La ciencia iluminada por la primera luz del universo

Hace unos 13.800 millones de años, nuestro universo se expandió a un ritmo increíble. Todo lo que observamos hoy, que estaba compactado, se expandió en una masa turbulenta de luz y partículas. Esta sopa caliente y densa tardó 380.000 años en diluirse y enfriarse lo suficiente como para permitir que la luz viajara a través de ella. Esta primera luz, que se remonta a la formación de los primeros átomos, se denomina radiación de fondo cósmico de microondas y todavía se puede detectar en la actualidad.

El Observatorio Simons en Chile, que pasará a llamarse Observatorio Avanzado Simons en línea con las actualizaciones de sus detectores, capacidades de intercambio de datos y fuente de alimentación. (Crédito de la imagen: Debra Kellner)

“Cuando observas, lo que estás viendo son las condiciones iniciales del universo”, dijo. emmanuel schaancientífico del equipo Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y un alto miembro de Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) en SLAC y Stanford.

Schaan es uno de los muchos investigadores que colaboran en el Observatorio Avanzado Simons actualmente en construcción en el desierto de Atacama en Chile. El Observatorio Simons está programado para entrar en funcionamiento a finales de este año, pero gracias a una subvención reciente de la Fundación Nacional de Ciencias, sus capacidades seguirán creciendo. La versión avanzada incluirá 30.000 detectores adicionales para la radiación de fondo cósmico de microondas, dándonos una mejor imagen del universo primitivo, su evolución y muchos fenómenos dentro de él.

Además de los detectores, el observatorio mejorado tendrá capacidades mejoradas para compartir datos y un panel solar que proporcionará el 70 % de la energía de la instalación, lo que permitirá un funcionamiento continuo y sostenible.

«Esto duplicará la velocidad de exploración del Receptor del Telescopio de Gran Apertura y hará que nuestro observatorio sea extraordinariamente sensible», dijo. susana clarkprofesor asistente de física en Stanford en Facultad de Humanidades y Ciencias y uno de los dos científicos del proyecto para el Observatorio Avanzado Simons. «Tendremos mapas realmente profundos y sensibles del fondo cósmico de microondas y la emisión de polvo polarizado de nuestra galaxia, y también podremos ver cómo cambia el cielo de una noche a otra».

revelaciones detalladas

Las encuestas de grandes partes del cielo a menudo tardan años en recopilar y compartir datos. Pero cuando esté completo, el Observatorio Avanzado Simons podrá hacer y analizar mapas diarios del cielo, compartiendo advertencias con la comunidad científica más amplia sobre fenómenos transitorios, como el destello brillante de un evento de interrupción de marea, cuando una estrella en una galaxia distante se acerca demasiado a un agujero negro y se rompe.

“Aquí hay una nueva forma de observar el universo: observar el cambio del cielo a lo largo del tiempo en el rango de longitud de onda milimétrica del espectro electromagnético. Nunca habíamos podido hacer esto antes”, dijo Clark, quien también es miembro sénior de KIPAC.

Schaan está particularmente interesado en utilizar el nuevo observatorio para estudiar cómo se forman las galaxias. Dado que el fondo cósmico de microondas ha estado viajando por el espacio durante casi 14 mil millones de años, esencialmente proporciona una luz de fondo para los objetos que se crearon más recientemente. Los objetos masivos como las galaxias y los cúmulos de galaxias proyectan sombras sobre el fondo cósmico de microondas, y su atracción gravitatoria puede desviar los fotones a su alrededor, revelando masas invisibles como gases difusos o materia oscura.

«Alrededor de las galaxias, hay un halo extremadamente extenso de gas difuso que es muy difícil de observar, y el Observatorio Simons nos permitirá revelarlo», dijo Schaan. «Y viendo lo extenso que es, podemos completar algunas de las incertidumbres clave sobre la formación de galaxias».

Zeeshan Ahmed, KIPAC Senior Fellow y SLAC Lead Scientist, es un cosmólogo observacional que trabaja para comprender cómo evolucionó el universo y por qué se ve de la manera que lo hace. Él espera que los datos del Observatorio Avanzado Simons complementen los datos de otros observatorios para pintar una imagen más clara del universo y ayudar a resolver las inconsistencias entre el pasado y el presente.

«Si observa los datos del universo temprano y del universo tardío, son bastante consistentes, excepto por algunas cosas impactantes que no se alinean exactamente», dijo Ahmed. “¿Es esto una casualidad? ¿O hay algo sobre la física fundamental que aún no hemos descubierto o entendido?»

hecho para sorprender

Equipos de todo el país han estado trabajando para diseñar y construir diferentes aspectos de los telescopios, detectores y sistemas de datos que permitirán estas observaciones. Ahmed y sus colegas, por ejemplo, han estado diseñando el sistema que convertirá las señales eléctricas de los detectores del telescopio más grande del Observatorio Simons en datos que se pueden compartir y analizar.

Para detectar fotones de fondo de microondas cósmicos, los sensores de los detectores deben mantenerse a temperaturas increíblemente bajas, solo una décima de grado por encima del cero absoluto (-459,49 grados Fahrenheit). Incluso pequeñas variaciones en esta temperatura pueden degradar las lecturas, y el equipo estándar para mover y procesar estas señales genera calor.

“Hicimos algunos avances tecnológicos y creamos la arquitectura de cómo conectar los sensores superconductores a la electrónica de temperatura ambiente sin sobrecargar el sistema con calor”, dijo Ahmed. «El Observatorio Simons será el primer gran experimento de fondo cósmico de microondas en utilizar este esquema de lectura a escala para la observación científica».

Los investigadores tienen ideas sobre lo que encontrarán con el Observatorio Avanzado Simons. Además del fondo cósmico de microondas, buscarán y estudiarán los lugares de nacimiento de estrellas distantes, el contenido del polvo interestelar, las nubes exo-Oort (capas esféricas de hielo y polvo en los bordes de los sistemas solares) y muchos otros fenómenos. Pero dadas las capacidades únicas de este observatorio, también están abiertos a encontrar algo inesperado: encontrar alguna pieza del rompecabezas en el universo que no sabíamos que faltaba.

“Cuando eres capaz de mirar el universo de una manera nueva, te permites la posibilidad de sorprenderte”, dijo Clark. “Dado que los humanos han existido para preguntarse acerca de las cosas, hemos tratado de entender cómo llegamos aquí y cómo funciona el universo. Y realmente estamos al límite de nuestra capacidad para hacer eso”.