Cosmología, topógrafo a gran escala angular

El Cosmology Large Angular Scale Surveyor ( CLASS ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} es un conjunto de telescopios de microondas que ha estado observando desde 2016 desde un sitio de gran altitud en el desierto de Atacama de Chile como parte del Parque Astronómico de Atacama. ^{[ 6 ]} El experimento CLASS tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión del amanecer cósmico cuando se encendieron las primeras estrellas y probar la teoría de la inflación cósmica haciendo mediciones precisas de la polarización del Fondo Cósmico de Microondas (CMB) sobre el 65% del cielo en múltiples frecuencias en la región de microondas del espectro electromagnético .

Hasta la fecha, CLASS ha producido mapas de la mayor parte del cielo en frecuencias de 40 y 90 GHz (  longitudes de onda de 7,5 mm y 3,3 mm, respectivamente), restricciones sobre la polarización circular en el CMB, una detección de polarización circular de la atmósfera y mediciones de la temperatura de brillo de microondas promedio del disco de Venus.

CLASS aborda dos objetivos científicos principales. El primero es mejorar nuestra comprensión del "amanecer cósmico", cuando las primeras estrellas iluminaron el universo. La radiación ultravioleta (UV) de estas estrellas despojó a los átomos de electrones en un proceso llamado reionización . Los electrones liberados dispersan la luz del fondo cósmico de microondas (CMB), impartiéndole una polarización que CLASS mide. Las restricciones sobre la reionización a partir del CMB son cruciales para conciliar la comprensión que tienen los astrónomos de la reionización con los resultados del Telescopio Espacial James Webb, que indican que las galaxias podrían haberse formado antes de lo que se pensaba . De esta manera, CLASS puede mejorar nuestro conocimiento sobre cuándo y cómo ocurrió el amanecer cósmico. Una mejor comprensión del amanecer cósmico también ayudará a otros experimentos a medir la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos conocidos utilizando la lente gravitacional del CMB. ^{[ 7 ]}

Un segundo objetivo científico de CLASS es poner a prueba la teoría de la inflación. En cosmología física , la inflación cósmica es la teoría principal del universo primitivo; ^{[ 8 ]} sin embargo, la evidencia observacional de la inflación aún no es concluyente. Los modelos inflacionarios predicen genéricamente que se habría producido un fondo de ondas gravitacionales (GWB) junto con las perturbaciones de densidad que originan la estructura a gran escala . Dicho GWB inflacionario dejaría una huella tanto en la temperatura como en la polarización del CMB. En particular, dejaría un patrón de polarización distintivo y único, llamado patrón de modo B , en la polarización del CMB. Una medición de la polarización de modo B en el CMB sería una confirmación importante de la inflación y proporcionaría una visión excepcional de la física a energías ultraaltas. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

CLASS también está ampliando nuestra comprensión de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea , y buscando evidencia de nueva física exótica mediante la limitación de la polarización circular en el fondo cósmico de microondas y anomalías a gran escala. (Consulte la sección «Multipolos bajos y otras anomalías» del artículo sobre el fondo cósmico de microondas para obtener más información al respecto).

El instrumento CLASS está diseñado para explorar el 65 % del cielo en longitudes de onda milimétricas, en la porción de microondas del espectro electromagnético , desde un observatorio terrestre con una resolución de aproximadamente 1°, aproximadamente el doble del tamaño angular del sol y la luna vistos desde la Tierra. El conjunto CLASS consta de dos monturas altazimutales que permiten orientar los telescopios para observar diferentes regiones del cielo. Los cuatro telescopios CLASS observan en un rango de frecuencias para separar la emisión de nuestra galaxia de la del fondo cósmico de microondas (CMB). Un telescopio observa a 40 GHz (longitud de onda de 7,5 mm); otro, a 90 GHz ( longitud de onda de 3,3 mm), con un segundo telescopio de 90 GHz previsto para el futuro; y el cuarto, en dos bandas de frecuencia centradas en 150 GHz ( longitud de onda de 2 mm) y 220 GHz ( longitud de onda de 1,4 mm). Dos telescopios independientes, que observan en diferentes frecuencias, se alojan en cada montura. El conjunto de detectores del telescopio de 90 GHz se actualizó en 2022 para aumentar significativamente la sensibilidad. En 2024, el modulador de polarización de retardo variable (VPM, véase más abajo para obtener más detalles) para el telescopio CLASS de 90 GHz fue reemplazado por una placa de media onda reflectante giratoria (HWP) ^{[ 11 ]} para concentrarse en mejorar la sensibilidad para la polarización lineal.        

El instrumento CLASS está diseñado específicamente para medir la polarización. Como onda electromagnética , la luz consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Estos campos pueden tener tanto una amplitud, o intensidad, como una dirección preferida en la que oscilan, o polarización. La señal polarizada que CLASS intentará medir es increíblemente pequeña. Se espera que sea solo un cambio de unas pocas partes por mil millones en la polarización del CMB, que ya está frío a 2,725 K. ^{[ 12 ]} Para medir una señal tan pequeña, CLASS emplea matrices de plano focal con un gran número de bolómetros de sensor de borde de transición acoplados a bocinas de alimentación , enfriados a solo 0,1 °C por encima del cero absoluto mediante refrigeradores criogénicos de helio . Esta baja temperatura reduce el ruido térmico intrínseco de los detectores. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} 

Otro aspecto único de los telescopios CLASS es el uso de un modulador de fase vectorial (VPM) para permitir una medición precisa y estable de la polarización. El VPM modula, es decir, activa y desactiva, la luz polarizada que llega al detector a una frecuencia conocida, aproximadamente 10  Hz, mientras que la luz no polarizada permanece inalterada. Esto permite una clara separación de la diminuta polarización del fondo cósmico de microondas (CMB) de la atmósfera no polarizada, mucho mayor, al sincronizarse con la señal de 10 Hz . El VPM también modula la polarización circular desfasada con respecto a la polarización lineal, lo que confiere a CLASS sensibilidad a la polarización circular. Existen muchos escenarios potenciales que podrían generar polarización circular en el universo primitivo, y CLASS ha establecido límites muy estrictos para estas teorías.

Debido a que el vapor de agua en la atmósfera emite en frecuencias de microondas, CLASS realiza observaciones desde un sitio muy seco y de gran altitud en la Cordillera de los Andes, en el límite del desierto de Atacama en Chile. Otros observatorios han elegido sitios cercanos por la misma razón, incluidos ACT , APEX , ALMA , ASTE , CBI , CCAT-prime , NANTEN2 , POLARBEAR , el Observatorio Simons y TAO .

Actualmente, CLASS observa el cielo en cuatro bandas de frecuencia. El  telescopio CLASS de 40 GHz realizó su primera observación el 8 de mayo de 2016 y, tras completar las observaciones iniciales de puesta en marcha, comenzó un estudio de aproximadamente cinco años en septiembre de ese mismo año. A principios de 2018,  se instaló un primer telescopio de 90 GHz en la misma montura que el  telescopio de 40 GHz, realizando su primera observación el 30 de mayo de 2018. En 2019, se desplegó el telescopio de doble frecuencia de 150/220  GHz, junto con una segunda montura, y realizó su primera observación el 21 de septiembre de 2019.

CLASS ha publicado resultados de los primeros cinco años de observaciones con el telescopio de 40 GHz, hasta mediados de 2022, ^{[ 16 ] [ 17 ]} y de observaciones con el telescopio de 90 GHz hasta 2024. ^{[ 18 ]} CLASS ha creado los mapas más sensibles que cubren aproximadamente el 74% del cielo a 40 GHz en escalas angulares de aproximadamente 2° a 20°. Estos mapas se han combinado con los del satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) a una frecuencia similar para producir mapas combinados aún más sensibles. ^{[ 19 ]} Los mapas de CLASS a 90 GHz son comparables en sensibilidad a los del satélite Planck a frecuencias similares y se han utilizado para establecer restricciones sobre la reionización , un hito para un telescopio terrestre.

CLASS ha realizado la primera detección de polarización circular de la atmósfera a una frecuencia de 40  GHz, lo que concuerda con los modelos de polarización circular atmosférica debida al desdoblamiento de Zeeman del oxígeno molecular en presencia del campo magnético terrestre. ^{[ 20 ]} La polarización circular atmosférica varía suavemente en el cielo, lo que permite separarla de la polarización circular celeste. Esto ha permitido a CLASS limitar la polarización circular celeste a 40  GHz a menos de 0,1 μK en escalas angulares de 5 grados y a menos de 1 μK en escalas angulares alrededor de 1 grado. ^{[ 16 ] [ 21 ]} Esto supone una mejora de más de 100 veces con respecto a los límites anteriores de polarización circular en el CMB. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

CLASS también ha impuesto restricciones únicas a la temperatura de microondas promedio del disco de Venus, que es sensible a la composición de la atmósfera venusina. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

• Observatorio Llano de Chajnantor
• BICEP y el conjunto de antenas Keck
• Lista de experimentos sobre el fondo cósmico de microondas