Nuevas imágenes del universo infantil captadas por el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT) son las «fotos de bebé» más precisas hasta la fecha de los «primeros pasos» del cosmos hacia la formación de las primeras estrellas y galaxias.
Las imágenes del fondo cósmico de microondas (CMB), que es una reliquia fósil de la primera luz del universo, revelan cómo era el cosmos de 13.800 millones de años sólo 380.000 años después del Big Bang.
Este increíble logro del ACT ha ayudado a los científicos a validar el modelo estándar de la cosmología, la mejor descripción que tenemos de la formación y evolución del universo. Además de demostrar que este modelo es increíblemente sólido, las imágenes de ACT muestran la intensidad y polarización de la luz más temprana con una claridad sin precedentes.
Un trozo de la nueva imagen que muestra las direcciones de vibración (o polarización) de la radiación. El zoom de la derecha es de 10 grados. La luz polarizada vibra en una dirección determinada; el azul muestra los lugares en los que las direcciones de vibración de la luz circundante están inclinadas hacia ella, como los radios de una bicicleta; el naranja muestra los lugares en los que las direcciones de vibración giran a su alrededor. (Crédito de la imagen: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration).
Los nuevos datos del ACT revelan el movimiento de los antiguos gases del universo al ser atraídos por la gravedad. Esto muestra la formación de antiguas nubes de hidrógeno y helio que más tarde colapsarán para dar nacimiento a las primeras estrellas. Así pues, esto constituye el universo dando su primer paso hacia la formación de galaxias.
«Estamos viendo los primeros pasos hacia la formación de las primeras estrellas y galaxias», declaró en un comunicado la directora del ACT e investigadora de la Universidad de Princeton, Suzanne Staggs. «Y no sólo estamos viendo luz y oscuridad; estamos viendo la polarización de la luz en alta resolución. Ese es un factor determinante que distingue a ACT de Planck y otros telescopios anteriores».
A pesar de decir mucho a los científicos sobre las condiciones del universo primitivo, estos nuevos hallazgos del ACT no contenían pistas que pudieran ayudar a resolver uno de los mayores problemas de nuestra comprensión de la evolución cósmica: la llamada «tensión de Hubble.»
A la izquierda, parte de la nueva imagen de medio cielo del Telescopio Cosmológico de Atacama, añadida a las mediciones del satélite Planck. Se han combinado tres longitudes de onda de luz para resaltar la Vía Láctea en púrpura y el fondo cósmico de microondas en gris. El cielo está girado para resaltar la parte de la Vía Láctea que alberga la Nebulosa de Orión, mostrada en el zoom de 5 grados de la derecha (Crédito de la imagen: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration)
La primera luz del bebé
Antes de unos 380.000 años después del Big Bang, el universo era un lugar oscuro, literalmente. En esa época, el cosmos era tan caliente y denso que estaba lleno de un mar de plasma repleto de electrones no ligados que dispersaban sin cesar los fotones, las partículas que componen la luz. Esto significaba que la luz no podía viajar a través del cosmos sin obstáculos, y por lo tanto, el cosmos era opaco como una niebla densa.
Una vez que el universo se expandió y se enfrió lo suficiente (hasta unos 3000 Kelvin (aproximadamente 4.900 grados Fahrenheit o 2.700 grados Celsius), los electrones pudieron unirse a los protones y formar los primeros átomos neutros de hidrógeno y helio, los primeros elementos. De repente, los fotones dejaron de dispersarse sin fin y pudieron viajar libremente. De repente, tras este acontecimiento llamado la «última dispersión», el universo era transparente.
Esta primera luz se conoce hoy como CMB. Aunque llena el cosmos de forma casi omnipresente, existen pequeñas variaciones en el CMB, que los científicos denominan «anisotropías», dejadas por pequeñas fluctuaciones en la densidad de la materia durante la última dispersión.
El hecho de que esta luz cósmica fósil sea lo más atrás en el tiempo que los astrónomos pueden esperar ver con la luz, y porque ha existido desde la época más temprana del cosmos, el CMB es una excelente manera de rastrear la evolución del universo.
Estas líneas negras de polarización en el ACT se utilizan para calcular la polarización de tipo radial (azul) o tangencial (rojo) en cualquier punto del cielo. (Crédito de la imagen: ACT)
Desde su posición en lo alto de los Andes chilenos, ACT captó esta luz, que lleva viajando más de 13.000 millones de años. Antes de estos datos del ACT, la imagen más precisa y detallada del CMB procedía del telescopio espacial Planck.
«ACT tiene cinco veces la resolución de Planck y mayor sensibilidad», afirma en un comunicado Sigurd Naess, miembro del equipo e investigador de la Universidad de Oslo. «Esto significa que la débil señal de polarización es ahora directamente visible. Hay otros telescopios contemporáneos que miden la polarización con poco ruido, pero ninguno de ellos cubre tanto cielo como ACT.»
Esta firma de polarización es importante porque revela cómo se movían los gases de hidrógeno y helio cuando el universo estaba en su infancia y lleno sólo de trazas de otros elementos más pesados.
«Antes veíamos dónde estaban las cosas, y ahora también vemos cómo se mueven», explica Staggs. «Al igual que el uso de las mareas para inferir la presencia de la Luna, el movimiento rastreado por la polarización de la luz nos dice lo fuerte que era la atracción de la gravedad en diferentes partes del espacio».
Una nueva imagen de la radiación cósmica de fondo de microondas, añadiendo alta definición del Telescopio Cosmológico de Atacama a una imagen anterior del satélite Planck. El acercamiento es de 10 grados, o veinte veces la anchura de la Luna vista desde la Tierra, y muestra una pequeña porción de la nueva imagen de medio cielo. (Crédito de la imagen: ACT Collaboration; ESA/Planck Collaboration)
Con los datos de ACT, los investigadores también pudieron ver variaciones increíblemente sutiles en la densidad y velocidad de los gases que llenaban el universo joven. Esto incluye lo que parecen ser regiones de alta y baja densidad en este mar de hidrógeno y helio primordiales. Estas primeras colinas y valles cósmicos se extienden a lo largo de millones de años luz y, en los miles de millones de años posteriores a la instantánea del ACT, la gravedad empujó sus regiones más densas hacia el interior para que nacieran estrellas que formaron las primeras galaxias.
«Remontándonos a esa época, cuando las cosas eran mucho más sencillas, podemos reconstruir la historia de cómo nuestro universo evolucionó hasta el lugar rico y complejo en el que nos encontramos hoy en día», afirmó Jo Dunkley, líder del análisis ACT e investigador de la Universidad de Princeton.
Un viaje en el tiempo cósmico
Este viaje cósmico en el tiempo reveló que el universo observable se extiende por casi 50.000 millones de años luz en todas las direcciones a nuestro alrededor. Se calculó que la masa del universo equivale a unos 2 billones de billones (2 seguido de 36 ceros) de soles, o 1.900 «zetta-soles» (un «zetta» se refiere a una estrella hipotética tan enorme que tiene una masa 10
21
veces la del sol).
De este total, sólo 100 soles zetta están compuestos por la materia ordinaria que vemos a nuestro alrededor a diario. Tres cuartas partes de esta masa son hidrógeno y una cuarta parte helio. Otros 500 soles zeta de masa corresponden a la materia oscura, mientras que 1.300 soles zeta de masa corresponden a la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la aceleración de la expansión del cosmos.
Las «partículas fantasma», diminutas, sin carga y casi sin masa, llamadas neutrinos, representan alrededor de cuatro soles zeta de masa. Estas partículas se conocen como los fantasmas del zoo de partículas porque interactúan tan débilmente y son tan omnipresentes que unos 100 billones (10 seguido de 13 ceros) de neutrinos atraviesan nuestro cuerpo cada segundo, pasando totalmente desapercibidos.
Estas cantidades concuerdan bien tanto con los modelos teóricos del cosmos como con las observaciones de las galaxias.
El universo observable contiene tanta masa como 1.900 «zetta-soles», es decir, 1.900 billones de billones de veces la masa de nuestro sol. Los gráficos de tarta muestran la proporción de los distintos componentes. Casi toda la materia regular del universo es hidrógeno y helio (Crédito de la imagen: ACT Collaboration)
Los nuevos hallazgos del ACT también afinaron las estimaciones sobre la edad del universo, ajustándose a unos cálculos de 13.800 millones de años, con una incertidumbre de sólo el 0,1%, y el ritmo al que se expandió el cosmos en sus épocas más tempranas.
Esto es posible porque la materia en el universo primitivo enviaba ondas a través del espacio como ondas que se extienden en círculos en un estanque. Estas ondas están «congeladas» en el fósil cósmico que es el CMB.
«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», afirma Mark Devlin, subdirector del ACT e investigador de la Universidad de Pensilvania. «La extensión aparente de las ondulaciones en las imágenes sería mayor en ese caso, del mismo modo que una regla sostenida más cerca de la cara parece más grande que una sostenida a la distancia de un brazo».
Dirigiendo ‘Problemas de Hubble’
Uno de los principales problemas a los que se enfrenta la cosmología actual es la existencia de la «tensión de Hubble». Se trata de la disparidad en la velocidad a la que se expande el universo, un valor denominado constante de Hubble, dependiendo de cómo se mida esta expansión.
Utilizando mediciones del movimiento de galaxias cercanas, los científicos calculan que la constante de Hubble es tan grande como 73 a 74 kilómetros por segundo por megaparsec (km/s/Mpc). Este valor es superior al que obtienen los científicos al utilizar el CMB para obtener la constante de Hubble, que es de 67 a 68 km/s/Mpc.
Utilizando estas imágenes de alta resolución del CMB, vistas por ACT el equipo obtuvo nuevas mediciones de la constante de Hubble. Comprobaron que coinciden con mediciones anteriores de la constante de Hubble realizadas con el CMB.
Uno de los principales objetivos de los datos de ACT era investigar un modelo cósmico alternativo que pudiera explicar la tensión de Hubble. Estas alternativas incluían cambiar el comportamiento de los neutrinos y añadir un periodo adicional de expansión cósmica acelerada en el universo primitivo.
«Queríamos ver si podíamos y un modelo cosmológico que coincidiera con nuestros datos y también predijera una tasa de expansión más rápida», dijo Colin Hill, investigador de la Universidad de Columbia, que utilizó los datos del ACT en la nueva investigación. «Hemos utilizado el CMB como detector de nuevas partículas o campos en el universo primitivo, explorando un terreno hasta ahora inexplorado».
Hill añadió que los datos del ACT no mostraron pruebas de tales señales nuevas, lo que significa que el modelo estándar de la cosmología ha superado una prueba extremadamente precisa de su exactitud.
«Nos sorprendió un poco no encontrar ni siquiera pruebas parciales que apoyaran el valor más alto», dijo Staggs. «Hubo algunas áreas en las que pensamos que podríamos ver alguna evidencia parcial para las explicaciones de la tensión, y simplemente no estaban allí en los datos».
ACT completó sus observaciones en 2022 y fue retirado del servicio. Los astrónomos ahora dirigen su atención al nuevo y más capaz Observatorio Simons en la misma ubicación en Chile.
Los nuevos datos de ACT se comparten públicamente en el archivo LAMBDA de la NASA, mientras que los artículos derivados de estos datos de ACT están disponibles en el sitio web del Atacama Cosmology Telescope de Princeton.
