Observaciones desde el Polo Sur refuerzan el modelo cosmológico

Observaciones desde el Polo Sur de la luz primordial del universo han reforzado los fundamentos teóricos del modelo cosmológico estándar que describe la historia del cosmos.

Aproximadamente 400.000 años después del Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente para permitir que los fotones escaparan de la sopa cosmológica primordial. Durante los siguientes 14 mil millones de años, estos antiguos fotones (la primera luz del universo) continuaron viajando. Esta luz residual se conoce como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB).

En un nuevo estudio, los científicos utilizaron mediciones de alta precisión del fondo cósmico de microondas y su luz polarizada, recopilados del South Pole Telescope ubicado en la Estación del Polo Sur Amundsen-Scott de la National Science Foundation (NSF). Sus hallazgos han sido remitidos a la revista Physical Review D. y están disponible en el servidor de preimpresión de arXiv.

"Tenemos un modelo en gran medida coherente, detallado y exitoso que describe estos 14 mil millones de años de evolución", dijo en un comunicado Lloyd Knox, catedrático en Cosmología y Astrofísica en la Universidad de California Davis y uno de los coautores del estudio. "Pero no sabemos qué generó realmente las desviaciones iniciales de la homogeneidad completa que finalmente llevaron a todas las estructuras del universo, incluido nosotros mismos".

"Este resultado es especialmente emocionante, porque representa las primeras restricciones competitivas en cosmología utilizando solo la polarización del CMB, lo que lo hace casi 100% independiente de los resultados anteriores que se basaban principalmente en la intensidad total", dijo el coautor del estudio y profesor de investigación de la Universidad de Chicago Tom Crawford.

En el estudio, los investigadores analizaron dos años de datos de luz polarizada recopilados por el South Polo Telescope en 2019 y 2020. Las observaciones del estudio cubren 1.500 grados cuadrados de cielo y los datos recopilados permitieron a los investigadores crear un mapa a gran escala de la masa del universo.

La mayor parte de la luz natural no está polarizada, está compuesta por una colección aleatoria de ondas de luz, cada una oscilando (ondeando hacia arriba y hacia abajo) sin una dirección preferida. Pero cuando la luz se refleja, puede polarizarse, lo que significa que la luz oscila en una dirección preferida.

Esto sucede cuando la luz solar se refleja en el agua o en el suelo, y es la razón por la que las gafas de sol polarizadas pueden ser tan útiles para reducir el deslumbramiento. También sucedió cuando los fotones del fondo cósmico de microondas experimentaron sus eventos finales de dispersión en el plasma primordial cuando comenzó a desaparecer hace 14 mil millones de años.

"La luz del fondo cósmico de microondas está parcialmente polarizada", dijo Knox. "Estamos midiendo en cada punto de nuestro mapa del cielo el grado de polarización y la orientación de la polarización".

Después de esa última dispersión, la luz ligeramente polarizada se difundió a través del espacio abierto. Las fuerzas gravitacionales distorsionan las trayectorias de estos rayos de luz. La luz de diferentes regiones también se distorsiona de forma diferente, lo que da como resultado una imagen deformada, un efecto llamado lente gravitacional.

Para descubrir tanto cómo se vería la imagen polarizada en ausencia de lente gravitacional como también el mapa de la masa que causa el efecto lente gravitacional, el equipo utilizó computadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en Berkeley.

"Lo que hacemos esencialmente a un nivel muy alto es tener estos datos y enviarlos a esta supercomputadora en NERSC", dijo Marius Millea, un científico del proyecto del grupo de investigación de Knox y el segundo autor del estudio. "Y las computadoras están probando esta idea: 'Si así fuera como se viera el universo real, ¿produciría un mapa que se pareciera al que vimos?'"

"Tenemos los datos, pero también necesitamos tener un modelo que produzca o prediga este tipo de observables", agregó Fei Ge, un estudiante de posgrado del grupo de investigación de Knox y el primer autor del estudio.