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cosmología observacional

La cosmología observacional es el estudio de la estructura, la evolución y el origen del universo a través de la observación , utilizando instrumentos como telescopios y detecto...

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La cosmología observacional es el estudio de la estructura, la evolución y el origen del universo a través de la observación , utilizando instrumentos como telescopios y detectores de rayos cósmicos .

Primeras observaciones

La cosmología física, tal como se practica hoy en día, definió su objeto de estudio en los años posteriores al debate Shapley-Curtis, cuando se determinó que el universo tenía una escala mayor que la Vía Láctea . Esto se precipitó por observaciones que establecieron el tamaño y la dinámica del cosmos, los cuales podían explicarse mediante la relatividad general de Albert Einstein . En sus inicios, la cosmología era una ciencia especulativa basada en un número muy limitado de observaciones y caracterizada por una disputa entre los teóricos del estado estacionario y los promotores de la cosmología del Big Bang . No fue hasta la década de 1990 y posteriormente que las observaciones astronómicas lograron descartar las teorías rivales e impulsaron la ciencia hacia la "Edad de Oro de la Cosmología", anunciada por David Schramm en un coloquio de la Academia Nacional de Ciencias en 1992. [ 1 ]

La ley de Hubble y la escalera de distancias cósmicas

Históricamente, las mediciones de distancia en astronomía se han visto y siguen viéndose afectadas por una considerable incertidumbre. En particular, si bien la paralaje estelar puede utilizarse para medir la distancia a estrellas cercanas, las limitaciones observacionales impuestas por la dificultad de medir las minúsculas paralajes asociadas a objetos más allá de nuestra galaxia obligaron a los astrónomos a buscar métodos alternativos para medir distancias cósmicas. Con este fin, Henrietta Swan Leavitt descubrió en 1908 una medida estándar para las variables Cefeidas , que proporcionaría a Edwin Hubble el escalón necesario en la escala de distancias cósmicas para determinar la distancia a la nebulosa espiral . Hubble utilizó el telescopio Hooker de 100 pulgadas del Observatorio Mount Wilson para identificar estrellas individuales en dichas galaxias y determinar la distancia a ellas aislando Cefeidas individuales. Esto estableció firmemente que la nebulosa espiral se encuentra muy alejada de la Vía Láctea. Determinar la distancia a los "universos isla", como se les denominó en los medios de comunicación populares, estableció la escala del universo y zanjó el debate Shapley-Curtis de una vez por todas. [ 2 ]

El tiempo de retrospectiva de las observaciones extragalácticas por su corrimiento al rojo hasta z=20. [ 3 ]

En 1927, al combinar varias mediciones, incluidas las mediciones de distancia de Hubble y las determinaciones de corrimientos al rojo de Vesto Slipher para estos objetos, Georges Lemaître fue el primero en estimar una constante de proporcionalidad entre las distancias de las galaxias y lo que se denominó sus "velocidades de recesión", encontrando un valor de aproximadamente 600 km/s/Mpc. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Demostró que esto era teóricamente esperado en un modelo de universo basado en la relatividad general . [ 4 ] Dos años más tarde, Hubble demostró que la relación entre las distancias y las velocidades era una correlación positiva y tenía una pendiente de aproximadamente 500 km/s/Mpc. [ 10 ] Esta correlación llegaría a ser conocida como la ley de Hubble y serviría como fundamento observacional para las teorías del universo en expansión en las que todavía se basa la cosmología. La publicación de las observaciones de Slipher, Wirtz, Hubble y sus colegas, y la aceptación por parte de los teóricos de sus implicaciones teóricas a la luz de la relatividad general de Einstein, se considera el comienzo de la ciencia moderna de la cosmología. [ 11 ]  

abundancias de nucleidos

La determinación de la abundancia cósmica de elementos tiene una historia que se remonta a las primeras mediciones espectroscópicas de la luz de objetos astronómicos y a la identificación de líneas de emisión y absorción que correspondían a transiciones electrónicas particulares en elementos químicos identificados en la Tierra. Por ejemplo, el elemento helio se identificó por primera vez a través de su firma espectroscópica en el Sol antes de ser aislado como gas en la Tierra. [ 12 ] [ 13 ]

El cálculo de las abundancias relativas se logró mediante la correspondencia entre las observaciones espectroscópicas y las mediciones de la composición elemental de los meteoritos .

Detección del fondo cósmico de microondas

La radiación cósmica de fondo observada por WMAP

En 1948, George Gamow y Ralph Alpher , y posteriormente Alpher y Robert Herman, predijeron la existencia de un fondo cósmico de microondas como consecuencia del modelo del Big Bang caliente . Además, Alpher y Herman lograron estimar la temperatura, [ 14 ] pero sus resultados no fueron ampliamente difundidos en la comunidad científica. Su predicción fue redescubierta por Robert Dicke y Yakov Zel'dovich a principios de la década de 1960, y el primer reconocimiento publicado de la radiación CMB como fenómeno detectable apareció en un breve artículo de los astrofísicos soviéticos AG Doroshkevich e Igor Novikov , en la primavera de 1964. [ 15 ] En 1964, David Todd Wilkinson y Peter Roll, colegas de Dicke en la Universidad de Princeton , comenzaron a construir un radiómetro Dicke para medir el fondo cósmico de microondas. [ 16 ] En 1965, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson, en la sede de Crawford Hill de los Laboratorios Bell Telephone en el cercano municipio de Holmdel, Nueva Jersey, construyeron un radiómetro Dicke que pretendían utilizar para experimentos de radioastronomía y comunicación por satélite. Su instrumento presentaba una temperatura de antena superior a 3,5 K , cuyo origen desconocían. Tras recibir una llamada telefónica de Crawford Hill, Dicke bromeó con su famosa frase: «¡Chicos, nos han adelantado!». [ 17 ] Una reunión entre los grupos de Princeton y Crawford Hill determinó que la temperatura de la antena se debía, en efecto, al fondo de microondas. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física de 1978 por su descubrimiento. 

Observaciones modernas

Hoy en día, la cosmología observacional continúa poniendo a prueba las predicciones de la cosmología teórica y ha propiciado el perfeccionamiento de los modelos cosmológicos. Por ejemplo, la evidencia observacional de la materia oscura ha influido notablemente en la modelización teórica de la estructura y la formación de galaxias . Al intentar calibrar el diagrama de Hubble con candelas estándar de supernovas precisas, se obtuvo evidencia observacional de la energía oscura a finales de la década de 1990. Estas observaciones se han incorporado a un marco de seis parámetros conocido como el modelo Lambda-CDM, que explica la evolución del universo en términos de su materia constituyente. Este modelo ha sido posteriormente verificado mediante observaciones detalladas del fondo cósmico de microondas, especialmente a través del experimento WMAP .

Aquí se incluyen los esfuerzos de observación modernos que han influido directamente en la cosmología.

Sondeos de desplazamiento al rojo

Con la llegada de los telescopios automatizados y las mejoras en los espectroscopios , se han realizado numerosas colaboraciones para cartografiar el universo en el espacio de corrimiento al rojo . Al combinar el corrimiento al rojo con los datos de posición angular, un estudio de corrimiento al rojo cartografía la distribución tridimensional de la materia dentro de un campo del cielo. Estas observaciones se utilizan para medir propiedades de la estructura a gran escala del universo. La Gran Muralla , un vasto supercúmulo de galaxias de más de 500 millones de años luz de ancho, proporciona un ejemplo espectacular de una estructura a gran escala que los estudios de corrimiento al rojo pueden detectar. [ 18 ]

Visualización 3D de la distribución de materia oscura del estudio de corrimiento al rojo Hyper Suprime-Cam en el Telescopio Subaru en 2018 [ 19 ]

El primer estudio de corrimiento al rojo fue el CfA Redshift Survey , iniciado en 1977, cuya recopilación inicial de datos se completó en 1982. [ 20 ] Más recientemente, el 2dF Galaxy Redshift Survey determinó la estructura a gran escala de una sección del Universo, midiendo los valores z de más de 220 000 galaxias; la recopilación de datos se completó en 2002 y el conjunto de datos final se publicó el 30 de junio de 2003. [ 21 ] (Además de mapear patrones a gran escala de galaxias, 2dF estableció un límite superior para la masa de los neutrinos ). Otra investigación notable, el Sloan Digital Sky Survey (SDSS), continúa en curso a partir de 2011.y tiene como objetivo obtener mediciones de alrededor de 100 millones de objetos. [ 22 ] SDSS ha registrado corrimientos al rojo para galaxias de hasta 0,4, y ha participado en la detección de cuásares más allá de z = 6. El Sondeo de Corrimiento al Rojo DEEP2 utiliza los telescopios Keck con el nuevo espectrógrafo "DEIMOS" ; como continuación del programa piloto DEEP1, DEEP2 está diseñado para medir galaxias débiles con corrimientos al rojo de 0,7 y superiores, y por lo tanto se planea que proporcione un complemento a SDSS y 2dF. [ 23 ]

Experimentos sobre el fondo cósmico de microondas

La antena de bocina de Holmdel en la que Penzias y Wilson descubrieron el fondo cósmico de microondas. [ 24 ]

El primer reconocimiento publicado de la radiación CMB como un fenómeno detectable apareció en un breve artículo de los astrofísicos soviéticos AG Doroshkevich e Igor Novikov , en la primavera de 1964. [ 25 ] En 1964, David Todd Wilkinson y Peter Roll, colegas de Robert H. Dicke en la Universidad de Princeton , comenzaron a construir un radiómetro de Dicke para medir el fondo cósmico de microondas. [ 26 ] En 1964, Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson en la ubicación de Crawford Hill de los Laboratorios Bell Telephone en el cercano municipio de Holmdel, Nueva Jersey, habían construido un radiómetro de Dicke que pretendían usar para experimentos de radioastronomía y comunicación por satélite. La antena fue construida en 1959 para apoyar el Proyecto Echo , los satélites de comunicaciones pasivas de la NASA, que usaban grandes globos de plástico aluminizado en órbita terrestre como reflectores para hacer rebotar señales de radio de un punto de la Tierra a otro. [ 24 ] El 20  de mayo de 1964 realizaron su primera medición que mostraba claramente la presencia del fondo de microondas, [ 27 ] con su instrumento presentando un exceso de temperatura de antena de 4,2 K que no podían explicar. Tras recibir una llamada telefónica de Crawford Hill, Dicke dijo: «Chicos, nos han adelantado». [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] : 140 Una reunión entre los grupos de Princeton y Crawford Hill determinó que la temperatura de la antena se debía efectivamente al fondo de microondas. Penzias y Wilson recibieron el Premio Nobel de Física de 1978 por su descubrimiento. [ 32 ]

La interpretación del fondo cósmico de microondas fue un tema controvertido a finales de la década de 1960. Entre las explicaciones alternativas se incluían la energía proveniente del Sistema Solar , de galaxias, de plasma intergaláctico y de múltiples fuentes de radio extragalácticas. Dos requisitos demostrarían que la radiación de microondas era verdaderamente "cósmica". Primero, era necesario demostrar que la intensidad en función de la frecuencia o el espectro coincidía con una fuente térmica o de cuerpo negro. Esto se logró en 1968 mediante una serie de mediciones de la temperatura de la radiación en longitudes de onda más altas y más bajas. Segundo, era necesario demostrar que la radiación era isotrópica, es decir, la misma en todas las direcciones. Esto también se logró en 1970, demostrando que esta radiación era verdaderamente de origen cósmico. [ 33 ]

En la década de 1970, numerosos estudios demostraron que pequeñas desviaciones de la isotropía en el CMB podrían resultar de eventos en el universo temprano. [ 33 ] : 8.5.1 Harrison, [ 34 ] Peebles y Yu, [ 35 ] y Zel'dovich [ 36 ] se dieron cuenta de que el universo temprano requeriría inhomogeneidades cuánticas que resultarían en anisotropía de temperatura al nivel de 10 −4 o 10 −5 . [ 33 ] : 8.5.3.2 Rashid Sunyaev , usando el nombre alternativo de radiación reliquia , calculó la huella observable que estas inhomogeneidades tendrían en el fondo cósmico de microondas. [ 37 ]

Tras un periodo de calma en la década de 1970, causado en parte por las numerosas dificultades experimentales para medir el CMB con alta precisión, [ 33 ] : 8.5.1 durante la década de 1980 los experimentos terrestres establecieron límites cada vez más estrictos sobre la anisotropía del fondo cósmico de microondas. RELIKT-1 , un experimento soviético sobre la anisotropía del fondo cósmico de microondas a bordo del satélite Prognoz 9 (lanzado el 1 de julio de 1983), proporcionó los primeros límites superiores sobre la anisotropía a gran escala. [ 33 ] : 8.5.3.2

Otro acontecimiento clave en la década de 1980 fue la propuesta de Alan Guth sobre la inflación cósmica . Esta teoría de rápida expansión espacial explicaba la isotropía a gran escala al permitir una conexión causal justo antes de la época de la última dispersión. [ 33 ] : 8.5.4 Con esta y otras teorías similares, las predicciones detalladas impulsaron experimentos más grandes y ambiciosos.

El satélite COBE (Cosmic Background Explorer ) de la NASA orbitó la Tierra entre 1989 y 1996, detectando y cuantificando las anisotropías a gran escala hasta el límite de sus capacidades de detección. La misión COBE de la NASA confirmó claramente la anisotropía primaria con el instrumento Radiómetro Diferencial de Microondas, publicando sus hallazgos en 1992. [ 38 ] [ 39 ] El equipo recibió el Premio Nobel de Física de 2006 por este descubrimiento.

Inspirados por los resultados de COBE, una serie de experimentos terrestres y con globos aerostáticos midieron las anisotropías del fondo cósmico de microondas en escalas angulares más pequeñas durante las siguientes dos décadas. La sensibilidad de los nuevos experimentos mejoró drásticamente, con una reducción del ruido interno en tres órdenes de magnitud. [ 40 ] El objetivo principal de estos experimentos era medir la escala del primer pico acústico, que COBE no tenía suficiente resolución para resolver. Este pico corresponde a variaciones de densidad a gran escala en el universo temprano que son creadas por inestabilidades gravitacionales, lo que resulta en oscilaciones acústicas en el plasma. [ 41 ] El primer pico en la anisotropía fue detectado tentativamente por el experimento MAT/TOCO [ 42 ] y el resultado fue confirmado por los experimentos BOOMERanG [ 43 ] y MAXIMA . [ 44 ] Estas mediciones demostraron que la geometría del universo es aproximadamente plana, en lugar de curva . [ 45 ] Descartaron las cuerdas cósmicas como un componente principal de la formación de la estructura cósmica y sugirieron que la inflación cósmica era la teoría correcta de la formación de la estructura. [ 46 ]

Comparación de los resultados del fondo cósmico de microondas (CMB) obtenidos por COBE , WMAP y Planck (21 de marzo de 2013)

Inspirados por los resultados iniciales de COBE, que revelaron un fondo extremadamente isotrópico y homogéneo, una serie de experimentos terrestres y con globos aerostáticos cuantificaron las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) en escalas angulares menores durante la década siguiente. El objetivo principal de estos experimentos era medir la escala angular del primer pico acústico, para el cual COBE no tenía la resolución suficiente. Estas mediciones permitieron descartar las cuerdas cósmicas como la principal teoría sobre la formación de la estructura cósmica y sugirieron que la inflación cósmica era la teoría correcta.

Durante la década de 1990, se midió el primer pico con una sensibilidad cada vez mayor y, en el año 2000, el experimento BOOMERanG informó que las fluctuaciones de potencia más altas ocurren en escalas de aproximadamente un grado angular. Junto con otros datos cosmológicos, estos resultados implicaron que la geometría del universo es plana . Varios interferómetros terrestres proporcionaron mediciones de las fluctuaciones con mayor precisión durante los siguientes tres años, incluyendo el Very Small Array , el Degree Angular Scale Interferometer (DASI) y el Cosmic Background Imager (CBI). DASI realizó la primera detección de la polarización del CMB y el CBI proporcionó el primer espectro de polarización en modo E con evidencia convincente de que está desfasado con respecto al espectro en modo T.

observaciones telescópicas

Radio

Las fuentes más brillantes de emisión de radio de baja frecuencia (entre 10  MHz y 100  GHz) son las radiogalaxias , que pueden observarse hasta desplazamientos al rojo extremadamente altos. Estas son subconjuntos de galaxias activas que poseen estructuras extendidas, conocidas como lóbulos y chorros, que se extienden desde el núcleo galáctico a distancias del orden de megaparsecs . Debido a su gran brillo, los astrónomos han utilizado las radiogalaxias para investigar distancias extremas y las primeras etapas de la evolución del universo.

Infrarrojo

Las observaciones en el infrarrojo lejano , incluyendo la astronomía submilimétrica, han revelado numerosas fuentes a distancias cosmológicas. A excepción de algunas ventanas atmosféricas , la mayor parte de la luz infrarroja es bloqueada por la atmósfera, por lo que las observaciones generalmente se realizan desde globos o instrumentos espaciales. Entre los experimentos de observación actuales en el infrarrojo se encuentran NICMOS , el espectrógrafo de orígenes cósmicos , el telescopio espacial Spitzer , el interferómetro Keck , el observatorio estratosférico de astronomía infrarroja y el observatorio espacial Herschel . El próximo gran telescopio espacial planeado por la NASA, el telescopio espacial James Webb, también explorará en el infrarrojo.

Un estudio infrarrojo adicional, el Two-Micron All Sky Survey , también ha sido muy útil para revelar la distribución de galaxias, de forma similar a otros estudios ópticos que se describen a continuación.

Rayos ópticos (visibles para el ojo humano)

La luz óptica sigue siendo el principal medio para la astronomía, y en el contexto de la cosmología, esto implica observar galaxias y cúmulos de galaxias distantes para comprender la estructura a gran escala del Universo y la evolución galáctica . Los estudios de corrimiento al rojo han sido un método común para lograrlo, entre los que destacan el 2dF Galaxy Redshift Survey , el Sloan Digital Sky Survey y el próximo Large Synoptic Survey Telescope . Estas observaciones ópticas generalmente utilizan fotometría o espectroscopia para medir el corrimiento al rojo de una galaxia y, posteriormente, mediante la ley de Hubble , determinar su distancia, considerando las distorsiones debidas a las velocidades peculiares . Además, la posición de las galaxias en el cielo, en coordenadas celestes, permite obtener información sobre las otras dos dimensiones espaciales.

Las observaciones de gran profundidad (es decir, sensibles a fuentes tenues) también son herramientas útiles en cosmología. El Campo Profundo del Hubble , el Campo Ultraprofundo del Hubble , el Campo Extremadamente Profundo del Hubble y el Campo Profundo Sur del Hubble son ejemplos de ello.

Ultravioleta

Véase Astronomía ultravioleta .

rayos X

Véase astronomía de rayos X.

rayos gamma

Véase Astronomía de rayos gamma .

Observaciones de rayos cósmicos

Véase Observatorio de rayos cósmicos .

Observaciones futuras

Neutrinos cósmicos

El modelo del Big Bang predice que el universo está lleno de una radiación de fondo de neutrinos , análoga a la radiación cósmica de fondo de microondas . La radiación de fondo de microondas es un vestigio de cuando el universo tenía unos 380.000 años, mientras que la radiación de fondo de neutrinos es un vestigio de cuando el universo tenía unos dos segundos de antigüedad.

Si se pudiera observar esta radiación de neutrinos, sería una ventana a las primeras etapas del universo. Desafortunadamente, estos neutrinos estarían ahora muy fríos, por lo que resulta prácticamente imposible observarlos directamente.

Ondas gravitacionales

Véase también

Referencias

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  2. ↑ El término «universo isla» hace referencia a las ideas especulativas promovidas por diversos pensadores escolásticos de los siglos XVIII y XIX. El defensor más célebre de estas ideas fue el filósofo Immanuel Kant, quien publicó varios tratados de astronomía, además de sus obras filosóficas más conocidas. Véase Kant, I., 1755. Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels , Parte I, JF Peterson, Königsberg y Leipzig.
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  11. ↑ Esta opinión generalizada se ve reflejada enla inclusión de Edwin Hubble en la lista Time 100 de las personas más influyentes del siglo XX, publicada por la revista Time . Michael Lemonick relata: «Descubrió el cosmos y, al hacerlo, fundó la ciencia de la cosmología».
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