Celebramos la XIX edición de la Escuela de Invierno de Astrofísica que, en esta ocasión, está dedicada al estudio de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB son sus siglas en inglés).
Esta radiación constituye uno de los pilares fundamentales sobre los que se asienta la Cosmología actual. Descubierta en 1965 por A. Penzias y R. Wilson, su existencia es una prueba evidente de evolución cósmica y de que nuestro Universo ha pasado en algún momento previo de su historia por una fase muy “caliente” en la que materia y radiación estaban estrechamente ligadas. El descubrimiento de la radiación del CMB mereció el premio Nobel de Física en 1978. Posteriormente, en 2006, la detección de “anisotropías” en los mapas del CMB lograda en 1992 por el satélite COBE, junto con la determinación de la distribución de energía de dicha radiación, merecieron también el premio Nobel de Física, otorgado a G. Smoot y J. Mather.
Las anisotropías de la radiación del CMB y las estructuras en nuestro Universo
La radiación del CMB es una prueba fósil de la existencia del Big Bang que nos proporciona una imagen de cómo era el Universo cuando contaba con sólo unos 300.000 años de edad, mucho antes del nacimiento de las primeras estrellas.
Cuando medimos con gran precisión la temperatura de esta radiación en distintas direcciones en el cielo, encontramos pequeñas diferencias, denominadas “anisotropías”, que son del orden de la millonésima de grado. A pesar de su pequeña magnitud, estas diferencias tienen una enorme importancia, ya que sus propiedades estadísticas están íntimamente ligadas a las propiedades globales de nuestro Universo.
Según nuestra comprensión actual, las anisotropías que detectamos son causadas por pequeñas variaciones en la densidad de la materia del Universo en sus épocas más primitivas y constituyen las semillas que van a dar lugar, por evolución gravitatoria, a la formación de las grandes estructuras que observamos hoy en día: galaxias, cúmulos y supercúmulos de galaxias.
Un origen cuántico del Universo
Las semillas que dan lugar a las anisotropías que vemos en los mapas de la radiación del CMB no se originan en el momento en que la materia en el Universo está suficientemente fría para que sea esencialmente neutra, que es la época desde la cual nos llega esa radiación, sino que tienen su origen mucho antes en el tiempo, durante una etapa muy temprana del Universo que conocemos como “época inflacionaria”.
La inflación ocurre tan solo 10-33 segundos después del Big Bang, y consiste en un periodo de tiempo en el que todo el Universo se expande, en una fracción de segundo, desde un tamaño comparable al que tiene un átomo, hasta escalas mucho mayores que las distancias que son accesibles hoy en día por los telescopios terrestres.
Es durante ese proceso de expansión acelerada cuando las pequeñas fluctuaciones cuánticas que ocurrían en escalas microscópicas se constituyen como las semillas de las estructuras que vemos ahora en nuestro Universo a gran escala, los llamados “cosmosomas” (COSMOlogical Structures On Medium Angular Scales). En este sentido, es lícito decir que los experimentos que miden la radiación del CMB son experimentos de “mecánica cuántica” a escala cósmica, pues están estudiando las propiedades de unas semillas que se generaron en escalas atómicas o incluso subatómicas.
Tras esa fase inflacionaria, de expansión acelerada, el Universo pasa a crecer de una forma más moderada (el factor de escala que determina su tamaño crece de forma potencial, en lugar de exponencial), y ese ritmo de crecimiento se ha mantenido hasta una época muy reciente. Hay evidencias cada vez más importantes de que cuando el Universo alcanza una edad del orden de la mitad de la actual empieza a acelerar de nuevo su ritmo de expansión. El responsable de dicha aceleración es lo que se denomina “energía oscura”, la cual constituye uno de los temas más intrigantes de la Cosmología actual.
Observaciones de la radiación del CMB
El estudio de la radiación del CMB ha avanzado espectacularmente en los últimos años. Desde el año 2000, en el que el experimento Boomerang confirmó finalmente la existencia del denominado primer pico acústico, un gran número de experimentos han medido con gran precisión las anisotropías de la RCM (MAXIMA, DASI, CBI y el VSA desde el Observatorio del Teide). Estas medidas han permitido determinar, con precisiones del diez por ciento, los valores de los parámetros fundamentales del modelo cosmológico que mejor describe nuestro Universo. Entre ellos, la geometría global del mismo, la cantidad de materia que contiene, o su edad. En el año 2003, el satélite WMAP ha venido a confirmar con un alto grado de precisión los resultados anteriores, llegando a alcanzar precisiones de sólo un cinco por ciento en algunos de estos parámetros.
Hemos entrado en lo que se conoce como era de la “cosmología de precisión”, con niveles de incertidumbre que hace 40 años eran impensables. Sin embargo, han aparecido algunos resultados nuevos que hacen el estudio del campo aún más apasionante si cabe. Algunas de estas “anomalías” se discutirán durante la Escuela. Sin lugar a dudas, estos nuevos descubrimientos abren múltiples opciones interesantes en el marco de las teorías inflacionarias y en el desarrollo de la estructura del Universo a partir de fluctuaciones cuánticas primordiales.
Observaciones futuras
Aunque nuestro conocimiento de la radiación del C MB ha crecido mucho desde su descubrimiento, todavía existen importantes propiedades que no son bien conocidas para los científicos. Una de ellas es el grado de polarización de esta radiación. La señal de polarización es aún más débil que la de intensidad, por lo que su detección es más complicada desde un punto de vista técnico, y no había podido ser abordada hasta ahora. Experimentos como el futuro satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea (ESA), contribuirán a nuestro conocimiento de las propiedades de la polarización de los mapas de la radiación del CMB. En particular, uno de los grandes enigmas en el campo está relacionado con la existencia de un determinado tipo de polarización que denominamos “modos B”. No sabemos aún si dichos modos existen, ni tampoco somos capaces de predecir qué amplitud deben tener. Sin embargo, de detectarse, constituirían una prueba inequívoca de la existencia de un fondo de ondas gravitatorias primordiales.
Desde el IAC hemos iniciado un nuevo proyecto, denominado “Experimento QUIJOTE-CMB”, para la medida de la polarización de la radiación del CMB, con el objetivo de restringir y, en el mejor de los casos, detectar, la huella de esas ondas gravitatorias primigenias.
Estructura y contenidos de la Escuela
Durante la Escuela de Invierno contaremos con la presencia de nueve profesores, expertos mundiales en el campo, que cubrirán sus aspectos básicos. El programa ha sido diseñado para que un estudiante de doctorado que inicie sus estudios de investigación en este campo pueda obtener una visión actual y rigurosa del mismo. Las ocho grandes áreas que hemos identificado son:
1. El Universo inflacionario.
2. Teoría de las anisotropías de la radiación del CMB: intensidad y polarización.
3. Estado experimental del campo.
4. Las anisotropías secundarias (o qué le ocurre a la radiación del CMB desde que se emite hasta que llega a nosotros).
5. La emisión de nuestra galaxia en microondas. Contaminantes de la radiación del CMB.
6. Técnicas estadísticas para el estudio de la radiación del CMB.
7. Propiedades estadísticas de la radiación del CMB: Gaussianidad.
8. Otras aproximaciones observacionales al estudio de la estructura a gran escala del Universo.
Como complemento a dichas conferencias, se han organizado también una serie de cursos prácticos (tutoriales), en los que los estudiantes podrán familiarizarse con las técnicas más avanzadas de análisis de datos de la radiación del CMB.
A lo largo de las dos semanas de la Escuela de Invierno, los medios de comunicación tendrán a su disposición toda la información relacionada con la misma (Entrevistas, Fotos y Vídeos), en la página web de Sala de prensa de esta Escuela.
