Misión Planck: ¿cuál es su cometido?

El pasado 14 de mayo, la Agencia Espacial Europea realizaba el lanzamiento de la sonda Planck junto con la sonda Herschel. Ambas partían desde la Tierra con rumbo a la zona conocida como Lagrange 2, lugar desde donde ya realizan sus observaciones.

Los puntos de Lagrange son regiones del espacio que se caracterizan porque los campos gravitatorios del Sol y de la Tierra dan como resultado una especie de "pozo" gravitatorio que hace que sea difícil que un objeto situado en él pueda desplazarse lo suficiente como para abandonarlo.

Podemos visualizarlo de la siguiente forma. Si colocamos en el interior de un tazón de desayuno una canica o un garbanzo o una aceituna, el tazón sería la forma del campo gravitatorio del punto Langraniano, y nuestra canica representaría la sonda espacial. Si agitamos levemente, observaremos que la canica se mueve por el interior del tazón y vuelve a posarse en su fondo. Para que la canica abandone el tazón hay que agitarlo de forma brusca. Dicho de otro modo, a un objeto en un punto de Lagrange le resulta difícil salir de él, lo cual hace que su posición sea más o menos estable.

Radiación del fondo cósmico de microondas

La sonda Planck va a estudiar la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB por sus siglas en inglés). Dicha radiación es electromagnética, es decir, es lo mismo que la luz normal. La única diferencia es que la frecuencia a la que oscila dicha radiación es mucho menor que la de la luz. Según la frecuencia de la radiación, vemos unos colores u otros, así que podemos decir que la radiación de fondo está formada por colores que nuestros ojos no pueden captar.

La radiación de fondo empezó a viajar a través del Universo cuando la fase de nucleosíntesis primordial llegó a su fin. Con este nombre tan esotérico nos referimos al proceso por el cual se formaron los primeros núcleos atómicos del Universo. Esto fue posible porque la temperatura había descendido lo suficiente como para que el campo de radiación no impidiera la formación de dichos núcleos. Podemos imaginar el campo de radiación como una gran cantidad de fotones que inundaba todo el espacio.

Tras este proceso, el Universo estaba constituido por electrones, fotones, neutrinos y núcleos atómicos. Pero la temperatura seguía siendo tan alta que los fotones que formaban el campo de radiación impedían que esos núcleos capturaran a su alrededor electrones y formaran así los primeros átomos. No fue hasta unos 380.000 años después del Big Bang cuando la temperatura descendió por debajo de los 4.000 grados K.

En ese momento, el Universo se había expandido lo suficiente como para que los fotones pudieran viajar sin encontrarse en su camino con otras partículas como los electrones y con los núcleos atómicos formados anteriormente. Es decir, el campo de radiación dejó de interaccionar con la materia y, como consecuencia, se formaron los primeros átomos del Universo y los fotones pudieron viajar libremente por él. Estos fotones que se encontraban presentes en todo el Universo pudieron propagarse en todas direcciones, es por eso por lo que -miremos donde miremos- nos encontramos con los fotones que forman la radiación de fondo.

A esto se refieren los cosmólogos cuando dicen que el Universo "se volvió transparente".

La radiación de fondo no es completamente homogénea, sino que tiene pequeñas fluctuaciones. Estas fluctuaciones indican que cuando el Universo tenía 380000 años la materia no estaba repartida de forma homogénea, sino que había zonas en la que se concentraba más materia que en otra, es decir, esas fluctuaciones que se observan en la radiación de fondo nos informan de las semillas a partir de las cuales se formaron las grandes estructuras del Universo. Además, las características de la radiación de fondo dependen de lo que aconteció en el Universo antes de que ésta pudiera viajar libremente por el mismo. Estudiar dicha radiación es una ventana al Universo primitivo que nos ayudará a comprender mejor cómo pudo surgir éste.

Mediante la observación de dicha radiación la misión Planck podrá arrojar luz sobre algunos de los mayores misterios de la cosmología y de la astrofísica.

La curvatura del espacio, según los datos de la sonda WMAP de la NASA, debería de ser nula. Por eso la geometría que mejor describe nuestro espacio-tiempo, es la euclidiana.

Para hacernos una idea de que quiere decir esto imaginemos que realizamos un viaje con una nave espacial entre las galaxias. La trayectoria que sigue nuestra nave describe un triángulo. Si la geometría que describe nuestro Universo es la euclidiana, la suma de los tres ángulos que forman dicho triángulo debería ser de 180 grados. Pero si trazamos un triangulo sobre una superficie esférica observaríamos que la suma de los ángulos es mayor de 180 grados.

Probar distintos modelos inflacionarios debería permitir encontrar la influencia de las ondas gravitatorias generadas durante la época inflacionaria sobre el CMB. Y encontrar en el propio CMB la influencia de objetos tan exóticos como las cuerdas cósmicas, suponiendo que hayan existido.

Necesitamos temperaturas muy bajas

Pero captar la radiación de fondo no es tan sencillo. Para conseguirlo los instrumentos de la sonda Planck tienen que alcanzar una temperatura de trabajo de 273,05ºC bajo cero, es decir, 0,1ºC por encima del cero absoluto. Esto se debe a que la radiación de fondo es una señal muy débil y es necesario que la instrumentación utilizada genere el menor ruido posible. por eso se necesita bajar tanto la temperatura.

Desde el pasado 3 de julio los instrumentos a bordo de la sonda Planck alcanzaron su temperatura de trabajo, por lo que ya están listos para observar la radiación de fondo y conducirnos al origen del Universo. Los principales instrumentos de la sonda son el LFI y el HFI (las siglas en inglés de Instrumento de Baja Frecuencia e Instrumento de Alta Frecuencia respectivamente).

Con el LFI se observarán tres bandas de frecuencias comprendidas entre los 30 y 70 gigahertzios, y con el HFI se observarán seis bandas entre los 100 y los 857 gigahertzios.

La primera luz

Durante el mes de agosto tuvo lugar lo que se suele llamar "la primera luz", es decir, es la primera vez que la sonda empezaba a captar la radiación de fondo. Durante la fase de la primera luz, se comprueba que el comportamiento de los instrumentos de observación sea el adecuado y también se comprueba que el segmento de Tierra, esto es, la base que hace el seguimiento de la actividad de la sonda, funcione correctamente. Esta fase ha llevado dos semanas, empezó el 13 de agosto y finalizó el 27 del mismo mes. Durante dicha fase todo ha ido a las mil maravillas y no ha sido necesario realizar ningún tipo de ajuste.

Desde ahora la sonda empezará a observar la radiación de fondo, y ése es sólo el principio del trabajo, ya que después, los datos recogidos deberán ser analizados meticulosamente.

En los próximos años nuestro conocimiento sobre los primeros instantes del Universo habrá vuelto a mejorar. Hace 400 años Galileo Galilei dirigió el primer telescopio al firmamento descubriendo que el Universo era más raro de lo que imaginábamos, desde entonces no hemos parado de observar el Universo con mejores telescopios y nuevos instrumentos como los radiotelescopios que nos han abierto nuevas ventanas de observación que han vuelto a cambiar nuestra forma de ver el Universo.

Desde hace menos de un siglo sabemos que el Universo está en expansión, que su estructura a gran escala está formada por cúmulos de galaxias que se agrupan formando una gigantesca estructura que recuerda a la de una esponja, hemos descubierto que el Universo está compuesto de elementos que no éramos capaces de imaginar, como la materia oscura y la energía oscura, que han resultado ser sus componentes más importantes, aunque aún desconocemos qué son realmente.

A pesar de todo este avance en nuestro conocimiento del Universo, seguimos sin poder responder bien a las preguntas de ¿cómo empezó todo ésto? ¿Por qué el Universo tiene la estructura que presenta? ¿Qué sucedió hace unos 14000 millones de años cuando según parece el Universo empezó a expandirse? La sonda Planck arrojará luz sobre estas y algunas otras preguntas, ayudándonos a acercarnos un poco más a la que posiblemente sea la pregunta de las preguntas ¿de dónde venimos?