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Divulgación Científica

Observando los primeros instantes de nuestro Universo desde Argentina

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28 julio, 2021

Argentina forma parte del proyecto QUBIC, una importante colaboración internacional junto con Francia, Italia, Irlanda, el Reino Unido y Estados Unidos, cuyo objetivo es realizar observaciones astronómicas para estudiar los primeros instantes de la formación de nuestro universo. En este contexto, el rol de Argentina es brindar el sitio donde se colocará el primer telescopio del proyecto. Nuestro país se encargará de recibir el telescopio, llevarlo hasta Alto Chorrillos, en Salta, e instalarlo en el Observatorio que se está construyendo en este lugar, además de brindar la infraestructura en general para las investigaciones que se realizaran allí. El 7 de julio de este año, proveniente de Francia, llegó el telescopio al puerto de Buenos Aires, a bordo del Buque Haris, donde, luego de calibraciones y pruebas, será enviado a su destino final. Así, el proyecto estará un paso más cerca de comenzar a realizar las observaciones para las que fue diseñado. Pero, ¿de qué se trata este proyecto? ¿Qué es un telescopio de microondas? A continuación analizaremos los aspectos más importantes de esta novedosa iniciativa. 

¿Qué es QUBIC?

QUBIC significa Interferómetro Bolométrico Q-U para Cosmología (de las siglas en inglés Q-U Bolometric Interferometer for Cosmology). Su objetivo principal es estudiar la radiación cósmica de fondo para probar la Teoría Inflacionaria. Seguramente te preguntarás a qué nos referimos… veamos de qué se tratan estos dos términos.

La teoría más aceptada hasta el momento por la comunidad científica para explicar la formación del universo es la Teoría de Big Bang, que considera que el universo comenzó a expandirse a partir de un punto en donde se creó toda la materia y la energía, y que dicho evento ocurrió hace 13.800 millones de años. Durante los primeros instantes de la formación del universo hubo diferentes eventos sucediendo a velocidades increíbles, y en particular, la Teoría Inflacionaria indica que entre los 10-36 y 10-33 segundos luego del Big Bang, el universo se expandió muy rápidamente. Luego, siguió creciendo, pero a un ritmo mucho más lento, y este proceso de expansión continúa aún hoy. (Pensemos que el número de 10-36 segundos es el decimal 0,00…..1 en donde hay 35 ceros antes de llegar al número 1. ¡Es un tiempo tan extremadamente corto que es difícil imaginarlo!). 

Por otra parte, la Radiación Cósmica de Fondo (descubierta casi de casualidad por los astrofísicos Arno Penzias y Robert Wilson en 1964, que ganaron el Premio Nobel de 1978 por este descubrimiento) es la radiación electromagnética que está presente en todo el universo y distribuida casi homogéneamente (o casi isotrópicamente, es decir, en todas direcciones se percibe igual), y que fue emitida en forma de fotones durante la combinación de los protones y los electrones para formar los primeros átomos estables de hidrógeno (unos 380.000 años luego del Big Bang), cuando la temperatura del universo había descendido a aproximadamente 4.000 Kelvin (o 3.727 grados centígrados o Celsius). A lo largo del tiempo, su energía ha ido disminuyendo, y hoy en día podemos detectar esta radiación de fondo en las longitudes de onda de las microondas (que van desde los milímetros hasta casi un metro de longitud, mucho más largas y con menos energía que las longitudes de onda visibles, que componen los colores que perciben nuestros ojos). Esta radiación corresponde a la que emitiría un objeto que se encuentre a una temperatura de casi 3 Kelvin (equivalente a -270 grados Celsius), muy cercano al cero absoluto (la temperatura más baja que puede tener un objeto), y se irá enfriando cada vez más a medida que el universo continúe expandiéndose. 

Esquema de la historia de nuestro universo. Luego del Big Bang, existe un período de inflación en la que el universo crece muy rápidamente, después su crecimiento se hace más lento. En el período de inflación se generan ondas gravitacionales que polarizan la luz emitida al formarse átomos de hidrógeno, unos 380.00 años luego del Big Bang.

Toda radiación electromagnética está compuesta, como su nombre lo indica, de campos eléctricos y magnéticos, que viajan a una velocidad de aproximadamente 300.000 km/s, oscilando perpendicularmente entre sí y a su vez ambos en forma perpendicular a la trayectoria de propagación. Una fuente de radiación electromagnética puntual emite ondas en todas las direcciones del espacio, y a su vez para cada dirección de propagación, existen ondas con campo eléctrico (y el consiguiente campo magnético) oscilando en todos los planos posibles. Muchas veces, y por diversos motivos, el campo eléctrico de una onda de radiación oscila sólo en algunas direcciones (o planos) en particular, a este tipo de radiación se le llama luz polarizada. Esto puede ocurrir, por ejemplo, si la radiación electromagnética proveniente de una estrella atraviesa nubes de gas y polvo interestelar, la interacción con partículas de polvo que no son perfectamente esféricas genera que la luz se polarice en ciertas direcciones. Analizando la polarización que obtiene la luz luego de atravesar la nebulosa, se pueden conocer características acerca de dicha nebulosa, obteniendo datos como el tamaño, forma y orientación de los granos de polvo. En el caso particular de la radiación cósmica de fondo, la teoría predice que debe tener dos estados de polarización diferentes, llamados modos o estados de polarización E y B. 

El estado E se debe a pequeñísimas variaciones de densidad en la organización de la materia durante el Big Bang, lo cual explica que hayan podido formarse las galaxias, y efectivamente fue detectado por el telescopio DASI (las siglas en inglés de Degree Angular Scale Interferometer) en 2002. Este es el motivo de que más arriba hayamos mencionado que la radiación cósmica de fondo es casi isotrópica: la percibimos con pequeñísimas variaciones debido a los cambios de densidad.

En cambio, el estado B, predicho por la teoría aceptada sobre la formación del universo, aún no ha sido detectado. Se cree que, durante el período de rápida expansión que mencionamos anteriormente, es decir, el período inflacionario, se originaron ondas gravitacionales. Estas ondas gravitacionales habrían generado el modo B de polarización de la radiación cósmica de fondo. Es así que descubrir e investigar estos modos B de polarización nos permitiría confirmar la Teoría Inflacionaria y aprender mucho más acerca de los primeros instantes de la formación de nuestro universo. O en su defecto, si no existe este modo B de polarización, nos impondría elaborar modificaciones a la teoría aceptada, o formular una nueva teoría. 

Así nace el proyecto QUIBC: se formó con el objetivo de detectar este modo de polarización, y así, obtener novedosa información acerca de los primeros instantes de la formación del universo.

¿Cómo es el telescopio?

La investigación astronómica consiste en observar la radiación emitida por diferentes objetos en el universo. Existen telescopios específicos para estudiar diferentes rangos de longitudes de onda de la radiación: telescopios de luz visible, de radiación infrarroja, de radiación ultravioleta, de rayos X, etc. En particular, el telescopio del proyecto QUBIC observará el cielo en dos frecuencias de microondas, 150 GHz y 220 GHz, que corresponden a longitudes de onda de aproximadamente 0,19 cm y 0,13 cm, respectivamente. Estas radiaciones se detectarán con una técnica novedosa que combina interferometría y bolometría. La interferometría consiste en superponer diferentes ondas de luz para obtener patrones de interferencia (regiones de oscuridad o luz dependiendo de cómo se da dicha superposición), mientras que la bolometría es una técnica que mide la luz incidente al detectar cuánta temperatura genera en un material. En el caso de este telescopio, la interferometría permite un control muy fino debido a que las antenas que generan los patrones de interferencia pueden calibrarse individualmente, mientras que los detectores bolométricos aumentan la sensibilidad de todo el instrumento.

Para esto, el telescopio necesita estar a temperaturas de 4 Kelvin (-269 °C), muy cercanas al cero absoluto, por lo cual se encuentra dentro de una carcasa cilíndrica de 1,8 m de altura y 1,6 m de diámetro, que funciona como un aislante térmico. Para alcanzar estas temperaturas tan extremadamente bajas, se desarrolló un avanzado sistema de refrigeración específicamente para este telescopio. La construcción del aparato se dividió entre varios de los países participantes: Francia se encargó de construir los detectores y los dispositivos electrónicos; Italia del recipiente contenedor o criostato, los espejos y las antenas; Inglaterra del sistema de refrigeración y filtros, y Argentina de la fabricación de la montura sobre la cual se ubica al telescopio, la que le da el movimiento para orientarlo en el cielo, además de la infraestructura del observatorio en Salta y la logística del traslado del telescopio a su destino final. 

El telescopio siendo ensamblado en Francia.

Esquema del telescopio. El criostato (carcasa cilíndrica aislante) posee una apertura de 45 cm. El sistema de refrigeración hace que el telescopio mantenga diferentes secciones a temperaturas de 4 Kelvin, 1 Kelvin o menos de 1 Kelvin (aproximadamente temperaturas de -270 grados Celsius). Diferentes filtros y polarizadores seleccionan las frecuencias investigadas y permiten que no se caliente el interior. A continuación, antenas dirigen la radiación hacia los espejos del telescopio, la superposición de la radiación de las antenas generará patrones de interferencia. Por último, un filtro divide la radiación en las dos frecuencias de interés, y la radiación se detecta en los fotodetectores.

Corte esquemático del telescopio.

¿Por qué en Salta?

El observatorio se encuentra en la provincia de Salta, a unos 16 km hacia el oeste de la localidad de San Antonio de los Cobres, en la zona de Altos Chorrillos. Este lugar ya fue estudiado y elegido anteriormente para el emplazamiento del proyecto LLAMA (por Large Latin American Millimetre Array o Gran Conjunto Milimétrico de América Latina), de hecho, el QUBIC se encuentra a tan solo 800 metros del LLAMA. A 4900 metros sobre el nivel del mar, esta zona presenta condiciones óptimas para la astronomía, relacionadas con la poca contaminación lumínica y la claridad de los cielos, la temperatura adecuada, baja humedad del aire (uno de los parámetros que más afecta a la astronomía de microondas) y velocidades del viento aptas. Este proyecto contribuirá a convertir a esta zona del país en un verdadero polo científico con reconocimiento internacional. Se han realizado diferentes actividades de comunicación científica para la población del lugar, para transmitir la importancia de este tipo de proyectos.

Sitio donde se colocará el telescopio.

 

Vista del poblado de San Antonio de los Cobres.

 

Fuentes e imágenes adaptadas de: