Planck 2018: lo mejor de ambos mundos

• Título: Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters.
• Autores: Planck Collaboration

En 2009, el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea comenzó su vuelo con una misión ambiciosa: escudriñar todo el cielo durante 4 años para crear un mapa preciso del Universo cuando tenía 300.000 años. Hoy, hablamos del trabajo culminante en el que el equipo de Planck presenta sus resultados finales, y exploramos qué consecuencias éstos tienen para nuestro entendimiento del Universo.

¿Cómo es posible tener acceso a mediciones del Universo tanto tiempo atrás? ¿Y por qué hacerlas? Este campo de estudio tiene una larga historia. El descubrimiento, en los años 1920, de que el Universo parecía estar expandiéndose, dio lugar a la idea de un Universo más temprano mucho más denso y mucho más caliente. En esos principios no había estrellas, ni planetas, ni galaxias. Todo era un plasma caliente de hidrógeno y helio, los gases que se encuentran aún hoy en día en mayor abundancia en el Universo.

En aquellas épocas, un pequeño cambio de presión aquí o allí podía propagarse a través del gas con facilidad, dando lugar a “ondas acústicas”, como aquellas que se propagan en el aire cuando escuchamos un sonido. Pero estas ondas tenían sus días contados. Cuando el Universo se expandió lo suficiente para que el gas se enfriara por debajo de cierta temperatura (y en particular, los átomos dejaran de estar ionizados), las ondas no pudieron continuar propagándose. En ese momento, cuando el Universo tenía aproximadamente 300.000 años, los fotones que habían estado ocupados interactuando con el gas ionizado se vieron libres – libres de viajar por el espacio hacia nuestros telescopios-. (Nuestra imagen de portada muestra uno de los mapas que Planck realizó de aquella época.) Esos fotones guardan, aún hoy, patrones característicos que aquellas ondas acústicas imprimieron en el gas y en ellos quedó codificada una gran cantidad de información sobre la composición y la evolución de nuestro Universo.

Figura 1. El espectro de potencias de las perturbaciones en la temperatura del gas cuando el Universo tenía 300.000 años, observado por Planck. Los puntos rojos son las observaciones y en azul se muestra el modelo que mejor ajusta los datos. El panel inferior muestra las desviaciones de las observaciones con respecto al modelo. El eje de la abscisa puede entenderse como la escala en el cielo, con separaciones mayores más a la izquierda en el diagrama. De la figura 1 del artículo.

Los fotones que nos llegan hoy como residuo de aquella época temprana son conocidos como fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés). Los mapas realizados por Planck de esa radiación nos dan información sobre la temperatura de una dada región del cielo en aquel momento. Más aún, la polarización de esta radiación también puede ser medida, ayudándonos a poner mejores cotas sobre nuestros modelos. La Figura 1 muestra los patrones en la temperatura del gas medidos por Planck. El eje de la abscisa corresponde a la inversa de la separación en el cielo de dos puntos en el mapa. Cuando mayor el valor de “l”, estamos viendo puntos más juntos en el cielo. El eje de la ordenada nos muestra cuánto varía la temperatura entre un par de puntos. Los patrones oscilatorios son nada más y nada menos que las ondas acústicas que han quedado impresas en el CMB. Las mediciones son los puntos rojos, mientras que la curva azul muestra el modelo del Universo que mejor ajusta a las observaciones.

Figura 2. La tasa de expansión del Universo (el parámetro de Hubble), rescontruido a partir del modelo favorecido por los datos de Planck (línea negra). Las bandas grises muestran la región de 95% de confianza. Los puntos de otros colores son mediciones a partir de otros datos extragalácticos que nada tienen que ver con el CMB. El punto en azul de Riess et al. (2018) está en desacuerdo con Planck a un nivel significativo. Figura 16 del artículo.

Figuras similares a la Figura 1 se pueden realizar para los datos recabados por Planck de la polarización de esta radiación. Éstas pueden verse en las Figura 10 del artículo. La mayor ventaja de incluir estas nuevas mediciones en el análisis es poder tener una mejor medición de un parámetro denominado “profundidad óptica”. Éste nos dice cuánto fueron dispersados los fotones desde la emisión del CMB hasta hoy a medida que atravesaron el medio intergaláctico ionizado. Con una mejor medición de este parámetro, ¡todas las estimaciones de los otros parámetros se vuelven mejores! Esto se debe a que los parámetros están “correlacionados”, es decir, el efecto que produce variar uno de ellos es similar al que se produce si se varía otro.

Los nuevos resultados de Planck nos dicen que nuestro modelo actual del Universo es exitoso en muchos aspectos. (Si quieres saber más sobre cómo se extrae la información a partir del CMB puntualmente, puedes leer este otro astrobito.) Claramente, puede describir las perturbaciones de temperatura de la Figura 1 con un detalle exquisito, pero además se encuentra de acuerdo con muchas otras mediciones cosmológicas que no tienen que ver con el fondo cósmico, sino con la estructura a gran-escala del Universo (es decir, cómo se distribuyen las galaxias en el espacio y a través del tiempo).

Pero quedan algunos acertijos. Las mediciones de Planck arrojan una tasa de expansión del Universo que se encuentra en desacuerdo con las mediciones locales. Puedes ver este resultado en la Figura 2. El punto azul (Riess et al., 2018) se encuentra en desacuerdo con los resultados de Planck (bandas grises) a un nivel significativo. ¿Por qué difieren estas mediciones? ¿Por qué estas tasas de expansión son inconsistentes? No lo sabemos aún. Podría tratarse de un fenómeno físico o de efectos sistemáticos que juegan un rol desconocido en nuestros datos.

Figura 3. Cotas sobre el parámetro A_L usando distintas combinaciones de los datos de Planck. Concéntrate en la línea negra, que nos dice cuánto han sido suavizados los patrones acústico de la Figura 1 sin recurrir a la reconstrucción directa del mapa de las lentes. De la Figura 23 del artículo.

Hay otro misterio. A lo largo de su viaje hacia nuestros telescopios, los fotones del CMB atraviesan todo el campo de materia del Universo, incluyendo vacíos y galaxias. En su viaje, su trayectoria es desviada por la gravedad, un fenómeno conocido como “lente gravitacional”. Esto hace que los patrones acústicos de la Figura 1 se suavicen, se vuelvan un poco más anchos y  menos prominentes. Además, es posible, a partir del mapa del CMB, reconstruir directamente un mapa de las distorsiones causadas por las lentes. Ahora bien, en un escenario ideal, esos dos métodos de determinar cuánta distorsión por las lentes hay deberían ser completamente consistentes. Sin embargo, como arroja la Figura 3, éste no es el caso. El parámetro A_L debería ser 1 en caso de consistencia, pero es más bien ~1.2. ¿Por qué? Aún no tenemos una explicación.

Así pues, Planck nos ha dejado un gran legado. Ha afianzado nuestro modelo del Universo en muchos aspectos y nos ha dado mediciones exquisitas de los parámetros que lo describen. Pero aún quedan algunas preguntas por responder. Como lo calificó la Agencia Espacial Europea, Planck nos ha dado lo mejor de ambos mundos.