Midiendo la temperatura de nuestro cosmos, menos de un billón de años después del Big Bang

Antenas del observatorio NOEMA (MPG/Alemania, CNRS/Francia, IGN/España). Utilizando su poder de resolución único, los astrónomos han sondeado el Universo primitivo y han encontrado un nuevo método para medir la temperatura del fondo cósmico de microondas. NOEMA es el radiotelescopio más potente del hemisferio norte. El observatorio funciona a más de 2.500 metros sobre el nivel del mar en uno de los emplazamientos europeos de mayor altitud, el Plateau de Bure, en los Alpes franceses. El telescopio es operado por el Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) y está financiado por la Sociedad Max-Planck (Alemania), el Centre National de Recherche Scientifique (Francia) y el Instituto Geográfico Nacional (España). Crédito: IRAM, A.Ramboud
Antenas del observatorio NOEMA (MPG/Alemania, CNRS/Francia, IGN/España). Utilizando su poder de resolución único, los astrónomos han sondeado el Universo primitivo y han encontrado un nuevo método para medir la temperatura del fondo cósmico de microondas. NOEMA es el radiotelescopio más potente del hemisferio norte. El observatorio funciona a más de 2.500 metros sobre el nivel del mar en uno de los emplazamientos europeos de mayor altitud, el Plateau de Bure, en los Alpes franceses. El telescopio es operado por el Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) y está financiado por la Sociedad Max-Planck (Alemania), el Centre National de Recherche Scientifique (Francia) y el Instituto Geográfico Nacional (España). Crédito: IRAM, A.Ramboud

Un grupo internacional de astrofísicos ha descubierto un nuevo método para estimar la temperatura del fondo cósmico de microondas del joven Universo sólo 880 millones de años después del Big Bang. Es la primera vez que se mide la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas -una reliquia de la energía liberada por el Big Bang- en una época tan temprana del Universo. El modelo cosmológico predominante supone que el Universo se ha enfriado desde el Big Bang, y que sigue haciéndolo. El modelo también describe cómo debería proceder el proceso de enfriamiento, pero hasta ahora sólo se ha confirmado directamente para épocas cósmicas relativamente recientes. El descubrimiento no sólo marca un hito muy temprano en el desarrollo de la temperatura cósmica de fondo, sino que también podría tener implicaciones para la enigmática energía oscura. El artículo se ha publicado hoy en Nature.

Los científicos utilizaron el observatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) en los Alpes franceses, el radiotelescopio más potente del hemisferio norte, para observar HFLS3, una galaxia masiva con brotes de estrellas a una distancia correspondiente a una edad de sólo 880 millones de años después del Big Bang. Descubrieron una pantalla de gas de agua fría que proyecta una sombra sobre la radiación cósmica de fondo de microondas. La sombra aparece porque el agua más fría absorbe la radiación de microondas más cálida en su camino hacia la Tierra, y su oscuridad revela la diferencia de temperatura. Como la temperatura del agua puede determinarse a partir de otras propiedades observadas del estallido de la estrella, la diferencia indica la temperatura de la radiación relicta del Big Bang, que en ese momento era unas siete veces mayor que en el Universo actual.

"Además de la prueba del enfriamiento, este descubrimiento también nos muestra que el Universo en su infancia tenía algunas características físicas bastante específicas que ya no existen hoy en día", dijo el autor principal, el Dr. Dominik Riechers, del Instituto de Astrofísica de la Universidad de Colonia. 

"Muy pronto, unos 1.500 millones de años después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas era ya demasiado frío para que este efecto fuera observable. Por lo tanto, tenemos una ventana de observación única que se abre sólo a un Universo muy joven", continuó. En otras palabras, si hoy existiera una galaxia con propiedades idénticas a las de HFLS3, la sombra de agua no sería observable porque ya no existiría el contraste de temperaturas necesario.

El Fondo Cósmico de Microondas (izquierda) se liberó 380.000 años después del Big Bang, y actúa como fondo de todas las galaxias del Universo. La galaxia HFLS3 está incrustada en una gran nube de vapor de agua fría (centro, indicado en azul), y se observa 880 millones de años después del Big Bang. Debido a su baja temperatura, el agua proyecta una sombra oscura sobre el fondo de microondas (panel de zoom a la izquierda), lo que corresponde a un contraste unas 10.000 veces más fuerte que sus fluctuaciones intrínsecas de sólo un 0,001% (puntos claros/oscuros). Crédito: ESA y la colaboración Planck; panel ampliado: Dominik Riechers, Universidad de Colonia; composición de la imagen: Martina Markus, Universidad de Colonia
El Fondo Cósmico de Microondas (izquierda) se liberó 380.000 años después del Big Bang, y actúa como fondo de todas las galaxias del Universo. La galaxia HFLS3 está incrustada en una gran nube de vapor de agua fría (centro, indicado en azul), y se observa 880 millones de años después del Big Bang. Debido a su baja temperatura, el agua proyecta una sombra oscura sobre el fondo de microondas (panel de zoom a la izquierda), lo que corresponde a un contraste unas 10.000 veces más fuerte que sus fluctuaciones intrínsecas de sólo un 0,001% (puntos claros/oscuros). Crédito: ESA y la colaboración Planck; panel ampliado: Dominik Riechers, Universidad de Colonia; composición de la imagen: Martina Markus, Universidad de Colonia

"Este importante hito no sólo confirma la tendencia de enfriamiento esperada para una época mucho más temprana de lo que se ha podido medir hasta ahora, sino que también podría tener implicaciones directas para la naturaleza de la esquiva energía oscura", dijo el coautor, el Dr. Axel Weiss, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn. 

Se cree que la energía oscura es la responsable de la expansión acelerada del Universo en los últimos miles de millones de años, pero sus propiedades siguen siendo poco conocidas porque no puede observarse directamente con las instalaciones e instrumentos disponibles actualmente. Sin embargo, sus propiedades influyen en la evolución de la expansión cósmica y, por tanto, en la tasa de enfriamiento del Universo a lo largo del tiempo cósmico. Según este experimento, las propiedades de la energía oscura siguen siendo -por ahora- coherentes con las de la "constante cosmológica" de Einstein. "Es decir, un Universo en expansión en el que la densidad de la energía oscura no cambia", explicó Weiss.

Tras descubrir una de estas nubes de agua fría en una galaxia con brotes de estrellas en el Universo primitivo, el equipo se propone ahora encontrar muchas más en el cielo. Su objetivo es trazar un mapa del enfriamiento del eco del Big Bang en los primeros 1.500 millones de años de historia cósmica. "Esta nueva técnica proporciona nuevos e importantes conocimientos sobre la evolución del Universo, que de otro modo serían muy difíciles de delimitar en épocas tan tempranas", afirma Riechers.

"Nuestro equipo ya está haciendo un seguimiento de esto con NOEMA estudiando los alrededores de otras galaxias", dijo el coautor y científico del proyecto NOEMA, el Dr. Roberto Neri. "Con las mejoras de precisión que se esperan de los estudios de muestras más grandes de nubes de agua, queda por ver si nuestra comprensión básica actual de la expansión del Universo se mantiene".

Fuentes, créditos y referencias:

Dominik Riechers, Microwave background temperature at a redshift of 6.34 from H2O absorption, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04294-5. www.nature.com/articles/s41586-021-04294-5

Fuente: Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg

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