Una imagen de la radiación de fondo de microondas en el Planetario de Shanghai, China.
En los primeros cientos de miles de años después del nacimiento del Universo, un sonido primordial atravesó un plasma de partículas sobrecalentadas. Los científicos están escuchando atentamente, con la esperanza de obtener nuevos conocimientos sobre la misteriosa fuerza conocida como energía oscura.
Antes de las estrellas o los planetas, antes de los agujeros negros y las enanas blancas, incluso antes de los átomos o los rayos de luz, el Universo reverberó con algo sorprendente: el sonido.
Este zumbido primordial se movía a más de la mitad de la velocidad de la luz a través de un plasma sobrecalentado de bariones, fotones y materia oscura. (Los bariones son una familia de partículas subatómicas a la que pertenecen los protones y los neutrones).
El sonido surgió de un tira y afloja entre antiguas y poderosas fuerzas fundamentales que generaron ondas sonoras en esta sopa de partículas cargadas eléctricamente.
Y apenas unos cientos de miles de años después, el plasma desapareció como una niebla matutina. De repente, el Universo cayó en un profundo silencio.
Sin embargo, Todavía es posible captar ecos de estas primeras ondas sonoras que se extendieron por nuestro Universo temprano, si sabes dónde buscar. Las ondas que crearon en el plasma han dejado una huella permanente en la distribución de la materia alrededor del Universo.
Esas ondas también están proporcionando a los astrónomos pistas sobre uno de los misterios más profundos de nuestro Universo: la misteriosa fuerza conocida como energía oscura.
Ondas sonoras primordiales, también conocidas como Oscilaciones acústicas bariónicas (BAO)Se formaron cuando las partículas del Universo primitivo comenzaron a juntarse por la gravedad.
“La atracción gravitacional de la materia oscura en el Universo temprano creó ‘pozos potenciales’ que atrajeron el plasma hacia adentro”, explicó Larissa Santos, profesora del Centro de Gravitación y Cosmología de la Universidad de Yangzhou en China.
El plasma, sin embargo, estaba tan caliente que también creó una fuerza externa opuesta. “Los fotones crearon una presión de radiación que luchó contra la gravedad y empujó todo hacia afuera. Esta lucha creó oscilaciones acústicas, ondas sonoras.“.
Los acontecimientos que rodearon el Big Bang fueron tan catastróficos que dejaron una marca indeleble en la estructura del cosmos. La luz más antigua del Universo existe actualmente en forma de débil radiación de microondas, por lo que se la denomina “radiación de fondo de microondas” o CMB, explica la NASA.
Un rugido inaudible
Los BAO brotaron de innumerables pozos potenciales, formando esferas concéntricas y en expansión de energía sonora. Se entrecruzaron entre sí, esculpiendo el plasma en patrones de interferencia tridimensionales de deslumbrante complejidad.
Si un ser humano hubiera existido en el momento de las “oscilaciones acústicas bariónicas” (BAO), no habría oído nada. Los sonidos eran unas 47 octavas más bajos que la nota inferior de un piano con enormes longitudes de onda de unos 450.000 años luz.
Este estruendo increíblemente profundo e inaudible viajó a través de un medio que ni siquiera nuestros telescopios más potentes pueden penetrar.
Cuanto más nos adentramos en el Universo, más nos remontamos a su historia debido al tiempo que tarda la luz en llegar hasta nosotros. Sin embargo, solo podemos ver hasta cierto punto, ya que las cargas eléctricas de los protones y electrones libres en estas primeras etapas del Universo dispersaban y difundían continuamente la luz.
Los BAO crearon patrones en este medio que se extendieron hacia el exterior, y hoy podemos ver evidencia de esto en el Universo.
El Telescopio Espacial Planck pudo capturar ecos de BAO del Universo temprano y los científicos lograron traducirlos en frecuencias audibles.
El zumbido se compone de un tono bajo con matices más altos. El silbido que se puede escuchar proviene de un artefacto utilizado en el procesamiento necesario para crear el archivo de sonido.
Luego, aproximadamente a la edad de 379.000 años, el Universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y los electrones se emparejaran y formaran los primeros átomos de hidrógeno.
El plasma desapareció, dejando el Universo repentina y dramáticamente transparente a la luz. En el mismo momento terminó la batalla entre la radiación y la gravitación, los BAO cesaron y el Universo quedó en silencio.
El estallido de energía luminosa que ahora recorre el Universo fue tan poderoso que todavía hace vibrar los radiotelescopios y fascina a los físicos más de 13 mil millones de años después. Los científicos están intentando capturar esa señal conocida como radiación cósmica de fondo de microondas o CMB..
El registro visual más antiguo del Universo.
Las ondas en el plasma primordial hicieron que la materia se agrupara de maneras que aún pueden verse en la forma en que se agrupan las galaxias y las estrellas.
El CMB es el registro visual más antiguo y detallado del Universo temprano. También aquí los científicos pueden ver un “registro fósil” de los primeros sonidos del Universo.
“Los vemos impresos en la radiación de fondo de microondas y también en la estructura a gran escala del Universo”, dijo Santos, quien forma parte de un nuevo proyecto internacional de radiotelescopía que analiza los ecos modernos de esa canción silenciada durante mucho tiempo.
“Sus indicios se encuentran en un pequeño exceso en el número de pares de galaxias separadas por una escala fija de 150 megaparsecs, unos 500 millones de años luz”.
Las señales de BAO no sólo insinúan cómo sonaba el Universo primitivo, sino que También sirven como regla para medir los efectos de otro fenómeno invisible: la energía oscura.
La energía oscura hace que el Universo se expanda. Sus efectos están en todas partes, pero se desconoce su naturaleza. El estudio de la escala de las señales de BAO a diferentes distancias de la Tierra revela cómo los efectos de la energía oscura han cambiado a lo largo de la historia del Universo.
“Lo llamamos la regla estándar”, dice Santos. “Tenemos esta escala fija. Podemos saber, por cómo parece variar, cómo evolucionó el Universo con el tiempo”.
El científico es parte del Proyecto de radiotelescopio “BINGO”, actualmente en construcción en el estado de Paraíba, en el noreste de Brasil. Bingo (acrónimo de “BAOs of Neutral Gas Integrated Observations”), buscará señales de radiación distintivas del hidrógeno, el átomo más simple, antiguo y abundante del Universo.
Los átomos de hidrógeno liberan radiación con una longitud de onda de 21 centímetros, invisible para el ojo humano, pero detectable por radiotelescopios.
Esta radiación de distantes nubes de hidrógeno es estirada por la energía oscura, aumentando su longitud de onda observada aquí en la Tierra.
Cuanto más lejos ha viajado la radiación, más extendida está.
“Uno elige una frecuencia para su radiotelescopio en función del tiempo del Universo que desea medir”, dijo Santos.
BINGO está diseñado para mapear la distribución del hidrógeno entre mil y cuatro mil millones de años luz de distancia, relativamente reciente en la escala cósmica del espacio y el tiempo.
Los dos imponentes espejos parabólicos de BINGO reflejan esta radiación primordial en una serie de 50 detectores de ondas. cuernos ensanchados conocidos como “cuernos”.
La principal parte móvil del telescopio es el planeta sobre el que descansa. La Tierra en rotación mueve el telescopio debajo de las estrellas, escaneando una franja de cielo de 15 grados por 200 grados.
historia cósmica
Ilustración del proyecto del radiotelescopio “BINGO”, actualmente en construcción en el estado de Paraíba, en el noreste de Brasil.
Utilizando sutiles cálculos estadísticos, Santos analizará sus datos para localizar millones de galaxias, examinar sus distancias relativas entre sí y estudiar cómo la energía oscura afectó los patrones BAO durante esa era.
“Bingo mirará hacia el Universo tardío cuando la energía oscura ya domine la expansión. Es muy complementario a otros experimentos”, afirma.
Muchos de esos otros experimentos ya están planificados o en marcha.
“El mapeo de la intensidad del hidrógeno puede, en principio, medir cualquier cosa en el Universo desde el presente hasta el CMB.. “Es un volumen enorme por explorar”, afirmó Cynthia Chiang, profesora de física que estudia la densidad del hidrógeno en la Universidad McGill de Montreal, Canadá.
“Bingo y otros experimentos similares buscan el gas que vive dentro de las galaxias. Es un indicador de dónde está la materia”.
Si bien los instrumentos sintonizados en regiones relativamente cercanas interesan a Chiang, también anhela respuestas sobre el resto de la historia cósmica.
“Tengo un enfoque muy codicioso”, dice riendo. “Estoy organizando un experimento que está sintonizado en frecuencias que corresponden a la ‘Edad Oscura’. Ese es el período inmediatamente posterior a la formación del fondo de microondas. Nunca hemos accedido a ninguna cosmología de este período porque es muy, muy difícil “.
Entre 250 y 350 millones de años transcurrieron entre la “última superficie de dispersión”, cuando el plasma bariónico dio paso al CMB, y el “amanecer cósmico”, cuando brilló la primera luz estelar.
Los BAO dejaron nubes de hidrógeno agrupadas en débiles rayas, como una marea que deja ondas en la arena.
Antes de que Chiang pueda acceder a la radiación de 21 centímetros de esta era, primero debe diseñar experimentos para filtrar señales más recientes de nuestra propia galaxia que podrían enmascarar datos más antiguos.
“Este primer experimento aún no llegará a la cosmología”, afirma. “El objetivo es mapear las emisiones de la Vía Láctea en estas frecuencias con una resolución muy alta para que sepamos cómo se ve el cielo en un primer paso. Luego, con suerte, podremos restar eso y llegar a la cosmología”.
“Como sugiere el nombre, en la Edad Media el Universo era un lugar muy oscuro y aburrido.. La señal que se obtiene entonces es una emisión casi uniforme de 21 centímetros de esta pared de hidrógeno. Pero hay débiles fluctuaciones en el brillo que corresponden a sobredensidades y subdensidades. Tienes pequeños puntos fríos y calientes”.
Chiang dice que el CMB es como una fotografía que captura (con sorprendente detalle) un momento crucial en la evolución cosmológica.
Sin embargo, mapear la densidad del hidrógeno en la Edad Media capturaría los cientos de millones de años que siguieron inmediatamente después.
“Es un volumen tridimensional que se puede sondear”, dice Chiang. “Si puedes medir el…
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