Una foto de 13500 millones de años

La importancia de los anuncios hechos la semana pasada por la colaboración Planck de la agencia espacial europea obligan hacer una publicación en el blog. Lamentablemente apenas domino el tema y en general hago mejor en referirlos a comentarios directos de expertos como Renee Hlozek y Shaun Hotchkiss, a blogs más elaborados francisthemulenewscuentos-cuanticos  o revistas  como nature  y al resumen por la misma colaboración (traducido con info extra en science.portalhispanos). Sin embargo, creo soy capaz de hacer un par de comentarios sobre lo que conozco y que tal vez ayuden comenzar otras lecturas en el tema.

Antes que nada debo comentar que  los resultados de Planck tienen un sabor dulce aunque tal vez sean más un sin sabor. Esto en el sentido que aunque felizmente confirman lo que se conoce como modelo estándar cosmológico o  ΛCDM (LambdaCDM), que es el modelo más aceptado para entender el universo a nivel cosmológico, pero no muestran claros indicios de algo más por explorar. Algo similar afrontariamos si sucede que la partícula reportada el año pasado por las colaboraciones ATLAS y CMS en el CERN, resulta ser exactamente como el modelo estándar de partículas predice, y no observáramos nada más que nos ponga un nuevo misterio sobre la mesa.  Bueno, en realidad sí hay un par de anomalías, datos que no son explicados por ΛCDM, pero de las cuales no se tiene certeza si son problemas con el experimento o con la lectura y análisis de los datos. Así, aunque estos problemas existían incluso desde WMAP no se toman en general como una amenaza mortal al modelo.

Luz invisible y el daguerrotipo del universo.

Imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por Planck (imagen ESA)

Imagen de la radiación cósmica de fondo tomada por Planck (imagen ESA)

La imagen que todos vimos en las noticias es una foto muy detallada del universo, sin las galaxias (de hecho en el proceso de quitar las galaxias puede recaer la explicación a algunas anomalías), tomada desde afuera de la Tierra. La foto en realidad está coloreada, con los colores rojos y naranjas indicando puntos más iluminados o intensos, porque ¡Planck ve luz invisible!. El ojo de Planck vería cuando una llamada está llegando o saliendo de nuestros celulares. También vería muy bien los “duendes” que calientan y cocinan las cosas dentro del horno microondas.

Diferentes tipos de luz que se distingue por su longitud de onda.

Diferentes tipos de luz que se distingue por su longitud de onda.

http://www.cienciaeingenieria.com/2012/06/espectro-electromagnetico-o-espectro-de.html

Sí, Planck ve las microondas que nosotros no podemos, y es tan sensible a estas que un celular superpuesto a esta fotografía, que es lo que se conoce como Radiación Cósmica de Fondo, seria más de diez ordenes de magnitud más brillante (10 ordenes más quiere decir que se debe poner  al número 10 ceros más) que los puntos más intensos de la foto.

La foto además nos muestra el universo como era hace unos 13500 millones de años, o sea cuando el universo era un bebe de apenas unos 370 millones de años. La razón de esto reside en el hecho que a la luz le tomo todo este tiempo en viajar desde donde se origino hasta llegar a la Tierra y ser captada por Planck. Lamento decepcionarlos pero más allá, digamos al nacimiento propio del universo, no sé si podamos ver ya que antes de su cumpleaños 370 millones nuestro universo era una sopa de partículas cargadas, lo que se conoce como plasma  (presente de forma natural también en las estrellas, como el sol, y ahora usual en los hogares con los televisores plasma), que no permite que la luz se propague. Esta dificultad de la luz a travesar un plasma es mayor mientras esta sopa sea más densa, y el plasma primordial del universo era realmente denso. Formalmente los físicos hablamos de una frecuencia de plasma, que es proporcional a la raíz cuadrada de la densidad, y las radiaciones con frecuencias menores a esta frecuencia son detenidas por el plasma.

Ahora bien, con el paso del tiempo la densidad de cargas disminuía. Esto porque el universo en su evolución aumentaba de tamaño y así mismo las partículas perdían velocidad, o en otras palabras el universo se enfriaban, de tal forma que partículas como los electrones y protones comenzaron por fin a sumirse en la atracción fatal de la cual todos venimos y que conocemos como átomos de hidrogeno y helio, que al no estar cargados permiten el paso de la luz con mayor facilidad. Tenemos entonces que la celebración del cumpleaños 370 millones de nuestro universo fue un destello de luz que lo llenó todo. De una manera menos romántica los físicos simplemente decimos que el universo se tornó transparente y la luz pudo propagarse. Es por esto que no tenemos noticias directas de lo que ocurrió anteriormente. Podemos en este sentido entonces decir que la radiación cósmica de fondo es como el daguerrotipo del universo.

Inflación, un universo bebe que crece muy rápido.

Que el universo está expandiendo es algo que conocemos desde hace unos 70 años atrás y es la semilla a lo que conocemos como teoría de la gran explosión, uno de los ingredientes del modelo estándar cosmológico. Ahora, saber la rapidez con que se está expandiendo y el tamaño actual de este permite entonces conocer hace cuanto todo lo que vemos estuvo en un mismo punto, y por tanto calcular la edad del universo.

En este análisis aparece entonces un problema. Según la velocidad que medimos para esta expansión podemos decir que hay puntos en la foto del universo que no podían saber nada del otro. En términos que los físicos utilizamos se dice que los puntos están desconectados causalmente, o sea que la existencia de algo en ese punto no puede afectar el pasado ni el presente de algo en el otro punto, y tiene origen en el hecho que la información tarda cierto tiempo en viajar entre dos puntos alejados. Ahora bien, estos puntos que no sabían de la existencia del otro resultan extremadamente parecidos en la foto, como si sin ponerse de acuerdo hicieran exactamente la misma mueca, algo que no tiene sentido a menos que en algún momento hubieran estado en contacto. Este acertijo y otro par indicaron que el universo no podía haberse expandido siempre de la misma forma.

Edades del universo hasta el presente

Edades del universo hasta el presente

Edades del universo hasta el presente

Edades del universo hasta el presente

En este punto entra Alan Guth , y precisamente por este trabajo el año pasado recibió el premio Milner de física fundamental. Guth propuso que el universo en algún momento de su historia se expandió (infló) de forma increíblemente rápida, lo que llamamos inflación o expansión exponencial. Además formuló un modelo que explica como comenzó, sucedió y terminó este periodo de vida del universo. La idea inflacionaria a grandes rasgos es la siguiente: el universo aunque se expande tiene varias posibilidades. Que esté frenando, acelerando o que su velocidad de expansión no cambie y esto está determinado por lo que conocemos como constante cosmológica o energía del vacío, Λ, que si es positiva empuja las cosas hacia afuera y si es negativa las retiene. Guth propone, entonces, que esta constante de hecho no es una constante si no que varia con la historia del universo y que en  algún momento fue tan grande positiva que generó esta expansión exponencial. Con este ingrediente y detalles extra se puede predecir cómo debió ser en universo cuando era un bebe, o sea la foto tomada por Planck. Entre otras predice que el universo, captado por Planck, debe estar a una temperatura de alrededor de 3 Kelvin (-270 grados centígrados). O sea, si fuéramos en la nave Viajero 1, que al parecer acabó de salir del sistema solar luego de un viaje de 34 años, y sacáramos la mano a ver si esta haciendo frio o no esta sería la temperatura que mediríamos (dentro del sistema solar la temperatura sería mayor debido los efectos del sol y demás fuentes de energía). Sí, es muy frio.

Pero un momento, si lo recuerdan les había dicho que la imagen era la foto de un bebe extremadamente caliente. Tan caliente que apenas permitía formar átomos. ¿Cómo es esto? La respuesta es un poco compleja para responder con simples palabras pero imaginemos que estamos saltando lazo, con dos amigos  a cada lado moviendo la cuerda. Mientras el universo se expande veríamos al par de amigos cada vez más lejos de tal forma que la cuerda cada vez hace una curva más larga. A las ondas de luz les pasa algo parecido. Así que cuando salieron del universo temprano tenían lo que llamamos una longitud de de onda muy corta, emitidas por cuerpos muy calientes, pero paulatinamente se alargaron y hoy se ven como de un cuerpo muy frio, en un fenómeno que conocemos como corrimiento al rojo. Y en el futuro se verán incluso mas frías, y controlar como se va enfriando el universo es un proyecto futuro a largo plazo.

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El lado oscuro de la fuerza

contra el resto…

Pero la constante cosmológica no tiene toda la culpa. Bueno, sí tiene la mayor responzabilidad, pues aun siendo en el presente increíblemente pequeña continua haciendo que el  universo siga expandiéndose aceleradamente de tal forma que al parecer el destino del nuestro universo es terminar completamente frio, inmenso y solitario. Esta fuerza, que hace que todo se esté apartando cada vez más rápido de lo demás, es lo que se denomina energía oscura, y se denomina oscura en parte porque no se tiene claro que es en realidad, a pesar que según ΛCDM y las observaciones de WMAP y Planck acumula casi el 68.3% de lo que hay en el universo. Las otras cosas que aparecen en el juego son la materia que creemos entender muy bien pero que apenas forma el irrisorio 4.9%. Como quien dice aun no sabemos nada. El otro 26.8% es la materia oscura, algo que tampoco sabemos que es. Tenemos varios haces bajo la manga, como neutrinos aun más tímidos que los tres tipos que conocemos y de los cuales espero Mario nos cuente un poco, o partículas supersimetricas, ambos por ahora sin indicio alguno. De estos dos componentes del lado oscuro del universo es que viene el nombre del modelo Cosmólogico: Λ, por la constante cosmológica, y CDM de Cold Dark Matter (materia oscura fría). Los datos que acabo de mencionar son extraídos de los resultados de Planck que indican una constante cosmológica mas pequeña que la obtenida con los datos de WMAP, y por tanto un universo más antiguo de lo que creíamos. Así las cosas en el momento se dice que el universo, ahora adolescente, tiene unos 13810 millones de años. Para que entiendan un poco sobre cómo estos porcentajes son calculado los invito a jugar un poco con este applet de la nasa, donde pueden ustedes crear sus propios universos cambiando el contenido de este.

Muestra del applet NASA para crear universos

Muestra del applet NASA para crear universos

Pueden jugar a encontrar nuestro universo, descrito por la línea roja que une los puntos experimentales, haciendo que la predicción (línea azul) coincida. Además del los porcentajes de material (atoms), material oscura (cold dark matter) y Energía oscura (Dark energy) hay otros tres parámetros por cambiar y del cual sólo me atrevo a comentar sobre la constante de Hubble (H),  por el astrofísico Edwin Hubble, que indica que tan rápido se expande el universo actualmente.

De donde venimos por Paul Gauguin

¿De dónde venimos?

Como ya mencioné los colores de la foto no son los reales e indican diferencias de intensidad y como también dije Planck es muy sensible. Así, la diferencia entre los puntos más débiles y los más intensos es de 1 en 100000, o sea casi nada,  pero suficientes como para evolucionar en las grandes inhomogeneidades que ahora vemos en forma de galaxias. El origen de la pequeñas irregularidades en la foto en principio puede ser explicado por el modelo inflacionario del universo y mecánica cuántica, pero una comprensión profunda de este fenómeno sigue siendo tema abierto de investigación.

Bueno creo que ya he dicho demasiado,  aunque hubiera querido decir algo sobre monopolos magnéticos pero será para otra oportunidad. Espero haber dado una pequeña idea de lo que esta hacienda Planck allá arriba a un millón y medio de kilómetros de la Tierra, y de lo que nos dice. Para los más curiosos está el enlace con los articulo publicados por la colaboración, entre los cuales uno menciona que entre los modelos más probables de inflación hay dos construidos a partir de teorías efectivas de supercuerdas (http://arxiv.org/abs/0808.0706 y http://arxiv.org/abs/0803.3085). La teoría de cuerdas ríe… por el momento jajaja.

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2 pensamientos en “Una foto de 13500 millones de años

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