#insights

Imagen de cabecera: nube molecular de Tauro, vista por Herschel y Planck © ESA

La misión Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), en la que trabajé 7 años, es muy atractiva desde el punto de vista científico y, especialmente, el de la ingeniería. Su objetivo es realizar un mapa altamente preciso de la radiación de fondo de microondas o CMB por sus siglas en inglés (Cosmic Microwave Background), el primer residuo fósil del universo.

Después del big bang y durante la posterior evolución temprana del cosmos, hubo estados de plasma muy concentrado en los que la materia y la energía no se distinguían. El universo se fue expandiendo y enfriando, pero seguía estando muy caliente y era muy denso. Por tanto, aunque materia y radiación empezaban a diferenciarse en esencia, la segunda no podía escapar de la primera (en cada punto del espacio la radiación, o para simplificar, la luz, estaba atrapada).

No hay huellas de esta época, pues ningún tipo de información podía viajar: nada se separaba de donde estaba, ni siquiera la luz, con lo que un observador no hubiese podido ver lo que sucedía más allá, pues no había ninguna radiación que le llegase para informarle (por supuesto, ese hipotético observador habría sido aplastado y descompuesto en mil pedazos, en cuestión de microsegundos).

Hay un punto de la expansión del universo (los famosos 300.000 años) en el que la temperatura baja de un punto crítico, en el cual la radiación ya puede escapar. Básicamente, en dicho punto, el universo se ha enfriado lo suficiente para que las complejas iteraciones entre partículas elementales permitan que toda esa energía en forma de radiación atrapada pueda viajar. Así que, de cada punto del universo, surge radiación en todas direcciones; se pude decir que el universo se hace transparente para la luz, que empieza a viajar sin fin.

Mucha de esta radiación no ha interaccionado con nada en todo el tiempo transcurrido desde entonces, mientras sigue llegando de todas direcciones. La posterior evolución del universo (que tiene unos 13.000 millones de años) hace que toda esa radiación se haya enfriado mucho a su vez y que se haya desplazado en el espectro de frecuencias. Ahora, se encuentra en la banda del microondas. La «luz» básicamente es radiación electromagnética, de muchos tipos. Desde ondas de radio, como las que escuchamos en casa, hasta rayos X, ultravioleta, infrarojos, microondas, rayos gamma… y la luz visible, que no es más que uno de los tipos de radiación, con la particularidad de que el ojo humano ha evolucionado para captarla por conveniencia evolutiva. Pero si, por ejemplo, la Tierra tuviese una atmósfera que no la dejase pasar, no nos serviría para nada verla, y probablemente hubiésemos evolucionado para ver en rayos gamma, ¡o incluso microondas! En definitiva, la luz no es más que un tipo de radiación, y toda la radiación es lo mismo, aunque en distintas longitudes de onda (merece la pena aclarar que toda la radiación electromagnética difiere solamente en las longitudes de onda, si bien hay radiación no electromagnética: neutrinos, que se consideran “radiación”, y ondas gravitacionales).

Una máquina frigorífica espacial para capturar la “luz” primigenia

En este punto, el CMB (recordamos: la radiación de fondo de microondas, el primer residuo fósil del universo) se encuentra en la banda del microondas y a una temperatura muy fría, a unos -270 grados centígrados, o 3 grados kelvin. Cero grados Kelvin, es decir, -273 grados centígrados, es lo que se llama el cero absoluto: nada se puede enfriar por debajo de esa temperatura, pues ésa es la temperatura de energía cero (y en este universo no existe, que sepamos, la energía negativa).

Para poder detectar un elemento tan frío, debemos disponer de detectores muy fríos. Si no, se corre el riesgo de contaminar la medida con ruido térmico. Planck, básicamente, es una “máquina frigorífica espacial”, un prodigio de la técnica, que tiene sus detectores a temperaturas de milésimas de Kelvin.

Ahora bien, ¿para qué sirve recoger la CMB a estas alturas? ¿Qué información proporciona esta «luz» primigenia? Los científicos siempre se han preguntado por qué existen galaxias y planetas y concentraciones de materia en el cosmos. Si todo parte de un punto (el big bang) y evoluciona en expansión, ¿por qué el universo no es simplemente una distribución uniforme de materia, es decir, un átomo aquí, otro a unos pasos, otro a otros, y así todo? Pero parece que la materia se ha agrupado con el tiempo, aunque en un modelo de expansión perfectamente simétrico esto no hubiese ocurrido.

Al medir la CMB con muchísima precisión, se aprecia que no es homogénea, que no tiene exacta temperatura en todas direcciones. Hay pequeñísimas variaciones en ella, dependiendo de dónde proceda. Esto quiere decir que ya en aquellos tiempos (300.000 años) se había roto la simetría y había unas partes ligeramente más energéticas que otras. Estas asimetrías son lo que dan lugar al universo que tenemos. Resulta que los procesos de asociación y disociación de materia y energía en esos tiempos, de creación y destrucción de partículas, no son perfectamente simétricos y omnidireccionales. Y todas las estructuras cósmicas actuales se basan en la «estructura» heterogénea de ese universo primitivo.

Así que, haciendo un mapa muy preciso de la CMB, registrando las pequeñísimas variaciones en su energía, y sabiendo con mucha precisión de dónde viene cada medida, se pueden hacer y validar los modelos de los procesos elementales que sucedieron antes de que el universo fuese «transparente» a la radiación, en los primeros momentos de su formación. Y además se puede validar cómo evolucionó la materia y la energía para darnos el universo que tenemos. Y además se puede tratar de comprender qué es la materia y la energía oscuras o invisibles, que ocupan el 90% del cosmos según los modelos gravitatorios, pero no la vemos ni sabemos nada de ella, sólo que, hipotéticamente, tiene que existir, pero ni siquiera sabemos cuál es su naturaleza y esencia.

Desde Sener, tuvimos el privilegio de ser responsables del sistema de apuntamiento de Planck (así como de sus amplificadores-detectores de 30GHz y 44GHz y las antenas banda X TTC de media y baja ganancia), para ayudar así a los científicos a observar donde realmente deseaban observar, con mucha precisión, para poder construir ese mapa cósmico de CMB.