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Jun 27, 2023

La primera luz del universo puede ayudar a desentrañar la historia cósmica

El Fondo Cósmico de Microondas lleva consigo un registro de acontecimientos a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo. Así como Charles Darwin utilizó una vez el registro fósil para contar la historia del

El Fondo Cósmico de Microondas lleva consigo un registro de acontecimientos a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del universo.

Así como Charles Darwin alguna vez usó el registro fósil para contar la historia de la evolución de la vida en la Tierra, los astrónomos están usando la primera luz que brilló a través del universo para comprender los eventos que han dado forma al cosmos.

Esta primera luz se llama "Fondo Cósmico de Microondas (CMB)", radiación sobrante que se propaga casi uniformemente por el universo. El CMB lleva consigo las firmas de los procesos físicos del universo temprano y posee características únicas que pueden usarse para determinar la composición del universo.

Así como ha evolucionado el estudio de la evolución biológica desde la época de Darwin, las formas en que los cosmólogos usan este fósil cósmico han cambiado, y futuras misiones aumentarán el enfoque en el CMB y lo que puede enseñarnos sobre cómo funciona el universo. evolucionado.

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El lunes 2 de julio, en la Reunión Nacional de Astronomía 2023 (NAM 2023) celebrada en la Universidad de Cardiff en el Reino Unido, la astrofísica Erminia Calabrese ofreció una visión general de dónde se encuentra actualmente la ciencia del CMB y hacia dónde se dirige en el futuro cercano.

"La razón por la que esta luz ha sido realmente la fuerza impulsora de la cosmología moderna es que ha estado ahí a lo largo de toda la historia cósmica", dijo Calabrese. "Estuvo ahí desde el principio, atravesó todo lo que experimentó el universo. Viajó a través de la formación de las primeras estrellas, la formación y evolución de la estructura a gran escala del universo.

"Mientras emprende este viaje hacia nosotros, básicamente ha capturado huellas de toda esta física y las lleva consigo hasta el día de hoy".

Si pudieras retroceder unos 380.000 años en la historia cósmica hasta el punto en el que el universo se llenó de una densa sopa caliente de electrones y protones, lo primero que notarías es lo oscuro que es el cosmos.

La razón por la que esta época temprana de los 13.800 millones de años de historia del universo es una era de oscuridad cósmica literal es porque la abundancia de electrones libres significaba que los fotones, partículas de luz, se dispersaban sin cesar, impidiéndoles así viajar. En ese momento, el universo era esencialmente opaco a la luz.

"Así que lo que estamos viendo es la primera luz jamás emitida en el universo, compuesta de fotones emitidos durante el Big Bang", explicó Calabrese. "Los fotones quedaron atrapados en interacciones con todo lo demás, lo que significa que cualquier fenómeno de partículas que estuviera ocurriendo en esta fase tan caliente y densa del universo estaba interactuando con estos fotones".

Eso significa que mientras estaban atrapados, los fotones estaban creando un registro de la física en el universo primitivo, pero no podían permanecer atrapados y en equilibrio con la materia para siempre.

Finalmente, al sufrir una rápida inflación cósmica como resultado del Big Bang, el universo se expandió y se enfrió lo suficiente como para permitir que los electrones se unieran a los protones y formaran los primeros átomos neutros. Esto se conoce como período de recombinación, aunque los electrones y los protones no habían estado conectados previamente.

Inicialmente, la luz que compone el CMB era increíblemente caliente y energética, pero a medida que el universo continuó expandiéndose se ha enfriado y perdido energía, lo que ha visto la frecuencia de esta radiación reducida a la región de microondas del espectro electromagnético.

Calabrese explica que actualmente el CMB toma la forma de un campo de radiación con una temperatura de 2,7 Kelvin (-455 grados Fahrenheit o -270,4 grados Celsius).

Debido a que la recombinación ocurrió en todo el universo al mismo tiempo, la radiación CMB llega hasta nosotros desde todas las direcciones de manera uniforme. Eso significa que este fósil cósmico tiene el mismo aspecto en todas las áreas del cielo, lo que los científicos describen como isotrópico.

Esta igualdad, incluso en lados opuestos del universo en áreas que actualmente no están en contacto, es una de las pruebas clave de que el universo alguna vez existió en un estado caliente y denso y luego pasó por un período de rápida inflación, que ahora llamamos Big Bang. Pero es en las áreas donde surgen pequeñas diferencias donde los científicos encuentran un registro fósil cósmico útil.

Dentro del CMB hay pequeñas desviaciones de esta uniformidad llamadas anisotropías. Es a través de estas anisotropías que el CMB contiene información sobre la evolución del universo.

Las anisotropías a pequeña escala en el CMB representan pequeñas fluctuaciones en la densidad en el universo temprano que eventualmente resultaron en la creación de galaxias y cúmulos de galaxias. Aunque pueden ser pequeñas, sin estas variaciones la estructura a gran escala que vemos hoy en el universo no podría haber tomado forma.

Son anisotropías más grandes las que revelan el contenido del universo y la abundancia de estos elementos a lo largo de la historia cósmica. Esto incluye no sólo la materia visible "cotidiana" compuesta de átomos y estrellas, planetas, nubes de gas cósmico y nosotros mismos, sino también la materia oscura invisible y la energía oscura, las fuerzas que actualmente impulsan la expansión acelerada del universo.

"En particular, hay tres métodos con los que trabajamos para estudiar el CMB: podemos ir al espacio y hemos tenido tres generaciones diferentes de satélites que se han dedicado a medir las anisotropías del CMB", explicó Calabrese. "Puedes quedarte en la Tierra pero intentar llegar más alto en la atmósfera con globos estratosféricos, o simplemente quedarte en la Tierra y luego ocuparte de la atmósfera. Todos estos métodos tienen pros y contras; ningún experimento por sí solo puede darte acceso a todo. ".

En la charla NAM 2023 de Calabrese, el investigador destacó la necesidad de futuras misiones de estudio del CMB que puedan responder preguntas fundamentales como de qué está hecha la materia oscura y cuál es la distribución de masa a gran escala en el universo.

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Una de esas misiones mencionada por Calabrese es la misión de la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA), conocida como satélite Space Lite (Light), para el estudio de la polarización en modo B y la inflación a partir de la detección de radiación de fondo cósmico (LiteBIRD).

LiteBIRD observará todo el cielo durante tres años desde la órbita, y JAXA dice que logrará una sensibilidad sin precedentes, lo que le permitirá distinguir con precisión entre el CMB y las señales de radiación en primer plano provenientes de fuentes como el polvo cósmico. Eso significa que LiteBIRD, cuyo lanzamiento está previsto para 2028, podría ayudar a llenar los vacíos en la evolución cósmica que los modelos actuales del Big Bang no pueden explicar.

"Realmente no tenemos respuestas a las grandes preguntas fundamentales que pretendíamos responder con la temperatura del CMB, y ahora tenemos que dar el siguiente paso y continuar explorando y explotando todo lo que hay en el CMB para poder responderlas. ", dijo Calabrese.

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Robert Lea es un periodista científico del Reino Unido cuyos artículos se han publicado en Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek y ZME Science. También escribe sobre comunicación científica para Elsevier y el European Journal of Physics. Rob tiene una licenciatura en física y astronomía de la Open University del Reino Unido. Síguelo en Twitter @sciencef1rst.

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