Nuevas investigaciones de la colaboración del Atacama Cosmology Telescope (ACT) han producido las imágenes más claras hasta la fecha de la infancia del universo, la etapa cósmica más temprana accesible para la humanidad. Al medir luz que ha viajado durante más de 13.000 millones de años hasta llegar a un telescopio situado en lo alto de los Andes chilenos, las nuevas imágenes revelan el universo cuando tenía unos 380.000 años de edad, el equivalente a fotografías de un bebé de pocas horas de un cosmos que hoy es de mediana edad.

“Estamos viendo los primeros pasos hacia la formación de las primeras estrellas y galaxias”, afirma Suzanne Staggs, directora de ACT y profesora Henry deWolf Smyth de Física en la Universidad de Princeton. “Y no solo vemos luz y oscuridad, sino también la polarización de la luz con alta resolución. Ese es un factor distintivo clave que diferencia a ACT de Planck y de otros telescopios anteriores”.

Las nuevas imágenes de esta radiación de fondo, conocida como radiación de fondo cósmico de microondas (CMB), añaden una definición mucho mayor a las observadas hace más de una década por el telescopio espacial Planck. “ACT tiene cinco veces más resolución que Planck y una mayor sensibilidad”, explica Sigurd Naess, investigador de la Universidad de Oslo y autor principal de uno de los varios artículos relacionados con el proyecto. “Esto significa que la débil señal de polarización es ahora directamente visible”.

La imagen de polarización revela con gran detalle el movimiento del gas de hidrógeno y helio en la infancia cósmica. “Antes veíamos dónde estaban las cosas, y ahora también vemos cómo se mueven”, señala Staggs. “Al igual que las mareas permiten inferir la presencia de la Luna, el movimiento rastreado a través de la polarización de la luz nos indica cuán intensa era la atracción gravitatoria en distintas regiones del espacio”.

Los nuevos resultados confirman un modelo simple del universo y descartan la mayoría de alternativas competidoras, según el equipo investigador. El trabajo aún no ha pasado por revisión por pares, pero los investigadores presentaron sus resultados en la conferencia anual de la American Physical Society el pasado 19 de marzo.

Participación del Grupo de Cosmologya Observacional del IFAE en ACT

Gracias a su participación institucional en grandes colaboraciones que estudian la distribución de galaxias, como Dark Energy Survey (DES) y Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) contribuye de forma directa a la explotación científica de los nuevos mapas del telescopio Atacama Cosmology Telescope (ACT).

En este marco, Martine Lokken, investigadora posdoctoral del IFAE y miembro de la colaboración ACT, ha liderado estudios que correlacionan los mapas de fondo cósmico de microondas obtenidos por ACT con los catálogos de galaxias de DES y DESI. Su trabajo se centra en medir la correlación entre estas observaciones y la estructura a gran escala del universo, conocida como la red cósmica, aportando nueva información sobre la distribución de la materia y la evolución del universo.

“Este tipo de investigación es posible porque la radiación primordial, tras viajar durante miles de millones de años, atraviesa las estructuras del universo tardío antes de llegar al telescopio ACT”, explica Lokken.

La materia oscura y el gas caliente presentes en estas estructuras —como cúmulos, supercúmulos y filamentos— distorsionan el fondo cósmico de microondas a pequeñas escalas. Como resultado, los mapas de ACT contienen información tanto del universo infantil como del pasado cósmico más reciente. “Los nuevos mapas de microondas ofrecen una oportunidad apasionante para maximizar la información que podemos extraer de los estudios de galaxias”, afirma Lokken. Estos mapas revelan la distribución espacial de la materia oscura y del gas, así como propiedades clave de este último, como su temperatura y densidad. Examinar estas correlaciones con una claridad sin precedentes permitirá poner a prueba teorías cosmológicas y astrofísicas de nuevas maneras.

Midiendo la infancia del universo

Durante los primeros cientos de miles de años tras el Big Bang, el plasma primordial que llenaba el universo era tan caliente que la luz no podía propagarse libremente, haciendo que el universo fuera efectivamente opaco. El CMB representa la primera etapa de la historia del universo que podemos observar: en la práctica, la fotografía de bebé del cosmos.

Las nuevas imágenes ofrecen una visión extraordinariamente clara de variaciones extremadamente sutiles en la densidad y la velocidad de los gases que llenaban el universo joven. “Existen otros telescopios contemporáneos que miden la polarización con bajo ruido, pero ninguno cubre una fracción del cielo tan amplia como ACT”, señala Naess. Lo que aparecen como nubes difusas en la intensidad de la luz son regiones más o menos densas en un mar de hidrógeno y helio, colinas y valles que se extienden a lo largo de millones de años luz. Durante los millones y miles de millones de años siguientes, la gravedad atrajo hacia el interior las regiones más densas, dando lugar a la formación de estrellas y galaxias.

Estas imágenes detalladas del universo recién nacido están ayudando a los científicos a responder preguntas de larga data sobre el origen del cosmos. “Al mirar hacia atrás a una época en la que todo era mucho más simple, podemos reconstruir la historia de cómo nuestro universo evolucionó hasta convertirse en el lugar rico y complejo en el que vivimos hoy”, afirma Jo Dunkley, profesora Joseph Henry de Física y Ciencias Astrofísicas en la Universidad de Princeton y responsable del análisis de ACT.

“Hemos medido con mayor precisión que el universo observable se extiende casi 50.000 millones de años luz en todas las direcciones y contiene tanta masa como 1.900 “zetta-soles”, o casi dos billones de billones de soles”, explica Erminia Calabrese, profesora de astrofísica en la Universidad de Cardiff y autora principal de uno de los nuevos artículos. De esos 1.900 zetta-soles, la masa de la materia normal —la que podemos ver y medir— representa solo 100. Otros 500 zetta-soles corresponden a la misteriosa materia oscura, y el equivalente a 1.300 zetta-soles a la energía del vacío dominante (conocida como energía oscura).

Las diminutas partículas llamadas neutrinos aportan como máximo cuatro zetta-soles de masa. De la materia normal, tres cuartas partes son hidrógeno y una cuarta parte helio. “Casi todo el helio del universo se produjo en los primeros tres minutos del tiempo cósmico”, señala Thibaut Louis, investigador del CNRS en IJCLab, Universidad París-Saclay y uno de los autores principales. “Nuestras nuevas mediciones de su abundancia concuerdan muy bien con los modelos teóricos y con las observaciones en galaxias”. Los elementos de los que estamos hechos los seres humanos —principalmente carbono, junto con oxígeno, nitrógeno, hierro e incluso trazas de oro— se formaron más tarde en las estrellas y constituyen solo una pequeña adición a este caldo cósmico.

Las nuevas mediciones de ACT también han refinado las estimaciones de la edad del universo y de la velocidad a la que se expande en la actualidad. La caída de la materia en el universo primitivo generó ondas sonoras que se propagaron por el espacio, como las ondas que se expanden en círculos sobre la superficie de un estanque. “Un universo más joven tendría que haberse expandido más rápidamente para alcanzar su tamaño actual, y las imágenes que medimos parecerían provenir de regiones más cercanas”, explica Mark Devlin, profesor Reese W. Flower de Astronomía en la Universidad de Pensilvania y subdirector de ACT. “La extensión aparente de las ondas en las imágenes sería mayor en ese caso, del mismo modo que una regla sostenida cerca del rostro parece más grande que una sostenida con el brazo extendido”. Los nuevos datos confirman que la edad del universo es de 13.800 millones de años, con una incertidumbre de tan solo el 0,1 %.

La tensión de Hubble

En los últimos años, los cosmólogos han discrepado sobre el valor de la constante de Hubble, la tasa a la que el espacio se expande en la actualidad. Las mediciones derivadas del CMB han mostrado de forma consistente una tasa de expansión de entre 67 y 68 kilómetros por segundo por megapársec, mientras que las mediciones basadas en el movimiento de galaxias cercanas indican valores tan altos como 73–74 km/s/Mpc. Utilizando los nuevos datos publicados, el equipo de ACT ha medido la constante de Hubble con una mayor precisión. Su resultado coincide con las estimaciones previas basadas en el CMB. “Hemos realizado una medición completamente nueva del cielo, que nos proporciona una comprobación independiente del modelo cosmológico, y nuestros resultados muestran que este se mantiene”, afirma Adriaan Duivenvoorden, investigador del Instituto Max Planck de Astrofísica y autor principal de uno de los nuevos artículos.

Uno de los principales objetivos del trabajo era investigar modelos alternativos del universo que pudieran explicar esta discrepancia. “Queríamos comprobar si era posible encontrar un modelo cosmológico que se ajustara a nuestros datos y que, al mismo tiempo, predijera una expansión más rápida”, explica Colin Hill, profesor asistente de la Universidad de Columbia y uno de los autores principales. Entre las alternativas se incluyen cambios en el comportamiento de los neutrinos y de la materia oscura invisible, la incorporación de un periodo de expansión acelerada en el universo primitivo o modificaciones en constantes fundamentales de la naturaleza.

“Hemos utilizado el CMB como un detector de nuevas partículas o campos en el universo temprano, explorando un territorio hasta ahora inexplorado”, señala Hill. “Los datos de ACT no muestran evidencias de este tipo de nuevas señales. Con nuestros nuevos resultados, el modelo estándar de la cosmología ha superado una prueba de precisión extraordinaria”.

“Nos sorprendió ligeramente no encontrar ni siquiera evidencias parciales que apoyaran el valor más alto”, añade Staggs. “Había algunas áreas en las que pensábamos que podríamos ver indicios de explicaciones para la tensión, y simplemente no estaban presentes en los datos”.