01/06/2000. Berkeley News y NASA Space Science.

El pasado 26 de abril del 2000, el consorcio internacional Boomerang, dirigido por Andrew Lange, del Instituto de Tecnología de California, y Paolo Bernardis, de la Universidad de Roma "La Sapienza", anunciaron los resultados de la medida más exacta realizada hasta ahora sobre el fondo de radiación cósmica de microondas (fondo cósmico de microondas o FCM; en inglés, cosmic microwave background radiation, o CMB).

Los descubrimientos de Boomerang, cuyo nombre deriva de "observaciones en globo sobre radiación milimétrica extragaláctica y geofísica" (Balloon Observations Of Millimetric Extragalactic Radiation And Geophysics), indican de forma contundente que la curvatura del universo no es positiva ni negativa, sino plana, es decir, que en él se aplican los fundamentos de la geometría euclidea tradicional.

Esta hipótesis concuerda con la denominada "teoría inflacionaria del universo", en la que se postula que el universo se originó a partir de la violenta expansión a partir de una pequeña región subatómica (el "Big Bang").

A principios de enero del 1999 la misión Boomerang de vuelo en globo de larga duración, controlada por la NASA, completó su periplo alrededor del Polo Sur después de diez días y medio en el aire. Los instrumentos suspendidos a 37 kilómetros de altitud, realizaron millones de medidas sobre pequeñas variaciones en la temperatura del fondo de radiación cósmica de microondas a lo largo de una franja de cielo que cubría aproximadamente el 3 por ciento del total. La Fundación Nacional de la Ciencia (National Science Foundation, o NSF) suministró apoyo logístico tanto en el despegue como en la recuperación del instrumental.

"Este es el conjunto de datos sobre el fondo de radiación cósmica de microondas mayor y más preciso de los obtenidos hasta ahora", comentó Julian Borrill, miembro del equipo Boomerang, astrofísico y científico informático en el NERSC. A partir del conjunto de datos, el equipo Boomerang  ha sido capaz de realizar el mapa sobre fluctuaciones en el fondo de radiación cósmica de microondas más preciso visto hasta la fecha.

A partir de estos datos los investigadores dedujeron el "espectro de intensidad", una curva que registra la amplitud de las fluctuaciones en diversas escalas angulares, y que contiene información de características del universo tales como su geometría y cuanta cantidad de materia y energía contiene.

Para deducir el espectro, Borrill utilizó la potencia de proceso en paralelo del supercomputador Cray T3E del Centro Nacional de Computación Científica e Investigaciones sobre Energías (National Energy Research Scientific Computing Center, NERSC) del Laboratorio Nacional Berkeley en Lawrence, dependiente del Departamento de Energía de los EEUU. Utilizó un paquete de software desarrollado por él y denominado MADCAP  ("microwave anisotropy dataset computational analysis package", "paquete de análisis computacional sobre datos de anisotropía de microondas").

Los cálculos requirieron 50.000 horas de tiempo de procesador, y hubiera llevado casi seis años para completarse si se hubiera ejecutado en un ordenador personal de sobremesa. En el Cray T3E, no obstante, el tiempo de proceso total del proyecto totalizó menos de 3 semanas.

Todos los experimentos sobre fondo de radiación cósmica de microondas buscan determinar el estado del universo en un periodo de alrededor de 300.000 años después del Big Bang, cuando el universo se enfrió lo suficiente como para que los protones y electrones formasen átomos de hidrógeno. En ese momento, los fotones fueron liberados de lo que había sido una sopa primordial formada por partículas subatómicas. Esos fotones han estado viajando a través del espacio desde ese tiempo. Su longitud de onda se ha expandido hasta la escala de microondas y su frecuencia se ha reducido hasta el equivalente a la radiación de un cuerpo negro a sólo 2,73 grados Kelvin.

El primer paso para deducir la información a partir de las observaciones del FCM fue cartografiar las pequeñas fluctuaciones en esta radiación de fondo, variaciones de temperatura de no más de una parte entre 100.000, que mostraron una pequeña hetereogeneidad repartida por todas partes en el antiguo universo, un periodo en el que el universo estaba en un estado mucho más simple que el de la actualidad.

"Básicamente hemos separado los tres componentes de la temperatura para cada uno de los puntos observados del espacio", explica Borrill. "Por un lado tenemos el ruido instrumental. Tabién están las fuentes de fondo para la radiación de microondas, como el polvo. Finalmente están las variaciones intrínsecas en la temperatura del FCM, que es lo que intentamos medir".

"Comenzando con millones de observaciones, debemos separar los diferentes componentes", comenta Borrill. "Cada uno de ellos se expresa mejor por separado, pero para expresarlos conjuntamente, necesitamos un marco común. Normalmente utilizamos el más manejable, que es un dominio de pixels. En otras palabras, hacemos un mapa".

Entre las decenas de miles de pixels del mapa, cada uno está hecho combinando la información de muchas observaciones realizadas en momentos diferentes del vuelo en globo. En el mapa resultante es fácil identificar las fuentes de fondo como quasars o el plano de la galaxia, y el polvo puede ser detectado por su firma espectral, "que es por lo que realizamos los mapas a varias frecuecias", comenta Borrill, Comparando las observaciones efectuadas en momentos diferentes mejoramos la relación señal-ruido, aunque se trata de una operación computacionalmente costosa.

Deducir el espectro de intensidades del mapa, el siguiente paso del análisis, es incluso un reto mayor. Debe determinarse la intensidad característica del fondo de microondas en varias escalas angulares.

"La idea es ignorar todos los otros objetos y aislar sólo la contribución del fondo cósmico de microondas", comenta Andrew Jaffe. "Hemos reducido los miles de pixels del mapa a aproximadamente una docena de números, que representan puntos diferentes a lo largo de la curva del espectro de intensidades, y vemos como como encajan en las curvas características de los diferentes modelos de universo".

"El programa MADCAP encuentra la intensidad en cada escala angular para cada uno de los puntos a lo largo de la curva",comenta Borrill. "Investigamos a lo que se parecería el FCM, en un trozo del universo que tuviera tal o cual forma e historia". Cuando se encuentra la curva correcta, esta permite a los astrofísicos distinguir entre los diversos modelos  sobre el origen del universo, su evolución y estructura actual.

Aunque tanto la realización del mapa como la deducción espectro de intensidades requieren comparar cada pixel de su conjunto de datos con todos los otros pixels, en principio sólo necesita hacerse una vez para elaborar el mapa, mientras que debe hacerse una docena de veces o más (una vez por cada punto de la curva), para deducir el espectro de intensidades.

"Estamos al límite de lo que es manejable con los algoritmos y supercomputadores de hoy", comenta Borril. "Este es un trabajo que se vuelve más difícil con cada experimento".

El análisis de los datos del vuelo antártico del Boomerang ha producido un grado impresionante de fiabilidad sobre uno de los parámetros cósmicos fundamentales. El espectro de intensidades del Boomerang establece que el universo es plano, esto es, de geometría euclídea, no curva. Combinado con otras medidas cosmológicas, tales como estudios de supernovas distantes efectuadas por el Proyecto de Cosmología de Supernovas (Supernova Cosmology Project), afincado en los Laboratorios Berkeley, los resultados de Boomerang respaldan el surgimiento de "un modelo de concordancia" de un universo plano relleno de energía oscura que puede corresponder a la constante cosmológica propuesta en primer lugar por Albert Eistein en 1917.

Conjuntos de datos de diez a cien veces mayores a los de Boomerang se recogerán por le satelite MAP de la NASA, que será lanzado a finales de este año, y por el PLANCK de la Agencia Espacial Europea (ESA) a lanzar en el 2007. Para tratar esos conjuntos de datos masivos deberán desarrollarse nuevas estrategias computacionales.

"Podríamos hacer un mapa de muy alta resolución pero analizar solo una muy pequeña parte de él, o", y esta es la alternativa que Borrill prefiere, "podríamos desarrollar nuevos algoritmos. Ahora que tenemos un método que funciona, podemos probar nuevas ideas con él".


BorNet desea agradecer a los Laboratorios Berkeley y a la NASA su autorización para la divulgación de esta noticia.

 

ENLACES RELACIONADOS: Programa MADCAP. [+] Proyecto Boomerang (web 1). [+] Páginas del NERSC. [+] Proyecto Boomerang (web 2). [+]