Miércoles 6 de mayo de 2015
Es lindo pensar que entendemos parte del mundo que nos rodea. "El placer de observar y comprender es el regalo más bello que nos da la naturaleza", dijo Einstein. Es tan cierta esta afirmación que abruma y es en lo que se muestra intratablemente difícil donde surge la oportunidad de encontrar esa belleza. En 1970, Rashid Sunyaev y Yakov Zel'dovic –el primero estudiante del segundo en la Unión Soviética de la post guerra– tomaron esa búsqueda y nos legaron una herramienta esencial para comprender el universo, el efecto Sunyaev-Zel'dovic.
Vamos directo al fenómeno. Unos 380.000 años después del Big Bang (cuando el universo solo tenía 0,03% de su edad actual), el cosmos se enfría y los átomos, principalmente hidrógeno, se neutralizan dejando que la radiación resultado de esto fluya libremente. Esa luz, llamada "fondo cósmico de microondas" (Cosmic Background Radiation, CMB, en inglés) fue detectada por primera vez en 1964 por Penzias y Wilson. Al igual que cualquier objeto, el universo se puede caracterizar por una temperatura. A medida que transcurre el tiempo, esta temperatura disminuye. La distribución de energía, es decir su espectro, hoy es altamente parecido al espectro de un cuerpo negro a unos -270 grados Celsius.
Sunyaev y Zel'dovic predijeron que los fotones del CMB que viajan desde tempranas épocas del universo sufren pequeños cambios en su energía al interactuar con el plasma –gas ionizado– concentrado en cúmulos de galaxias, lo que se denomina como el efecto Sunyaev-Zel'dovic térmico (tSZ). La consecuencia de esto es una distorsión del espectro de cuerpo negro del CMB causada por el choque de fotones del CMB con electrones calientes del plasma. Lo notable es que la frecuencia de la señal, o la longitud de onda del fotón, no cambia con la distancia al cúmulo de galaxias, lo que permite estudiar con precisión sus propiedades físicas. Agrupando los cúmulos de acuerdo a sus características, conociendo la distancia entre ellos, y suponiendo que la mayor parte de la masa del universo está en cúmulos, podemos estudiar la estructura de gran escala del universo.
En cúmulos de galaxias el plasma tiene temperaturas del orden de las decenas de millones de grados Celsius. Con la tecnología moderna es relativamente fácil detectar el efecto tSZ, el que ha sido repetidamente observado.
Hilando fino, si el cúmulo tiene velocidad peculiar, es decir si se mueve con respecto a otros cúmulos en el universo, parte de su energía cinética es, a su vez, adquirida por los fotones del CMB. Este fenómeno, que se denomina efecto Sunyaev-Zel'dovic Cinético (kSZ), causa una modificación al CMB que conserva la forma de su espectro. Así, un cúmulo que se aleja del observador en la Tierra disminuirá la temperatura del CMB por cerca de una millonésima de grado, mientras que un cúmulo que se acerca al observador aumentará la temperatura del CMB. Si se detecta este efecto, se logra comprender la formación de estructuras en el universo, a través de la dinámica de los cúmulos. Al contrario que el tSZ , la detección del efecto kSZ es un desafío para la tecnología actual ya que su intensidad es un orden de magnitud más débil.
El efecto es detectado en frecuencias de radio y tiene una propiedad única. Se caracteriza por un decremento en el espectro del CMB a los 140GHz y un incremento a partir de los 270GHz, la que sirve para detectarlo inequivocamente. Necesitamos telescopios (antenas) e instrumentos muy sensibles y especiales, como el Telescopio Cosmológico de Atacama, ubicado en el Parque Astronómico Nacional cerca de San Pedro de Atacama. Nuestra trabajo con este telescopio consiste en la detección de cúmulos de galaxias, a través de la señal que deja el efecto SZ en el CMB. Esos datos, junto con los obtenidos con otros telescopios ópticos, infrarrojos y de rayos X, nos permite estudiar sus características físicas y entender mejor estos masivos objetos y, finalmente, la evolución de universo.
