Instituto Max Planck de Radioastronomía

El enfriamiento temprano de nuestro universo

La sombra de una nube de agua cósmica revela la temperatura del Universo joven

3. Febrero 2022

Un grupo internacional de astrofísicos, incluido Axel Weiß, del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, ha desarrollado un nuevo método para medir la temperatura cósmica de fondo de microondas del Universo jóven, solo 880 millones de años después del Big Bang. Es la primera vez que la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas, una reliquia de la energía liberada por el Big Bang, se ha medido en una época tan temprana del Universo. El modelo cosmológico prevaleciente asume que el Universo se ha enfriado desde el Big Bang, y aún continúa haciéndolo. El modelo también describe cómo debería proceder el proceso de enfriamiento, pero hasta ahora se ha confirmado directamente solo para épocas cósmicas relativamente recientes. El descubrimiento no solo establece un hito muy temprano en el desarrollo de la temperatura cósmica del fondo, sino que también podría tener implicaciones para la enigmática energía oscura.

Los científicos utilizaron el observatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) en los Alpes franceses, el radiotelescopio más poderoso del hemisferio norte, para observar HFLS3, una galaxia que muestra un estallido masivo de formación estelar en una distancia correspondiente a una edad de solo 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 se puede determinar a partir de otras propiedades observadas del estallido estelar, la diferencia indica la temperatura de la radiación reliquia del Big Bang, que en ese momento era aproximadamente seis veces mayor que en el Universo actual.



 El Fondo Cósmico de Microondas (izquierda) fue lanzado 380.000 años después del Big Bang, y actúa como fondo para todas las galaxias del Universo. La galaxia de estallido estelar HFLS3 está incrustada en una gran nube de vapor de agua fría (medio, 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), correspondiente a un contraste aproximadamente 10,000 veces más fuerte que sus fluctuaciones intrínsecas de solo 0.001% (manchas claras / oscuras).  


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 El Fondo Cósmico de Microondas (izquierda) fue lanzado 380.000 años después del Big Bang, y actúa como fondo para todas las galaxias del Universo. La galaxia de estallido estelar HFLS3 está incrustada en una gran nube de vapor de agua fría (medio, 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), correspondiente a un contraste aproximadamente 10,000 veces más fuerte que sus fluctuaciones intrínsecas de solo 0.001% (manchas claras / oscuras).  


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"Aparte de la prueba de 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", dice el autor principal, el profesor Dominik Riechers, del Instituto de Astrofísica de la Universidad de Colonia. "Muy temprano, unos 1.500 millones de años después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas ya era demasiado frío para que este efecto fuera observable. Por lo tanto, tenemos una ventana de observación única que se abre a un Universo muy joven solamente", continúa. En otras palabras, si una galaxia con propiedades idénticas a HFLS3 existiera hoy en día, la sombra del agua no sería observable porque el contraste requerido en las temperaturas ya no estaría disponible.

"Este importante hito no solo confirma la tendencia de enfriamiento esperada para una época mucho más temprana de lo que ha sido posible anteriormente, sino que también podría tener implicaciones directas para la naturaleza de la esquiva energía oscura", dice el Dr. Axel Weiß del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, el segundo autor del estudio. Explica además: "Es decir, un Universo en expansión en el que la densidad de la energía oscura no cambia". Se cree que la energía oscura es responsable de la expansión acelerada del Universo en los últimos miles de millones de años, pero sus propiedades siguen siendo poco conocidas porque no se pueden observar directamente con las instalaciones e instrumentos actualmente disponibles. Sin embargo, sus propiedades influyen en la evolución de la expansión cósmica y, por lo tanto, en la velocidad de enfriamiento del Universo a lo largo del tiempo cósmico. Sobre la base de este experimento, las propiedades de la energía oscura siguen siendo, por ahora, consistentes con las de la "constante cosmológica" de Einstein.



Antenas del observatorio NOEMA en los Alpes franceses (MPG/Alemania, CNRS/Francia, IGN/España). Usando su poder de resolución único, los astrónomos sondearon el Universo temprano y encontraron un nuevo método para medir la temperatura del fondo cósmico de microondas.  

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Antenas del observatorio NOEMA en los Alpes franceses (MPG/Alemania, CNRS/Francia, IGN/España). Usando su poder de resolución único, los astrónomos sondearon el Universo temprano y encontraron un nuevo método para medir la temperatura del fondo cósmico de microondas.  


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Después de haber descubierto una de esas nubes de agua fría, el equipo ahora se propone encontrar muchas más en el cielo. Su objetivo es mapear el enfriamiento del eco del Big Bang dentro de los primeros 1.500 millones de años de historia cósmica. "Esta nueva técnica proporciona nuevos e importantes conocimientos sobre la evolución del Universo, incluidas las propiedades de la energía oscura, que son muy difíciles de restringir de otra manera en épocas tan tempranas", dijo Riechers.

"Nuestro equipo ya está siguiendo esto con NOEMA estudiando el entorno de otras galaxias", dice el coautor y científico del proyecto NOEMA, el Dr. Roberto Neri. "Con las mejoras esperadas en la precisión de los estudios de muestras más grandes de nubes de agua, queda por ver si nuestra comprensión básica actual de la energía oscura se mantiene".

NOEMA, el "NOrthern Extended Millimeter Array", es el radiotelescopio más potente del hemisferio norte. El observatorio opera a más de 2500 metros sobre el nivel del mar en uno de los sitios de gran altitud europeos más extensos, la meseta 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).

Dominik Riechers (Universidad de Colonia) realizó el estudio junto con sus colegas Axel Weiß (Instituto Max Planck de Radioastronomía, MPIfR), Fabian Walter (Instituto Max Planck de Astronomía, MPIA), Christopher L. Carilli (Observatorio Nacional de Radioastronomía, NRAO), Pierre Cox (Centre National de Recherche Scientifique, CNRS), Roberto Decarli (INAF -Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio) y Roberto Neri (Institut de RadioAstronomie Millimétrique, IRAM).

El estudio ha sido financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF), la Fundación Alexander von Humboldt (AvH), la Sociedad Max-Planck (MPG), el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) y el Instituto Geográfico Nacional (IGN).

 
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