La ciencia iluminada por la primera luz del universo

Hace unos 13.800 millones de años, nuestro universo se hinchó a velocidades increíbles. Todo lo que observamos hoy estaba muy apretado, expandiéndose en una patata de luz y partículas. Esta sopa caliente y espesa tardó 380.000 años en diluirse y enfriarse para permitir el paso de la luz. Esta primera luz, procedente de la formación de los primeros átomos, se denomina fondo cósmico de microondas y todavía puede detectarse en la actualidad.

El Laboratorio Simons en Chile pasará a llamarse Laboratorio Simons Avanzado en línea con las actualizaciones de sus detectores, capacidades de intercambio de datos y fuente de alimentación. (Crédito de la imagen: Debra Kellner)

«Cuando lo miras, lo que ves son las primeras etapas del universo», dijo. Emanuel ShawnUn científico del personal Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y miembro senior Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) En SLAC y Stanford.

Shawn es uno de varios investigadores que colaboran en el avanzado Laboratorio Simons actualmente en construcción en el desierto de Atacama en Chile. Simons Lab está programado para entrar en línea a finales de este año, pero gracias a una subvención reciente de la Fundación Nacional de Ciencias, sus capacidades seguirán creciendo. La versión avanzada incluye 30.000 detectores adicionales para la radiación de fondo cósmico de microondas, lo que nos brinda una mejor imagen del universo primitivo, su evolución y muchos otros fenómenos dentro de él.

Además de los detectores, el observatorio actualizado tendrá capacidades avanzadas para compartir datos y proporcionará el 70 % de la potencia de una instalación de paneles solares, lo que permitirá un funcionamiento continuo y estable.

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«Esto duplicará la velocidad de mapeo del receptor del Telescopio de Gran Apertura y hará que nuestro observatorio sea más sensible», dijo. susana clarkeProfesor Asistente de Física en Stanford Facultad de Humanidades y Ciencias y uno de los dos científicos del proyecto del Laboratorio Avanzado Simons. «Vamos a obtener mapas profundos y sensibles del fondo cósmico de microondas y la emisión de polvo polarizado de nuestra galaxia, y también podremos ver cómo cambia la parte superior del cielo de una noche a otra».

Expresiones detalladas

A menudo, los estudios de grandes áreas del cielo tardan años en recopilar y compartir datos. Pero una vez hecho esto, el avanzado Observatorio Simons podrá crear y analizar mapas diarios del cielo, compartiendo alertas con la comunidad científica más grande sobre eventos transitorios como el destello brillante de un evento de interrupción de marea cuando una estrella en una galaxia distante. Acercarse demasiado a un agujero negro y ser destrozado.

«Aquí tenemos una nueva forma de observar el universo: observar el cambio de hora del cielo en el rango de longitud de onda milimétrica del espectro electromagnético. No habíamos podido hacer esto antes», dijo Clark, miembro sénior de KIPAC.

Shawn está particularmente interesado en usar el nuevo laboratorio para estudiar cómo se forman las galaxias. Dado que el fondo cósmico de microondas ha estado viajando por el espacio durante casi 14 mil millones de años, esencialmente proporciona una luz de fondo para los objetos formados recientemente. Los objetos masivos, como las galaxias y los cúmulos, proyectan sombras sobre el fondo cósmico de microondas y su gravedad desvía los fotones a su alrededor, revelando masas invisibles, como gases difusos o materia oscura.

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«Alrededor de las galaxias, hay un halo muy largo de gas difuso que es muy difícil de observar, y el Observatorio Simons nos permitirá revelarlo», dijo Shawn. «Al ver qué tan extenso es, podemos completar algunas incertidumbres clave sobre la formación de galaxias».

Zeeshan Ahmed, KIPAC Senior Fellow y científico principal en SLAC, es un cosmólogo observacional que trabaja para comprender cómo se formó el universo y por qué es así. Él espera que los datos del Observatorio Avanzado Simons complementen los datos de otros observatorios para ayudar a pintar una imagen más clara del universo y resolver las discrepancias entre el pasado y el presente.

«Si miras los datos del universo primitivo y del universo posterior, son muy consistentes excepto por algunas cosas desordenadas que no están muy ordenadas», dijo Ahmed. “¿Fue una casualidad? ¿O hay algo en la física fundamental que aún no hemos descubierto o comprendido?

Increíblemente construido

Equipos de todo el país están trabajando para diseñar y desarrollar varios aspectos de los telescopios, detectores y sistemas de datos que permiten estas observaciones. Por ejemplo, Ahmed y sus colegas están diseñando un sistema que convierte las señales eléctricas de los detectores del Gran Telescopio del Observatorio Simons en datos que se pueden compartir y analizar.

Para detectar fotones de fondo de microondas cósmicos, los sensores de los detectores deben mantenerse a temperaturas increíblemente bajas, solo una décima de grado por debajo del cero absoluto (-459,49 grados Fahrenheit). Incluso pequeñas variaciones de esa temperatura pueden alterar las mediciones, y el equipo estándar para mover y procesar esas señales genera calor.

«Hicimos algunos avances técnicos y creamos un marco sobre cómo conectar sensores superconductores a componentes electrónicos a temperatura ambiente sin sobrecargar el sistema con calor», dijo Ahmed. «El Observatorio Simons será el primer gran experimento de fondo cósmico de microondas en utilizar este programa de lectura para observaciones científicas».

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Los investigadores tienen ideas sobre lo que encontrarán en el laboratorio avanzado de Simons. Más allá del fondo cósmico de microondas, buscarán y estudiarán los orígenes de estrellas distantes, el contenido del polvo interestelar, las nubes exo-ort (capas esféricas de hielo y polvo en los bordes de los sistemas solares) y muchos otros fenómenos. Pero dadas las capacidades únicas de este laboratorio, también están abiertos a encontrar algo inesperado: encontrar alguna pieza del rompecabezas que no sabíamos que nos faltaba en el universo.

«Si puedes ver el universo de alguna manera nueva, te permites la oportunidad de sorprenderte», dijo Clark. “Durante el tiempo que los humanos nos hemos preguntado sobre las cosas, hemos tratado de entender cómo llegamos aquí y cómo funciona el universo. Realmente estamos al límite de nuestra capacidad para hacer eso.

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