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¿Cómo se ha enfriado el Universo con el tiempo?

Título: Constraining the redshift evolution of the Cosmic Microwave Background black-body temperature with PLANCK data
Autores: I. Martino et al.
Institución del primer autor: Física Téorica, Universidad de Salamanca
Astrobite original: How did the Universe cool over time?

Mientras numerosos modelos cosmológicos han sido propuestos para describir la historia y evolución del Universo temprano, el modelo del Big Bang es por mucho el que en mejor acuerdo está con las observaciones. Diferentes modelos cosmológicos predicen diferentes comportamientos de la evolución de la temperatura del Fondo Cósmico de Microondas (CMB por sus siglas en inglés) a medida que pasa el tiempo, pero la predicción del Big Bang es que el CMB debe enfriarse vía expansión adiabática (esto es, sin ganancia o pérdida de calor). Podemos describir la temperatura “general” del Universo mediante el estudio del espectro de cuerpo negro del CMB, ya que se cree que el Universo temprano estaba en equilibrio térmico (o sea, a la misma temperatura) que los fotones del CMB. Midiendo la evolución de la temperatura del CMB sobre un rango de redshifts (lo que es equivalente a decir sobre la historia cósmica), podemos poner a prueba la consistencia de la prevalencia del modelo del Big Bang o encontrar desviaciones de la expansión adiábatica que nos sugieran tener que realizar adiciones a nuestro modelo cosmológico.

En este trabajo, los autores combinan datos del CMB obtenidos por la misión Planck con aquellos colectados previamente por observaciones de rayos X de cúmulos de galaxias para obtener restricciones en el cambio adiabático de temperatura. En lugar de medir directamente la temperatura del CMB, los autores hacen uso del efecto Sunyaev-Zeldovich térmico (tSZ). Este efecto causa que los electrones de alta energía del gas intracumular contenido en los cúmulos de galaxias estimulen la energía de los fotones del CMB a través de la dispersión electrón-fotón. Los autores usan los datos de Planck para sustraer del CMB la señal de la emisión de rayos X de los cúmulos de galaxia para medir el estímulo de la energía de los fotones del CMB inducido por el gas de los cúmulos. Estos cúmulos de galaxia tienen redshifts conocidos, y esta información del redshift combinada con las medidas de la temperatura del CMB generarán la histora de cómo cambia la temperatura del CMB con el tiempo.

El objetivo es, entonces, medir la evolución de la temperatura del CMB con el tiempo, pero esto se hace indirectamente midiendo primero el efecto tSZ de los cúmulos de galaxia a varios redshifts. Los autores miden las diferencias de temperatura en el CMB causadas por el tSZ sustrayendo la señal del CMB, modelando la dependencia de la frecuencia del efecto tSZ y seleccionando el modelo que ajuste mejor a los cúmulos. Esta medida del tSZ reproduce entonces la temperatura del CMB a cierto redshift. La medida de la evolución de la temperatura que resulta de esto es consistente con la evolución adiabática de la temperatura del CMB sobre el tiempo, y es consistente con intentos anteriores de cuantificar el enfriamiento adiabático. La Fig. 1 muestra la evolución en el redshift inferida de la temperatura del CMB (escalado con respecto al actual redshift y temperatura del CMB). Las regiones sombreadas y los puntos azules representan las medidas de este trabajo, las cuales son consistentes con la línea roja, que representa una evolución adiabática.

Fig. 1: Temperatura del CMB (normalizada respecto al actual redshift y temperatura del CMB) gráficada contra el redshift. Los puntos negros y las regiones sombreadas corresponden a la medida encontrada en este paper, el cuál esta en buen acuerdo con la línea roja horizontal que representa el enfriamiento adiabático de los modelos. Los cuadrados azules son medidas previas llevadas a cabo por estudios anteriores (figura 6 de Martino et al. 2015).

Fig. 1: Temperatura del CMB (normalizada respecto al actual redshift y temperatura del CMB) gráficada contra el redshift. Los puntos negros y las regiones sombreadas corresponden a la medida encontrada en este paper, el cuál esta en buen acuerdo con la línea roja horizontal que representa el enfriamiento adiabático de los modelos. Los cuadrados azules son medidas previas llevadas a cabo por estudios anteriores (figura 6 de Martino et al. 2015).

Mientras este acuerdo quizás no sorprenda dada la espectacular predicción hecha por el modelo del Big Bang, revisar este tipo de consistencias es importante para mantener la confianza en el modelo del Big Bang y descartar otros potenciales modelos cosmológicos. Para más validaciones, los autores planean continuar este análisis expandiendo a cúmulos de galaxias a más alto redshift para evaluar consistencias adicionales.

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