La imagen más antigua jamás tomada

Agencia Espacial Europea y Consorcio Planck

El jueves 21 de marzo, a las 4:00 a.m., hora colombiana, los científicos de la Agencia Espacial Europea presentaron en una rueda de prensa una fotografía del cielo en microondas. Ésta, tomada por el telescopio espacial Planck, es la imagen de la luz más antigua en el universo y, por lo tanto, del objeto más antiguo que podemos observar: nuestro propio universo en su infancia.

El joven universo no tenía muchas de las cosas que son familiares para nosotros ahora. No había planetas, ni estrellas ni galaxias, no había casi nada. Lo único que existía eran arrugas que había en el espacio, como si fueran olas en la superficie del mar. Estas olas fueron las semillas de lo que luego se convirtió en las galaxias, como la Vía Láctea, donde se encuentra nuestro planeta.

¿Cómo tomar una imagen del pasado?

La luz viaja a 300 mil kilómetros por segundo, es decir, casi 200 veces entre Riohacha y Leticia en menos de un segundo. Por más que esta velocidad parezca extraordinaria, las distancias en el universo son tan grandes que el tiempo que tarda la luz en viajar desde un objeto en el espacio hasta llegar a nosotros es considerable. La luz del Sol tarda ocho minutos en llegar a la Tierra, es decir, vemos el Sol como era hace 8 minutos. Cuando vemos a Sirio, la estrella más brillante en el cielo nocturno, estamos viéndola como era hace casi 9 años, porque su luz tarda todo ese tiempo en llegar a la Tierra. Cuando vemos la galaxia Andrómeda, la vemos como era hace más de 2500 años.

La luz captada por el telescopio Planck fue liberada cuando el universo tenía menos de 380 mil años de edad y llega hoy a nosotros en frecuencias que corresponden a las microondas. Cada vez que usted enciende su televisor, un pequeño porcentaje del ruido que se observa en un canal sin señal corresponde a las microondas que vienen desde todas partes del universo. Esta señal es conocida como radiación de fondo de microondas y fue medida por primera vez en 1965 por Arno Penzias y Robert Wilson, dos ingenieros de Bell Labs, mientras intentaban calcular para sistemas de telecomunicaciones la transmisión de microondas en la atmósfera. La señal era tan extraña, que en un principio pensaron que era producida por los excrementos de las palomas que anidaban en la antena, pero luego de limpiarla la señal continuaba allí y por este descubrimiento fueron merecedores del Premio Nobel de Física en 1978.

Las microondas interactúan fuertemente con las moléculas de agua, por lo que se usan para calentar alimentos en los hornos que ahora se pueden encontrar en muchas casas. Esto significa que las microondas que llegan a nosotros desde el joven universo, cuando atraviesan la atmósfera de la Tierra, se encuentran con un gran número de moléculas de agua, lo que significa que la señal que medimos en la superficie de la Tierra incluye datos de las moléculas y está fuertemente debilitada. Por esa razón la mejor forma de estudiar la radiación de fondo de las microondas es afuera de la atmósfera terrestre, utilizando telescopios que viajan a bordo de globos o satélites.

Una pista para entender el universo

La radiación de fondo de microondas había sido predicha por George Gamow y sus colegas de finales de los años 40. Esta señal es el resultado del Big Bang, el evento que marca el origen de toda la materia y toda la energía que compone nuestro universo. Las microondas corresponden a la radiación liberada cuando se encontraba a más de 3.000 grados centígrados.

La señal de microondas en distintas partes del cielo corresponde a las arrugas en el espacio en el momento en que se liberó esta radiación y, por lo tanto, son un fósil de ese instante en la historia del universo. Una imagen de las microondas que vienen de todas partes del espacio corresponde a una fotografía del universo mucho antes de que existieran las primeras estrellas, los primeros planetas o las primeras galaxias.

La primera vez que se tomó una imagen de las microondas en todo el cielo fue en 1990, cuando la NASA envió al espacio al Explorador de Radiación Cósmica (COBE), un telescopio a bordo de un satélite que orbitaba a 900 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Los resultados fueron sorpresivamente concluyentes y confirmaron la teoría del Big Bang como la explicación más plausible del origen del universo. Era la primera vez en la historia de la humanidad que teníamos una imagen tan completa y los resultados de COBE junto a otras mediciones astronómicas confirmaron tres cosas importantes: 1. Vivimos en un universo homogéneo. 2. Por fuera de nuestra galaxia todo es casi igual en cualquier dirección en que veamos. 3. El universo se está expandiendo aceleradamente. Es como si viviéramos en una uva pasa dentro de una torta gigante que crece cuando se cocina en el horno.

Durante los últimos 15 años, el estudio de la radiación de fondo de microondas ha permitido establecer que el universo tiene 13,8 billones de años de edad y que su geometría es casi plana. Mediciones cada vez más precisas fueron obtenidas usando telescopios a bordo de globos volando alrededor de los polos de nuestro planeta y confirmadas en 2003 con los resultados del telescopio espacial WMAP. Así, el telescopio espacial Planck se lanzó en mayo de 2009 desde la base de Kourou, en la esquina nororiental de Suramérica, con la misión de medir con una precisión sin precedentes la señal más antigua.

El telescopio espacial

El telescopio espacial Planck tiene su nombre en honor al científico alemán Max Planck, padre de la teoría cuántica y ganador del Premio Nobel de Física en 1918. El telescopio Planck es un observatorio espacial de la Agencia Espacial Europea y es el resultado del esfuerzo conjunto de científicos e instituciones de la Unión Europea, Estados Unidos y Canadá.

Planck está diseñado para observar la luz de microondas que proviene de todas partes del universo con una precisión mayor a la de sus antecesores. Este nivel de precisión requiere que Planck no se encuentre en una órbita alrededor de la Tierra. Éste está estacionado en el punto gravitacional L2, a 1,5 millones de kilómetros de nuestro planeta, donde la Tierra lo cubre de la luz directa del Sol.

Este telescopio espacial tiene la capacidad de observar las microondas en el cielo y quitar la señal de cualquier otra fuente astronómica que pueda interferir con la radiación de fondo. El nivel de precisión en las mediciones de Planck requiere que sus instrumentos se enfríen hasta alcanzar -237,2 grados centígrados, apenas una décima por encima del cero absoluto. Para alcanzar esta temperatura, el satélite tiene una reserva de helio líquido. Ésta se agotó el 13 de enero de 2012 dejando al telescopio parcialmente “ciego” y a partir de entonces los científicos del proyecto han trabajado a contrarreloj para presentar los resultados que ahora se ponen a disposición de la comunidad científica de todo el mundo.

¿Qué aprendemos de Planck?

La primera sorpresa escondida en las observaciones de Planck es que nuestro universo tiene unos 13,81 billones de años de edad, es decir, es 100 millones de años más viejo de lo que se había estimado previamente. Comparativamente, es la misma precisión en medición que separa el récord en atletismo de Usain Bolt, el hombre más rápido del mundo, cuando corrió los 100 metros y superó la marca de su compatriota jamaiquino Yohan Blake. Es decir, por primera vez estamos midiendo la edad de nuestro universo con la misma precisión con la que lo hacemos con las marcas olímpicas.

La segunda sorpresa es que nuestro universo contiene más materia de lo que esperábamos. El 5% está compuesto de la misma materia que forma el Sol, los planetas y todo lo que vemos en nuestro planeta. Esta es la misma que los astrónomos pueden ver directamente a través de un telescopio. Otro 27% está formado por materia oscura, la cual no podemos observar directamente, pero sí estudiar a través de su influencia en los objetos que vemos. El 68% restante se encuentra en forma de energía oscura, que es la que genera la expansión acelerada del universo en todas las direcciones. Y aunque existen muchas posibilidades, aún no sabemos exactamente qué es la materia oscura; apenas si sospechamos lo que es la energía oscura. Si algún día estamos cerca de descubrir su origen, será gracias a las mediciones de Planck.

La imagen entregada por Planck descarta muchas teorías sobre el universo que incluían la presencia de partículas nuevas en la materia conocida y confirma que el modelo estándar que los físicos usan para describir el universo es correcto. Sin embargo, el mapa de la radiación de fondo de microondas presenta anomalías que aún continúan sin explicación. Planck ha confirmado diferencias estadísticas entre el hemisferio norte y el hemisferio sur del universo y ha medido una región que está a una temperatura significativamente menor. Estas dos anomalías no alteran radicalmente nuestro entendimiento del universo, pero abren la puerta a nuevas y más completas teorías que expliquen la evolución después del Big Bang.

Los resultados de Planck son la punta de la espada del esfuerzo tecnológico que ha permitido formular un modelo científico para entender nuestro universo. Los interrogantes que se abren son enormes, pero la simplicidad con la que se muestra en estas observaciones es sorprendente. En palabras de monseñor George Lemaitre, padre de la teoría del Big Bang: “El progreso científico es el descubrimiento de una simplicidad cada vez más y más comprensible. Los éxitos que hemos obtenido nos dan confianza en el futuro de la ciencia: nos hacemos más y más conscientes de que podemos conocer el universo”.

* Integrante de Spider, un telescopio a bordo de un globo que va a volar en la Antártida en diciembre de este año y tiene por objetivo explorar la época en la que el universo se expandió desde un punto a proporciones astronómicas, complementando, justamente, las mediciones de Planck.