Grupo de Cosmología y Gravitación

Ecos del universo lejano

laboratorios — por el 14/11/2014 a las 15:38

Desde los confines del universo llega a la Tierra radiación conocida con el nombre de Fondo Cósmico de Radiación. No es otra cosa que el eco del Big Bang. Susana Landau, junto con un equipo de investigadores, estudia, a partir esa radiación cósmica, el origen y la evolución del universo temprano.

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Fotografía del universo realizada por el telescopio espacial Planck, de la Agencia Espacial Europea.

Fotografía del universo realizada por el telescopio espacial Planck, de la Agencia Espacial Europea.

Hace 50 años, los físicos norteamericanos Penzias y Wilson, mientras trabajaban con un nuevo tipo de antena, descubrieron de forma accidental un ruido de fondo cuyo origen no podían precisar. Se trataba de una emisión constante que provenía de todas partes del cielo y que tenía una longitud de onda cercana a la zona del espectro electromagnético donde las ondas de radio limitan con los rayos infrarrojos. La explicación llegó muy poco tiempo después: si el universo tuvo su origen hace unos 15 mil millones de años por una gran explosión de energía o Big Bang y, desde entonces se ha ido expandiendo de forma ininterrumpida, desde los confines del universo podían estar llegando los ecos, en forma de radiación, de aquel suceso primordial. Dicho de otro modo, esa radiación, que hoy conocemos con el nombre de Fondo Cósmico de Radiación (FCR), es algo así como los restos de la explosión inicial que han quedado como remanentes del enfriamiento causado por la expansión.

En el Departamento de Física, y en el marco del Grupo de Investigación en Cosmología y Gravitación que dirige Claudio Simeone, una de las líneas de interés es, justamente, el estudio del origen y la evolución del universo a través del FCR. “Los datos más precisos que disponemos actualmente para estudiar el origen y la evolución del universo temprano son las observaciones astronómicas del FCR. Esta radiación  nos proporciona información sobre las condiciones físicas del universo en el momento de la formación de los primeros átomos de  hidrógeno, aproximadamente 400.000 años luego del Big Bang”, explica Susana Landau, integrante del equipo de investigadores.

Poco después del Big Bang, antes de formarse el hidrógeno neutro, los electrones y los fotones chocaban formando parte de algo que se puede pensar como un fluido. “En este fluido, los electrones proporcionaban la masa o la inercia que ‘tiraba para el centro’ mientras que los fotones ejercían una presión de radiación que ‘empujaba hacia fuera’. A medida que se expandía el fluido del universo, también se enfriaba y, entonces, cuando la energía de los electrones bajó a niveles favorables para la unión con los protones, se formaron los átomos de hidrógeno”, explica la investigadora. “Fue en ese momento cuando los fotones se quedaron sin compañeros de juego y no les quedó otra que viajar libremente por el universo. Aún ahora esos fotones viajan por el universo y constituyen un fósil cósmico que guarda muchísima información acerca de la cantidad de materia y de energía totales, de cómo se forma el elemento más abundante -el hidrógeno neutro-, de la geometría temprana por donde ellos mismos viajaron y, lo fundamentalmente novedoso, es que también nos pueden decir algo sobre el primer milésimo de segundo posterior al Big Bang”, agrega.

Esto último es posible porque los fenómenos que ocurren en las primeras milésimas de segundo del universo imprimen un patrón característico en la polarización del FCR, patrón con el que los investigadores obtienen información indirecta de los primeros momentos del universo.

(De izq. a der.) Gabriel León García, Emilio Rubín de Celis, María Cecilia Tomasini, Susana Landau y Lucila Kraiselburd.

(De izq. a der.) Gabriel León García, Emilio Rubín de Celis, María Cecilia Tomasini, Susana Landau y Lucila Kraiselburd.

“El trabajo de nuestro grupo de investigación consiste en utilizar las observaciones de la temperatura y polarización del FCR y Censos de Galaxias entre otros para testear las predicciones de modelos cosmológicos alternativos al Big Bang. Mediante análisis estadísticos realizamos la comparación entre datos y predicciones de los modelos teóricos y podemos estimar el valor de parámetros libres como por ejemplo la cantidad de materia ordinaria presente en el universo actual, la cantidad de materia oscura presente en el universo actual, la aceleración de la expansión del universo, y el momento en el cual se produjo una reionización del universo entre otros”, explica Landau.

El trabajo que realizan en el grupo consiste en  calcular las predicciones de los modelos cosmológicos alternativos al Big Bang y realizar el análisis estadístico que permite comparar los datos astronómicos con los modelos teóricos y estimar el valor de parámetros libres del modelo.

La teoría que describe los primeros instantes del universo, denominada teoría de la inflación, tiene algunos problemas cuando se trata de explicar la emergencia de estructuras como galaxias y cúmulos de galaxias, y la distribución anisotrópica (con diferentes características según la región) de este tipo de estructuras a partir de un universo temprano homogéneo. Para resolver este tipo de problemas, un grupo de la Universidad Nacional Autónoma de México, liderado por Daniel Sudarsky, postuló un modelo alternativo según el cual el colapso espontáneo de la función de onda que describe el universo, es el responsable de la transición de un universo isótropo y homogéneo al universo que observamos actualmente.

“Si bien el modelo presenta una alternativa para describir la historia del universo en sus comienzos muy tempranos, esta historia modificada tiene consecuencias sobre las observaciones de temperatura y polarización del FCR. El trabajo que realizamos nosotros, mediante un análisis estadístico, es testear si estos modelos pueden explicar las observaciones actuales del FCR”, finaliza Landau.

 

Grupo de Cosmología y Gravitación: Aspectos teóricos  y fenomenológicos

(Departamento de Física)

Oficina 2173, 2do. piso, Pabellón I, Teléfono: 4576-3390, interno 802.

http://users.df.uba.ar/slandau/web/index.html

Dirección: Claudio Simeone.

Integrantes del grupo: Susana Landau (Investigadora Adjunta CONICET en IFIBA) Gabriel León (becario posdoctoral CONICET), Lucila Kraiselburd (becaria posdoctoral CONICET en FCAGLP-UNLP).

Tesistas de doctorado: Maria Pía Piccirilli (FCAGLP-UNLP), Emilio De Celis, María Cecilia Tomassini.

Tesistas de grado: Carolina Negrelli (FCAGLP-UNLP), Pablo Traverso, Martín Villalba.

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