¿Cuál es tu Cosmología? Preguntan los mapas del Fondo Cósmico de Microondas

Título: Cosmological-parameter determination with Microwave Background Maps
Autores: G. Jungman, M. Kamionkowski, A. Kosowsky and D. N. Spergel
Institución del primer autor: Dept. of Physics, Syracuse University, New York, USA
Estatus: Physical Review D (1996), [open access]
Astrobite original: What’s your Cosmology? Ask CMB Maps.

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Hay artículos que hablan de descubrimientos revolucionarios. Hay artículos que repasan el estatus actual de un campo, buscando acercarte a lo que está ocurriendo. Y además están aquellos artículos que abren portales a nuevos sub campos, con la claridad de su mensaje y la precisión de la pregunta que plantean. El artículo de hoy es una de esas publicaciones, la cual en 1996 comenzó un viaje interesante en el mundo del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés) y la Cosmología observacional.

El comienzo

Descubierto por primera vez en los setentas, los estudios del CMB han confiado en medir la temperatura al día de hoy de esta reliquia de radiación, la cual nos ha enviado fotones del tiempo en el que el universo era esencialmente un plasma de materia y radiación. Esta época del universo es en la que podemos observar los primeros “fotones CMB”, una superficie acertadamente llamada “Superficie de la última dispersión”. Medir su temperatura nos brinda una idea sobre el contenido de energía en el universo en esa superficie, la cual decrece conforme los fotones viajan hacia nosotros y pierden energía en un universo en eterna expansión.

Figura 1. Mapa de la temperatura del CMB en todo el cielo, observado por WMAP (como en 2012). Los diferentes colores corresponden a diferentes temperaturas, a la minúscula escala de micro-Kelvins.

En 1992 fue descubierto, por el satélite ganador del Nobel COBE, que esta radiación era isotrópica a una de sus partes en 100000, i.e. la uniformidad de la temperatura del CMB entre dos puntos en el cielo era sólo diferente por ¡10^-5 K! A continuación se realizaron estudios para discutir qué significaban realmente estas anisotropias o no-uniformidades. El día de hoy sabemos de varios mecanismos que pueden responder esta pregunta -mecanismos que han ganado credibilidad con resultados de telescopios de CMB como WMAP, Planck, el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT), y el Telescopio del Polo Sur (SPT). Pero de vuelta en 1996 estos programas no existían. Los autores de nuestro artículo se dieron a la tarea de desarrollar la teoría de una misión futura que pudiera hablarnos de forma concluyente sobre la naturaleza del universo en la última superficie del CMB. Este conocimiento nos ayudaría a caracterizar el universo temprano así como la evolución del universo entre “nosotros” y “la Superficie de la última dispersión”. ¡¿Qué es el estudio de la evolución del universo desde el Big Bang, sino la cosmología observacional?!

Parámetros cosmológicos

La cosmología observacional es un juego de medir los siguientes parámetros con máxima exactitud y precisión:

1. Densidad total del universo Ω – materia bariónica, materia obscura, radiación, curvatura/espacio
2. Constante de Hubble H0, aceleración del universo
3. La constante Cosmológica Λ, responsable for la expansión acelerada del universo actual
4. Parámetros de Inflación, para constreñir las perturbaciones de las eras del universo antes del CMB y justo después del CMB
5. Masa de las especies de neutrinos, lo cual afecta la formación de estructura en el universo
6. Historia de ionización del universo

¿Entonces en dónde quedan las observaciones del CMB? El CMB se mide en su mayoría en la forma de mapas de temperatura, una representación de la energía de los fotones del CMB a lo largo y ancho del cielo (ahora, y por extrapolacion hacia el universo temprano). Esta información se representa mejor en forma de diferencias de temperatura como función  de escalas angulares en el cielo o “eles” (nombre de la letra L) como son llamadas. El término “ele” o “L” proviene del hecho de que en una esfera 3-D como el universo observable, la mejor manera de comparar dos puntos diferentes es expandir la temperatura usando harmónicos esféricos (los cuales tienen eles (L) en ellos) justo cuando expanemos los puntos en una superficie 2-D en términos de seno y coseno. Si las eles son difíciles de imaginar, las escalas angulares son más intuitivas (chécate el eje superior de la Figura 2)!

Figura 2. Anisotropías como función de la escala angular (o eles) en el cielo, observadas por diferentes telescopios tales como por ejemplo WMAP o Boomerang. La línea sólida es un modelo teórico que ajusta las observaciones.

Una mejor resolución del telescopio nos permite distinguir entre temperaturas en regiones cercanas, i.e. a menores escalas o mayores eles, en lenguaje de CMB. Una mejor sensibilidad nos permite capturar diferencias mínimas en esta temperatura. Los autores en el artículo de hoy asumen una sensibilidad y resolución mejor que COBE, y hablan sobre las proyecciones de un experimento futuro (¡el cual terminó siendo WMAP!)

Anisotropías del CMB: predicciones

Los autores proceden con sus predicciones describiendo la teoría aceptada (en la época) sobre la creación del CMB, y el qué podría haber ocasionado que tanto el ancho como los picos de las anisotroías se observen de la forma que tienen (como se observa en la Figura 2). Veamos si podemos capturar algunas pocas de esas ideas que se presentaron aquí.

Figura 3. Diferentes predicciones de los parámetros cosmológicos como función de las eles (o escala angular) del artículo de hoy. Cada línea sólida en cada panel es una predicción del mapa del CMB para un valor específico de ese parámetro, manteniendo los otros tres parámetros constantes.

1. Si la constante cosmológica es muy alta en el universo, entonces incrementa la distancia entre nosotros y la “Superficie de la última dispersión”, y subsecuentemente en el mapa de anisotropía.
2. Más aún, si existe más estructura entre nosotros y el CMB debido a la evolución del universo (p.e. cúmulos de galaxias), eso haría que los fotones se dispersaran más por esta estructura, y por lo tanto incrementarían los picos (o intensidades) de estas anisotropías.
3. Si hubiera habido más perturbaciones cuando el CMB era un plasma (el tiempo cuando el universo era diminuto y la mayoría de los puntos en el cielo  se encontraban muy próximos el uno con el otro), las anisotropías vistas en grande escala AHORA (las cuales estuvieron muy juntas en ese entonces) serían más grandes. Entonces, esto significaría picos más grandes a eles (L) más bajas, o mayores escalas angulares.
4. El pico más alto en la Figura 2, se observa a una escala angular (o L) del horizonte de la Superficie de la última dispersión. Le llamamos horizonte porque está literalmente al límite del universo que podría comunicarse de vuelta en la época del CMB. Este era una escala física fija, pero lo que nos parece el día de hoy es que depende completamente de si nuestro universo es plano, cerrado o abierto. Por ejemplo, en un universo abierto (como una esfera), la escala angular delimitada se observaría más ancha que en un universo plano. Por lo tanto, el espectro se movería hacia eles más bajas (o escalas más altas).

¿Qué ha pasado desde entonces?

Figura 4. Los tres cuadros son trozos del cielo de 10 grados cuadrados. La diferencia en los colores presentan diferente resolución y sensibilidad a tres generaciones de telescopios de CMB. COBE inició el campo de las anisotropías del CMB, mientras que claramente Plank establece las normas actuales.

Predicciones como estas son el corazón de este artículo, el cual ha conducido a varios estudios futuros sobre anisotropías. WMAP, el sucesor natural de cielo completo para COBE, estableció limitantes asombrosas sobre las anisotroías de temperatura del CMB (Figura 1) en el 2001. El satélite Planck es la norma actual para estudios de CMB a valores bajos de ele (menor escala angular, p.e. cúmulos de galaxias). El futuro es aún más brillante para el CMB (literal y metafóricamente), conforme miramos hacia sensibilidades más altas, y una resolución que ayuda con escalas angulares del cielo cada vez menores.

Como correctamente dice John Carlstrom -astrofísico en la Universidad de Chicago y pionero en los estudios del CMB- “¡El CMB es un regalo que nos continua dando información!”

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Para estudios detallados sobre la evolución del CMB y cosmología observacional, el autor del astrobites original, Gourav Khullar, recomienda los siguientes tutoriales por Wayne Hu y Max Tegmark.