Casi 400.000 años después del Big Bang, el plasma primordial del universo infantil se enfrió lo suficiente como para que los primeros átomos se fusionaran, dejando espacio para que la radiación incrustada se elevara libremente. Esa luz, el fondo cósmico de microondas (CMB), continúa fluyendo a través del cielo en todas las direcciones, transmitiendo una instantánea del universo primitivo que es captada por telescopios dedicados e incluso revelada en la estática en viejos televisores de rayos catódicos.
Después de que los científicos descubrieran la radiación CMB en 1965, mapearon meticulosamente sus pequeñas variaciones de temperatura, lo que mostró el estado exacto del cosmos cuando era un mero plasma espumoso. Ahora están reutilizando los datos de CMB para catalogar las estructuras a gran escala que se desarrollaron durante miles de millones de años a medida que el universo maduraba.
“Esa luz experimentó gran parte de la historia del universo, y al ver cómo ha cambiado, podemos aprender sobre diferentes épocas”, dijo Kimmy Wu, cosmóloga del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
En el transcurso de su viaje de casi 14 mil millones de años, la luz del CMB ha sido estirada, comprimida y deformada por toda la materia que se interpuso en su camino. Los cosmólogos están comenzando a mirar más allá de las fluctuaciones primarias en la luz CMB hacia las huellas secundarias dejadas por las interacciones con las galaxias y otras estructuras cósmicas. A partir de estas señales, están obteniendo una visión más nítida de la distribución tanto de la materia ordinaria, todo lo que está compuesto por partes atómicas, como de la misteriosa materia oscura. A su vez, esas ideas están ayudando a resolver algunos misterios cosmológicos de larga data y plantean algunos nuevos.
“Nos estamos dando cuenta de que el CMB no solo nos informa sobre las condiciones iniciales del universo. También nos habla de las propias galaxias”, dijo Emmanuel Schaan, también cosmólogo de SLAC. “Y eso resulta ser realmente poderoso”.
Los estudios ópticos estándar, que rastrean la luz emitida por las estrellas, pasan por alto la mayor parte de la masa subyacente de las galaxias. Esto se debe a que la gran mayoría del contenido total de materia del universo es invisible para los telescopios, escondido fuera de la vista, ya sea como cúmulos de materia oscura o como el gas ionizado difuso que une las galaxias. Pero tanto la materia oscura como el gas esparcido dejan huellas detectables en el aumento y el color de la luz CMB entrante.
“El universo es realmente un teatro de sombras en el que las galaxias son las protagonistas y el CMB es la luz de fondo”, dijo Schaan.
Muchos de los jugadores en la sombra ahora están tomando el relevo.
Cuando las partículas de luz, o fotones, del CMB dispersan los electrones en el gas entre las galaxias, se elevan a energías más altas. Además, si esas galaxias están en movimiento con respecto al universo en expansión, los fotones CMB obtienen un segundo cambio de energía, ya sea hacia arriba o hacia abajo, según el movimiento relativo del cúmulo.
Este par de efectos, conocidos respectivamente como los efectos térmico y cinemático Sunyaev-Zel'dovich (SZ), se teorizaron por primera vez a fines de la década de 1960 y se han detectado con mayor precisión en la última década. Juntos, los efectos SZ dejan una firma característica que se puede extraer de las imágenes CMB, lo que permite a los científicos mapear la ubicación y la temperatura de toda la materia ordinaria del universo.
Finalmente, un tercer efecto conocido como lente gravitacional débil deforma la trayectoria de la luz CMB cuando viaja cerca de objetos masivos, distorsionando la CMB como si se viera a través de la base de una copa de vino. A diferencia de los efectos SZ, la lente es sensible a toda la materia, oscura o no.
En conjunto, estos efectos permiten a los cosmólogos separar la materia ordinaria de la materia oscura. Luego, los científicos pueden superponer estos mapas con imágenes de estudios de galaxias para medir distancias cósmicas e incluso rastrear la formación de estrellas.
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