sábado, junio 11, 2005

La contaminación del primer pico

Las anisotropías del fondo cósmico de microondas son desviaciones de la curva del cuerpo negro a una temperatura de 2,73° K. Su valor es de una diezmilésima de grado aproximadamente. Se clasifican en anisotropías primarias y secundarias. Las anisotropías primarias son anisotropías de cuando el universo tenía unos 400.000 años, es decir, eran desviaciones sobre la curva del cuerpo ya entonces y que se han mantenido hasta ahora. Si sólo existieran las anisotropías primarias veríamos hoy la misma imagen del fondo que entonces, solo que más fría. Pero esa imagen no es exáctamente la misma y la causa de ello son las anisotropías secundarias, que son generadas debido a la interacción de la radiación con la materia en el tiempo que va desde la recombinación hasta ahora.

Entre las anisotropías primarias se encuentran los picos acústicos. Antes de la recombinación existe un plasma de electrones, protones, neutrones y fotones, en el que los fotones interactúan con los electrones impidiéndolos ligarse a los protones para formar hidrógeno neutro. Por otro lado, la presión de la radiación actúa en contra de la gravitación de los bariones (protones y neutrones), impidiéndoles colapsar gravitacionalmente. La dinámica es como la de un oscilador armónico (un muelle): Una inhomogeneidad de densidad intentará colapsar, pero la presión de la radiación se lo impedirá y empezará a oscilar (compresiones y rarefacciones). Las inhomogeneidades de densidad se modelan separándolas en una serie de "modos" con distintas longitudes de onda. Una función cualquiera normalilla con altos y bajos -en este caso de densidad- puede ser descompuesta en una suma de sinusoidales (en el caso del cielo se trata de una suma de armónicos esféricos) cada una de las cuales contribuye con un factor. La compresión-rarefacción de mayor tamaño que podemos observar corresponde al colapso de una inhomogeneidad de densidad del tamaño del horizonte en aquella época. Inhomogeneidades mayores existen, pero no oscilan, al desaparecer el fluido inmediatamente después de la recombinación (los fotones se desacoplan de los bariones). Al tratarse de una compresión-rarefacción del fluido habrá un efecto directo sobre la temperatura de él y por tanto de los fotones, de ahí que sea una anisotropía.

Esa compresión-rarefacción la vemos hoy en los datos del fondo formando lo que se conoce como el “primer pico” correspondiente con un "modo" de una escala de un grado angular en el cielo (el modo l = 200). La potencia del primer pico da información sobre los potenciales gravitatorios existentes (la cantidad de materia), así como la dinámica de la oscilación (la fracción de bariones) y es la fuente esencial de información cosmológica en el fondo cósmico de microondas.

Una de las anisotropías secundarias es el efecto Sunyaev-Zeldovich (SZE). Para entenderlo mencionemos primero que los cúmulos galácticos contienen una gran cantidad de gas circundando a las galaxias. Se trata de un plasma ionizado, que tiene una masa de hasta seis veces mayor a la masa de la materia bariónica galáctica y que, dada su alta temperatura a unos 10^6 K, emite rayos-X. Los fotones del fondo cósmico de microondas interactúan con los electrones libres del gas intracumular (scattering de Compton inverso) y obtienen energía de ellos, saliéndose de la curva del cuerpo negro que conforman. El resultado es una anisotropía. Los fotones son desplazados a frecuencias mayores, cosa que resulta en que la parte de Rayleigh-Jeans del espectro de Planck parezca más fría y la parte de Wien más caliente. Como los detectores trabajan fundamentalmente en la parte de Rayleigh-Jeans se dice que el SZE provoca un enframiento. La anisotropía depende de la densidad y la temperatura de los electrones del medio intracumular, parámetros que están relacionados con la masa del cúmulo galáctico.

Para calcular la contribución del SZE al fondo (espectro angular del SZE) se procede de la siguiente forma: Se calcula la cantidad de cúmulos de distintas masa y para distintas distancias y tamaños, concrétamente, para distintos tamaños angulares en el cielo de los cúmulos galácticos. Cúmulos galácticos los hay desde varios grados (cúmulos de Virgo y Coma) hasta escalas de arcominuto y menores. De ahí, con su masa, se puede pasar a estimar la intensidad del efecto de Compton inverso a distintas escalas angulares. La contribución aumenta a medida que disminuye la escala angular.



La contribución del SZE al modo l = 200 (vease arriba) se cree bien determinada y se cree no excesivamente relevante, en teoría.

En la práctica la cosa es compleja. Para saber con certeza la contribución del SZE a las distintas escalas angulares, hace falta correlacionar espacialmente los cúmulos galácticos con sus conocidas masas, con anisotropías en el fondo, que correspondan al valor esperado. Esto no estaba al alcance de la tecnología hasta hace poco y los primeros estudios serios empiezan a aparecer.

En uno de ellos ya del 2003, del que se hace eco esta noticia también algo antigua, se afirma que la controbución del SZE es tal que el primer pico podría estar “contaminado” hasta un 30%, de forma que las conclusiones sobre el modelo cosmológico que se han obtenido hasta ahora de él serían incorrectas. Las conclusiones del estudio ya han sido puestas en duda aquí. No está dicha la última palabra todavía sobre este tema...

2 comentarios:

exec dijo...
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alshain dijo...
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