Planck no encuentra nuevas pruebas de anomalías cósmicas.

El contexto de microondas cósmico: temperatura y polarización.

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 solo 380 000 años. Muestra pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones de densidades ligeramente diferentes, que representan las semillas de todas las estructuras futuras: las estrellas y galaxias de hoy. La primera vista en esta secuencia muestra anisotropías en la temperatura del CMB a la resolución completa obtenida por Planck. En la segunda vista, las anisotropías de temperatura se filtraron para mostrar principalmente la señal detectada en escalas alrededor de 5º en el cielo. La tercera vista muestra las anisotropías de temperatura filtradas con una indicación adicional de la dirección de la fracción polarizada del CMB. Una pequeña fracción del CMB está polarizada: vibra en una dirección preferida. Este es el resultado del último encuentro de esta luz con electrones, justo antes de comenzar su viaje cósmico. Por esta razón, la polarización del CMB retiene información sobre la distribución de materia en el Universo temprano, y su patrón en el cielo sigue el de las pequeñas fluctuaciones observadas en la temperatura del CMB. Estas imágenes se basan en datos del lanzamiento de Planck Legacy, el lanzamiento final de los datos de la misión, publicado en julio de 2018. Copyright ESA / Planck Collaboration.

El satélite Planck de la ESA no ha encontrado nuevas pruebas de las enigmáticas anomalías cósmicas que aparecieron en su mapa de temperatura del Universo. Aunque el estudio más reciente no descarta la relevancia potencial de estas anomalías, los astrónomos deberán esforzarse aún más para entender el origen de estos misteriosos fenómenos.

Los últimos resultados de Planck proceden de un análisis de la polarización de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB), la luz más antigua del cosmos, liberada cuando el Universo apenas tenía 380.000 años de edad. 

El análisis inicial del satélite, publicado en 2013, se centraba en la temperatura de esta radiación a lo ancho del cosmos. Esto permitió a los astrónomos investigar su origen y evolución. Aunque confirmó el modelo estándar de evolución de nuestro Universo, el primer mapa de Planck también reveló una serie de anomalías difíciles de explicar en el marco de dicho modelo cosmológico.       

Las anomalías son débiles peculiaridades en el firmamento que aparecen a grandes escalas angulares. Está claro que no se trata de artefactos producidos por el comportamiento del satélite o el procesamiento de los datos, pero son lo bastante sutiles como para tratarse de accidentes estadísticos: fluctuaciones muy poco comunes pero que no pueden descartarse por completo en el modelo estándar. 

Por otro lado, las anomalías podrían ser un signo de una “nueva física”, término empleado para referirse a procesos naturales aún no reconocidos que podrían ampliar las leyes de la física conocidas.

Un resumen de los casi 14 mil millones de años de historia del Universo, que muestra en particular los eventos que contribuyeron al Fondo de Microondas Cósmico, o CMB. La línea de tiempo en la parte superior de la ilustración muestra una vista artística de la evolución del cosmos en grandes escalas. Los procesos descritos van desde la inflación, la breve era de expansión acelerada que experimentó el Universo cuando tenía una fracción de segundo, hasta la liberación del CMB, la luz más antigua de nuestro Universo, impresa en el cielo cuando estaba el cosmos. sólo 380 000 años de edad; y desde la "Edad Oscura" hasta el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias, que reionizaron el Universo cuando tenía unos pocos cientos de millones de años, hasta la actualidad. Las diminutas fluctuaciones cuánticas generadas durante la época inflacionaria son las semillas de la estructura futura: las estrellas y galaxias de hoy. Después del fin de la inflación, las partículas de materia oscura comenzaron a agruparse alrededor de estas semillas cósmicas, construyendo lentamente una red de estructuras cósmicas. Más tarde, después de la liberación del CMB, la materia normal comenzó a caer en estas estructuras, dando lugar a estrellas y galaxias. Las inserciones a continuación muestran una vista ampliada de algunos de los procesos microscópicos que tienen lugar durante la historia cósmica: desde las pequeñas fluctuaciones generadas durante la inflación, hasta la densa sopa de luz y partículas que llenaron el Universo primitivo; desde la última dispersión de la luz de los electrones, que dio origen al CMB y su polarización, a la reionización del Universo, causada por las primeras estrellas y galaxias, que indujeron una polarización adicional en el CMB. Crédito: ESA.

Para continuar estudiando la naturaleza de estas anomalías, el equipo de Planck observó la polarización del CMB, revelada tras un concienzudo análisis de los datos de multifrecuencia diseñado para eliminar las fuentes de velos de emisiones de microondas, incluidos el gas y el polvo de nuestra Vía Láctea. Esta señal es la mejor medición hasta la fecha de los denominados modos E de polarización del CMB, y se remonta a la época en que se formaron los primeros átomos del Universo y se liberó el CMB. Se debe a la forma en que la luz dispersó partículas de electrones justo antes de que estos se unieran formando átomos de hidrógeno. 

La polarización proporciona una vista casi independiente del CMB, por lo que si las anomalías también aparecieran allí, los astrónomos tendrían mayor certeza de que estuviera causada por una nueva física, en lugar de tratarse de accidentes estadísticos.       

Aunque Planck en principio no se diseñó con fines de polarización, sus observaciones se han empleado para crear los mapas más precisos hasta la fecha de la polarización del CMB del firmamento completo. Se publicaron en 2018 y mejoran enormemente la calidad de los primeros mapas de polarización de Planck, lanzados en 2015. 

Cuando el equipo de Planck observó estos datos, no vio señales claras de anomalías. Siendo optimistas, el análisis, publicado hoy en Astronomy and Astrophysics, ofrecía leves indicios de la presencia de algunas de ellas.

La polarización de CMB en grandes escalas angulares. Mapa de la amplitud de polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el satélite Planck de la ESA. Si bien las fluctuaciones en el CMB están presentes y las observó Planck hasta escalas angulares muy pequeñas, estas imágenes se han filtrado para mostrar principalmente la señal detectada en escalas bastante grandes en el cielo, alrededor de 5 grados, como comparación, la Luna completa se extiende alrededor de medio grado En estas escalas grandes, se observan una serie de anomalías en la temperatura del CMB; estas son características que son difíciles de explicar dentro del modelo estándar de cosmología, que se basa en el supuesto de que el Universo, en escalas grandes, tiene las mismas propiedades cuando se observa en todas direcciones. La anomalía más grave es un déficit en la señal observada en escalas alrededor de 5 grados, que es aproximadamente un diez por ciento más débil de lo previsto. Otros rasgos anómalos son una discrepancia significativa de la señal observada en los dos hemisferios opuestos del cielo (los dos hemisferios están delineados por la curva grande, aproximadamente en forma de U en la imagen, el norte está en el centro) y así -llamado 'punto frío': un lugar grande a baja temperatura con un perfil de temperatura inusualmente alto (la ubicación de este punto también se indica en la esquina inferior derecha). Estas anomalías no se detectaron, al menos no en un nivel significativo, en las observaciones de Planck sobre la polarización de CMB. Una comparación entre el mapa superior, que muestra la medición total de Planck (que incluye tanto la señal como el ruido) con el mapa inferior, que muestra solo el ruido, indica que pueden estar presentes algunas características anómalas, como por ejemplo una asimetría de potencia entre los dos hemisferios, Pero son estadísticamente poco convincentes. La falta de anomalías estadísticamente significativas en los mapas de polarización no descarta la relevancia potencial de los observados en la temperatura, pero hace que sea aún más difícil comprender el origen de estas características desconcertantes. Las regiones que se muestran en gris en los mapas se ocultaron en el análisis para evitar la emisión residual en primer plano de nuestra Vía Láctea o fuentes extragalácticas que afecten los resultados cosmológicos. Copyright ESA / Planck Collaboration.

“Las mediciones de polarización de Planck son fantásticas —reconoce Jan Tauber, científico del proyecto Planck de la ESA—. Pero, a pesar de los estupendos datos que poseemos, no vemos señales claras de anomalías”. 

A primera vista podría parecer más probable que las anomalías fueran meros accidentes estadísticos, pero esto no implica que no se trate de una nueva física, puesto que la naturaleza podría ser más complicada de lo que imaginamos. Hasta el momento no hay una hipótesis convincente del tipo de nueva física que estaría causando las anomalías. Así, podría ser que el fenómeno responsable solo afectase a la temperatura del CMB, pero no a la polarización. Desde este punto de vista, aunque el nuevo análisis no confirma que haya una nueva física en acción, sí que le supone restricciones importantes. 

La anomalía más grave que apareció en el mapa de temperatura del CMB es un déficit en la señal observada a grandes escalas angulares en el firmamento, de alrededor de cinco grados (a modo de comparación, obsérvese que la Luna llena alcanza alrededor de medio grado). A estas grandes escalas, las mediciones de Planck son alrededor de un diez por ciento más débiles que lo que predeciría el modelo estándar de la cosmología. 

Planck también confirmó, con un alto grado de fiabilidad estadística, otros rasgos anómalos a los que habrían apuntado observaciones anteriores de la temperatura del CMB, como una discrepancia significativa de la señal observada en los dos hemisferios del firmamento, así como una “región fría”, una gran mancha de baja temperatura con un perfil térmico de pendiente inusitadamente pronunciada. 

“En el momento de la primera publicación, dijimos que Planck comprobaría las anomalías con sus datos de polarización. El primer conjunto de mapas de polarización lo bastante limpios como para ello se publicó en 2018, y aquí tenemos los resultados”, señala Krzysztof M. Górski, del Laboratorio de Propulsión a Reacción (JPL) de Caltech (Estados Unidos), uno de los autores del nuevo artículo. 

Por desgracia, los nuevos datos no hicieron avanzar el debate, ya que los últimos resultados ni confirman ni desmienten la naturaleza de las anomalías. 

“Ciertos datos apuntan a que en los mapas de polarización podría haber una asimetría de potencia similar a la observada en los mapas de temperatura, aunque sigue sin convencer desde el punto de vista estadístico”, añade Enrique Martínez González, del Instituto de Física de Cantabria en Santander, también coautor del artículo.

La temperatura CMB en grandes escalas angulares. Mapa de la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el satélite Planck de la ESA. Si bien las fluctuaciones en el CMB están presentes y las observó Planck en escalas angulares muy pequeñas, estas imágenes se han filtrado para mostrar principalmente la señal detectada en escalas bastante grandes en el cielo, alrededor de 5 grados y más grandes, como comparación. La luna se extiende alrededor de medio grado. En estas escalas grandes, se observan una serie de anomalías en la temperatura del CMB; estas son características que son difíciles de explicar dentro del modelo estándar de cosmología, que se basa en el supuesto de que el Universo, en escalas grandes, tiene las mismas propiedades cuando se observa en todas direcciones. La anomalía más grave es un déficit en la señal observada en escalas alrededor de 5 grados, que es aproximadamente un diez por ciento más débil de lo previsto. Otros rasgos anómalos son una discrepancia significativa de la señal observada en los dos hemisferios opuestos del cielo (los dos hemisferios están delineados por la curva grande, aproximadamente en forma de U en la imagen, el norte está en el centro) y así -llamado 'punto frío': un punto grande a baja temperatura con un perfil de temperatura inusualmente alto (también descrito en la esquina inferior derecha). Una comparación entre el mapa superior, que muestra la medición total de Planck (que incluye tanto la señal como el ruido) con el mapa inferior, que muestra solo el ruido, indica que las características anómalas claramente no son artefactos, ya que están presentes en la señal y no en el mapa. ruido. Estas anomalías no se detectaron, al menos no en un nivel significativo, en las observaciones de Planck sobre la polarización de CMB. La falta de anomalías estadísticamente significativas en los mapas de polarización no descarta la relevancia potencial de los observados en la temperatura, pero hace que sea aún más difícil comprender el origen de estas características desconcertantes. Las regiones que se muestran en gris en los mapas se ocultaron en el análisis para evitar la emisión residual en primer plano de nuestra Vía Láctea o fuentes extragalácticas que afecten los resultados cosmológicos. Copyright ESA / Planck Collaboration.


Aunque los resultados de Planck se someterán a más análisis, es poco probable que aporten nuevos resultados sobre esta cuestión. Lo lógico para seguir avanzando sería contar con una misión dedicada, diseñada y optimizada especialmente para estudiar la polarización del CMB, pero para ello habrá que esperar entre 10 y 15 años como mínimo. 

“Planck nos ha proporcionado los mejores datos de que vamos a disponer por lo menos en una década”, admite el coautor Anthony Banday, del Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología de Toulouse (Francia). 

Entretanto, el misterio de las anomalías continua.

Notas para los editores

El artículo “Planck 2018 results. VII. Isotropy and Statistics of the CMB” de la Colaboración Planck, está publicado en Astronomy & Astrophysics. 

Los resultados se basan en los datos del legado de Planck, publicados el 17 de julio de 2018.

Para más información:

Jan Tauber

ESA Planck Project Scientist
European Space Agency

Enrique Martínez González

Instituto de Física de Cantabria
Santander, Spain

Anthony Banday

Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Toulouse, France

Calla Cofield (Media Relations)

Jet Propulsion Laboratory
Pasadena, California, USA

Markus Bauer

ESA Science Programme Communication Officer
Tel: +31 71 565 6799
Mob: +31 61 594 3 954

• Publicado en ESA España el 7 de junio del 2.019, enlace publicación.

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