La misión Planck: hacia el origen del Universo

(Aquí tienen un artículo que me han publicado en el portal de divulgación científica de la UNED)

El pasado 14 de Mayo, la Agencia Espacial Europea realizaba el lanzamiento de la sonda Planck junto con la sonda Herschel, las cuales partían desde la Tierra con rumbo a la zona conocida como Lagrange 2, lugar desde donde van a realizar sus observaciones. Los puntos de Lagrange son regiones del espacio que se caracterizan porque los campos gravitatorios del Sol y la Tierra dan como resultado una especie de “pozo” gravitatorio que hace que sea difícil que un objeto situado en él pueda desplazarse lo suficiente como para abandonarlo. Podemos visualizarlo de la siguiente forma:

Cojamos un tazón de los del desayuno y coloquemos en su interior una canica, o un garbanzo, o una aceituna, etc. El tazón sería la forma del campo gravitatorio del punto Langraniano, y nuestra canica representa la sonda espacial. Ahora si agitamos levemente observaremos que la canica se mueve por el interior del tazón y a la larga vuelve a posarse en su fondo, para que la canica abandone el tazón hay que agitarlo más bruscamente, dicho de otro modo, a un objeto en un punto de Lagrange le resulta difícil salir de él, lo cual hace que su posición sea más o menos estable.

La sonda Planck estudiará la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB son sus siglas en inglés). Dicha radiación es una radiación electromagnética, es decir, es lo mismo que la luz normal. Su única diferencia con la luz es la frecuencia a la que oscila dicha radiación que es mucho menor que la de la luz, dependiendo de la frecuencia de la radiación vemos unos colores u otros, así que podemos decir que la radiación de fondo son colores que nuestros ojos no pueden captar.

La radiación de fondo empezó a viajar a través del Universo cuando la fase de nucleosíntesis primordial llegó a su fin. Con este nombre tan esotérico nos referimos al proceso por el cual se formaron los primeros núcleos atómicos del Universo. Esto fue posible ya que la temperatura había descendido lo suficiente como para que el campo de radiación no impidiera la formación de dichos núcleos. Podemos imaginar el campo de radiación como una gran cantidad de fotones que inundaba todo el espacio. Tras este proceso, el Universo estaba constituido por electrones, fotones, neutrinos y núcleos atómicos. Pero la temperatura seguía siendo lo suficientemente alta como para que los fotones que formaban el campo de radiación impidieran que esos núcleos capturaran a su alrededor electrones y formaran así los primeros átomos. No fue hasta unos 380000 años después del Big Bang cuando la temperatura descendió por debajo de los 4000K. En ese momento, el Universo se había expandido lo suficiente como para que los fotones pudieran viajar sin encontrarse en su camino con otras partículas como los electrones y con los núcleos atómicos formados anteriormente. Es decir, el campo de radiación dejó de interaccionar con la materia y como consecuencia se formaron los primeros átomos del Universo y los fotones pudieron viajar libremente por él. Estos fotones que se encontraban presentes en todo el Universo pudieron propagarse en todas direcciones, es por eso por lo que miremos donde miremos nos encontramos con los fotones que forman la radiación de fondo. Es a esto a lo que se refieren los cosmólogos cuando dicen que el Universo se volvió transparente.

La radiación de fondo no es completamente homogénea, sino que tiene pequeñas fluctuaciones. Estas fluctuaciones indican que cuando el Universo tenía 380000 años la materia no estaba repartida de forma homogénea, sino que había zonas en la que se concentraba más materia que en otra, es decir, esas fluctuaciones que se observan en la radiación de fondo nos informan de las semillas a partir de las cuales se formaron las grandes estructuras del Universo. Además, las características de la radiación de fondo dependen de lo que aconteció en el Universo antes de que ésta pudiera viajar libremente por el mismo. Estudiar dicha radiación es una ventana al Universo primitivo que nos ayudará a comprender mejor cómo pudo surgir éste.

Mediante la observación de dicha radiación la misión Planck podrá arrojar luz sobre algunos de los mayores misterios de la cosmología y de la astrofísica:

La curvatura del espacio que según los datos de la sonda WMAP de la NASA debería de ser nula, es decir, la geometría que mejor describe nuestro espacio-tiempo, es la euclidiana. Para hacernos una idea de que quiere decir esto imaginemos que cogemos una nave espacial y realizamos un viaje entre las galaxias, la trayectoria que sigue nuestra nave describe un triángulo, si la geometría que describe nuestro Universo es la euclidiana entonces la suma de los tres ángulos que forman dicho triángulo debería ser de 180 grados, esto no tiene por qué ser siempre así. Si trazamos un triangulo sobre una superficie esférica observaríamos que la suma de los ángulos es mayor de 180 grados.

Testear los distintos modelos inflacionarios. Incluso debería permitir encontrar la influencia de las ondas gravitatorias generadas durante la época inflacionaria sobre el CMB.

Encontrar en el propio CMB la influencia de objetos tan exóticos como las cuerdas cósmicas, suponiendo que hayan existido.

Pero captar la radiación de fondo no es tan sencillo, para conseguirlo los instrumentos de la sonda Planck tienen que alcanzar una temperatura de trabajo de 273,05ºC bajo cero, es decir, 0,1ºC por encima del cero absoluto, esto es debido a que la radiación de fondo es una señal débil, realmente débil, por eso se necesita que la instrumentación que la va a captar introduzca el menor ruido posible, esa es la razón por la que es necesario bajar tanto la temperatura. La temperatura no es más que una escala que nos indica lo caliente que está un objeto, ¿pero qué es el calor? El calor es simplemente movimiento. Contra más caliente está un objeto significa que más se agitan y se mueven los átomos y moléculas que lo forman, así como también los electrones libres que pueda haber en dicho cuerpo. Toda partícula con carga eléctrica en movimiento genera ondas electromagnéticas, por lo que en un sistema que pretende medir una señal electromagnética tan débil como la radiación de fondo, es importante minimizar las señales electromagnéticas generadas por el calor que tenga el mismo, ya que estas señales pueden interferir con la que se quiere medir. La sonda Planck lleva cuatro refrigeradores cuya temperatura ha ido bajando desde su lanzamiento:

Desde el pasado 3 de julio los instrumentos a bordo de la sonda Planck alcanzaron su temperatura de trabajo por lo que ya están listos para observar la radiación de fondo y conducirnos al origen del Universo. Los principales instrumentos de trabajo de la sonda son el LFI y el HFI, que son las siglas en inglés de Instrumento de Baja Frecuencia e Instrumento de Alta Frecuencia respectivamente. Con el LFI se observarán tres bandas de frecuencias comprendidas entre los 30 y 70 gigahertzios, y con el HFI se observarán seis bandas entre los 100 y los 857 gigahertzios.

Durante el mes de agosto tuvo lugar lo que se suele llamar "la primera luz", es decir, es la primera vez que la sonda empezaba a captar la radiación de fondo. Durante la fase de la primera luz, se comprueba que el comportamiento de los instrumentos de observación sea el adecuado y también se comprueba que el segmento de Tierra, esto es, la base que hace el seguimiento de la actividad de la sonda, funcione correctamente. Esta fase ha llevado dos semanas, empezó el 13 de agosto y finalizó el 27 del mismo mes. Durante dicha fase todo ha ido a las mil maravillas y no ha sido necesario realizar ningún tipo de ajuste.

Desde ahora la sonda empezará a observar la radiación de fondo, y ése es sólo el principio del trabajo, ya que después, los datos recogidos deberán ser analizados meticulosamente. En los próximos años nuestro conocimiento sobre los primeros instantes del Universo habrá vuelto a mejorar. Hace cuatrocientos años Galileo Galilei dirigió el primer telescopio al firmamento descubriendo que el Universo era más raro de lo que imaginábamos, desde entonces no hemos parado de observar el Universo con mejores telescopios y nuevos instrumentos como los radiotelescopios que nos han abierto nuevas ventanas de observación que han vuelto a cambiar nuestra forma de ver el Universo. Desde hace menos de un siglo sabemos que el Universo está en expansión, que su estructura a gran escala está formada por cúmulos de galaxias que se agrupan formando una gigantesca estructura que recuerda a la de una esponja, hemos descubierto que el Universo está compuesto de elementos que no éramos capaces de imaginar, como la materia oscura y la energía oscura, que han resultado ser sus componentes más importantes, aunque aún desconocemos qué son realmente.

A pesar de todo este avance en nuestro conocimiento del Universo, seguimos sin poder responder bien a las preguntas de ¿cómo empezó todo ésto? ¿Por qué el Universo tiene la estructura que presenta? ¿Qué sucedió hace unos 14000 millones de años cuando según parece el Universo empezó a expandirse? La sonda Planck arrojará luz sobre estas y algunas otras preguntas, ayudándonos a acercarnos un poco más a la que posiblemente sea la pregunta de las preguntas ¿de dónde venimos?

Ismael Pérez Fernández.