Miércoles 22 de julio de 2015
Así como las dimensiones de las cosas nos ocupan cotidianamente, los tamaños cósmicos también son parte importante del trabajo diario de los astrofísicos. Para medir necesitamos patrones: un metro de distancia o un kilo de peso. Pero, ¿cuál usamos para medir objetos a escalas cósmicas?
Aunque son varios, ahora examinaremos el mayor de ellos, el metro cósmico o el diámetro de un BAO (sigla en inglés de Oscilaciones Acústicas Bariónicas), que configura las escalas más grandes del universo.
Partamos con un ejemplo: una onda en un estanque de agua. Una persona arroja una piedra al agua y observa una onda (o perturbación) que se propaga concéntricamente formando un círculo que crece. Luego, toma un puñado de piedras y las arroja al estanque, y todas caen más o menos juntas al agua. Lo que ve es una superposición de ondas, cada una alejándose de su centro.
Ahora, supongamos que bajamos la temperatura del agua hasta el punto de congelamiento. El estanque se congela, las ondas ya no se propagan más, y la superficie preserva un patrón de ellas, tal como huellas digitales impresas de lo que pasó con anterioridad. Si repetimos este experimento el patrón es distinto cada vez, pero algo se preserva. Lo que se mantiene es una característica bien definida, el tamaño de las ondas al momento de congelamiento. Esta rasgo será nuestro BAO.
Imaginemos nuestro universo en épocas muy tempranas, donde fotones y materia están acoplados. Se cree que poco tiempo después de una época de inflación exponencial –cuando el universo tenía unos 10-35 segundos de vida– minúsculas fluctuaciones cuánticas (o las piedras de nuestro ejemplo) generaron oscilaciones acústicas que se propagaron como ondas esféricas a la velocidad del sonido. Vale decir, una propagación que funciona por compresión de la materia (bariones) debido a la gravedad y que se descomprime por presión de la radiación.
A medida que el universo se expande, se enfría, y cuando han transcurrido unos 300 mil años desde el Big Bang, electrones y protones se combinan. Esto último en nuestro ejemplo equivale a la congelación. En este punto, las oscilaciones acústicas ya no pueden seguir propagándose. El primer modo de la oscilación, el modo fundamental y de mayor escala, es el que queda impreso como una sobre-densidad en el universo y es el que nos sirve como patrón de escala BAO.
Ahora bien, ¿pero a qué distancia física corresponde exactamente? Si conocemos la densidad del medio y su variación en el tiempo, podemos calcular la velocidad del sonido en ese mismo medio. Por otro lado, si sabemos el tiempo transcurrido entre el Big Bang y la época de congelamiento, el producto de ese tiempo por la velocidad del sonido nos da la distancia física del patrón BAO. Esta distancia ha sido calibrada usando observaciones del fondo de micro ondas con el satélite Planck, con una precisión mejor que 0,25%, y es en el universo presente del orden de 490 millones de años luz. ¡Listo! Podemos medir distancias cosmológicas basados en él.
Debido a que el universo se expande, tenemos que medir esta escala para cada momento en el tiempo, desde la época de congelamiento hasta ahora, unos 13.7 mil millones de años mas tarde. La medición de las grandes estructuras del universo, usando BAOs como metro estándar, nos permitiría entender mejor la naturaleza de la "energía oscura", energía que domina el universo. Hay diversos esfuerzos observacionales en el mundo para graduar esta escala. Junto a un equipo de la Universidad de Durham en el Reino Unido, nuestro grupo en la PUC se ha propuesto determinar la escala BAO para edades del universo entre 2.5 y 4.8 mil millones de años. Lo haremos usando cuásares y cubriendo un 25% del cielo del sur.
