un estadio altamente denso y caliente (la gran explosi¨®n) y, r¨¢pidamente, pas¨® por un mecanismo de expansi¨®n exponencial (la inflaci¨®n cosmol¨®gica) que borr¨® cualquier posible inhomogeneidad inicial, dejando como resultado unas peque?as perturbaciones en la densidad de energ¨ªa, las cuales, por inestabilidad gravitatoria, han dado lugar, con el paso de miles de millones de a?os, a la gran riqueza de estructura que hoy d¨ªa podemos observar en el cosmos, en particular, nuestro sistema solar y nuestro planeta.

El sat¨¦lite europeo tiene 30 veces m¨¢s sensibilidad que el ¡®WMAP¡¯ de la NASA

Toda esta informaci¨®n ha sido posible tras analizar centenares de millones de datos, hasta poder inferir las peque?as diferencias de temperatura (de una parte en 100.000) de la RFCM. Esta radiaci¨®n electromagn¨¦tica, que nos llega unos 13.800 millones de a?os despu¨¦s de haberse liberado (pr¨¢cticamente la edad del universo), guarda codificada en s¨ª misma la informaci¨®n referente a cu¨¢nta materia y energ¨ªa hay en el universo, qu¨¦ tipos de materia, c¨®mo se formaron las galaxias y los c¨²mulos de galaxias en las que se albergan las estrellas, y cu¨¢l ser¨¢ el destino ¨²ltimo de nuestro universo. Planck ha confirmado que el cosmos est¨¢ en una fase de expansi¨®n acelerada, de la que es responsable la gran desconocida energ¨ªa oscura: solo sabemos que es compatible con una energ¨ªa de vac¨ªo, esto es, que cuanto m¨¢s densa es, m¨¢s presi¨®n ejerce hacia afuera. El Planck ha rebajado ligeramente el papel jugado por esta misteriosa energ¨ªa que, aun as¨ª, es responsable del 68% del contenido energ¨¦tico del universo. Asimismo, sabemos que del 32% restante, la materia ordinaria solo da cuenta del 5%. El 27% que falta corresponde a una forma de materia desconocida que no emite radiaci¨®n electromagn¨¦tica (o, si lo hace, su emisi¨®n es actualmente indetectable) y que recibe el nombre de materia oscura. El Planck tambi¨¦n ha afinado la edad del universo: es unos 100 millones de a?os m¨¢s viejo de lo que pens¨¢bamos.

?Hay algo m¨¢s? ?Nos muestra el Planck algo m¨¢s all¨¢ de la confirmaci¨®n de la validez del modelo est¨¢ndar? La respuesta es s¨ª: ha revelado la existencia de unas peque?as, pero importantes, anomal¨ªas en la distribuci¨®n espacial de las fluctuaciones de temperatura de la RFCM. Ya fueron apuntadas por los datos del WMAP, pero solo ahora, gracias al sat¨¦lite Planck, se ha confirmado que estas anomal¨ªas son intr¨ªnsecas a la radiaci¨®n primigenia. Est¨¢n relacionadas con las propiedades de la radiaci¨®n de fondo a gran escala y se manifiestan a trav¨¦s de varios hechos observables: las diferencias entre las fluctuaciones positivas y negativas de la RFCM son menores de lo esperado, cuando se miran a gran escala; una asimetr¨ªa de tal forma que uno de los hemisferios (el sur) presenta m¨¢s contraste en las fluctuaciones de la RFCM que el otro; una mancha en el hemisferio sur de la b¨®veda celeste cuyo tama?o y temperatura (extremadamente fr¨ªa) son dif¨ªciles de reconciliar con los tama?os y temperaturas del resto de las manchas. Esta llamada Mancha Fr¨ªa es de especial relevancia para nuestro grupo, ya que fuimos quienes primero la detectamos en los datos del WMAP (en 2004) y hemos sugerido una posible explicaci¨®n bas¨¢ndonos en una textura c¨®smica (un tipo de defecto c¨®smico asociado a transiciones de fase con rotura de simetr¨ªa en el universo primitivo). Estas anomal¨ªas suponen un reto, tanto al principio cosmol¨®gico como al modelo inflacionario est¨¢ndar, que abogan por un cosmos que (a gran escala) es homog¨¦neo e is¨®tropo.

Varios equipos espa?oles hemos tenido un papel relevante en la misi¨®n Planck, tanto en el desarrollo de los detectores y la electr¨®nica de control (institutos de Astrof¨ªsica de Canarias y de F¨ªsica de Cantabria y universidades de Cantabria, de Granada y Polit¨¦cnica de Catalu?a), como en procesado y an¨¢lisis de los datos. Los resultados que ahora se acaban de hacer p¨²blicos corresponden a los primeros 15 meses de datos, la mitad del total.

La radiaci¨®n de fondo se emiti¨® hace casi 13.800 millones de a?os

Aunque la vida del Planck se est¨¢ acabando (un instrumento se apag¨® en enero de 2012, al terminarse el l¨ªquido criog¨¦nico que lo manten¨ªa enfriado a una d¨¦cima de grado por encima del cero absoluto, y el otro funcionar¨¢ hasta septiembre de este a?o), el an¨¢lisis de sus datos a¨²n esta por concluir. Para la primavera del pr¨®ximo a?o dispondremos de nuevos resultados, en particular, de la polarizaci¨®n de la RFCM.

La polarizaci¨®n de la radiaci¨®n primigenia (en particular, la debida a las ondas gravitatorias primordiales, que se cree se generaron en los primeros momentos de la expansi¨®n del universo) es capital para la aceptaci¨®n definitiva de la inflaci¨®n c¨®smica. Adem¨¢s, podr¨¢ ayudar a discriminar si las anomal¨ªas a gran escala son primordiales o si, por el contrario, tienen que ver con la ulterior evoluci¨®n del universo local.

Adem¨¢s de este sat¨¦lite, varios experimentos (desde tierra o en globos estratosf¨¦ricos) est¨¢n siendo dise?ados y construidos para poder estudiar la radiaci¨®n de fondo. Entre estos se encuentra QUIJOTE: un experimento hispano-brit¨¢nico en el observatorio de Iza?a (Tenerife) que tiene la capacidad de detectar la polarizaci¨®n primordial a un nivel similar al del Planck. Si hall¨¢semos indicios de la existencia de esta polarizaci¨®n, se abrir¨ªa la puerta a que las grandes agencias espaciales se planteasen hacer un nuevo sat¨¦lite de microondas para estudiar la radiaci¨®n de fondo; ser¨ªa el cuarto, tras COBE, WMAP y Planck.

Enrique Mart¨ªnez y Patricio Vielva son investigadores del Instituto de F¨ªsica de Cantabria (CSIC-UC).