A principios del siglo XX, el concepto de las dimensiones del Cosmos era aún muy limitado. Se desconocían técnicas avanzadas para medir las distancias entre las estrellas, las galaxias eran clasificadas como simples nebulosas cercanas. Hasta los años veinte no se supo que el universo observable abarca un radio de miles de millones de años-luz y, sólo más tarde, gracias al aumento de la capacidad de los telescopios, fueron descubiertas las estructuras en las que, a grandes escalas, se agrupan las galaxias por millares. Desde entonces, los astrónomos han ido encadenando estructuras en el Universo: primero otras galaxias y luego cúmulos de galaxias, supercúmulos y vacíos de grandes dimensiones. La osadía científica ha llegado muy lejos imaginando tanta inmensidad. Pero el siglo XXI, que aún arrastra el problema de la “materia oscura”, se enfrenta a un nuevo fenómeno: la misteriosa “energía” que acelera la expansión del Universo. Diferentes estudios sobre el Fondo Cósmico de Microondas han confirmado esa aceleración, como señala Matthias Bartelmann, del Instituto de Astrofísica Teórica de la Universidad de Heidelberg (Alemania) y uno de los profesores invitados a la Escuela de Invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).
Hasta hace pocas décadas, los científicos que trabajaban en el campo del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, de sus siglas en inglés) se contaban con los dedos de una mano. Ahora, unos 500 científicos están implicados en la misión Planck, la tercera de las misiones espaciales que estudiará la radiación del CMB. Según Bartelmann, tan espectacular crecimiento e interés obedece a varias razones. “Entre las más importantes están la riqueza de la física del Fondo Cósmico de Microondas, la gran cantidad de información cosmológica oculta en él, los éxitos de las anteriores y posteriores misiones para el estudio del CMB, como COBE, WMAP y los experimentos con globos sonda, además de los basados en tierra, que se han llevado a cabo entre ambas.”
Pero, además, “otra de las razones importantes –apunta Bartelmann- es la gran cantidad de personas que necesitamos trabajando en este campo para la medición precisa y el análisis de los cada vez más detallados cartografiados del CMB, cuya resolución va en aumento.”
“EFECTO SUNYAEV-ZELDOVICH”
Bartelmann estudia el llamado “efecto Sunyaev-Zeldovich”, nombre que rinde homenaje a los célebres físicos rusos que lo propusieron. Este efecto es el resultado de la interacción de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas con electrones libres de las regiones de gas caliente que se encuentre en su camino, especialmente al atravesar las grandes estructuras del Universo, como los cúmulos y supercúmulos de galaxias. Los electrones altamente energéticos del gas transfieren parte de su energía a los fotones y ello produce una distorsión –un desplazamiento al azul- del espectro de la radiación.
“Los fotones del Fondo Cósmico de Microondas –explica Bartelmann-, al pasar a través del plasma caliente contenido en los cúmulos de galaxias, a veces se dispersan por los electrones calientes de ese plasma. Puesto que la energía de los fotones es mucho menor que la de los electrones, los fotones dispersados son mucho más energéticos tras este encuentro. De este modo, los fotones de baja energía desaparecen del CMB con bajas energías y reaparecen con energías más altas: la transición entre baja y alta se produce en unos niveles de energía que se corresponden a una frecuencia de 217 GHz (alrededor de 1,3 milímetros). Y éste es el ‘efecto Sunyaev-Zeldovich’: los cúmulos de galaxias emiten sombras sobre el CMB en frecuencias inferiores a 217 GHz y reaparecen a frecuencias superiores.” Caracterizar el “efecto Sunyaev-Zeldovich” por medio de simulaciones numéricas, después comparadas con las observaciones, es precisamente el objeto de tesis de una investigadora del IAC, Inés Flores, bajo la dirección de Rafael Rebolo y José Alberto Rubiño, organizadores de la Escuela de Invierno sobre el Fondo Cósmico de Microondas. Este efecto permite no solo hacer un estudio cosmológico, sino también conocer la materia de la que está compuesto el Universo.
ANISOTROPÍAS SECUNDARIAS
La “anisotropía” (lo opuesto a “isotropía”) es una propiedad general de la materia según la cual determinadas propiedades físicas (temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc.) varían según la dirección en que son examinadas. Cuando se descubrió la radiación del Fondo Cósmico de Microondas, ésta era aparentemente isótropa, es decir, no dependía de la dirección a la que se apuntara la antena de radio. El “ruido” detectado tenía la misma intensidad desde cualquier punto del cielo, una homogeneidad que concordaba muy bien con la idea del físico Alexander Friedmann: el Universo debía presentar el mismo aspecto en cualquier dirección que observáramos.
Pero esta aparente homogeneidad de la radiación era incompatible con la actual distribución de galaxias, en forma de cúmulos y supercúmulos, vacíos y demás estructuras, e invalidaba la teoría del Big Bang. Todas esas estructuras sólo pudieron generarse como resultado de variaciones infinitesimales en la densidad de la materia en una época muy temprana del Universo, irregularidades que habrían dejado su huella en la radiación del Fondo Cósmico de Microondas y que ahora deberían manifestarse como pequeñas variaciones en la temperatura de esa radiación.
En 1976, George Smoot y su equipo, del Laboratorio Nacional Lawrence de Berkeley (Estados Unidos), propusieron a la NASA la misión llamada Cosmic Background Explorer (Explorador del Fondo Cósmico), más conocido por sus siglas, COBE. La idea era llevar a bordo un instrumento –un radiómetro diferencial de microondas- para trazar el mapa del Universo tal como debía de ser 300.000 años después del Big Bang. El satélite, aunque tardó unos años, detectó finalmente anisotropías en los mapas del Fondo Cósmico de Microondas. Smoot dijo entonces que habían descubierto el “Santo Grial” de la Cosmología puesto que la detección de las anisotropías salvaba la teoría del Big Bang. Por ello, Smoot y Mather recibieron el Premio Nobel de Física en 2006.
Las anisotropías del Fondo Cósmico de Microondas son, en términos científicos, desviaciones de la curva de un cuerpo negro a una temperatura de 2,73° K. Su valor es de una diezmilésima de grado. Se clasifican en anisotropías “primarias” y “secundarias”, atendiendo al momento en que se generaron. Las anisotropías primarias se formaron en la región donde tuvo lugar el desacoplamiento de materia y radiación, cuando el Universo tenía unos 400.000 años, y que se han mantenido hasta ahora. Si sólo existieran las anisotropías primarias, veríamos hoy la misma imagen del Fondo que entonces, solo que más fría. Pero esa imagen no es exactamente la misma debido a las anisotropías secundarias, que son generadas cuando la radiación interacciona con la materia en el tiempo que va desde la recombinación hasta ahora.
“Las anisotropías secundarias –explica Bartelmann- se miden junto con las anisotropías primarias; sólo pueden separarse tras ser medidas. Mientras que las anisotropías primarias tienen el espectro Planck, característico de las radiaciones térmicas a una temperatura única, algunas de las anisotropías secundarias tienen otro espectro por el cual pueden distinguirse del cielo primario del CMB. Para ello, el cielo del CMB debe observarse a diferentes frecuencias de modo que las diferencias en el comportamiento espectral puedan hacerse evidentes. Por ejemplo, el ‘efecto Sunyaev-Zeldovich’, que causa sombras en bajas frecuencias y fuentes en las altas, tiene una inconfundible huella espectral que permite la identificación de los cúmulos de galaxias como uno de los componentes de las anisotropías secundarias”.
“Otras anisotropías secundarias –añade Bartelmann- no se identifican por su diferente tipo de espectro, sino por los característicos modelos espaciales que crean. Entre ellos hay lentes gravitacionales y el denominado ‘efecto Sachs-Wolfe integrado’ [los cúmulos galácticos sufren el efecto de la energía oscura en su colapso gravitatorio, el cual se ve frenado]. Ambos deben ser identificados por sus específicas características espaciales o por su correlación con otros objetos astronómicos, como las galaxias distantes.”
LENTES GRAVITATORIAS
La teoría de la Relatividad General de Einstein predice que el espacio se curva por la presencia de objetos muy masivos, y también la trayectoria de los rayos de luz. En 1919, el astrónomo Arthur Eddington pudo probar la exactitud de tal predicción durante un eclipse solar: observó cómo se curvaba la trayectoria de la luz procedente de estrellas distantes al pasar cerca del Sol, produciéndose un desplazamiento aparente de las posiciones de aquéllas. La radiación del Fondo Cósmico de Microondas tampoco escapa a esta predicción. La distribución global de la materia puede alterar la imagen que nos llega de esa radiación, produciendo los conocidos efectos de lente gravitatoria. “Por supuesto –subraya Bartelmann-, las lentes gravitatorias son inevitables, ya que cualquier inhomogeneidad en la materia a lo largo de una línea visual hacia el Fondo Cósmico de Microondas desviará la luz. Normalmente, los fotones del CMB se desvían unos pocos minutos de arco hasta que llegan a nuestros detectores.” Pero si bien no podemos medir la desviación en sí misma, “sí podemos medir –advierte este investigador- las diferencias en las desviaciones del camino de la luz de algunos objetos cercanos, lo que provoca distorsiones características.” Y añade: “Dado que no conocemos el aspecto del CMB sin las lentes, sólo podemos identificar esas lentes por los modelos espaciales característicos que dejan su huella en el CMB.”
LA NUEVA COMPONENTE
Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que la expansión del Universo, demostrada por Edwin Hubble a comienzos del siglo XX, debía frenarse debido a que la atracción gravitatoria ejercida entre sí por las galaxias contrarrestaría esa expansión. Sin embargo, ahora saben que la expansión del Universo no sólo no se está frenando, sino todo lo contrario, que sufre cierta aceleración. Este fenómeno se apoya, según Bartelmann, en dos líneas argumentales. “Primero, el tamaño característico de los modelos dominantes del Fondo Cósmico de Microondas nos permite inferir la densidad de todas las formas de materia y energía en el Universo. Sabemos, por las observaciones del CMB y otras observaciones, que la materia sólo puede contribuir en un 25% a la densidad total de energía. El resto es aportado por la denominada ‘energía oscura’”.
“En segundo lugar –continúa-, las supernovas de tipo Ia permiten la determinación directa de la tasa de expansión cósmica y de su evolución a lo largo de determinadas eras cosmológicas. Revelan que la tasa de esa expansión cósmica aumenta como si algún tipo de energía oscura estuviese alejando el Universo.” “Análisis detallados -concluye este investigador- muestran que la cantidad de energía oscura necesaria para explicar la aceleración observada de forma directa (inferida por las supernovas de tipo Ia) es tan grande como la cantidad de energía perdida inferida del Fondo Cósmico de Microondas. De este modo, las supernovas y el CMB dan un argumento directo e indirecto para la aceleración cósmica.”
Según la teoría de la Relatividad General, la aceleración de la expansión implica que el Universo contiene otra componente distinta de la materia que tiene presión negativa y ejerce una repulsión gravitatoria. “La constante cosmológica de Einstein –propone Bartelmann- podría ser la ‘energía oscura’ necesaria para los argumentos anteriores. Puede incluso impulsar la aceleración cósmica, aunque no tengamos ni idea de cómo explicarlo desde el punto de vista de la física fundamental.”
Un futuro descubrimiento en Cosmología quizá merezca nuevamente un Premio Nobel de Física. Aunque en este caso no es fácil hacer predicciones, Bartelmann sugiere un par de ellas: “el descubrimiento inequívoco de huellas de la Inflación cosmológica, o algún gran paso adelante en nuestro conocimiento de la energía oscura”. Quién sabe, tal vez acierte con alguna.
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