Era
21 de marzo de 2013. La prensa científica mundial se había reunido
en la sede de la ESA en París o se había conectado, junto con una
multitud de científicos de todo el mundo, para presenciar el momento
en que la misión Plank de la ESA revelaba su ‘imagen’ del
cosmos. Esta imagen no se tomó con luz visible sino con microondas.
Mientras
que la luz que pueden ver nuestros ojos está compuesta por
longitudes de onda cortas – inferiores a una milésima de
milímetros de longitud – la radiación que Planck detectaba
abarcaba longitudes de onda más largas, desde unas décimas de
milímetro hasta unos pocos milímetros. Lo más importante: esta
radiación se había generado en el inicio del Universo.
Comúnmente,
esta radiación se conoce como radiación
del fondo cósmico de microondas
o CMB, por sus siglas en inglés. Midiendo sus pequeñas diferencias
en del cielo, la imagen que revelaba Planck podía informar sobre la
edad, la expansión, la historia y el contenido del Universo. Era
nada menos que el
mapa cósmico.
Los
astrónomos sabían lo que se esperaba observar. Dos misiones de la
NASA, COBE a comienzos de los 90 y WMAP en la década siguiente, ya
habían realizado una serie de estudios análogos del cielo que
obtuvieron resultados similares. Sin embargo, estas imágenes no
tenían la precisión y la nitidez de Planck.
La
nueva imagen mostraría por primera vez la huella del Universo
temprano con minucioso detalle. Y todo lo que está escrito en él.
Si
nuestro modelo del Universo fuese correcto, Planck lo confirmaría
con unos niveles de precisión sin precedentes. Si fuese erróneo,
Planck mandaría de nuevo a los científicos a la casilla de salida.
Cuando
se reveló la imagen, los datos confirmaron el modelo. El ajuste con
los datos esperados era demasiado bueno como para plantear cualquier
otra conclusión: Planck nos había mostrado un ‘Universo casi
perfecto’. ¿Por qué casi perfecto? Porque quedaban algunas
anomalías, y estas serían el foco de futuras investigaciones.
Ahora,
cinco años después, el consorcio Planck ha publicado los datos
definitivos, conocidos como el legado de Planck. El mensaje sigue
siendo el mismo y es incluso más potente.
“Este
es el legado más importante de Planck”,
afirma Jan Tauber, científico del proyecto Planck de la ESA.
“Hasta
ahora el Modelo Estándar de cosmología ha superado todas las
pruebas y Planck ha hecho las medidas que lo demuestran.”
Todos
los modelos cosmológicos se basan en la Teoría de la Relatividad
General de Albert Einstein. Para reconciliar las ecuaciones de la
relatividad general con una amplia gama de observaciones, incluyendo
las del fondo cósmico de microondas, el modelo estándar de
cosmología incluye el efecto de dos componentes desconocidas.
En
primer lugar, una componente atractiva de la materia conocida como
materia oscura fría que, a diferencia de la materia ordinaria, no
interactúa con la luz. En segundo lugar, una forma de energía
repulsiva que se conoce como energía oscura, que es responsable de
la actual expansión acelerada del Universo. Se ha descubierto que se
trata de dos componentes esenciales para explicar nuestro cosmos,
además de la materia ordinaria que ya conocemos. Pero hasta ahora no
sabemos qué son exactamente estas componentes exóticas.
Planck
se lanzó en 2009 y recogió datos hasta 2013. Su primera publicación
– que dio lugar al Universo casi perfecto – se llevó a cabo en
la primavera de ese año. Se basó únicamente en la temperatura de
la radiación de fondo de microondas y usó solo los dos primeros
cartografiados del cielo de la misión.
Los
datos también proporcionaron más evidencias de una fase muy
temprana de expansión acelerada, denominada inflación, en una
primera fracción de segundo minúscula en la historia del Universo,
durante la cual se sembraron todas las estructuras cósmicas.
Aportando una medida cuantitativa de la distribución relativa de
estas fluctuaciones primordiales, Planck proporcionó la mejor
confirmación jamás obtenida del panorama inflacionario.
Además
de procurar un mapa de temperaturas del fondo cósmico de microondas
del cielo con una precisión sin precedentes, Planck midió su
polarización, que indica si la luz vibra en una dirección
predilecta. La polarización del fondo cósmico de microondas lleva
implícita una huella de la última interacción entre la radiación
y la materia en el Universo temprano, y como tal contiene información
adicional y de suma importancia de la historia del cosmos. Pero
además puede contener información sobre los primeros instantes de
nuestro Universo y nos puede dar pistas para entender su nacimiento.
En
2015, una segunda publicación recopiló todos los datos recogidos
por la misión, que ascendían a ocho cartografiados del cielo. Dio
información sobre la temperatura y polarización, pero llegaron con
una advertencia.
“Opinamos
que la calidad de algunos datos de la polarización no era
suficientemente buena como para usarla en cosmología.” afirma
Jan Tauber. Añade que – por supuesto – esto no les impidió
emplearlos en cosmología y, sin embargo, algunas conclusiones
extraídas en ese momento precisaban de más confirmación y debían,
por lo tanto, tratarse con cuidado.
Y
ese es el gran cambio para este Legado de datos de 2018. El consorcio
Planck ha completado un nuevo procesamiento de datos. La mayor parte
de los primeros signos que pedían cautela han desaparecido. Los
científicos tienen ahora la certeza de que tanto la temperatura como
la polarización han sido determinadas con precisión.
“Ahora
estamos realmente seguros de que podemos construir un modelo
cosmológico basado únicamente en la temperatura, únicamente en la
polarización, y en función de ambas. Y todos coinciden”,
asegura Reno Mandolesi, investigador principal del instrumento LFI de
Planck en la Universidad de Ferrara, Italia.
“Desde
2015, otros experimentos han reunido más datos astrofísicos y se
han dado nuevos análisis cosmológicos combinando las observaciones
del CMB a pequeña escala con las de galaxias, cúmulos de galaxias y
supernovas, que en la mayoría de ocasiones mejoraban la consistencia
con los datos de Planck y el modelo cosmológico confirmado por
Planck,” dice
Jean-Loup Puget, investigador principal del instrumento HFI del
Planck en el Instituto de Astrofísica Espacial en Orsay, Francia.
Se
trata de una hazaña impresionante que implica que los cosmólogos
pueden estar seguros de que su descripción del Universo como un
lugar que contiene materia ordinaria, materia oscura fría y energía
oscura, poblado por estructuras que se habían originado en una fase
temprana de expansión inflacionaria, es en gran medida correcto.
No
obstante, existen ciertas rarezas que necesitan una explicación –
o tensiones, como las denominan los cosmólogos. Una en particular
está relacionada con la expansión del Universo. El ritmo de esta
expansión viene dado por la llamada Constante de Hubble.
Tradicionalmente,
los astrónomos dependían de la determinación de las distancias a
través del cosmos para medir la constante de Hubble. Esto podía
hacerse únicamente para un Universo relativamente local, midiendo la
luminosidad aparente de ciertos tipos de estrellas variables cercanas
y de estrellas en explosión cuya luminosidad absoluta se puede
estimar de forma independiente. Se trata de una técnica muy
perfeccionada que se desarrolló a lo largo del siglo pasado liderada
por Henrietta Leavitt y aplicada posteriormente, a finales de los
años 20, por Edwin Hubble y colaboradores, quien usó las estrellas
variables en galaxias distantes y otras observaciones para mostrar
que el Universo se estaba expandiendo.
La
cifra que los astrónomos obtienen para la Constante de Hubble usando
una amplia variedad de observaciones de vanguardia, incluyendo
algunas procedentes del observatorio Hubble y del Telescopio Espacial
Hubble de la NASA/ESA, es 73.5 km/s/Mpc, con una incertidumbre del
2%. Estas unidades, ligeramente peculiares, dan la velocidad de
expansión en km/s por cada millón de parsecs (Mpc) de separación
en el espacio, donde un parsec equivale a 3.26 años-luz.
Otra
forma de estimar la Constante de Hubble es usando el modelo
cosmológico que se ajusta a la imagen del fondo cósmico de
microondas, que representa el Universo temprano, y calculando una
predicción de lo que la Constante de Hubble debería ser
actualmente. Cuando se aplica a los datos del Planck, este método
proporciona un valor inferior de 67.4 km/s/Mpc con una pequeña
incertidumbre inferior al 1%.
Por
una parte, es extraordinario que dos formas radicalmente diferentes
de determinar la constante de Hubble – una usando el Universo local
y evolucionado, y otra basada en el Universo temprano y distante –
proporcionen resultados tan próximos. Por otra parte, en principio
estos dos valores deberían coincidir dentro de sus respectivas
incertidumbres. Este es el contraste y la pregunta es ¿cómo puede
reconciliarse?
Ambas
partes están convencidas de que cualquier error producido por sus
métodos de medida es demasiado pequeño como para causar la
discrepancia. Entonces, ¿podría haber algo ligeramente peculiar en
nuestro entorno cósmico local que provoque que la medida cercana sea
de alguna forma anómala? Sabemos que, por ejemplo, nuestra galaxia
se encuentra en una región que tiene una densidad ligeramente
inferior a la del Universo, lo cual podría afectar al valor local de
la constante de Hubble. Desafortunadamente, la mayor parte de los
astrónomos opina que estas variaciones no son suficientemente
grandes para resolver este problema.
“No
existe una solución astrofísica satisfactoria que pueda explicar la
discrepancia. Por lo tanto, quizá haya una nueva física por
encontrar,” explica
Marco Bersanelli, investigador principal adjunto del instrumento LFI
de la Universidad de Milán, Italia.
“Nueva
física” significa que partículas o fuerzas exóticas podrían
estar afectando a los resultados. Sin embargo, por muy emocionante
que parezca esta perspectiva, los resultados de Planck imponen
rigurosas restricciones a esta línea de pensamiento debido a que se
ajusta muy bien a la mayoría de las observaciones.
“Es
muy complicado hacer nueva física aligerando la tensión y
manteniendo la descripción precisa del modelo estándar de todo lo
que ya encaja.” afirma
François Bouchet, investigador principal adjunto del instrumento HFI
del Instituto de Astrofísica de Paris, Francia.
Como
conclusión, nadie ha sido capaz de encontrar una explicación
satisfactoria a las diferencias entre las dos medidas, y la cuestión
continúa sin resolverse.
“Por
el momento, no debemos emocionarnos demasiado por encontrar una nueva
física: podría ser que la discrepancia relativamente pequeña
pudiera explicarse como una combinación de pequeños errores y
efectos locales. Pero necesitamos seguir mejorando nuestras medidas e
ideando nuevas maneras de explicarlo,” sostiene
Jan.
Este
es el legado de Planck: con su Universo casi perfecto, la misión ha
proporcionado a los investigadores una confirmación de sus modelos
aunque con unos cuantos detalles por resolver. En otras palabras: lo
mejor de ambos mundos.
El
equipo
de cosmología del IFCA
ha tenido un papel relevante en la consecución del importante legado
de Planck. Enrique Martínez-González, jefe del grupo de Cosmología
Observacional e Instrumentación, participó en la propuesta de la
misión al programa científico de la ESA en 1993 así como en todo
el proceso posterior de desarrollo instrumental, análisis de datos y
derivación de resultados cosmológicos, siendo co-investigador del
instrumento de baja frecuencia (LFI) de Planck. Tanto él como el
resto de los miembros del grupo de cosmología del IFCA que
participan en Planck, que tienen el estatus de Planck Scientist y
pertenecen al Core Team del LFI.
Más
información
relativa a las publicaciones sobre Planck en
https://www.cosmos.esa.int/web/planck/publications
