Noves investigacions de la col·laboració de l’Atacama Cosmology Telescope (ACT) han produït les imatges més clares fins ara de la infància de l’univers, l’etapa còsmica més primerenca accessible per a la humanitat. En mesurar llum que ha viatjat durant més de 13.000 milions d’anys fins a arribar a un telescopi situat a dalt dels Andes xilens, les noves imatges revelen l’univers quan tenia uns 380.000 anys d’edat, l’equivalent a fotografies d’un nadó de poques hores d’un cosmos que avui és de mitjana edat.

“Estem veient els primers passos cap a la formació de les primeres estrelles i galàxies”, afirma Suzanne Staggs, directora d’ACT i professora Henry deWolf Smyth de Física a la Universitat de Princeton. “I no només veiem llum i foscor, sinó també la polarització de la llum amb alta resolució. Aquest és un factor distintiu clau que diferencia ACT de Planck i d’altres telescopis anteriors”.

Les noves imatges d’aquesta radiació de fons, coneguda com a radiació de fons còsmic de microones (CMB), afegeixen una definició molt més gran a les observades fa més d’una dècada pel telescopi espacial Planck. “ACT té cinc vegades més resolució que Planck i una sensibilitat més gran”, explica Sigurd Naess, investigador de la Universitat d’Oslo i autor principal d’un dels diversos articles relacionats amb el projecte. “Això significa que el feble senyal de polarització ara és directament visible”.

La imatge de polarització revela amb gran detall el moviment del gas d’hidrogen i heli en la infància còsmica. “Abans vèiem on eren les coses, i ara també veiem com es mouen”, assenyala Staggs. “De la mateixa manera que les marees permeten inferir la presència de la Lluna, el moviment rastrejat a través de la polarització de la llum ens indica com d’intensa era l’atracció gravitatòria en diferents regions de l’espai”.

Els nous resultats confirmen un model simple de l’univers i descarten la majoria d’alternatives competidores, segons l’equip investigador. El treball encara no ha passat per revisió per parells, però els investigadors van presentar els seus resultats a la conferència anual de l’American Physical Society el passat 19 de març.

Participació del Grup de Cosmologia Observacional de l’IFAE en ACT

Gràcies a la seva participació institucional en grans col·laboracions que estudien la distribució de galàxies, com el Dark Energy Survey (DES) i el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) contribueix de manera directa a l’explotació científica dels nous mapes del telescopi Atacama Cosmology Telescope (ACT).

En aquest marc, Martine Lokken, investigadora postdoctoral de l’IFAE i membre de la col·laboració ACT, ha liderat estudis que correlacionen els mapes de fons còsmic de microones obtinguts per ACT amb els catàlegs de galàxies de DES i DESI. El seu treball se centra a mesurar la correlació entre aquestes observacions i l’estructura a gran escala de l’univers, coneguda com la xarxa còsmica, aportant nova informació sobre la distribució de la matèria i l’evolució de l’univers.

“Aquest tipus de recerca és possible perquè la radiació primordial, després de viatjar durant milers de milions d’anys, travessa les estructures de l’univers tardà abans d’arribar al telescopi ACT”, explica Lokken.

La matèria fosca i el gas calent presents en aquestes estructures —com cúmuls, supercúmuls i filaments— distorsionen el fons còsmic de microones a petites escales. Com a resultat, els mapes d’ACT contenen informació tant de l’univers infantil com del passat còsmic més recent. “Els nous mapes de microones ofereixen una oportunitat apassionant per maximitzar la informació que podem extreure dels estudis de galàxies”, afirma Lokken. Aquests mapes revelen la distribució espacial de la matèria fosca i del gas, així com propietats clau d’aquest últim, com la seva temperatura i densitat. Examinar aquestes correlacions amb una claredat sense precedents permetrà posar a prova teories cosmológicas i astrofísiques de noves maneres.

Mesurant la infància de l’univers

Durant els primers centenars de milers d’anys després del Big Bang, el plasma primordial que omplia l’univers era tan calent que la llum no podia propagar-se lliurement, fent que l’univers fos efectivament opac. El CMB representa la primera etapa de la història de l’univers que podem observar: en la pràctica, la fotografia de nadó del cosmos.

Les noves imatges ofereixen una visió extraordinàriament clara de variacions extremadament subtils en la densitat i la velocitat dels gasos que omplien l’univers jove. “Existeixen altres telescopis contemporanis que mesuren la polarització amb baix soroll, però cap cobreix una fracció del cel tan àmplia com ACT”, assenyala Naess. El que apareix com núvols difusos en la intensitat de la llum són regions més o menys denses en un mar d’hidrogen i heli, turons i valls que s’estenen al llarg de milions d’anys llum. Durant els milions i milers de milions d’anys següents, la gravetat va atreure cap a l’interior les regions més denses, donant lloc a la formació d’estrelles i galàxies.

Aquestes imatges detallades de l’univers recentment nascut estan ajudant els científics a respondre preguntes de llarga data sobre l’origen del cosmos. “En mirar enrere cap a una època en què tot era molt més simple, podem reconstruir la història de com el nostre univers va evolucionar fins a convertir-se en el lloc ric i complex en què vivim avui”, afirma Jo Dunkley, professora Joseph Henry de Física i Ciències Astrofísiques a la Universitat de Princeton i responsable de l’anàlisi d’ACT.

“Hem mesurat amb més precisió que l’univers observable s’estén gairebé 50.000 milions d’anys llum en totes direccions i conté tanta massa com 1.900 ‘zetta-sols’, o gairebé dos bilions de bilions de sols”, explica Erminia Calabrese, professora d’astrofísica a la Universitat de Cardiff i autora principal d’un dels nous articles. D’aquests 1.900 zetta-sols, la massa de la matèria normal —la que podem veure i mesurar— representa només 100. Uns altres 500 zetta-sols corresponen a la misteriosa matèria fosca, i l’equivalent a 1.300 zetta-sols a l’energia del buit dominant (coneguda com a energia fosca).

Les diminutes partícules anomenades neutrins aporten com a màxim quatre zetta-sols de massa. De la matèria normal, tres quartes parts són hidrogen i una quarta part heli. “Gairebé tot l’heli de l’univers es va produir en els primers tres minuts del temps còsmic”, assenyala Thibaut Louis, investigador del CNRS a IJCLab, Universitat París-Saclay i un dels autors principals. “Les nostres noves mesures de la seva abundància concorden molt bé amb els models teòrics i amb les observacions en galàxies”. Els elements dels quals estem fets els éssers humans —principalment carboni, juntament amb oxigen, nitrogen, ferro i fins i tot traces d’or— es van formar més tard a les estrelles i constitueixen només una petita addició a aquest brou còsmic.

Les noves mesures d’ACT també han refinat les estimacions de l’edat de l’univers i de la velocitat a la qual s’expandeix actualment. La caiguda de la matèria a l’univers primitiu va generar ones sonores que es van propagar per l’espai, com les ones que s’estenen en cercles sobre la superfície d’un estany. “Un univers més jove hauria d’haver-se expandit més ràpidament per assolir la seva mida actual, i les imatges que mesurem semblarien provenir de regions més properes”, explica Mark Devlin, professor Reese W. Flower d’Astronomia a la Universitat de Pennsilvània i subdirector d’ACT. “L’extensió aparent de les ones a les imatges seria més gran en aquest cas, de la mateixa manera que una regla sostinguda a prop del rostre sembla més gran que una sostinguda amb el braç estès”. Les noves dades confirmen que l’edat de l’univers és de 13.800 milions d’anys, amb una incertesa de només el 0,1 %.

La tensió de Hubble

En els darrers anys, els cosmòlegs han discrepat sobre el valor de la constant de Hubble, la taxa a la qual l’espai s’expandeix actualment. Les mesures derivades del CMB han mostrat de manera consistent una taxa d’expansió d’entre 67 i 68 quilòmetres per segon per megaparsec, mentre que les mesures basades en el moviment de galàxies properes indiquen valors tan alts com 73–74 km/s/Mpc. Utilitzant les noves dades publicades, l’equip d’ACT ha mesurat la constant de Hubble amb una precisió més gran. El seu resultat coincideix amb les estimacions prèvies basades en el CMB. “Hem realitzat una mesura completament nova del cel, que ens proporciona una comprovació independent del model cosmológico, i els nostres resultats mostren que aquest es manté”, afirma Adriaan Duivenvoorden, investigador de l’Institut Max Planck d’Astrofísica i autor principal d’un dels nous articles.

Un dels principals objectius del treball era investigar models alternatius de l’univers que poguessin explicar aquesta discrepància. “Volíem comprovar si era possible trobar un model cosmológico que s’ajustés a les nostres dades i que, alhora, prediqués una expansió més ràpida”, explica Colin Hill, professor ajudant de la Universitat de Colúmbia i un dels autors principals. Entre les alternatives s’inclouen canvis en el comportament dels neutrins i de la matèria fosca invisible, la incorporació d’un període d’expansió accelerada a l’univers primitiu o modificacions en constants fonamentals de la natura.

“Hem utilitzat el CMB com un detector de noves partícules o camps a l’univers primerenc, explorant un territori fins ara inexplorat”, assenyala Hill. “Les dades d’ACT no mostren evidències d’aquest tipus de noves senyals. Amb els nostres nous resultats, el model estàndard de la cosmologia ha superat una prova de precisió extraordinària”.

“Ens va sorprendre lleugerament no trobar ni tan sols evidències parcials que donessin suport al valor més alt”, afegeix Staggs. “Hi havia algunes àrees en què pensàvem que podríem veure indicis d’explicacions per a la tensió, i simplement no eren presents a les dades”.