Captan las imágenes más nítidas de los inicios del universo

«Estamos viendo los primeros pasos hacia la formación de las primeras estrellas y galaxias», afirma Suzanne Staggs, directora del ACT y profesora de Física en la Universidad de Princeton. «Y no solo vemos la luz y la oscuridad, sino la polarización de la luz en alta resolución. Este es un factor decisivo que distingue al ACT de Planck y otros telescopios anteriores», añade.

Las nuevas imágenes de esta radiación de fondo, conocida como fondo cósmico de microondas (CMB), añaden mayor definición a las observadas hace más de una década por el telescopio espacial Planck. «ACT tiene cinco veces la resolución de Planck y mayor sensibilidad», afirma 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 tenue señal de polarización ahora es directamente visible».

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La imagen de polarización revela el movimiento detallado del hidrógeno y el helio en su infancia cósmica. «Antes, podíamos ver dónde estaban las cosas, y ahora también vemos cómo se mueven», dice Staggs. «Como si se usaran las mareas para inferir la presencia de la Luna, el movimiento registrado por la polarización de la luz nos indica la intensidad de la atracción gravitatoria en diferentes partes del espacio».

Los nuevos resultados confirman un modelo simple del universo y descartan la mayoría de las alternativas, afirma el equipo de investigación. El trabajo aún no ha sido revisado por pares, pero los investigadores presentarán sus resultados en la conferencia anual de la Sociedad Americana de Física el 19 de marzo.

Durante los primeros cientos de miles de años tras el Big Bang, el plasma primigenio que llenó el universo era tan caliente que la luz no podía propagarse libremente, lo que hacía que el universo fuera prácticamente opaco. El CMB representa la primera etapa visible en la historia del universo; en esencia, la imagen inicial del universo.

Las nuevas imágenes ofrecen una visión extraordinariamente nítida de las sutiles variaciones en la densidad y la velocidad de los gases que llenaban el universo joven. Lo que parecen nubes difusas a la intensidad de la luz son regiones más o menos densas en un mar de hidrógeno y helio: colinas y valles que se extienden millones de años luz de diámetro. Durante los siguientes millones a miles de millones de años, la gravedad atrajo las regiones más densas de gas hacia el interior para formar estrellas y galaxias.

Estas imágenes detalladas del universo recién nacido están ayudando a los científicos a responder preguntas sobre su origen. «Al recordar aquella época, cuando las cosas eran mucho más sencillas, podemos reconstruir la historia de cómo nuestro universo evolucionó hasta llegar al rico y complejo mundo en el que nos encontramos hoy», afirma Jo Dunkley, profesora de Física y Ciencias Astrofísicas en la Universidad de Princeton y líder del análisis del ACT.

«Hemos medido con mayor precisión que el universo observable se extiende casi 50.000 millones de años luz en todas direcciones desde nosotros y contiene tanta masa como 1900 'zetta-soles', o casi 2 billones de billones de soles», afirma Erminia Calabrese, profesora de astrofísica en la Universidad de Cardiff y autora principal de uno de los nuevos artículos. De esos 1900 zetta-soles, la masa de la materia normal (la que podemos ver y medir) representa solo 100. Otros 500 zetta-soles de masa son materia oscura misteriosa, y el equivalente a 1.300 son la energía de vacío dominante (también llamada energía oscura) del espacio vacío.

Las diminutas partículas de neutrinos constituyen, como máximo, cuatro soles zetta de masa. De la materia normal, tres cuartas partes de la masa son hidrógeno y una cuarta parte, helio. «Casi todo el helio del universo se produjo en los primeros tres minutos del tiempo cósmico», afirma Thibaut Louis, investigador del CNRS en el IJCLab de la Universidad París-Saclay y uno de los autores principales de los nuevos artículos. «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 humanos —principalmente carbono, con oxígeno, nitrógeno, hierro e incluso trazas de oro— se formaron posteriormente en las estrellas y son solo una pizca de esta mezcla cósmica.

Las nuevas mediciones del ACT también han perfeccionado las estimaciones de la edad del universo y su velocidad de crecimiento actual. La caída de materia en el universo primitivo emitió ondas sonoras a través del espacio, como ondas que se extienden en círculos en un estanque.

«Un universo más joven habría tenido que expandirse más rápidamente para alcanzar su tamaño actual, y las imágenes que medimos parecerían llegarnos desde más cerca», explica Mark Devlin, profesor de Astronomía Reese W. Flower en la Universidad de Pensilvania y subdirector del ACT. «La extensión aparente de las ondulaciones en las imágenes sería mayor en ese caso, de la misma manera que una regla sostenida cerca de la cara 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 %.

En los últimos años, los cosmólogos han discrepado sobre la constante de Hubble, la velocidad a la que el espacio se expande hoy en día. Las mediciones derivadas del CMB han mostrado consistentemente una tasa de expansión de 67 a 68 kilómetros por segundo por megapársec, mientras que las mediciones derivadas del movimiento de galaxias cercanas indican una constante de Hubble de hasta 73 a 74 km/s/Mpc. Utilizando sus datos recién publicados, el equipo de ACT ha medido la constante de Hubble con mayor precisión. Su medición coincide con las estimaciones previas derivadas del CMB. «Tomamos esta medición completamente nueva del cielo, lo que nos proporciona una verificación independiente del modelo cosmológico, y nuestros resultados muestran que se sostiene», dice Adriaan Duivenvoorden, investigador del Instituto Max Planck de Astrofísica y autor principal de uno de los nuevos artículos.

Un objetivo principal del trabajo fue investigar modelos alternativos del universo que explicaran esta discrepancia. «Queríamos ver si podíamos encontrar un modelo cosmológico que coincidiera con nuestros datos y que además predijera una tasa de expansión más rápida», afirma Colin Hill, profesor adjunto de la Universidad de Columbia y uno de los autores principales de los nuevos artículos. Las alternativas incluyen modificar el comportamiento de los neutrinos y la materia oscura invisible, añadir un período de expansión acelerada en el universo primitivo o modificar las constantes fundamentales de la naturaleza.

«Hemos utilizado el CMB como detector de nuevas partículas o campos en el universo primitivo, explorando terrenos previamente inexplorados», afirma Hill. «Los datos del ACT no muestran evidencia de estas nuevas señales. Con nuestros nuevos resultados, el modelo estándar de cosmología ha superado una prueba de extraordinaria precisión».

Al estudiar el cielo, ACT también ha detectado la luz emitida por otros objetos en el espacio. «Podemos retroceder en el tiempo a través de la historia cósmica», afirma Dunkley, «desde nuestra propia Vía Láctea, pasando por galaxias lejanas que albergan vastos agujeros negros y enormes cúmulos de galaxias, hasta llegar a aquella época de su infancia».

El ACT completó sus observaciones en 2022, y ahora la atención se centra en el nuevo Observatorio Simons, de mayor capacidad, ubicado en el mismo lugar en Chile.