Remirant la infantesa de l’Univers

La seu central de l’Agència Espacial Europea a Paris estava de gom a gom el passat dia 20 de març. Fins i tot es retransmetia en streaming a tot el món. La raó és que es donaven a conèixer les últimes dades obtingudes per la missió Planck sobre la radiació còsmica de fons i sobre les seues implicacions en el coneixement de la infantesa de l’Univers.L’interés dels europeus per cartografiar la primera llum que isqué lliure en l’Univers va començar els anys 90 amb la missió Cobras-Samba. Tanmateix els nord-americans es van avançar amb el satèl·lit Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), el 2003, que va augmentar la resolució del mapa de la radiació còsmica més antiga de l’Univers.

El projecte europeu es reconduí amb la missió Planck llançada el 2009, amb participació valenciana, amb l’objectiu d’augmentar la resolució de les mesures i confirmar o rebutjar algunes anomalies que s’havien detectat en la visió acceptada de l’Univers primitiu.

En els primers instants de l’Univers, després del Big Bang, a causa de l’alta temperatura, pressió i densitat, només hi havia una barreja de partícules, protons, electrons, fotons, etc…. No va ser fins que l’Univers es va expandir el suficient i la temperatura baixara fins uns 3000 K, quan els protons pogueren ajuntar-se amb els electrons per formar els primers àtoms d’hidrogen. Uns 380.000 anys després del principi, amb els primers àtoms creats, va ser llavors possible que els fotons de llum pogueren escapar-se sense lligaments i pogueren viatjar lliurement i omplir tot l’espai.

George F. Smoot i John C. Mather van guanyar el premi Nobel de Física l’any 2006 per detectar amb la sonda COBE, llençada el 1992, que aquesta radiació no és isòtropa i que pot ser una mica més o menys energètica depenent de la direcció d’on ve. Aquestes anisotropies de la radiació de fons serian les llavors per a la formació de les futures galàxies i cúmuls de galàxies. Podeu mirar l’apunt que vaig fer el 4 d’octubre del 2006 quan els van concedir el Nobel. Allí trobareu molt més detallada l’explicació de la implicació de les anisotropies sobre l’estructura del Univers. George F. Smoot mateix ens visità a finals del 2008 per inaugurar les activitats de l’Any Internacional de l’Astronomia en la Universitat de València.

A partir de la roda de premsa a Paris i sobretot de les desenes d’articles enviats simultàniament a la revista Astronomy and Astrophysics, els cosmòlegs estan entre decebuts i contents. Si per una banda els resultats donen a entendre que la teoria estàndard sobre l’origen i formació de l’Univers vigent fins ara no s’haurà de canviar i fins i tot s’ha reforçat, tampoc s’ha descobert cap fet espectacular que anime la recerca i la competència ferotge.

Com s’observa en la figura que publica el diari Le Figaro, comparant les tres missions que han estudiat la radiació còsmica de fons, la resolució angular ha augmentat força amb la missió Planck. Ara les anisotropies es poden veure amb molt més detall. Aquest mapa de variacions de temperatura és molt important ja té moltes implicacions en l’obtenció dels paràmetres fonamentals de l’Univers: velocitat d’expansió, edat, composició, etc…

La manera com s’obté aquesta informació es basa en la construcció de models matemàtics capaços reproduir la distribució de taques calentes i fredes del fons de microones. El truc és tractar de reproduir el mapa real amb una successió de mapes més senzills. Aquestes construccions matemàtiques són molt sensibles als paràmetres buscats i d’aquesta manera es poden trobar els valors que millor ajusten a les observacions obtingudes per Planck.

La conclusió d’aquest estudi és que el mapa de les anisotropies de temperatura de la radiació còsmica de fons que ens presenten els responsables de l’Agència Espacial Europea s’adiu millor amb una lleugera modificació d’alguns paràmetres fonamentals.

El ritme d’expansió de l’univers és ara de 67,3 (+/- 1,2) km/sec/Mpc, una mica menor que el que s’acceptava fins ara. Donada la relació de la velocitat d’expansió amb l’edat, l’Univers és ara un 100 milions d’anys més vell del que es pensava, arribant a 3.810 milions d’anys d’edat.

L’inventori còsmic del tipus de matèria present a l’Univers també ha canviat arran de les descobertes de la missió Planck. Amb les noves dades a la ma, es creu que l’Univers està composat per un 4,9% de matèria ordinària (estrelles, galàxies, sers vius…) un 26,8% de matèria fosca i “només” un 68,3% d’energia fosca. Sembla que estem de sort. La proporció de la matèria de la qual estem fets ha augmentat lleugerament.

Finalment s’ha confirmat que unes anomalies aparegudes en el mapa obtingut per WMAP i que es pensava que eren causades pels instruments han eixit també en els resultats de Planck dotat d’instruments més moderns i totalment diferents. Sembla que apareix una gran zona més calenta en la part inferior esquerra, massa gran per ser casual. De moment no té cap explicació i, ara mateix, els cosmòlegs es calfen el cap per traure-li el trellat dins de la teoria estàndar. Ara també podria ser un efecte causat pel mètode d’obtenció del mapa a partir de les dades dels detectors de la missió. Aquest procés de reducció de les dades, és, de fet, molt delicat..

Uns resultats brillants que confirmen la teoria vigent fins ara. De tota manera en continuarem parlant ja que les dades de la polarimetria de la radiació encara no s’ha publicat.

Foto 1: Mapa del fons de radiació còsmica de l’Univers. Planck, ESA, 2013.

Foto 2: Comparativa de les missions COBE, WMAP i Planck. Va augmentant la resolució. L’enfance de l’Univers vue par le satellite européen Planck, Le Figaro, 21 de març 2013.

Foto 3: La receta còsmica abans i després de Planck. Conexión casual.

Arquitectura còsmica, l’univers al laboratori

arquitectura

Tant a la Terra com a l’espai, avui en dia, disposem dels telescopis més avançats. Les nostres observacions són més detallades i el nostre coneixement més precís. Però, malgrat els avanços, l’astronomia té un problema. No és una ciència experimental com ho puga ser la química. El procés de validació dels models proposats per a explicar una observació no pot ser reproduït als laboratoris.

Tanmateix, aquesta mancança s’ha anat esmenant darrerament. No podem reproduir un forat negre al laboratori, ni fer explotar un estel com a supernova, per raons de les escales implicades, en conseqüència, tractem de fer-ho virtualment. Si som capaços de fer mons virtuals en les consoles, per què no reproduir l’evolució de l’univers en conjunt?

Per això cal una simulació del fenomen astrofísic que ens interessa. Mitjançant l’ús de sofisticats programes o codis numèrics, es construeix una xarxa tridimensional en la que cada punt té associats els valors de temperatura, pressió, velocitat… i es fa evolucionar en el temps.
La simulació aconseguida serà bona si reprodueix les observacions i, encara més, si prediu fenòmens no observats. Les simulacions astrofísiques, per tant, esdevenen d’aquesta manera, un laboratori virtual on testejar els resultats obtinguts amb els telescopis.

Aquestes simulacions necessiten utilitzar superordinadors amb milers de processadors. Un càlcul típic pot utilitzar la capacitat de milers d’ordinadors domèstics i durar dies o setmanes.

La Universitat de València compta amb un potent grup d’Astrofísica i Cosmologia computacional al departament d’Astronomia i Astrofísica. A la Fundació Valenciana d’Estudis Avançats (Pintor López, 7, València), alguns dels seus membres explicaran les seues troballes, tots els dijous fins a Falles, en un cicle de conferències coordinat pel catedràtic José Maria Ibáñez. El pròxim 10 de febrer, el professor Vicent Quilis parlarà de la formació i evolució de l’Univers i de les tècniques usades per a realitzar les complexes simulacions cosmològiques així com també dels resultats obtinguts.

Imatge: Procés de transformació d’una galàxia. Vicent Quilis.

Robert W. Wilson, un nobel a Granada

Wilson Granada

Les activitats de l’Any Internacional de l’Astronomia m’han suposat molta faena amb tots els actes, conferències, exposicions i observacions populars que hem organitzat i que els lectors d’aquest bloc han pogut seguir però m’han reportat també,  és clar, moltes satisfaccions.

Si el novembre obriem les activitats de l’Any a la Universitat de València amb la visita  i conferència multitudinària de George Smoot, Nobel de Física 2006, el que descobrí les anisotropies de la radiació de fons de l’Univers, el passat dissabte vaig conéixer personalment Robert W. Wilson, guardonat amb el premi Nobel de Física 1978, per justament descobrir aquesta radiació que impregna tot l’Univers.

Els actes de finalització de l’Any Internacional de l’Astronomia a nivell de l’estat es van realitzar a Granada. I allí vaig escoltar la conferència d’un dels astrònoms vius més influents de l’astronomia del segle XX. Robert W. Wilson, juntament amb Arno Penzias, van donar la primera prova experimental que l’univers actual prové d’una explosió inicial calenta.

Segueix…

La idea que ha tingut la humanitat sobre com és l’Univers ha anat variant al llarg dels segles. Si a l’època clàssica i l’edat mitjana l’Univers era equivalent al sistema solar en el qual la Terra era al seu centre, Copèrnic i sobretot els descobriments de Galileo, portaren a pensar en un univers heliocèntric amb el Sol regint les òrbites planetàries.

El descobriment per Hubble als anys vint del segle XX que moltes de les nebuloses visibles eren en realitat altres galàxies independents de la nostra va eixamplar el nostre univers fins a límits fora de la comprensió intuitiva humana.

Tanmateix Einstein mateix va introduir la Constant Cosmològica a les seues equacions de la Relativitat General per permetre un univers estàtic, sense principi ni fi només per raons estètiques.

Aquest era el sentir de molts dels astrònoms d’aquell moment. L’univers sempre era igual i com a molt, si evolucionava, s’anava creant matèria i destruint, en el que s’anomenà la Teoria de l’Estat Estacionari. Els científics Bondi, Gold i el més conegut Hoyle eren els principals valedors d’aquest model.

Tanmateix, l’estudi del moviment de les galàxies va permetre a Hubble concloure que aquestes s’allunyen unes d’altres, en el que s’anomena expansió de l’Univers. Aquesta expansió havia de provindre d’un moment anterior en el que la matèria i l’energia estiguera tota concentrada, el moment de l’explosió inicial o Big Bang.

Conferencia Granada

En un principi, la matèria i l’energia formaven una mena de sopa, on les partícules formades, protons, electrons, fotons, etc.. estaven tan junts i amb tanta energia que no es podien formar cap àtom estable. Fins que la temperatura no va baixar fins a uns 3000 graus no va ser possible que els protons i els electrons s’ajuntaren per formar els primers àtoms d’hidrogen. Els fotons de llum, ja lliures, pogueren escapar i ja sense xocar amb les altres partícules inundaren tot l’Univers de llum d’alta energia. És el que rep el nom del Desacoblament i ocorregué quan l’Univers tenia uns 380 000 anys de vida.

Aquesta primera llum de l’Univers ha viatjat durant els últims 13700 milions anys i com l’Univers mateix s’ha anat refredant, minvant la seua energia. Aquesta llum fòssil té ara una temperatura de 3 K (-270 ºC) i és pot detectar en qualsevol direcció de l’Univers.

El descobriment d’aquesta radiació extremadament freda va ser obra de Robert W. Wilson i Arno Penzias, dos físics i radioastrònoms, que l’observaren de manera accidental, a la seua antena de l’empresa Bell Labs a Holmdel, New Jersey, l’any 1965.

Aquests experimentats astrònoms, que havien fet les seues tesis doctorals en altres antenes, estudiant les emissions en ràdio de la nostra galàxia, treballaven en una empresa privada que estava interessada en les comunicacions per satèl·lit. Els primers satèl·lits Echo eren simplement enormes globus inflats que reflectien les ones de ràdio. L’interés de l’empresa era conèixer l’efecte de la Galàxia sobre les comunicacions i com minimitzar-ne l’efecte.

Bob Wilson, que havia estudiat amb Hoyle, i com va dir a la conferència, “m’agradava la teoria de l’estat estacionari“, juntament amb Arno Penzias, van estar provant una antena nova, la famosa antena Holmdel Horn a New Jersey (foto), construïda per al projecte del satèl·lit Echo. Estudiaven la font de ràdio més intensa de la Galàxia, Cassiopeia A (Cas A) i sempre trobaven un excés de soroll o radiació extra. Res a l’equip o a l’entorn no ho explicava.

És ben coneguda l’anècdota que els científics també hagueren de traure de l’antena un niu de coloms i netejaren les seues cagades no fora cas que foren els responsables de l’excés de radiació en les mesures. Però res a fer. El soroll extra era persistent.

Repassaren totes les juntes d’alumini de l’antena per veure si les mesures eixien més netes però res de res. L’excés de radiació estava sempre ahí.

A final no van tindre més remei que demanar ajuda a Robert H. Dicke de Princeton que confirmà amb els seus col·laboradors el descobriment i li donà l’explicació teòrica.

La publicació dels articles de Dicke i col·laboradors i de Penzias i Wilson van ser una autèntica bomba. El New York Times publicava en primera pàgina el descobriment. Com va dir Robert Wilson a la xerrada: “Es prenien seriosament la cosmologia!“.

La confirmació de la radiació fòssil de l’origen de l’Univers va arribar molt ràpidament. I els honors també. El 1978 Penzias i Wilson reberen el premi Nobel de Física.

Wilson

Tanmateix Wilson va reconéixer que “la ciència no sempre funciona com els llibres de text diuen. Fins a cinc vegades van estar a punt de descobrir la radiació de fons de l’Univers abans que nosaltres”, va reconéixer. “I si algun d’aquests grups hagués reeixit aleshores jo no estaria ara ací.

Amb aquest descobriment la Teoria de l’Estat Estacionari estava ja tocada de mort i ja no va tornar a aixecar el cap.

El coneixement de la radiació de fons ha fet molts avanços des d’aleshores amb satèl·lits dedicats a aquesta finalitat com el COBE de George Smoot, el WMap o el Planck llençat el passat mes de maig. Però això ja és una altra història.

Vaig tindre l’oportunitat de parlar una mica amb el premi Nobel Robert Wilson i expressar-li la meua admiració pel seu treball. Es va mostrar molt amable i amb bon sentit de l’humor. Gràcies Bob, per fer-nos entendre una mica millor l’Univers.

Web de l’Any Internacional de l’Astronomia. Entrevista a Robert W. Wilson.

Fotos:

1. Organització de l’Any Internacional
2. Durant la xerrada. Enric Marco
3. Posant amb Robert Wilson. Enric Marco

Un Premi Nobel al Campus

Smoot

Un dia intens ahir. George F. Smoot, premi Nobel de Física 2006, ens ha visitat contat-nos de primera ma les vicissituds del descobriment de les anisotropies de la radiació de fons, radiació emesa en totes direccions quan l’Univers tenia només uns 380000 anys.

El professor Smoot ha fet aquesta setmana una gira pel País Valencià. Invitat a inaugurar el nou Museo Didáctico e Interactivo de Ciencias de la Vega Baja del Segura, a Oriola, ha estat investit Doctor Honoris Causa per la Universitat d’Elx mentre que a la Universitat d’Alacant, rebut per les autoritats acadèmiques, va fer el dimecres una conferència. Ahir finalment va visitar la nostra universitat on, en un mateix matí, ha impartit dues conferències distintes, una a la seu del Parc Científic de la UV  per a personal especialitzat d’astronomia i física de partícules principalment i l’altra per als estudiants de ciències del campus de Burjassot.

Segueix…

D’acord amb el model del Big Bang, l’univers va sorgir d’una explosió inicial. Segons aquest model, les galàxies i els cúmuls de galàxies actuals serien el resultat de l’evolució al llarg de més de deu mil milions d’anys d’unes menudes fluctuacions produïdes quan l’Univers que avui observem era més menut que un protó. El 1992, el professor Smoot i el seu equip, després de diversos anys de mesuraments i anàlisis de les dades arreplegades pels detectors de microones a bord del satèl·lit COBE de la NASA, van produir mapes del cel que mostraven regions “calentes” i “fredes” amb diferències de temperatura d’una cent mil·lèsima de grau. Aquestes inhomogeneitats en la temperatura, observades per COBE tal com eren quan l’Univers tenia tot just 380 000 anys, es consideren les petjades d’aquelles fluctuacions primordials i la confirmació del model del Big Bang. A partir d’aquestes fluctuacions es creu que es formaren les galàxies i els cúmuls de galàxies tal com els coneixem avui dia.

Incansable en tots dos llocs, el professor Smoot va parlar en cada conferència més d’hora i mitja i va respondre amb llargues dissertacions les preguntes formulades per alumnes i professors, totes aquestes en anglès, s’ha de dir. Millora el coneixement d’anglès en la comunitat universitària?

I una nota que agradarà al mestre Partal. El professor Smoot usa Mac….

La conferència més massiva va ser la que va fer al Saló d’actes interfacultatiu del campus de la Universitat a Burjassot, a les 12:30 hores. Una xerrada que, ben farcida d’imatges ben aclaridores i que jo no havia vist enlloc, i de simulacions espectaculars, va aplegar centenars d’estudiants que van omplir de gom a gom la sala de conferències. Companys de l’Agrupació Astronòmica de la Safor s’hi van acostar també per escoltar el professor de Berkeley.

Darrere d’on seia, una mare i el seu fill de quart d’ESO escoltaven la conferència. Parlant amb ells em vaig assabentar que el xic vol començar els estudis de Física d’ací a dos anys. Si s’aconsegueix que ell i d’altres com ell se senten atrets per estudiar titulacions científiques ja s’ho haurà valgut el treball que ha costat dur el Nobel a la Universitat.

El professor Smoot ens parlà principalment del seu descobriment però també de les seues conseqüències. L’existència i caracterització de la matèria fosca, observada al voltant de totes les galàxies espirals i de l’energia fosca, que es troba a tot arreu i que està accelerant l’expansió de l’Univers, van ser el tema de la darrera part de la seua xerrada i de les preguntes. Com a bon comunicador li va posar una mica d’humor en diverses ocasions. Va fer referència fins i tot a Star Trek quan ensenyà una animació on es feia un passeig entre les galàxies a una velocitat 200 vegades la de la llum (aquesta velocitat els encantaria!). O quan parlà de Nobels i princeses en la cerimònia de lliurament del seu guardó.

És molt afable, simpàtic i no para de parlar contant coses. Fins i tot ens contà aquella del físic del dia de Sant Valentí que volia convidar a la xica que no hi era mentre esperava la fluctuació quàntica per a que es materialitzés.

Finalment el professor firmà exemplars del seu llibre de divulgació científica Arrugas en el tiempo, on conta el desenvolupament dels seus projectes amb la NASA fins a l’èxit amb les observacions realitzades amb el satèl·lit COBE.

La nota vergonyant l’han posada els mitjans de comunicació que no han aparegut per fer ni tan sols una foto ni escriure una ressenya. Ja m’imaginava que la nostra televisió no enviaria cap unitat mòbil a creuar el carrer per captar el discurs del professor G.F. Smoot ni fer-li cap entrevista. Fora massa fàcil. Ara, tampoc vaig veure cap reporter gràfic ni res de res. Aquests periodistes que tenim per ací només ho publicarien si els ho enviàrem tot ben mastegat amb fotos i tot. On estan els periodistes científics? O simplement, on estan els periodistes? No té cap interès l’estada en la nostra universitat del premi Nobel que va confirmar la teoria de la Gran Explosió i com s’han pogut generar les galàxies?

Un gran esdeveniment per a la Universitat de València, per a tota la comunitat universitària, que la societat valenciana no ha sabut aprofitar.

Mentre tant la nostra Generalitat va restringint la llibertat de rebre informació (art. 20, Constitució) tancant repetidors

Adjunt teniu un petit extracte d’un llibre de divulgació de George F. Smoot.