Cosmología de precisión
Juan García-Bellido Capdevila
Los primeros años del siglo xxi serán recordados por los cosmólogos del futuro como aquellos en los que la cosmología moderna dio el gran salto para convertirse en una ciencia experimental, donde las propuestas teóricas de las décadas anteriores pudieron ser puestas a prueba con observaciones cada vez más fiables. A finales del siglo xx teníamos una teoría incompleta, que describía la expansión del universo desde los primeros segundos después de la gran explosión hasta aproximadamente 13.000 millones de años más tarde. Las observaciones cosmológicas parecían indicar un universo dominado por materia no bariónica de naturaleza completamente desconocida. Se creía que las estructuras a gran escala —gala-xias, cúmulos y supercúmulos— se formaron por colapso gravitacional de pequeñas inhomogeneidades, generadas en el universo primitivo a partir de fluctuaciones cuánticas de un campo totalmente desconocido, el inflatón. El fondo de radiación de microondas mostraba estas fluctuaciones como pequeñas anisotropías en la temperatura de cuerpo negro de los fotones que nos llegan de todas direcciones, y fueron medidas por primera vez por el satélite COBE de la NASA.
Juan García-Bellido Capdevila
Cosmología de precisiónJuan García-Bellido Capdevila
Los primeros años del siglo xxi serán recordados por los cosmólogos del futuro como aquellos en los que la cosmología moderna dio el gran salto para convertirse en una ciencia experimental, donde las propuestas teóricas de las décadas anteriores pudieron ser puestas a prueba con observaciones cada vez más fiables. A finales del siglo xx teníamos una teoría incompleta, que describía la expansión del universo desde los primeros segundos después de la gran explosión hasta aproximadamente 13.000 millones de años más tarde. Las observaciones cosmológicas parecían indicar un universo dominado por materia no bariónica de naturaleza completamente desconocida. Se creía que las estructuras a gran escala —gala-xias, cúmulos y supercúmulos— se formaron por colapso gravitacional de pequeñas inhomogeneidades, generadas en el universo primitivo a partir de fluctuaciones cuánticas de un campo totalmente desconocido, el inflatón. El fondo de radiación de microondas mostraba estas fluctuaciones como pequeñas anisotropías en la temperatura de cuerpo negro de los fotones que nos llegan de todas direcciones, y fueron medidas por primera vez por el satélite COBE de la NASA.
En 1998 comenzó la revolución en cosmología con dos observaciones transcendentales: la constatación gracias a las medidas del globo estratosférico BOOMERANG de que las secciones espaciales del universo son euclídeas, y el descubrimiento de la aceleración del universo, medida a partir de la luminosidad de supernovas lejanas. La primera observación había sido predicha por el paradigma inflacionario, mientras que la segunda fue una sorpresa total, que aún estamos intentando digerir. Desde entonces se han sucedido una serie de observaciones cada vez más precisas de los parámetros cosmológicos, fundamentalmente gracias a las observaciones detalladas del fondo de radiación hechas por el satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) y los cartografiados profundos de galaxias como el 2degree Field Galaxy Redshift Survey (2dFGRS) y el Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que nos han abierto los ojos a un mundo nuevo de precisión y consistencia. Todos estos avances se esperaban, como algunos de nosotros predijimos en 1999, pero los resultados han superado incluso las más aventuradas expectativas.
Hoy en día sabemos que el universo es plano, que las anisotropías del fondo de radiación son un reflejo de las fluctuaciones cuánticas generadas durante inflación —cuyo espectro podemos medir con bastante precisión y con ello podemos poner ya cotas importantes sobre los modelos inflacionarios—, y que las galaxias se formaron por colapso gravitacional de esas mismas perturbaciones de densidad. También sabemos, a partir de las medidas de la luminosidad de supernovas lejanas, que el universo se está acelerando, y junto con los datos del fondo de radiación, podemos deducir que el 74 % de la densidad de energía del universo está en forma de una energía de vacío aproximadamente constante —indistiguible por el momento de la constante cosmológica de Einstein—, que el 21 % es materia oscura y el 5 % restante son bariones. Es decir, las observaciones realizadas esta década nos ha mostrado nuestra insignificancia dentro del universo, ha sido un extraordinario ejercicio de humildad. Ahora bien, como decía Blaise Pascal, «la verdadera grandeza del hombre está en darse cuenta de su propia pequeñez».
En estos momentos tenemos datos fiables de una docena de experimentos en el espacio, incluido el Hubble Space Telescope (HST), cuya vida ha sido alargada más allá de lo previsto, así como de los grandes telescopios en tierra, como el Very Large Telescope (VLT) de la European Southern Observatory (ESO) en Chile o el telescopio Keck de Hawai. Y esto no es más que el comienzo de una carrera entre EE.UU. y EU por lanzar la sonda más sofisticada que nos muestre el cielo en mayor detalle. Por ejemplo, en mayo del año pasado la ESA lanzó al espacio el satélite Planck, que está en estos momentos midiendo con una precisión y una sensitividad diez veces mejor que WMAP las anisotropías de la temperatura y la polarización del fondo de radiación de microondas, haciendo un mapa de todos los foregrounds galácticos en 10 bandas de frecuencias distintas de microondas. Además es posible que mida por primera vez la polarización de tipo rotacional generada por las ondas gravitacionales producidas durante inflación, confirmando así definitivamente el paradigma inflacionario. Se espera que los primeros resultados se hagan públicos a comienzos del 2012. En estos momentos se están diseñando los futuros satélites, CMBpol de la NASA y el Cosmic Origins Explorer (COrE) de la ESA, que medirán con al menos otro orden de magnitud mejor sensitividad las anisotropías en la polarización del fondo de radiación.
Por otra parte, los cartografiados de galaxias han medido por primera vez las oscilaciones acústicas de bariones (BAO), un reflejo de las ondas de presión inducidas en el plasma antes del desacoplo de los fotones y que quedan impresas en la distribución espacial de bariones y por tanto de materia como las galaxias. Se observa cómo un pequeño exceso en la función de correlación angular de las galaxias, a una escala que corresponde con la del horizonte de sonido en el momento del desacoplo. Dichas oscilaciones se ven de forma muy clara en la función de correlación angular de la temperatura del cielo, una predicción que confirma el origen inflacionario de las fluctuaciones. Al comparar las dos escalas a tiempos distintos (el fondo cósmico de radiación a redshift z = 1100 y las galaxias a z = 0,3) podemos preguntarnos cómo ha evolucionado el universo desde entonces y deducir el contenido de materia y energía del universo a lo largo de dicha evolución. Por ahora las observaciones están de acuerdo con la existencia de una constante cosmológica, como indican por otra parte las medidas del fondo de radiación y las supernovas lejanas. Sin embargo, es importante señalar que las medidas que se han hecho son bajo el supuesto de un universo homogéneo e isótropo, y además son medidas integrales, o promedio. Falta por conocer la evolución detallada a cada redshift (esto es, tomográfica) del ritmo de expansión, la distribución de materia y la curvatura local del universo para realmente convencernos de que estamos interpretando correctamente los datos. La década que comienza nos aportará sin duda nuevos descubrimientos fascinantes sobre el universo que habitamos.
FUENTE:
http://www.investigacionyciencia.es/13000027000260/La_d%C3%A9cada_prodigiosa.htm
