Para los amantes del tango, decir “Veinte años no es nada” tiene un sentido claro: el tiempo se nos va sin darnos cuenta. Pero para un hombre como Rod Davies, que en veinte años ha vivido una auténtica revolución en su campo -el origen y la evolución del Universo-, ese tiempo ha sido fundamental para obtener algunas respuestas. Profesor emérito de la Universidad de Manchester, este científico británico ha trabajado como investigador y profesor de Radioastronomía en el Observatorio de Jodrell Bank (Reino Unido). Durante toda su trayectoria profesional, ha contribuido con sus estudios a cuestionar seriamente la teoría del Universo Estacionario construyendo y apoyando una alternativa mucho más probable, la que actualmente acepta la mayor parte de la comunidad científica: el modelo del Big Bang. Y Davies, como ha puesto de manifiesto en la Escuela de Invierno del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), sabe a ciencia cierta que dicho Instituto y su Observatorio del Teide, en Tenerife, han tenido un papel protagonista en esta historia.
La confirmación de la existencia de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas tuvo una gran importancia como la prueba más contundente del Big Bang, que también explicaba la expansión del Universo y el origen de los elementos ligeros. Pero esta radiación, antes de que nos alcanzara, ha tenido que recorrer un largo camino. “En primer lugar, para llegar hasta nosotros -afirma Davies-, “las señales del Fondo Cósmico de Microondas que vienen desde los confines del Universo deben pasar a través de cúmulos de galaxias dispersos, a través de los diversos componentes de la Vía Láctea, antes de que, finalmente, penetren en la atmósfera terrestre. Cada uno de estos obstáculos añade su propia firma que debe ser desentrañada de la correspondiente a la Radiación del Fondo Cósmico de Microondas”.
FUENTES CONTAMINANTES
Como advierte Davies, existen ciertos procesos físicos en la naturaleza que pueden enmascarar la radiación del Fondo Cósmico de Microondas. Debemos identificar -y restar- estas fuentes que pueden contaminar los datos cosmológicos. Dos de estas emisiones ya se conocían. “Una de ellas –explica este científico británico- es la emisión de sincrotrón que nos llega desde los electrones de los rayos cósmicos girando en el campo magnético de la galaxia”. Se trata de un tipo de radiación no térmica generada por partículas cargadas, normalmente electrones, girando en espiral alrededor de líneas de campos magnéticos a una velocidad cercana a la de la luz. Dado que los electrones siempre están cambiando de dirección, estos se aceleran y emiten fotones con frecuencias determinadas por la velocidad del electrón en ese instante. La radiación emitida se reduce a un estrecho punto cónico en la dirección del movimiento de la partícula. También se polariza en el plano perpendicular al campo magnético, de manera que el grado y la orientación de la polarización proporcionan información sobre el campo magnético de la fuente.
“El otro tipo de emisión –continúa Davies- es la emisión libre-libre (free-free en inglés) que recibimos de los electrones libres calientes colisionando con los núcleos de hidrógeno de carga positiva”.
Pero hay otro tipo de emisión, la denominada “emisión anómala en microondas”, que fue detectada mientras se buscaba la radiación de Fondo Cósmico de Microondas. Se trataba de un fondo completamente nuevo, denominada a veces “fondo X”. “Creemos, -comenta Davies- que se origina en granos de polvo interestelar extremadamente pequeños compuestos de entre 20 a 100 átomos. Los impactos de fotones provocan que giren a decenas de billones de veces por segundo, generando ondas de radio en las frecuencias correspondientes”.
LA TECNOLOGÍA NECESARIA
Para poder estudiar la radiación del Fondo Cósmico de Microondas es necesario contar con una tecnología avanzada y precisa. Davies, como pionero en Europa de su estudio, recuerda que, desde que Penzias y Wilson descubrieran la radiación, en 1964, “el campo ha crecido hasta convertir el estudio de la evolución del Universo en el centro de atención del escenario de la Cosmología”.
“Este crecimiento –añade Davies- ha sido posible gracias a los asombrosos avances tecnológicos que tuvieron lugar en ese periodo. Tras vislumbrar por primera vez el Fondo Cósmico de Microondas, el siguiente objetivo era la detección de su dipolo, debido al movimiento del Grupo Local de galaxias cercano, a unos 600 km/s. Esta señal suponía tan solo una milésima parte de la señal del Fondo Cósmico de Microondas en sí misma. Veinte años de experimentos sofisticados alrededor de todo el mundo dieron un impulso a la sensibilidad (instrumental) más allá de un factor 100 antes de que las fluctuaciones (“las arrugas”) pudieran ser detectadas. Las primeras fluctuaciones se encontraron a través de experimentos en tierra y, más tarde, con programas espaciales. Ha sido un viaje apasionante de descubrimientos en el que he tomado parte”.
PARTICIPACIÓN DEL IAC
En este viaje también han participado científicos e instrumentos del Instituto de Astrofísica de Canarias, en concreto, a través delExperimento de Tenerife, el Experimento COSMOSOMAS y el Very Small Array (VSA), todos ellos instalados en el Observatorio del Teide. Davies indica que “el Experimento de Tenerife, utilizando un haz conmutado e interferometría, fue uno de los primeros en detectar la estructura del Fondo Cósmico de Microondas y en demostrar la existencia de la emisión anómala”.
“El Experimento COSMOSOMAS –prosigue Davies- continuó el trabajo del Experimento de Tenerife y mostró, de un modo determinante, el espectro de grupos de polvo que probaban, de manera concluyente, que la emisión anómala se debía, efectivamente, a polvo girando.”
Por su parte, “el Very Small Array (VSA) está midiendo la estructura en el Fondo Cósmico en resoluciones angulares mayores de las que es posible medir con proyectos espaciales, y está ampliando nuestro conocimiento de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas y de la emisión de nuestra galaxia”.
Con esto se demuestra la importancia de combinar experimentos desde tierra con misiones espaciales. Para Davies, ya se ha demostrado que hay lugares excelentes en tierra para el estudio del Fondo Cósmico. “En tierra no estamos limitados por el tamaño del equipamiento y, por lo tanto, podemos alcanzar mayor resolución angular que con la actual generación de experimentos espaciales. Hay mucho por hacer en altas resoluciones con la radiación del Fondo Cósmico de Microondas y con los contaminantes de la misma (conocidos como ‘foregrounds’ en inglés). Una nueva área de investigación, que supone un reto técnico, es el estudio de la polarización -particularmente los denominados “modos B”- que sondean el Universo temprano, el tiempo de la Inflación. Este trabajo se iniciará primero desde tierra”.
En cuanto a las misiones espaciales, han sido fundamentales para obtener información determinante. Así lo fue para George Smoot y John Mather, que en el año 2006 recibieron el Premio Nobel de Física gracias a los datos obtenidos con el satélite COBE(Cosmic Background Explorer Satellite, Satélite de Exploración del Fondo Cósmico). “Este satélite –recuerda Davies- era capaz de cartografiar todo el cielo con la sensibilidad suficiente como para detectar el Fondo Cósmico, pero no podía detectar las pequeñas escalas angulares que sí pueden detectarse desde tierra. COBE estableció la uniformidad extrema del Fondo (de una parte en cien mil), lo que implicaba su origen cósmico. Además, las débiles fluctuaciones que detectó estaban a un nivel que concordaba con una Cosmología Evolucionaria. Estos fueron avances importantes”.
DEL SPUTNIK AL TEIDE
Para Davies hubo dos momentos determinantes en su carrera. El primero está directamente relacionado con la carrera espacial: la sorprendente e inspiradora visión del reflejo del Sol desde la plataforma de lanzamiento del Sputnik I mientras cruzaba el cielo en Jodrell Bank en la noche del 5 de octubre de 1957. “El seguimiento del cohete –cuenta este investigador- justificó en un instante la construcción del Radiotelescopio 250 pies (actualmente conocido con el nombre de Lovell Telescope) y aseguró su financiación. Celebramos el 50 aniversario de este acontecimiento el mes pasado. Toda mi carrera ha estado profundamente relacionada con este telescopio, desde que empecé como profesor adjunto en la Universidad hasta desempeñar mi cargo de director.”
El segundo de esos momentos apasionantes está ligado a los experimentos llevados a cabo en Tenerife. “Trabajar en estudios de Cosmología con el telescopio me llevó a una investigación de 20 años en busca de fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas, culminando con la segunda de las experiencias que esperaba cumplir: detectarlo gracias a los experimentos de Tenerife llevados a cabo en el Observatorio del Teide, en Izaña. Por ello estoy inmensamente agradecido a mis colegas del IAC y, posteriormente, a mis colegas de Cambridge”. Agradecimiento mutuo, sin duda.
INFORMACIÓN ADICIONAL SOBRE EL EXPERIMENTO DE TENERIFE
Durante casi tres décadas se buscaron sin éxito las variaciones en la temperatura del Fondo Cósmico de Microondas. Conforme se mejoraba la calidad de las medidas con instrumentos más avanzados, se encontraba que ese Fondo de Microondas era homogéneo y presentaba la misma temperatura independientemente de la dirección en la que se mirara.
En 1983, en los Laboratorios de Radio Astronomía de Nuffield (NRAL), de la Universidad de Manchester en Jodrell Bank (Reino Unido), se planteó que ya se disponía de receptores que, incorporados a un instrumento en funcionamiento permanente, situado en un emplazamiento a gran altitud y con una atmósfera estable, podrían alcanzar la sensibilidad necesaria para detectar la radiación del Fondo Cósmico. Con esta idea se construyó un pequeño radiotelescopio de doble antena (radiómetro) de 10 Ghz (gigahertzios) y se estableció contacto con el IAC, pues se sabía que su Observatorio del Teide, en Tenerife, había demostrado ser un buen emplazamiento a lo largo de las observaciones realizadas con el telescopio infrarrojo de 60 pulgadas (1,5 m), el actual Telescopio “Carlos Sánchez”. Se llegó entonces a un acuerdo y el radiómetro se instaló en octubre de 1984. El Experimento de Tenerife sobre el Fondo Cósmico de Microondas o, simplemente, Experimento de Tenerife, nacía así fruto de una estrecha colaboración entre el NRAL y el IAC. En este Experimento también participaba el Observatorio de Radioastronomía de Mullard (MRAO), de Cambridge (Reino Unido).
Rafael Rebolo, responsable del proyecto por parte española y uno de los organizadores de la Escuela de Invierno de este año, explica cómo se fue ampliando el Experimento de Tenerife hasta alcanzar su última configuración: “La calidad de las observaciones del primer año fue excelente, así que se decidió cambiar la resolución angular del experimento aumentando la longitud de las antenas y graduando al mismo tiempo los receptores para conseguir más resolución. A medida que el nivel de sensibilidad alcanzaba el nivel supuesto para el fondo galáctico -radiación que sí procedía de nuestra propia galaxia-, se puso en período de pruebas un nuevo instrumento que funcionaría a la frecuencia, más alta, de 15 GHz, a la que la contaminación galáctica sería 2,5 veces menor y donde, además, el instrumento sería mucho más sensible, al incorporar la más avanzada tecnología de receptores. Este segundo instrumento se instaló en 1987.”
Y añade este investigador del IAC y Profesor de Investigación del CSIC: “Dado que los dos instrumentos estaban combinados a escala, para obtener exactamente la misma respuesta en el cielo, y que para el análisis final se precisaban los datos de ambos, se pensó que deberían considerarse como un experimento único con un solo nombre. Fue así cómo el Experimento de Tenerife se convirtió en un conjunto de instrumentos en constante evolución y no en un solo aparato fijo, especialmente con la llegada, en 1992, de un nuevo radiómetro que funcionaba a la frecuencia de 33 GHz y que respondía a la necesidad de alcanzar niveles aún más bajos fuera del alcance de la emisión galáctica. En la frecuencia de 33 GHz, la señal galáctica debía disminuir en, al menos, otro factor de cinco, con lo que cualquier señal que apareciera en los tres instrumentos en la misma amplitud debía obedecer a las perturbaciones térmicas propias de la radiación del Fondo Cósmico que se buscaban.”
Después de varios años de investigación, las medidas de temperatura acumuladas con estos pequeños radiotelescopios de doble antena instalados en el Observatorio del Teide permitieron identificar y localizar las primeras estructuras cosmológicas en la radiación del Fondo Cósmico de Microondas. La primera de ellas, consecuencia de la formación de grandes aglomeraciones de materia tan sólo 300.000 años después de la Gran Explosión, fue detectada en la constelación de Canes Venatici (Perros de caza).
“Los primeros resultados -informa Rebolo- fueron anunciados en septiembre de 1993 en un Workshop sobre el CMB organizado en Capri. Pero fue el 27 de enero de 1994 cuando el equipo del Experimento de Tenerife publicaba en Nature la identificación inequívoca, utilizando datos procedentes de los tres radiómetros, de variaciones en la intensidad de la radiación asociadas a regiones individuales calientes y frías con una amplitud de 80 microkelvin. El satélite COBEhabía hallado previamente evidencias estadísticas de la presencia de tales fluctuaciones a escalas angulares grandes en los datos obtenidos a lo largo de su primer año. La detección de estructura común se confirmó en 1995 mediante una correlación cruzada entre los datos de Tenerife y los de COBE.”
A lo largo de las dos semanas de la Escuela de Invierno, los medios de comunicación tendrán a su disposición toda la información relacionada con la misma (Entrevistas, Fotos y Vídeos), en la página web de Sala de prensa/Press Room de esta Escuela: http://www.iac.es/winschool2007/pages/press-room.php
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