La ciencia que fue iluminada por la primera luz del universo

Hace unos 13.800 millones de años, nuestro universo se expandió a una velocidad asombrosa. Todo lo que observamos hoy, que alguna vez estuvo unido, se ha expandido hasta convertirse en una masa fluida de luz y partículas. Se necesitaron 380.000 años para que esta sopa densa y caliente se diluyera y se enfriara lo suficiente como para permitir que la luz pasara a través de ella. Esta primera luz, que se remonta a la formación de los primeros átomos, se llama fondo cósmico de microondas y todavía puede detectarse hoy.

«Cuando lo observas, lo que estás viendo son las condiciones iniciales del universo», dijo. Emanuel Chanel mundo de los empleados en Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC Y un miembro destacado de Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología (KIPAC) En SLAC y Stanford.

Chan es uno de varios investigadores que colaboran en el avanzado Observatorio Simons actualmente en construcción en el desierto de Atacama de Chile. Está previsto que el Observatorio Simons comience a funcionar a finales de este año, pero gracias a una reciente subvención de la Fundación Nacional de Ciencias, sus capacidades seguirán creciendo. La versión avanzada incluirá 30.000 detectores de fondo cósmicos de microondas adicionales, lo que nos brindará una mejor imagen del universo temprano, su evolución y muchos fenómenos dentro de él.

Además de los detectores, el observatorio actualizado tendrá capacidades mejoradas de intercambio de 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 mapeo del receptor del telescopio de gran apertura y hará que nuestro observatorio sea excepcionalmente sensible», dijo. Susan Clarkprofesor asistente de física en la Universidad de Stanford en Facultad de Humanidades y Ciencias Y uno de los dos científicos del proyecto del Observatorio Avanzado Simons. «Tendremos mapas profundos y sensibles del fondo cósmico de microondas y de la emisión de polvo polarizado de nuestra galaxia, y también podremos ver cómo el cielo sobre nosotros cambia de una noche a otra».

Divulgación detallada

A menudo, los estudios de grandes zonas del cielo tardan años en recopilar y compartir datos. Pero cuando esté terminado, el avanzado Observatorio Simons podrá crear y analizar mapas diarios del cielo y compartir alertas con la comunidad científica en general sobre fenómenos transitorios como el destello brillante de un evento de perturbación de marea, cuando una estrella en una galaxia distante se acerca demasiado a un agujero negro y se destroza.

«Esta es una nueva forma en que podemos observar el universo: observar cómo el cielo cambia con el tiempo en el rango de longitud de onda milimétrica del espectro electromagnético. Nunca antes habíamos podido hacerlo así», dijo Clark, quien también es estudiante de último año. miembro de KIPAC.

Chan 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 aproximadamente 14 mil millones de años, esencialmente proporciona iluminación de fondo para objetos creados recientemente. Los objetos masivos, como las galaxias y los cúmulos de galaxias, proyectan sombras sobre el fondo cósmico de microondas y su gravedad puede doblar los fotones a su alrededor, revelando masas invisibles como gases difusos o materia oscura.

«Alrededor de las galaxias hay un halo muy extendido de gas difuso que es muy difícil de observar, y el Observatorio Simons nos permitirá detectarlo», dijo Chan. «Al ver hasta dónde se extienden, podemos resolver algunas incertidumbres clave sobre la formación de galaxias».

Zeeshan Ahmed, miembro de alto rango de KIPAC y científico principal de SLAC, es un cosmólogo observacional que trabaja para comprender cómo evolucionó el universo y por qué tiene el aspecto que tiene. 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 discrepancias entre el pasado y el presente.

«Si nos fijamos en los datos del universo temprano y del universo tardío, son muy consistentes excepto por algunas cosas contradictorias que no son completamente consistentes», dijo Ahmed. «¿Es esto suerte? ¿O hay algo en la física fundamental que aún no hemos descubierto o comprendido?»

Construido para sorprender

Equipos de todo el país están trabajando para diseñar y construir diversos aspectos de los telescopios, detectores y sistemas de datos que permitirán estas observaciones. Por ejemplo, Ahmed y sus colegas han diseñado un sistema que convertirá las señales eléctricas de los detectores del telescopio más grande del Observatorio Simons en datos que pueden compartirse y analizarse.

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

«Hemos realizado algunos avances tecnológicos y hemos ideado un diseño sobre cómo conectar sensores superconductores a componentes electrónicos a temperatura ambiente sin sobrecargar el sistema con calor», dijo Ahmed. «El Observatorio Simons será el primer gran experimento de fondo cósmico de microondas que utilizará este sistema de lectura a gran escala para la observación científica».

Los investigadores tienen ideas sobre lo que encontrarán en el avanzado Observatorio Simons. Más allá del fondo cósmico de microondas, buscarán y estudiarán los lugares de nacimiento de estrellas distantes, el contenido de polvo interestelar, las exonubes (capas esféricas de hielo y polvo en los bordes de los sistemas solares) y una serie de otros fenómenos. Pero, dadas las capacidades únicas de este observatorio, también están abiertos a encontrar algo inesperado, como encontrar una pieza de rompecabezas en el universo que no sabíamos que nos faltaba.

«Cuando eres capaz de mirar el universo de una manera nueva, te permites la posibilidad de sorprenderte», dijo Clark. «Desde que los humanos hemos existido preguntándonos sobre las cosas, hemos tratado de comprender cómo llegamos aquí y cómo funciona el universo. Y ya estamos en los límites de nuestra capacidad para hacerlo».