Los cosmólogos del Instituto de Tecnología de California han utilizado observaciones que exploran la época remota del universo cuando los átomos se formaron por primera vez para detectar movimientos entre las semillas que dieron lugar a los cúmulos de galaxias. Los nuevos resultados muestran el movimiento de la materia primordial en su camino hacia la formación de cúmulos y supercúmulos de galaxias. Las observaciones se obtuvieron con un instrumento en los Andes chilenos conocido como el Cosmic Background Imager (CBI), y proporcionan una nueva confianza en la precisión del modelo estándar del universo temprano en el que se produjo una rápida inflación un breve instante después del Big Bang .
La característica novedosa de estas observaciones de polarización es que revelan directamente las semillas de los cúmulos de galaxias y sus movimientos a medida que proceden a formar los primeros cúmulos de galaxias.
Al informar en la edición en línea del 7 de octubre de Science Express, el Profesor de Astronomía Rawn de Caltech e investigador principal del proyecto CBI, Anthony Readhead y su equipo dicen que los nuevos resultados de polarización brindan un fuerte apoyo al modelo estándar del universo como un lugar en el que La materia oscura y la energía oscura son mucho más frecuentes que la materia cotidiana tal como la conocemos, lo que plantea un problema importante para la física. Se envió un artículo complementario que describe las primeras observaciones de polarización con el CBI al Astrophysical Journal.
El fondo cósmico observado por el CBI se origina en la era solo 400,000 años después del Big Bang y proporciona una gran cantidad de información sobre la naturaleza del universo. En esta época remota, no existía ninguna de las estructuras familiares del universo: no había galaxias, estrellas o planetas. En cambio, solo hubo pequeñas fluctuaciones de densidad, y estas fueron las semillas de las cuales se formaron galaxias y estrellas bajo la mano de la gravedad.
Los instrumentos anteriores al CBI habían detectado fluctuaciones en grandes escalas angulares, correspondientes a masas mucho más grandes que los supercúmulos de galaxias. La alta resolución del CBI permitió que las semillas de las estructuras que observamos a nuestro alrededor en la revista Space se observaran por primera vez en enero de 2000.
El universo en expansión se enfrió y, 400,000 años después del Big Bang, era lo suficientemente frío como para que los electrones y protones se combinaran para formar átomos. Antes de este tiempo, los fotones no podían viajar lejos antes de chocar con un electrón, y el universo era como una densa niebla, pero en este punto el universo se volvió transparente y desde entonces los fotones se han extendido libremente por el universo para llegar a nuestros telescopios hoy, 13.8 mil millones de años después. Por lo tanto, las observaciones del fondo de microondas proporcionan una instantánea del universo, ya que fue solo 400,000 años después del Big Bang, mucho antes de la formación de las primeras galaxias, estrellas y planetas.
Los nuevos datos fueron recopilados por el CBI entre septiembre de 2002 y mayo de 2004, y cubren cuatro parches de cielo, abarcando un área total trescientas veces el tamaño de la luna y mostrando detalles finos solo una fracción del tamaño de la luna. Los nuevos resultados se basan en una propiedad de la luz llamada polarización. Esta es una propiedad que se puede demostrar fácilmente con un par de gafas de sol polarizadas. Si uno mira la luz reflejada en un estanque a través de esas gafas de sol y luego gira las gafas de sol, verá que la luz reflejada varía en brillo. Esto se debe a que la luz reflejada está polarizada, y las gafas de sol polarizadas solo transmiten luz cuya polarización está correctamente alineada con las gafas. El CBI también capta la luz polarizada, y son los detalles de esta luz los que revelan el movimiento de las semillas de los cúmulos de galaxias.
En la intensidad total vemos una serie de picos y valles, donde los picos son armónicos sucesivos de un "tono" fundamental. En la emisión polarizada también vemos una serie de picos y valles, pero los picos en la emisión polarizada coinciden con los valles en la intensidad total, y viceversa. En otras palabras, la emisión polarizada está exactamente fuera de sintonía con la intensidad total. Esta propiedad de que la emisión polarizada está fuera de sintonía con la intensidad total indica que la emisión polarizada surge del movimiento del material.
La primera detección de emisión polarizada por el interferómetro de escala angular de grado (DASI), el proyecto hermano del CBI, en 2002 proporcionó evidencia dramática de movimiento en el universo temprano, al igual que las mediciones de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) en 2003 Los resultados de CBI anunciados hoy aumentan significativamente estos hallazgos anteriores al demostrar directamente, y en las pequeñas escalas correspondientes a los cúmulos de galaxias, que la emisión polarizada está fuera de sintonía con la intensidad total.
Hace solo dos semanas, el equipo DASI publicó otros datos sobre la polarización del fondo cósmico de microondas, cuyos resultados de tres años muestran evidencia convincente de que la polarización se debe realmente al fondo cósmico y no está contaminada por la radiación de la Vía Láctea. Los resultados de estos dos proyectos hermanos, por lo tanto, se complementan maravillosamente, como fue la intención de Readhead y John Carlstrom, el investigador principal de DASI y coautor del documento CBI, cuando planearon estos dos instrumentos hace una década.
Según Readhead, “La física no tiene una explicación satisfactoria para la energía oscura que domina el universo. Este problema presenta el desafío más serio para la física fundamental desde las revoluciones cuántica y relativista de hace un siglo. Los éxitos de estos experimentos de polarización dan confianza en nuestra capacidad de sondear detalles finos del fondo cósmico polarizado, que eventualmente arrojará luz sobre la naturaleza de esta energía oscura ".
"El éxito de estos experimentos de polarización ha abierto una nueva ventana para explorar el universo que puede permitirnos explorar los primeros instantes del universo a través de observaciones de ondas gravitacionales de la época de la inflación", dice Carlstrom.
El análisis de los datos de CBI se lleva a cabo en colaboración con grupos del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) y del Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica (CITA).
"Este es realmente un momento emocionante en la investigación cosmológica, con una notable convergencia de teoría y observación, un universo lleno de misterios como la materia oscura y la energía oscura, y una fantástica variedad de nuevas tecnologías: hay un tremendo potencial para los descubrimientos fundamentales aquí" dice Steve Myers de NRAO, coautor y miembro clave del equipo de CBI desde su inicio.
Según Richard Bond, director de CITA y coautor del artículo, “Como teórico a principios de los años ochenta, cuando estábamos demostrando por primera vez que la magnitud de la polarización del fondo cósmico de microondas probablemente sería un factor de cien por ciento de potencia desde A pesar de las mínimas variaciones de temperatura que fueron un heroico esfuerzo por descubrir, parecía una ilusión pensar que incluso en un futuro lejano se revelarían tales señales minuciosas. Con estas detecciones de polarización, lo deseado se ha convertido en realidad, gracias a los notables avances tecnológicos en experimentos como el CBI. En CITA ha sido un privilegio participar plenamente como miembros del equipo de CBI en la presentación de estas señales e interpretar su importancia cosmológica para lo que ha surgido como el modelo estándar de formación y evolución de estructuras cósmicas ".
El siguiente paso para Readhead y su equipo de CBI será refinar estas observaciones de polarización de manera significativa al tomar más datos y probar si la emisión polarizada está exactamente fuera de sintonía con la intensidad total con el objetivo de encontrar algunas pistas sobre la naturaleza. de la materia oscura y la energía oscura.
El CBI es un conjunto de telescopios de microondas que comprende 13 antenas separadas, cada una de aproximadamente tres pies de diámetro y operando en 10 canales de frecuencia, configurados en concierto para que todos los instrumentos actúen como un conjunto de 780 interferómetros. El CBI está ubicado en Llano de Chajnantor, una meseta alta en Chile a 16.800 pies, lo que lo convierte, con mucho, en el instrumento científico más sofisticado que se haya utilizado en altitudes tan altas. El telescopio es tan alto, de hecho, que los miembros del equipo científico deben llevar oxígeno embotellado para hacer el trabajo.
La actualización del CBI a la capacidad de polarización fue respaldada por una generosa donación del Instituto Operativo Kavli, y el proyecto también es el receptor agradecido del apoyo continuo de Barbara y Stanley Rawn Jr. El CBI también es apoyado por la National Science Foundation, el El Instituto de Tecnología de California y el Instituto Canadiense de Investigación Avanzada también recibieron el generoso apoyo de Maxine y Ronald Linde, Cecil y Sally Drinkward, y el Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago.
Además de los científicos mencionados anteriormente, el artículo de Science Express de hoy es coautor de C. Contaldi y J. L. Sievers de CITA, J.K. Cartwright y S. Padin, ambos de Caltech y la Universidad de Chicago; B. S. Mason y M. Pospieszalski de la NRAO; C. Achermann, P. Altamirano, L. Bronfman, S. Casassus y J. May, todos de la Universidad de Chile; C. Dickinson, J. Kovac, T. J. Pearson y M. Shepherd de Caltech; W. Holzapfel de UC Berkeley; E. M. Leitch y C. Pryke de la Universidad de Chicago; D. Pogosyan de la Universidad de Toronto y la Universidad de Alberta; y R. Bustos, R. Reeves y S. Torres de la Universidad de Concepción, Chile.
Fuente original: Comunicado de prensa de Caltech
