De un universo casi perfecto a lo mejor de dos mundos.

La imagen de Planck sobre el fondo cósmico de microondas.

Las anisotropías del fondo cósmico de microondas, o CMB, según lo observado por la misión Planck de la ESA. El CMB es una instantánea de la luz más antigua de nuestro cosmos, impresa en el cielo cuando el Universo tenía 380 000 años de antigüedad. Muestra pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones de densidades ligeramente diferentes, que representan las semillas de toda la estructura futura: las estrellas y las galaxias de hoy. Esta imagen se basa en datos de la publicación Planck Legacy, la publicación de datos finales de la misión, publicada en julio de 2018. Copyright ESA / Planck Collaboration.

Sucedió el 21 de marzo de 2013. La prensa científica de todo el mundo se había congregado en la sede parisina de la ESA o se había conectado online, junto a una multitud de científicos, para presenciar el momento en que la misión Planck de la ESA revelaría su ‘imagen’ del cosmos. Una imagen capturada no en luz visible, sino en microondas.

Mientras que la luz que nuestros ojos puede ver está compuesta por pequeñas longitudes de onda, de menos de una milésima de milímetro, la radiación que estaba detectando Planck abarcaba longitudes algo mayores, de unas décimas de milímetro a varios milímetros. Y sobre todo, se había generado en los albores del Universo. 

Esta radiación se conoce colectivamente como fondo cósmico de microondas. Al medir sus minúsculas diferencias a lo largo del firmamento, la imagen de Planck era capaz de hablarnos sobre la edad, la expansión, la historia y el contenido del Universo. Nada más y nada menos que un primer plano cósmico. 

Los astrónomos sabían lo que buscaban. Dos misiones de la NASA, COBE a principios de los noventa y WMAP durante la década siguiente, ya habían llevado a cabo una serie de estudios análogos del firmamento que proporcionaron imágenes similares. Pero carecían de la precisión y la nitidez de Planck. 

La nueva vista mostraría la impronta del Universo temprano con un detalle sin precedentes. Y había mucho en juego. 

Si nuestro modelo del Universo era correcto, Planck lo confirmaría con unos niveles de precisión inauditos. Si el modelo estaba equivocado, Planck mandaría a los científicos de vuelta a la mesa de dibujo.                 

Una vez revelada la imagen, los datos confirmaron el modelo. Respondía con tal precisión a las expectativas que no cabía extraer otra conclusión: Planck nos mostraba un ‘universo casi perfecto’. Pero ¿por qué ‘casi’? Porque quedaban algunas anomalías, que se convertirían en el objetivo de la investigación futura. 

Ahora, cinco años después, el Consorcio Planck acaba de publicar los datos definitivos del legado de Planck. El mensaje de la misión es el mismo, e incluso se ve reforzado.

“Se trata del legado más importante de Planck —señala Jan Tauber, científico del proyecto Planck de la ESA—. Hasta el momento, el modelo cosmológico estándar ha superado todas las pruebas y Planck ha efectuado las mediciones que lo demuestran”. 

Todos los modelos de cosmología se basan en la teoría general de la relatividad de Albert Einstein. Para reconciliar las ecuaciones de la relatividad general con un amplio abanico de observaciones, incluidas las de la radiación cósmica de fondo, el modelo estándar incorpora la acción de dos componentes desconocidos. 

En primer lugar, un componente de materia atractivo, denominado materia oscura fría y que, a diferencia la materia común, no interactúa con la luz. En segundo lugar, una forma repulsiva de energía, conocida como energía oscura, que promueve la actual expansión acelerada del Universo. Se ha descubierto que son componentes esenciales para explicar nuestro cosmos junto a la materia común conocida. Pero por el momento no sabemos qué son exactamente estos componentes exóticos.

Vídeo del legado de Planck.

Operando entre 2009 y 2013, la misión Planck de la ESA escaneó el cielo en longitudes de onda de microondas para observar el fondo cósmico de microondas, o CMB, que es la luz más antigua emitida en la historia de nuestro Universo. Datos de Planck han revelado un "Universo casi perfecto": la descripción modelo estándar de un cosmos que contiene materia ordinaria, materia oscura fría y energía oscura, poblada por estructuras que se habían sembrado durante una fase temprana de expansión inflacionaria, es en gran parte correcta, pero quedan algunos detalles por resolver. En otras palabras: lo mejor de ambos mundos. Copyright ESA / Planck Collaboration.

El legado de Planck.

El satélite Planck. Crédito: ESA.

Planck se lanzó en 2009 y recopiló datos hasta 2013. El primer lanzamiento de datos, que mostraba el Universo casi perfecto, tuvo lugar en la primavera de ese año. Se basaban únicamente en la temperatura de la radiación cósmica de fondo y solo empleaba los dos primeros estudios del firmamento de la misión. 

El fondo cósmico de microondas.
Temperatura y polarización.

Los datos también presentaban pruebas adicionales de una fase muy temprana de expansión acelerada, denominada inflación, en la primera minúscula fracción de un segundo en la historia del Universo, durante la cual surgió el germen de todas las estructuras cósmicas. Al proporcionar una medida cuantitativa de la distribución relativa de estas fluctuaciones primigenias, Planck ofreció la confirmación más clara jamás obtenida del escenario inflacionario. 

Además de cartografiar la temperatura del fondo cósmico de microondas a lo largo de firmamento con una precisión sin precedentes, Planck también midió su polarización, que indica si la luz vibra en una dirección preferente. La polarización de la radiación cósmica de fondo ofrece una huella de la última interacción entre la radiación y las partículas de materia del Universo temprano, y como tal contiene información adicional y fundamental sobre la historia del cosmos. Además, también contiene información sobre los primeros instantes del Universo y nos proporciona claves para comprender su nacimiento. 

En 2015, un segundo lanzamiento de datos recogía todos los datos recopilados durante la misión, que abarcaba ocho estudios del firmamento. Incluía la temperatura y la polarización, pero venía con una advertencia. 

“Sabíamos que la calidad de algunos de los datos de polarización no era suficiente para utilizarse en cosmología”, reconoce Jan. Y añade que, por supuesto, eso no les impidió seguir adelante, aunque ciertas conclusiones extraídas en ese momento precisarían de confirmación y, por lo tanto, deberían tratarse con cautela. 

Y ese es el gran cambio que aporta este lanzamiento de datos de 2018. El Consorcio Planck los ha procesado de nuevo. La mayoría de señales tempranas que exigían precaución han desaparecido. Los científicos ahora están seguros de que tanto la temperatura como la polarización se han determinado de forma precisa. 

“Estamos convencidos de que podemos obtener un modelo cosmológico basado únicamente en la temperatura, únicamente en la polarización o basado en ambas magnitudes. Y todos coinciden”, explica Reno Mandolesi, principal investigador del instrumento LFI de Planck en la Universidad de Ferrara (Italia).

La historia del Universo. Crédito: ESA.

“Desde 2015, otros experimentos han ido recopilando más datos astrofísicos y se han llevado a cabo nuevos análisis cosmológicos, combinando observaciones de la radiación cósmica de fondo a pequeñas escalas con observaciones de galaxias, cúmulos galácticos y supernovas, que en la mayoría de casos han mejorado la coherencia con los datos de Planck y el modelo cosmológico que respalda”, añade Jean-Loup Puget, principal investigador del instrumento HFI de Planck en el Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay (Francia). 

Se trata de toda una proeza e implica que los cosmólogos pueden estar seguros de que su descripción del Universo, con materia común, materia oscura fría y energía oscura, y poblado por estructuras surgidas durante una fase temprana de expansión inflacionaria, es correcto en su mayor parte. 

Aún quedan por explicar algunas anomalías, o tensiones, como las llaman los cosmólogos. Una en concreto tiene que ver con la expansión del Universo. Su velocidad viene dada por la denominada constante de Hubble. 

Para obtener esta constante, los astrónomos normalmente tenían que observar distancias a lo largo del cosmos y se veían limitados a hacerlo en el Universo más cercano, midiendo el brillo aparente de determinados tipos de estrellas variables y estrellas en explosión, cuyo brillo real se puede estimar de forma independiente. Se trata de una técnica ampliamente probada y desarrollada a lo largo del último siglo, descubierta por Henrietta Leavitt y aplicada posteriormente, a finales de los años veinte, por Edwin Hubble y sus colaboradores, que utilizaron estrellas variables cefeidas en galaxias distantes y otras observaciones para revelar que el Universo se estaba expandiendo.

Mediciones de la constante de Hubble. Crédito: ESA/Planck Collaboration.

El valor que los astrónomos derivan de la constante de Hubble empleando una gran variedad de observaciones punteras, incluidas algunas del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA  (que debe su nombre a este científico pionero), y más recientemente a la misión Gaia de la ESA, es de 73,5 km/s/Mpc, con una incertidumbre de tan solo un dos por ciento. Estas unidades indican la velocidad de la expansión en km/s por cada millón de pársecs (Mpc) de separación en el espacio, donde un pársec equivale a 3,26 años luz. 

Una segunda forma de calcular la constante de Hubble es usar el modelo cosmológico coherente con la imagen del fondo cósmico de microondas, que representa un Universo muy joven, y calcular una predicción de cuál sería la constante hoy. Al aplicarse a los datos de Planck, este método nos da un valor menor, de 67,4 km/s/Mpc, con una mínima incertidumbre, inferior al uno por ciento. 

Por un lado, resulta extraordinario que dos formas tan distintas de derivar la constante de Hubble (una empleando el Universo local y maduro, y la otra basada en el Universo distante y temprano) ofrezcan resultados tan cercanos. Por otro, en principio estas dos cifras deberían coincidir dentro de sus respectivas incertidumbres. Esta es la tensión, y la pregunta es ¿cómo reconciliarlas? 

De ambos lados existe el convencimiento de que los errores que podrían quedar en sus métodos de medida son demasiado pequeños como para provocar esta discrepancia. Así que, ¿quizá nuestro entorno cósmico local tiene alguna peculiaridad que haga que la medición cercana presente una leve anomalía? Por ejemplo, sabemos que nuestra Galaxia se halla en una región más bien poco densa del Universo, lo que podría afectar al valor local de la constante de Hubble. 

“No hay una única solución astrofísica satisfactoria que pueda explicar esta discrepancia. Así que puede que exista una nueva física aún por descubrir”, apunta Marco Bersanelli, investigador principal adjunto del instrumento LFI en la Universidad de Milán (Italia). 

Como ‘nueva física’ se entiende que una serie de partículas o fuerzas exóticas podrían influir en los resultados. Sin embargo, por muy emocionante que suene, los resultados de Planck limitan enormemente esta posibilidad, ya que encaja a la perfección en la mayoría de observaciones. 

“Es muy difícil añadir una nueva física que resuelva la tensión, pero que a la vez conserve la descripción precisa del modelo estándar, en la que ya encaja todo lo demás”, señala François Bouchet, investigador principal adjunto del instrumento HFI en el Instituto de Astrofísica de París. 

Así pues, nadie ha sido capaz de aportar una explicación satisfactoria para las diferencias entre las dos mediciones, y la cuestión sigue sin resolverse. 

“Por el momento, no deberíamos hacernos demasiadas ilusiones con encontrar una nueva física: la discrepancia relativamente menor quizá podría explicarse por una combinación de pequeños errores y efectos locales. Pero tenemos que seguir mejorando nuestras mediciones y pensando en formas mejores de explicarla”, advierte Jan. 

Este es el legado de Planck: con su Universo casi perfecto, la misión ha confirmado a los investigadores sus modelos, salvo por un par de detalles que habrá que resolver. En otras palabras: lo mejor de dos mundos. 

El archivo del legado de Planck está disponible en http://pla.esac.esa.int/pla/

Más información sobre Planck: http://sci.esa.int/planck/

Enlaces de interés:
Planck revela un universo casi perfecto.
Planck revela cuándo se formaron las primeras estrellas.
El equipo Planck de la ESA galardonado con prestigioso premio.
Publicado en ESA el 17 de julio del 2.018.

Para más información:

Jan Tauber

ESA Planck Project Scientist

European Space Agency

Email: jan.tauber@esa.int

Markus Bauer

ESA Science Communication Officer

Tel: +31 71 565 6799

Mob: +31 61 594 3 954

Email: markus.bauer@esa.int