RADIACION DE MICROONDAS
Radiación de Fondo y Partículas Elementales
La radiación de fondo de microondas (en inglés, cosmic microwave background o CMB) es una forma de radiación electromagnética descubierta en 1965 que llena el universo por completo. También se denomina radiación cósmica de microondas, radiación cósmica de fondo o radiación del fondo cósmico.
Tiene características de radiación de cuerpo negro a una temperatura de 2,725 K y su frecuencia pertenece al rango de las microondas con una frecuencia de 160,2 GHz, correspondiéndose con una longitud de onda de 1,9 mm. Esta radiación es una de las pruebas principales del modelo cosmológico del Big Bang.
Pese a que comúnmente se afirma que es el "eco" del Big Bang esto no es cierto, puesto que el Big Bang ocurrió 400.000 años antes que los eventos registrados.
La primera apreciación de la radiación del CMB como un fenómeno detectable apareció en un breve artículo de los astrofísicos soviéticos A. G. Doroshkevich e Igor Dmitriyevich Novikov, en la primavera de 1964. En 1964, David Todd Wilkinson y Peter Roll, y los colegas de Dicke en la Universidad de Princeton, empezaron a construir un radiómetro de Dicke para medir el fondo de radiación de microondas. En 1965, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en los Laboratorios Bell de Crawford Hill cerca de Holmdel Township (Nueva Jersey) habían construido un radiómetro Dicke que intentaron utilizar para radioastronomía y experimentos de comunicaciones por satélite. Su instrumental tenía un exceso de temperatura de ruido de 3,5 K con el que ellos no contaban. Después de recibir una llamada telefónica de Crawford Hill, Dicke dijo la gracia: «Chicos, nos han robado». Un encuentro entre los grupos de Princeton y Crawford Hill determinó que la temperatura de la antena fue inducida debido al fondo de radiación de microondas. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física de 1978 por su descubrimiento.
COBE
El Explorador del Fondo Cósmico COBE (Cosmic Background Explorer), conocido también como Explorer 66, fue el primer satélite construido especialmente para estudios de cosmología. Su objetivo fue investigar la radiación de fondo de microondas (o CMB por sus siglas en inglés Cosmic Microwave Background) y obtener medidas de la misma que ayudaran a ampliar nuestra comprensión del cosmos. Su misión, planificada para un período de alrededor de 4 años, comenzó el 18 de noviembre de 1989.
Los resultados obtenidos por sus instrumentos confirman en gran parte los postulados de la Teoría del Big Bang. De acuerdo con el Comité del Premio Nobel, "el proyecto COBE se puede considerar como el punto de partida para la cosmología como una ciencia de precisión". Dos de los principales investigadores del COBE, George F. Smoot y John C. Mather, recibieron el Premio Nobel de Física en 2006. El satélite WMAP de la NASA es el sucesor actual de la misión COBE.
WMAP
La Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) es una sonda de la NASA cuya misión es estudiar el cielo y medir las diferencias de temperatura que se observan en la radiación de fondo de microondas, un remanente del Big Bang. Fue lanzada por un cohete Delta II el 30 de junio de 2001 desde Cabo Cañaveral, Florida, Estados Unidos.
El objetivo de la misión WMAP es comprobar las teorías sobre el origen y evolución del universo. Es la sucesora del COBE y entra dentro del programa de exploradores de clase media de la NASA.
WMAP fue nombrada así en honor a David Todd Wilkinson, miembro del equipo científico de la misión y pionero en el estudio de la radiación de fondo. Los objetivos científicos de la misión son que la temperatura del fondo cósmico de microondas debe ser medida con una altísima resolución y sensibilidad. Debido a esto, la prioridad en el diseño fue la de evitar errores sistémicos en la toma de datos.
La sonda WMAP usa radiómetros diferenciales de microondas que miden las diferencias de temperatura entre dos puntos cualquiera del cielo.
El 11 de febrero de 2003, el grupo de relaciones públicas de la NASA convocó una rueda de prensa para comunicar la edad y composición del universo sobre la base de datos de la sonda WMAP. En dicha rueda de prensa se desveló la imagen más intrincada del universo primigenio tomada hasta hoy, en espera de los resultados del Planck. Según la NASA, esta imagen "contiene tal nivel de detalle que se puede considerar uno de los resultados científicos más importantes de los últimos años". Hay que tener en cuenta que si bien esta imagen no es la de mayor resolución tomada sobre el fondo cósmico de microondas, es la mejor imagen que tenemos de la radiación de fondo de todo el cielo.
Los datos de tres años del WMAP fueron publicados al mediodía del 17 de marzo de 2006. Estos datos incluyen las medidas de la temperatura y de la polarización de los CMB, que proporcionan una confirmación más fuerte del modelo estándar Lambda-CDM.
WMAP está obteniendo medidas de muchos parámetros cosmológicos con una precisión mucho mayor que la que teníamos hasta ahora. De acuerdo con los modelos actuales del universo, los datos del WMAP muestran que:
La edad del universo es de 13.700 ± 200 millones de años.
El universo está compuesto de un 4% de materia ordinaria, 23% de materia oscura y de un 73% de la misteriosa energía oscura.
Los modelos cosmológicos inflacionarios se verifican con las observaciones, aunque hay una anomalía inexplicada a grandes escalas angulares.
La Constante de Hubble es 71 ± 4 km/s/Mpc
Los datos del WMAP confirman, con sólo un 0,5% de margen de error, que la forma del universo es llana.
Los panoramas cosmológicos de la inflación cósmica están en un acuerdo mejor con los datos de tres años, aunque todavía hay una anomalía inexplicada en la medida angular más grande del momento cuadrupolo.
PLANCK
La sonda espacial Planck, conocida anteriormente como Planck Surveyor, es la tercera misión de medio tamaño (M3) del programa científico Horizon 2000 de la Agencia Espacial Europea. El lanzamiento se produjo el 14 de mayo de 2009 desde el Puerto espacial de Kourou (Guayana Francesa) impulsado por un cohete Ariane 5 junto al Observatorio Espacial Herschel en configuración dual. Está diseñado para detectar las anisotropías en el fondo cósmico de microondas en casi todo el cielo menos un octavo, con una resolución y sensibilidad sin precedentes. Planck será una fuente valiosísima de datos con los que se comprobarán las teorías actuales sobre el universo primitivo y los orígenes de las estructuras cósmicas.
La misión Planck era conocida inicialmente como COBRAS/SAMBA. COBRAS por Cosmic Background Anisotropy Satellite y SAMBA por Satellite for Measurement of Background Anisotropies. Posteriormente, los dos grupos de estudio se fundieron en una sola misión, que tras haber sido seleccionada y aprobada, fue renombrada en honor del científico alemán Max Planck (1858-1947), Premio Nobel de Física en 1918.
Tras el lanzamiento, la Planck se separó en primer lugar del conjunto de lanzamiento y se colocó en órbita heliocéntrica, en el segundo de los puntos de Lagrange (L2) situado a unos 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. En este punto, el telescopio no sufre las interferencias de la Tierra o la Luna.
El Planck está dotado de un espejo de 1,5 metros de diámetro. El telescopio fue usado para captar radiaciones en dos bandas de frecuencia, una alta y otra baja, con los siguientes instrumentos:
Low Frequency Instrument (LFI) es un aparato que consiste en 22 receptores que funcionan a -253 °C. Estos receptores deberán trabajar agrupados en cuatro canales de frecuencias, captando frecuencias entre los 30 y 100 Ghz. Las señales serán amplificadas y convertidas en un voltaje, que será enviado a un ordenador.
High Frequency Instrument (HFI) es un aparato compuesto de 52 detectores, que trabajan convirtiendo radiación en calor. La cantidad de calor es medida por un pequeño termómetro eléctrico. La temperatura es anotada y convertida en un dato de ordenador. Este instrumento trabaja a -272,9 °C
Más de 40 institutos de investigación de Europa y Estados Unidos se unieron en esta misión para construir los instrumentos de la sonda.
El instrumento de medición de baja frecuencia fue construido con la participación de 22 institutos científicos, liderados por el Instituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (CNR) en Bolonia, Italia.
El instrumento de alta frecuencia fue elaborado por un consorcio de más de 20 instituciones científicas, lideradas por el Institut d'Astrophysique Spatiale (CNRS) en Orsay, Francia.
Los espejos de los telescopios primario y secundario fueron fabricados en fibra de carbono por un consorcio danés liderado por el Danish Space Research Institute, en Copenhague, Dinamarca.
La Planck complementó los datos obtenidos por la WMAP, ya que ésta también se centró en medir fluctuaciones de la radiación de fondo de microondas, pero a una escala mucho mayor.
Principalmente sus instrumentos detectaron las tres clases de neutrinos conocidos: neutrino electronico, neutrino muonico y neutrino tauonico.
Al final de su misión, la sonda Planck fue puesta en una órbita heliocéntrica y toda su energía fue agotada para impedir que pudiese poner en peligro otras misiones futuras. El comando de desactivación final fue enviado a la sonda Planck en octubre de 2013.
¿UNIVERSO PARALELO?
¿Es esta anomalía la prueba del choque con un universo paralelo?
Investigadores creen que la misteriosa Mancha fría del fondo cósmico de microondas, los restos del Big Bang, puede ser la primera evidencia del multiverso.
El fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), una reliquia del Big Bang, muestra un retrato del Cosmos cuando tenía unos 380.000 millones de años, prácticamente un bebé en términos cosmológicos, respecto de la edad actual del Universo de 13.700.000.000 de años. Rastreado por la sonda Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), en esta primera luz aparecen pequeñas fluctuaciones en la temperatura que se corresponden con regiones con una densidad ligeramente distinta: son las semillas de las estrellas y galaxias que vemos hoy en día. Según el modelo cosmológico estándar, estas fluctuaciones crecieron de forma brutal durante un breve período de expansión acelerada, lo que se conoce como inflación. Sin embargo, el Cosmos no presenta las mismas propiedades en todas direcciones. Existen algunas anomalías extrañas, como la llamada Mancha Fría, que resultan inexplicables.
El fondo cósmico cubre todo el cielo a una temperatura de 2,73 grados por encima del cero absoluto (-270,43ºC), pero algunas anomalías, incluyendo la Mancha Fría, son aproximadamente 0,00015 grados más frías que sus alrededores. Esto ha causado un fuerte debate en los modelos de la cosmología estándar, incapaces de encontrar una explicación. Una de las hipótesis más extendidas para la gran mancha es que se trata de un enorme vacío, miles de millones de años luz de diámetro que contienen relativamente pocas galaxias. Pero investigadores de la Universidad de Durham no están de acuerdo con esa teoría, y creen que esta rareza podría tener una explicación de lo más exótica: una colisión entre universos.
Anteriormente, la mayoría de las búsquedas de un supervacío han calculado las distancias a las galaxias usando sus colores. Con la expansión del Universo, la luz de las galaxias más distantes se desplaza a longitudes de onda más largas, un efecto conocido como desplazamiento al rojo. Cuanto más distante es la localizacion de la galaxia, proporcionalmente mayor es su desplazamiento al rojo. Pero estas medidas tienen un alto grado de incertidumbre.
En su nuevo trabajo, el equipo de Durham presentó los resultados de un estudio exhaustivo de los desplazamientos al rojo de 7.000 galaxias, recogiendo 300 a la vez usando un espectrógrafo desplegado en el Telescopio Anglo-Australiano. A partir de este conjunto de datos de más alta fidelidad, los investigadores no ven ninguna evidencia de un supervacío capaz de explicar la Mancha Fría dentro de la teoría estándar.
Los investigadores encontraron que esta región fría, que hasta ahora se creía poco poblada de galaxias, se divide en huecos más pequeños, rodeados de cúmulos de galaxias. Esta estructura de «burbuja de jabón» se parece mucho al resto del Universo.
«Los vacíos que hemos detectado no pueden explicar la Mancha fría bajo la cosmología estándar. Existe la posibilidad de que algún modelo no estándar pueda ser propuesto para enlazar los dos en el futuro», dice Ruari Mackenzie, uno de los autores del estudio.
Si realmente no hay un supervacío que puede explicar la Mancha fría, las simulaciones del modelo estándar del universo dan una probabilidad de 1 entre 50 de que surgiera por casualidad.
«Esto significa que no podemos descartar por completo que la mancha haya sido causada por una fluctuación poco probable explicada por el modelo estándar, pero si esa no es la respuesta, entonces hay explicaciones más exóticas...», apunta Tom Shanks, coautor del trabajo.
«Tal vez la más apasionante sea que la Mancha fría fue causada por una colisión entre nuestro universo y otro universo burbuja. Si un análisis aún más detallado de los datos de CMB demuestra que este es el caso, entonces la Mancha fría podría ser tomada como la primera evidencia del multiverso, y podrían existir mil millones de otros universos como el nuestro», añade.
Por el momento, los investigadores dicen que la falta de un supervacío para explicar el punto frío ha inclinado la balanza hacia estas explicaciones más inusuales, ideas que tendrán que ponerse a prueba por observaciones más detalladas del fondo cósmico de microondas.
DESCUBRIMIENTO DE PARTICULAS
Las particulas elementales, los neutrinos por ejemplo, en el macrocosmos, fueron detectados por la sonda WMAP, los neutrinos electronicos, los neutrinos muonicos y los neutrinos tauonicos; de igual forma fueron detectadas particulas elementales por el acelerador LHC, el cual explora en el microcosmos.
El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.
Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang.
El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.
Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada «partícula dios». La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas.
Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y cuya búsqueda se ha planificado, como el gravitón: partícula que teóricamente generaría el campo que produce la gravedad, es decir la fuerza gravitacional en el universo, si un gravitón se detectara en el LHC y se registrara su fuga, dicha fuga sería a otro posible universo.
Además en el LHC se están buscando los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético y las partículas supersimétricas.
