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Ciencia

Las luces del pasado

En el marco de dos proyectos, registran las variaciones de temperatura que muestran el Universo de hace 13 mil millones de años

ACE / BEASTEn febrero pasado, dos proyectos divulgados casi simultáneamente dejaron un poco más claro el origen y el futuro del Universo. Por eso ahora se puede afirmarlo: tiene una edad bastante cercana a los 13.700 millones de años, y un destino definido: expandirse por siempre. El día 11 de febrero, la Nasa -agencia espacial estadounidense-, difundió los datos de su satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanzado en junio de 2001 a un costo de 45 millones de dólares. Pero antes, un grupo que trabajó en paralelo -integrado por investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe, sigla en portugués), de la Universidad Federal de Itajubá (Unifei), de tres instituciones de investigación estadounidenses y de dos universidades italianas- logró poner en el aire sus propias conclusiones, que se encuentran desde el día 3 en el astro-ph, un espacio en Internet hacia el que los científicos envían resultados inéditos cuando no desean esperar que se realicen los trámites habituales de una revista científica.

Mientras que el equipo del que participaron los brasileños celebró la primicia de la publicación de los resultados, pese a que con un trabajo de menor porte menor que el de la Nasa, los expertos en cosmología se alegraron con la posibilidad de contar con bases de datos complementarias, ambas construidas con la misma materia prima: la llamada radiación cósmica de fondo en microondas, un tipo de radiación electromagnética producida en los momentos iniciales del Universo. El estudio coordinado por la Nasa y llevado a cabo conjuntamente con cinco universidades estadounidenses es más abarcador: registró las sutiles variaciones de temperatura que corresponden a la radiación de fondo en todo el cielo y en cinco frecuencias de microondas. El otro proyecto, llamado Advanced Cosmic Explorer (ACE), se concentró en una área equivalente al 4% de la esfera celeste, que incluye una parte de nuestra galaxia, la Vía Láctea, analizada hace dos años en tan solo dos franjas de frecuencia por medio del radiotelescopio Background Emission Anisotropy Scanning Telecope (Beast). Pero el Beast muestra una visión más precisa de las regiones del cielo en las frecuencias que observó, en las cuales tiene una resolución de imagen alrededor un 50% mejor que la del satélite de la Nasa.

Cada uno a su manera -el satélite ubicado a 1,6 millones de kilómetros de la Tierra, y el radiotelescopio a 4 mil metros de altitud, en la cima de una montaña situada en el oeste de Estados Unidos-, los dos aparatos midieron las variaciones de la temperatura de la radiación cósmica de fondo, con oscilaciones de millonésimas en torno al valor promedio, que es de 2,73 Kelvin, un poco arriba del cero absoluto, -273 °C ó 0 Kelvin. De esa manera, muestran cómo era el Universo hace 13 mil millones de años, poco después de haberse formado. Como en dicho tiempo las estructuras del Universo -al igual que las de los planetas y las galaxias- aún no se habían formado, la arquitectura original era muy diferente de la actual.

Es como si los físicos resolvieran descubrir cuántos simpatizantes fueron a un partido de fútbol al día siguiente del juego, examinando los desechos dejados en la tribuna -allí donde hubiera más latas de refrescos, por ejemplo, probablemente habría habido más gente. Comienza ahora la reconstitución del escenario original, hecha con base en la distribución de la radiación de fondo, emitida 380.000 años después del Big Bang, la explosión que habría dado origen al Universo -en esos tiempos, cuando la temperatura era de alrededor de 3.000 °C, solamente los átomos de hidrógeno y helio, los elementos químicos más simples, podrían existir.

Para los astrofísicos, las primeras conclusiones que emergen de los dos relevamientos tienen casi el valor de un regalo de Navidad que llega un poco atrasado. Uno de los puntos esclarecidos especialmente por el equipo ligado a la Nasa, que se encuentra en un estadio más avanzado de análisis de los resultados obtenidos, es precisamente la edad del Universo, antes estimada en entre 8 y 20 mil millones de años. Ahora, lo más acertado es suponerla en alrededor de 13.700 millones de años, con un margen de error de tan solo un 1%, una tolerancia bastante pequeña frente al 20% anterior.

El análisis de la radiación electromagnética que viajó 13 mil millones de años a la velocidad de la luz hasta llegar a la Tierra conlleva otra conclusión importante: las primeras estrellas empezaron a brillar solamente 200 millones de años después del Big Bang, mucho antes de lo que lo astrofísicos imaginaban. Se puede también definir mejor la composición del Universo. La mayor parte de éste (un 73%) está compuesta de la llamada energía oscura, que nadie sabe aún qué es; un 23% es la materia oscura fría, igualmente misteriosa. En tanto, la materia conocida, hecha de átomos, que forman las moléculas, los seres vivos, los planetas y las galaxias, no supera el 4%, una participación modesta a punto tal de ser caracterizada como impureza.

Quedó claramente registrada también la velocidad de expansión del Universo en 71 kilómetros por segundo por megaparsec (un parsec equivale en kilómetros al número 3 seguido de 13 ceros). De una manera un poco más concreta, dos puntos separados por un millón de años luz (un año luz equivale a 9,5 billones de kilómetros) se separan a una velocidad de 21,8 kilómetros por segundo.El propio destino del Universo parece estar ahora claro: se expandirá por siempre, aunque no se descarta definitivamente la posibilidad de que pueda contraerse en un futuro. La perspectiva de expansión continua sugiere escenarios chocantes, sobre los cuales los físicos ya han hecho algunos cálculos. En 1040 (el número 1 seguido de 40 ceros) años, la materia (planetas y galaxias) se desintegraría, como si fuese un hielo convirtiéndose en gas, y en 10100 años, hasta los agujeros negros se evaporarían, resultando en una sopa cósmica -no calcinante, como la del Big Bang, sino helada.

La radiación cósmica de fondo, tenida como una especie de fósil celeste, fue descubierta accidentalmente en 1965 por el alemán naturalizado estadounidense Arno Penzias y por el estadounidense Robert Wilson, dos físicos que trabajaban en los laboratorios de Bell Telephone, de Estados Unidos. Ese hallazgo les rindió el Premio Nobel de Física en 1978. Pero el primer mapa de las fluctuaciones de la radiación de fondo asociadas a las estructuras originales del Universo recién salió en 1992, por medio del satélite Cosmic Background Explorer (Cobe), lanzado por la Nasa tres años antes. “El Cobe únicamente registraba las variaciones de temperatura en grandes áreas del cielo, probablemente relacionadas con el origen de superaglomerados de galaxias”, afirma Thyrso Villela Neto, investigador del Inpe y uno de los coordinadores del proyecto ACE. “Ahora tenemos una visión más realista del inicio del Universo y de cómo eran las cosas cuando éste se formó”. Actualmente se conocen estructuras mucho menores, que posiblemente fueron el punto de partida para la formación de las galaxias.

Una visión detallada
Lo que permitió esa minuciosidad fue el avance en el poder de definición de los telescopios, la llamada resolución angular -la capacidad de distinguir dos objetos cercanos entre sí. Al optar por un mapa menor, empero lo más detallado posible, el equipo que trabajó con el telescopio Beast hizo de la resolución angular una de sus diferencias significativas con relación al satélite de la Nasa. “Para mejorar la resolución angular de un telescopio con relación a otro que observa en la misma franja de frecuencias, se debe principalmente aumentar el diámetro de su espejo o la superficie colectora de radiación”, explica Villela.

El Beast, que cuenta con un espejo de captación de radiación de 2,2 metros de diámetro, distingue dos objetos a una distancia angular de 23 minutos de arco (un minuto de arco corresponde geométricamente a 1/ 60 de grado) en la frecuencia de 40 gigahertz (un hertz es la unidad de medida de frecuencia, que equivale a un ciclo por segundo). En ese misma rango, el WMAP, con un espejo de 1,6 metros de diámetro, solamente informará si hay dos y no un objeto si ambos se encontrasen separados a 32 minutos de arco uno al respecto del otro. “El radiotelescopio funciona como un sofisticado receptor de radio”, observa el físico Newton Figueiredo, de la Universidad Federal de Itajubá. “Pero, en vez de seleccionar una emisora, sintoniza una franja de microondas”. Con las ondas captadas, los investigadores construyen un mapa del cielo en la franja de microondas, representando en amarillo o rojo las regiones de temperatura más alta, y en azul las más frías. Luego preparan un gráfico conocido como espectro depotencia, que presenta una línea continua, y en el cual las curvas suben y bajan. El trazado final se asemeja a un electrocardiograma, el estudio que registra las corrientes eléctricas del corazón.

Figueiredo proyectó el sistema óptico del Beast. Al disponer el foco -el punto en el cual convergen las ondas- fuera del eje principal del espejo, logró reducir las interferencias de las señales que llegaban a los ocho receptores de microondas que se encuentran en el plano focal del espejo del telescopio. El Beast, instalado al inicio de 2001 en el punto más alto de la White Mountain, en el límite de los estados de California y Nevada, barrió el cielo por primera vez entre julio y diciembre de 2001. El año pasado se efectuaron otras dos semanas de observaciones en febrero, y también una temporada más larga, de agosto a octubre.

Filtración de señales
Pero hubo otra innovación brasileña en la investigación de la radiación de fondo. Desde 1998, en un proyecto paralelo, investigadores del Inpe y de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, observan el cielo del Hemisferio Sur -lo que incluye a la Vía Láctea, una de las principales fuentes de contaminación de las medidas de radiación de fondo- por medio de un radiotelescopio actualmente emplazado en el Inpe en Cachoeira Paulista (interior de São Paulo), tras haber operado en Estados Unidos, en las Islas Canarias, en la Antártida y en Colombia. Camilo Tello, investigador del Inpe, logró separar las señales del cielo de otras señales indeseables, como la radiación emitida por lapropia Tierra o por emisoras de radio y televisión. El modelo matemático que Tello diseñó tiene aplicaciones en otras áreas, como la de telefonía celular, pues puede servir para mejorar la cobertura de las antenas de transmisión de señales.

El Beast es una especie de prototipo del satélite Planck, que la Agencia Espacial Europea (ESA) pretende lanzar en 2007. Su misión será buscar informaciones aún más detalladas sobre el Universo. “La década que viene contaremos con diversos mapas para compararlos”, afirma Thyrso. Con los nuevos relevamientos, quizá sea posible saber si el Universo es finito o infinito, por ejemplo. “Si fuera infinito, se expandirá por siempre”, dice Figueiredo. “Si fuera finito, algún día se empezará a contraer.”

El Proyecto
Radiación Cósmica de Fondo en Microondas y Formación de Estructuras en el Universo
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
Reuven Opher – IAG/ USP
Inversión
R$ 2.342.292,29

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