La mejor imagen del universo

¿Cómo sucedió el proceso inflacionario del universo primigenio? ¿Cómo se originaron las semillas que dieron lugar a las estrellas, galaxias y demás estructura a gran escala del universo? ¿Cuál es su edad, su geometría y cuáles sus constituyentes? Estas y otras preguntas fundamentales sobre el cosmos motivaron el lanzamiento del satélite Planck, de la Agencia Europea del Espacio (ESA), en 2009. Fue diseñado para obtener la foto más detallada y precisa que jamás se haya tomado de la radiación del fondo cósmico de microondas (RFCM). Esta radiación, remanente de la gran explosión que se observa en el rango de las microondas, lleva impresa información muy valiosa sobre el origen y la evolución del universo.

Antes, otros dos satélites de la NASA, COBE (1989-1993) y WMAP (2001-2010), la habían precedido con resultados espectaculares. Sin embargo, la calidad de las imágenes que proporcionaron no fue suficiente como para extraer toda la valiosa información 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 emisión de la RFCM. Estos nueve mapas nos han permitido separar la señal cósmica de las demás emisiones de nuestra galaxia y de otras muchas, después de un elaborado proceso de separación de componentes que ha dado lugar a la imagen más perfecta que se tiene de dicha radiación.

La resolución angular del Planck supera en tres veces la del WMAP, y su sensibilidad es 30 veces más alta. ¿Y qué nos han revelado? Pues han confirmado, con gran precisión (reduciendo la incertidumbre en aproximadamente un 50%), la validez del modelo cosmológico estándar. Es decir, que el universo comenzó en un estadio altamente denso y caliente (la gran explosión) y, rápidamente, pasó por un mecanismo de expansión exponencial (la inflación cosmológica) que borró cualquier posible inhomogeneidad inicial, dejando como resultado unas pequeñas perturbaciones en la densidad de energía, las cuales, por inestabilidad gravitatoria, han dado lugar, con el paso de miles de millones de años, a la gran riqueza de estructura que hoy día podemos observar en el cosmos, en particular, nuestro sistema solar y nuestro planeta.

El satélite europeo tiene 30 veces más sensibilidad que el ‘WMAP’ de la NASA

Toda esta información ha sido posible tras analizar centenares de millones de datos, hasta poder inferir las pequeñas diferencias de temperatura (de una parte en 100.000) de la RFCM. Esta radiación electromagnética, que nos llega unos 13.800 millones de años después de haberse liberado (prácticamente la edad del universo), guarda codificada en sí misma la información referente a cuánta materia y energía hay en el universo, qué tipos de materia, cómo se formaron las galaxias y los cúmulos de galaxias en las que se albergan las estrellas, y cuál será el destino último de nuestro universo. Planck ha confirmado que el cosmos está en una fase de expansión acelerada, de la que es responsable la gran desconocida energía oscura: solo sabemos que es compatible con una energía de vacío, esto es, que cuanto más densa es, más presión ejerce hacia afuera. El Planck ha rebajado ligeramente el papel jugado por esta misteriosa energía que, aun así, es responsable del 68% del contenido energético 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 radiación electromagnética (o, si lo hace, su emisión es actualmente indetectable) y que recibe el nombre de materia oscura. El Planck también ha afinado la edad del universo: es unos 100 millones de años más viejo de lo que pensábamos.

¿Hay algo más? ¿Nos muestra el Planck algo más allá de la confirmación de la validez del modelo estándar? La respuesta es sí: ha revelado la existencia de unas pequeñas, pero importantes, anomalías en la distribución espacial de las fluctuaciones de temperatura de la RFCM. Ya fueron apuntadas por los datos del WMAP, pero solo ahora, gracias al satélite Planck, se ha confirmado que estas anomalías son intrínsecas a la radiación primigenia. Están relacionadas con las propiedades de la radiación de fondo a gran escala y se manifiestan a través 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 asimetría de tal forma que uno de los hemisferios (el sur) presenta más contraste en las fluctuaciones de la RFCM que el otro; una mancha en el hemisferio sur de la bóveda celeste cuyo tamaño y temperatura (extremadamente fría) son difíciles de reconciliar con los tamaños y temperaturas del resto de las manchas. Esta llamada Mancha Fría 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 explicación basándonos en una textura cósmica (un tipo de defecto cósmico asociado a transiciones de fase con rotura de simetría en el universo primitivo). Estas anomalías suponen un reto, tanto al principio cosmológico como al modelo inflacionario estándar, que abogan por un cosmos que (a gran escala) es homogéneo e isótropo.

Varios equipos españoles hemos tenido un papel relevante en la misión Planck, tanto en el desarrollo de los detectores y la electrónica de control (institutos de Astrofísica de Canarias y de Física de Cantabria y universidades de Cantabria, de Granada y Politécnica de Cataluña), como en procesado y análisis de los datos. Los resultados que ahora se acaban de hacer públicos corresponden a los primeros 15 meses de datos, la mitad del total.

La radiación de fondo se emitió hace casi 13.800 millones de años

Aunque la vida del Planck se está acabando (un instrumento se apagó en enero de 2012, al terminarse el líquido criogénico que lo mantenía enfriado a una décima de grado por encima del cero absoluto, y el otro funcionará hasta septiembre de este año), el análisis de sus datos aún esta por concluir. Para la primavera del próximo año dispondremos de nuevos resultados, en particular, de la polarización de la RFCM.

La polarización de la radiación primigenia (en particular, la debida a las ondas gravitatorias primordiales, que se cree se generaron en los primeros momentos de la expansión del universo) es capital para la aceptación definitiva de la inflación cósmica. Además, podrá ayudar a discriminar si las anomalías a gran escala son primordiales o si, por el contrario, tienen que ver con la ulterior evolución del universo local.

Además de este satélite, varios experimentos (desde tierra o en globos estratosféricos) están siendo diseñados y construidos para poder estudiar la radiación de fondo. Entre estos se encuentra QUIJOTE: un experimento hispano-británico en el observatorio de Izaña (Tenerife) que tiene la capacidad de detectar la polarización primordial a un nivel similar al del Planck. Si hallásemos indicios de la existencia de esta polarización, se abriría la puerta a que las grandes agencias espaciales se planteasen hacer un nuevo satélite de microondas para estudiar la radiación de fondo; sería el cuarto, tras COBE, WMAP y Planck.

Enrique Martínez y Patricio Vielva son investigadores del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC).