Comienza la búsqueda del eco del Big Bang desde el gran observatorio Simons en Chile

Los primeros telescopios del Observatorio Simons, en Chile, han comenzado a recopilar datos, marcando así el inicio científico de este proyecto que se extenderá por 10 años y que tiene como objetivo realizar la medición más precisa jamás realizada de la radiación de fondo cósmico.

El objetivo es intentar detectar en estos primeros destellos del cosmos, las diminutas huellas de ondas gravitacionales que habrían sido generadas por una fase de inflación del universo primigenio. Un proyecto en el que participan dos laboratorios del IN2P3, APC e IJCLab.

El Observatorio Simons acaba de terminar su fase principal de construcción en las alturas del desierto de Atacama en Chile y comenzará a recopilar datos que conducen a las mediciones más precisas jamás realizadas de la luz más antigua del universo. Esta última, conocida como radiación de fondo cósmico (Cosmic Microwave Background en inglés), fue emitida aproximadamente 380,000 años después del Big Bang y contiene los secretos del nacimiento del cosmos.

De hecho, los científicos predicen que un período de expansión rápida del universo en sus primeros instantes, llamado inflación, podría haber generado ondas gravitacionales en la trama del espacio-tiempo. Estas ondas afectan las propiedades de polarización de la luz de la radiación de fondo cósmico al imprimirle un patrón particular, que los cosmólogos llaman "modos B de polarización".

"Su descubrimiento proporcionaría una ventana sin precedentes sobre cómo nació el universo y ofrecería una confirmación de la teoría de la inflación", explica Mark Devlin, codirector del observatorio de la Universidad de Pensilvania. "La amplitud de los modos B primordiales nos informará sobre el estado del universo en los primeros instantes después de su nacimiento."

"La cuestión del origen del universo siempre ha fascinado a los humanos", declara Brian Keating, investigador principal del observatorio de la Universidad de California en San Diego. "Con el Observatorio Simons, estamos a punto de descubrir respuestas enraizadas no en meras especulaciones, sino en los datos más precisos jamás recopilados por los telescopios más avanzados del mundo."

"Llevamos la investigación sobre el universo primordial a un nuevo nivel", declara Suzanne Staggs, codirectora del Observatorio Simons en la Universidad de Princeton. "La sensibilidad de nuestros instrumentos abre nuevas perspectivas para el campo."

La búsqueda

Uno de los principales objetivos científicos del Observatorio Simons es ayudar a esclarecer qué sucedió en el primer decillonésimo de segundo después del Big Bang (es decir, un trillón de un trillón de un milmillonésimo de segundo). En ese breve instante, los científicos creen que el universo multiplicó su tamaño por un factor de 100 trillones de trillones. Sería comparable a una bacteria que crece hasta el tamaño de una galaxia.

Para aprovechar condiciones de observación ideales, el Observatorio Simons está establecido en el monte Toco a casi 5200 m de altitud en el desierto de Atacama en Chile. En la imagen aparecen los tres telescopios de 40 centímetros de apertura (SAT), rodeados por una pantalla que los protege de las emisiones terrestres, y en primer plano la estructura del telescopio de 6 metros de apertura (LAT) en proceso de instalación.

Las fluctuaciones cuánticas en el universo primordial habrían generado las primeras inhomogeneidades en el cosmos que posteriormente evolucionaron para crear la distribución de materia que observamos en el universo moderno. Estas mismas fluctuaciones también generaron ondulaciones en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales primordiales.

Aunque este período inflacionario fue un momento crucial en la historia del universo, no podemos observarlo directamente. El universo primitivo era entonces demasiado caliente y denso para que la luz pudiera propagarse libremente. Solo después de 380,000 años de evolución, y el enfriamiento del plasma que constituye el universo primordial, la luz pudo comenzar a moverse sin obstáculos. Es la radiación de fondo cósmico que observamos hoy.

Como la luz que pasa a través de un par de gafas de sol polarizadas, la luz de la radiación de fondo cósmico puede tener una orientación preferida, o "polarización". Las ondas gravitacionales de la inflación habrían dejado patrones sutiles llamados modos-B en la polarización de la radiación de fondo cósmico. Detectar estos modos-B proporcionaría información sin precedentes sobre los primeros instantes del universo.

"Estamos en busca de una señal generada durante el primer milmillonésimo de un trillón de un trillón de segundo después del Big Bang", declara Arthur Kosowsky, portavoz de la colaboración del Observatorio Simons de la Universidad de Pittsburgh. "Nadie sabe si esta señal es aún lo suficientemente grande como para ser vista hoy. Verla sería como ganar la lotería de la física: el impacto científico sería inmenso."

Mapear la radiación de fondo cósmico

El Observatorio Simons comprende tres telescopios de pequeña apertura de 0.4 metros (SAT) y un telescopio de gran apertura de 6 metros (LAT), que juntos alcanzarán una sensibilidad sin precedentes para la medición de la polarización de la radiación de fondo cósmico. Desde abril de 2024, dos de los SAT han sido calibrados y están ahora en fase de observación; se espera que el tercer SAT esté operativo en los próximos meses y el LAT a principios del próximo año.

Imagen del planeta Júpiter con los detectores del Observatorio Simons. El tamaño aparente del planeta refleja la resolución de las ópticas del telescopio. Los escaneos de Júpiter están entre las primeras observaciones y se han utilizado para calibrar los instrumentos del observatorio.

El tamaño del Observatorio Simons y el uso innovador de nuevas tecnologías le permiten crear mapas detallados de la radiación de fondo cósmico a un ritmo varias veces superior al de la generación anterior de telescopios. Juntos, los cuatro telescopios del observatorio tendrán 60,000 detectores recopilando datos, más que todos los demás proyectos combinados.

Los detectores superconductores del observatorio funcionan a temperaturas de 0.1 grados por encima del cero absoluto, utilizando una tecnología de enfriamiento similar a la utilizada para computadoras cuánticas. "Estoy impresionado de que nuestros instrumentos funcionen tan bien", declara Jeff McMahon, miembro fundador del Observatorio Simons de la Universidad de Chicago. "Estoy aún más entusiasmado con los datos científicos que estos telescopios comienzan a producir."

Los tres SAT estudiarán conjuntamente una zona que abarca el 20 % del cielo del hemisferio sur, mientras que el LAT mapeará el 40 % del cielo con una resolución más fina. Al combinar la sensibilidad de los telescopios con técnicas innovadoras de análisis de datos, el equipo del Observatorio Simons maximiza sus posibilidades de detectar los modos-B buscados.

El futuro del observatorio

Después de aproximadamente cuatro años de funcionamiento, el observatorio se beneficiará de la adición de 30,000 detectores adicionales gracias a una subvención otorgada por la National Science Foundation (Estados Unidos). El período total de observación de los telescopios será de aproximadamente 10 años.

"Diez años pueden parecer largos, pero si usas las capacidades de los telescopios actuales, tomaría 60 años alcanzar nuestra sensibilidad", explica Mark Devlin. Se espera que telescopios adicionales financiados por Japón y el Reino Unido entren en servicio en 2026, duplicando el número de SAT.

Una participación francesa en el observatorio

Los equipos del IN2P3 participan en el proyecto Simons, con la participación de los laboratorios APC e IJCLab.

"Detectar los modos B de polarización es como encontrar una aguja en un pajar", precisa Josquin Errard, laureado con una beca europea sobre el tema (ERC) y co-responsable de la medición de los modos B primordiales dentro de la colaboración. "Las observaciones de la radiación de fondo cósmico están efectivamente afectadas por todo tipo de emisiones de origen astrofísico y ambiental que contaminan la señal, en particular las emisiones provenientes de nuestra propia galaxia: la Vía Láctea. Estamos trabajando en el desarrollo de nuevos métodos de análisis de datos que permitirán separar las diferentes contribuciones."

En paralelo, se está discutiendo una posible contribución instrumental francesa al observatorio, pilotada por el LPSC, en asociación con CNRS Physique y CNRS Terre & Univers. El objetivo es la adición de un nuevo SAT centrado en la caracterización y sustracción de las emisiones de polvo galáctico que contaminan la señal cósmica, este nuevo telescopio permitiría aprovechar al máximo la sensibilidad del observatorio a las ondas gravitacionales primordiales.

"Con el éxito de la misión del satélite Planck, Francia se ha posicionado como un líder en la ciencia del universo primordial. Una participación reforzada de nuestra comunidad en el observatorio permitiría valorar todas nuestras competencias, ya sean instrumentales o en análisis de datos", añade Thibaut Louis, investigador del IJCLab y responsable del proyecto "Simons Observatory" en el IN2P3.

Sobre el Observatorio Simons

El equipo científico del Observatorio Simons proviene de la unión de dos colaboraciones: el Atacama Cosmology Telescope y el Simons Array. En 2014, el matemático y cofundador de la Simons Foundation, Jim Simons, propuso financiar esta nueva colaboración.

Las extensiones al proyecto inicial han sido financiadas por la National Science Foundation (Estados Unidos), y por fondos de investigación e innovación en el Reino Unido y Japón. El proyecto también ha obtenido apoyo financiero de las universidades fundadoras: las universidades de Princeton, Berkeley, San Diego, Chicago y Pensilvania. En total, la colaboración reúne a más de 350 investigadores de más de 35 instituciones.

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